Tuumafüüsika (0)

Tuumafüüsika

• Radioaktiivsuse avastamine
  

Radioaktiivsus on aatomituumade iseeneslik muunudumine, selle avastas juhuslikult Becquerel aastal 1896. Ta avastas, et kui teatud aineid valgustada, siis nad kiirgavad pärast (vahel ka röntgenkiiri). Ta võttis ained ja viis päikse kätte, et päikese kiired langeksid peale. Siis pani ta need ained fotoplaadile, ilmutas plaadi ja seal oli kiirgus nähtav. Ainete hulgas olid ka uraanisoolad. Ühel päeval aga päikest polnud, ta pani uraanisoolad koos fotoplaadiga sahtlisse ja unustas need sinna. Hiljem leidis need uuesti ja otsustas plaadi ilmutada. Tema üllatuseks oli näha, et aine kiirgas ise. Becquerel leidis seega,et uraan suudab õhku ioniseerida ning uraanist tulev kiirgus ajas ei muutu. Kiirgus on omane uraanile (elemendile) mitte ühendile. Ehk siis kõik ühendid kus on uraan on radioaktiivsed.
Curie'd otsisid erinevaid aineid mis kiirgavad, leidsid ka täiesti uue keemilise elemendi polloonium. Võtsid kasutusele mõiste radioaktiivsus. Sõnastasid seaduspärasuse: kõik elemendid, mille aatomnumber (prootonite arv) on suurem kui 83, on radioaktiivsed. Hakati uurima kiirgust: kiirgusel lasti lennata läbi magnet- või elektrivälja. Kui panna kiirguse ette metallleht, siis α- ja β-kiirgused seda ei läbi, kuid γ-kiirgus läbistas isegi kuni 1 cm paksuse plii kihi.

• Neutroni avastastamine
  

Neutroni avastas 1932. aastal Chadwick. Ta avastas, et kui pommitada berülliumi aatomeid α-osakestega, tekkib suure läbistamisvõimega kiirgus (väga radioaktiivne). Tegu polnud aga γ-kiirgusega, vaid mingi suure massiga osakesega. Osake mis ei oma laengut, kuid mille massiarv sarnane prootoni massile on neutron .

• Tuumareaktsioon
  

Tuumareaktsiooniks nimetatakse kahe aatomituuma või elementaarosakese ja aatomituuma kokkupõrge, mille tulemusena tekivad uued aatomituumad ja/või elementaarosakesed.

• Radioaktiivsuse kolm liiku , kuidas tekivad
  

Radioaktiivsus tekib kui tuuma stabiilsuse tingimised on mingil moel rikutud. Stabiilsuse tingimused:

Püsiva tuuma suurus on piiratud.

Prootonite ja neutronite energiatasemed peavad olema täidetud alates madalaimast e tuum peab olema energeetiliselt põhiseisundis.

Reeglina on stabiilses tuumas neutroneid veidi rohkem kui prootoneid.
Kui stabiilsus on rikutud, siis tekib protsess, mille käigus tuum muutub stabiilsuse suunas, vabanedes nii üleliigsest energiast. Tulemuseks on kiirgus, mida nim radioaktiivsuseks.
Stabiilsuse rikkumised:

Tuum pole põhiseisundis vaid on ergastatud, ergastatud olekust põhiseisundisse minnes kiirgab γ-kvandi.

Kui tuumas on liiga palju elektrone, tekib β-kiirgus. β-osake on elektron.

Tuum on liiga suur ning prootonitevahelised elektrostaatilised tõukejõud võtavad võimust, tuum heidab endast tükikese lahti- selleks on heeliumi tuum , seda nimetatakse α-osakeseks.

• Neutronite paljunemistegur
  

Neutronite paljunemistegur näitab ühe põlvkonna neutronite arvu suhet eelmise põlvkonna neutronite arvuga. Kui k (ehk paljunemistegur) on võrdne arvuga 1, siis toimub kontrollitud reaktsioon . See tähendab, et ühest neutronist tekib uuesti üks vaba neutron, mis saab reaktsiooni põhjustada. Kui k1 siis tekib kontrollimatu ahelreaktsioon nagu nt tuumapommis .

• Raskete tuumade lõhustamine, energia vabanemine
  

Tuumareaktsioonides tekivad uued keemilised elemendid. Sobivaim vahend tuumareaktsiooni esilekutsumiseks on neutronite voog. Neutron tänu laengu puudumisele liitub kergesti iga tuumaga , tuues kaasa reaktsiooniks vajalikku kineetilist energiat. Kui tuumaga liitub neutron siis tekkinud isotroop on ergastatud olekus ning sellega kaasneb lagunemine. Selle lagunemise käigus kiiratakse α- või β-osakese ja γ-kvante, muutudes jälle uueks isotoobiks, mis võib osutuda radioaktiivseks.

• Kriitiline mass
  

Väikese koguse aine puhul on juhusliku tuuma lõhkemisel tekkivatel neutronitel väike tõenäosus teisi tuumi kohata. Sellised neutronid väljuvas enamasti ainest ning ei kutsu esile ühegi teise tuuma lõhkemist.Sellisel juhul on k 1.

• Kergete tuumade ühinemine, energia vabanemine
  

Kergete tuumade ühinemisel kasutatakse raskevesiniku kahte aatomit, mille liitmisel tekib heelium . Prottsessi iseloomustab võrrand . Vabaneb 24 MeV energiat, sest luuakse rohkem sidemeid kui lagundatakse. Seda kasutatakse termotuumareaktsioonides, kuid seda on raske kasutada, sest reaktsiooni toimumiseks on vaja väga kõrget temperatuuri, et osakestevaheline vastastikmõju ületada ja nad liita. Selline temperatuur on saavutatud, aga energeetikas ei saa seda kasutada, selle eelis on et radioaktiivseid jäätmeid ei teki.

• Tuumareaktori ehitus
  

Tuumareaktoris on kõige ümber tugev kate nt betoonist, mis väldib kiirguse levimist mujale. Reaktori sees on tuumakütus (tavaliselt uraan või plutoonium ) ning aeglustusaine. Graniidist vardad reguleerivad vabade neutronite hulka reaktoris, et reaktsioon oleks kontrolli all ehk neutronite paljunemistegur on 1 (k=1). Varraste abil hoitakse ära k tõusmist suuremaks kui 1, sest sellega kaasneks kontrollimatu ahelreaktsioon. Tuumaprotsesside käigus vabaneva energiaga kütetakse vett mis käivitab elektrigeneraatori.

• Tuumapommi ehitus
  

Tuumapommis on radioaktiivne aine jaotatud mitmeks osaks, tavaliselt kaheks. Nende osade mass on alla kriitilise massi (kui nende mass ületaks kriitilist massi, toimuks plahvatus ). Pommis tekitatakse olukord, (nt läbi muu aine lõhkemise) kus kõik radioaktiivne aine osad surutakse kokku ning siis ületab see kriitilise massi ja tekib tuumade lõhustumine ahelreaktsioonina. Selle käigus vabanev suur energia hulk põhjustab tugeva plahvatuse.

• Seoseenergia ja eriseoseenergia. Massidefekt
  

Seoseenergia on energia, mida on vaja tuuma lõhustamiseks üksikuteks nukleonideks ehk prootoniteks ja neutroniteks. Eriseoseenergia on seoseenergia ühe nukleoni kohta, seda saab leida seoseenergia jagamisel nukleonide arvuga. Tuuma seisumass on väiksem kui nukleonide seisumasside summa. Massidefekt on nukleonide seisumasside summast lahutatud tuuma seisumass. Z*Mp+N*Mn>Mt (Z-prootonite arv, Mp- prootoni mass, N-neutronite arv, Mn-neutroni mass, Mt-tuuma mass).

• Radioaktiivsuse kasutamine
  

Radioaktiivsust kasutatakse meditsiinis vähiraviks (sest see mõjutab eelkõige kiiresti arenevaid rakke), tuumaenergia saamiseks, tuumapommide valmistamiseks, aktiivse süsinikuga vanuse määramiseks, uute ainete tootmiseks, radioaktiivseid isotroope kasutatakse nt aju uuringutel, põllumajanduses viljakehade mutatsioonil.

• Nihke reeglid
  

α-kiirgusega mingi elemendi pommitamisel tekib heelium ja uus tekkiv element, mis nihkub tabelis 2 kohta ettepoole.

β-kiirgusega pommitades tekib elektron ja element, mis nihkub koha võrra edasi.

• Poolestusaeg
  

Poolestusaeg e T on ajavahemik, mille jooksul kiirgus väheneb 2 korda.
Näide tuuma lagunemisest:
tuumaga toimuvad lagunemised järjekorraga α, β, β, α: