Tuumafsika J Mller M Reinart Viljandi Maagmnaasium Teemad

Tuumafüüsika © J. Müller, M. Reinart Viljandi Maagümnaasium

Teemad:

Aatomi tuum (nukliid) • Tuum on aatomist 100000 korda väiksem. Aatom ~10 -10 m =1Å (ongström) tuum ~10 -15 m • Aatomi mass on koondunud peamiselt tuuma. ( Üle 99%). • Ühe kindla keemilise elemendi tuumas on alati kindel arv (+) prootoneid kuid võib olla erinev arv neutroneid

Tuuma tihedus: Prootonite ja neutronite koguarv: A (massiarv) Prootonite arv: Z Neutronite arv: N A=Z+N

Keemilise elemendi tähistamine kus X on elemendi sümbol. Näiteks tähistab argooni tuuma, mis sisaldab kokku 40 nukleoni, sealhulgas 18 prootonit ja 22 neutronit.

Isotoobid Antud keemilise elemendi tuum võib sisaldada erineva arvu neutroneid. Näiteks süsiniku (Z = 6) tuumas on alati 6 prootonit, kuid neutroneid võib seal olla 5, 6, 7, 8, 9 või isegi 10. Tuumi, mis sisaldavad sama arvu prootoneid, kuid erineva arvu neutroneid, nimetatakse isotoopideks.

Süsiniku isotoobid Nii on nukliidid kõik süsiniku isotoobid Looduses kõige levinum:

Stabiilsete isotoopide prootonite ja neutronite arvu võrdlus

• Uraani isotoobis on 92 prootoni kõrval koguni 238 -92=146 neutronit.

Ülesandeid: Mitu prootonit ja neutronit on 92 U 235 tuumas? Mitu elektroni on aatomis? Kasutades Mend. tabelit leia milliste ainete aatomis on 51 elektroni. Mille poolest erinevad 92 U 234, 92 U 235, 92 U 238

Pisut ajalugu • Üleeelmise sajandi lõpul (1890 - …) oli populaarne uurimisteema füüsikute hulgas nn järelhelendus. • Mõned ained (eelkõige uraanisoolad) jätsid jälje fotoplaadile ilma et fotoplaat oleks saanud valgust. • Järeldus: Need ained tekitavad mingit uut tüüpi kiirgust • See kiirgus põhjustas ka elektrilaengute kadumist elektromeetrilt.

Becquerel

Pisut ajalugu • 1898. a. algul leidis teine prantsuse füüsik Maria Curie (Sklodowska) veel teise sellise aine -tooriumi. • Mitmest tonnist uraniidist (uraani looduslik maak) õnnestus tal 1898. a. juulis eraldada uus tugevasti kiirgav aine - poloonium. • Sama aasta detsembris aga eriti intensiivne aine - raadium (radius-kiir ; raadium-kiirgav) Temalt ka nähtuse nimi - radioaktiivsus

Maria Curie (1867 -1934)

Kiirguse omadused Esiteks avastati kiirguse liigid. β Ra Rutherfordi klassikaline katse. γ α

Kiirguse omadused (α-kiirgus) Teiseks leiti et, radioaktiivsetel kiirgustel on erinev läbitungimisvõime β 0, 1 mm paberleht kaotab ekraanil alfa kiirgusest tingitud laigu. γ

Kiirguse omadused (β-kiirgus) Radioaktiivsetel kiirgustel on erinev γ läbitungimisvõime Paari mm alumiiniumleht kaotab ekraanil beeta- kiirgusest tingitud laigu.

Kiirguse omadused (γ-kiirgus) Radioaktiivsetel kiirgustel on erinev läbitungimisvõime γ Ühe cm seatinaleht vähendab gammakiirgust poole võrra.

Kiirguse olemus. • α- osake on heeliumi aatomi tuum • β- osake on kiiresti liikuv elektron • γ- osake on elektromagnetkiirguse kvant

α-lagunemine Tuum, emiteerides α-osakese kaotab sellega 2 prootonit ja 2 neutronit Üldjuhul võib -lagunemise reaktsiooni esitada järgmisel kujul:

β-lagunemine Tuum, emiteerides β –osakese, ehk elektroni, saab juurde ühe prootoni, massiarv ei muutu: Üks neutron peab siis muutuma prootoniks Selle protsessi käigus tekib lisaks elektronile veel üks osake, millele on antud nimeks neutriino – väike neutron

Neutriino (ka antineutriino) kujutab endast neutraalset, peaaegu massita, valguse kiirusega levivat osakest, mida on äärmiselt raske avastada. Tema roll β-lagunemisel on seotud energia jäävusega, mis ilma neutriinota oleks rikutud.

γ-lagunemine γ-kiirgus on seletatav tuuma üleminekuga ergastatud olekust põhiolekusse (analoogiliselt aatomi olekumuutusega).

Lagunemise nihkereegel α lagunemisel nihkub element 2 ruutu perioodilisuse tabelis ettepoole. 238 --- Th 234 + α U 92 90 β lagunemisel nihkub element 1 ruudu tabelis tahapoole. 234 --- Pa 234 + β Th 90 91

Kiirguse omadused • α- kiirgus osutus väga suureks 13700 ioonipaari oma teel(3, 3 cm) • β- kiirguse ioniseerimisvõime on ligi 100 korda väiksem • γ- kiirguse oma aga 10000 korda väiksem

Kiirguse omadused Radioaktiivsetes ainetes peituvad tohutud energia varud. Näiteks selgus, et 1 g raadiumi eraldab tunnis 140 cal soojust ja seda aastate vältel ilma, et oleks märgata raadiumi massi vähenemist. (100 g vett - 1, 4 kraadi soojemaks)

Spintariskoop

Geiger-Mülleri loendur

Wilsoni kamber

Paks emulsioon Emulsioon (Br-Ag) alus

Radioaktiivsuse muutumine ajas Radioktiivsete tuumade arv N väheneb antud ainekoguses aja jooksul seaduse See on radioaktivse lagunemise seadus kohaselt. Siin N 0 on tuumade arv alghetkel, t on kulunud aeg ja λ on lagunemiskonstant (iseloomustab lagunemise tõenäosust ajaühikus)

Radioaktiivsuse muutumine ajas 2 Radioaktivse lagunemise seadus on eksponentsiaalne seos ja tema graafik

Olulisem näitaja on aga: Radioaktiivse aine aktiivsus See on ajaühikus lagunenud tuumade arv mis samuti väheneb eksponentsiaalselt

Aktiivsuse ühik 1 bekrell (Bq)

Poolestusaeg T

Poolestusajad on vahemikus

• Kuna laetud osakesed on suutelised ioniseerima aatomeid ja molekule (lööma neist välja elektrone), siis nimetatakse sellist kiirgust ka ioniseerivaks. • Just oma ioniseeriva toime tõttu võib tuumakiirgus esile kutsuda märkimisväärseid muutusi aines, millesse kiirgus satub.

Kiirguse poolt organismile tekitatud kahjustusi võib üldjoontes jagada kaheks: • somaatilised (kehasse puutuvad: kr k sôma – keha). Nende kahjustuste puhul on tagajärjeks vähktõbi või kiiritushaigus, mille sümptomid on iiveldus, väsimus, juuste väljalangemine jms; ja suuremate kiirgusdooside korral isegi surm. • geneetilised kahjustused on seotud muutustega reprodutseerivates rakkudes, mille mõju avaldub kahjustuse saanud isiku järglastes.

Kiirguse mõju ainele iseloomustatakse neeldunud doosi abil • SI-s on doosiühikuks 1 grei (Gy), mis vastab kiirguse hulgale, mil keha massi 1 kg kohta on neeldunud energiat 1 J: 1 Gy = 1 J/kg

Kiirguste suhtelise bioloogiline efektiivsus • Igal kiirgusliigil on erinev bioloogiline efektiivsus:

Efektiivne doos: SI-s on efektiivse doosi ühikuks 1 siivert (Sv), mis võrdub greides mõõdetud neeldunud doosi ja suhtelise bioloogilise efektiivsuse korrutisega.

Looduslikud kiirgusallikad: Keskmine loodusliku fooni doos on umbes 3 m. Sv (millisiivertit) aastas

Kiirguse mõju inimorganismile sõltub suurel määral ajavahemikust, mille jooksul teatud doos on saadud. Nii on 10 siivertist suurem lühiajaline doos inimesele surmav. 5 siiverti suuruse lühiajalisele kiirituse korral järgneb surm umbes 50% juhtudel 1– 2 kuu jooksul. Väiksemate dooside korral võib inimene mitmeaastase peiteaja järel haigestuda vähktõppe. Geneetilisi muutusi, mis võivad ilmneda hoopis hiljem, on aga käesoleva ajani veel võrdlemisi vähe uuritud

Dosimeetrid –kiirgusdoosi mõõtjad

Tuumareaktsioonid α- ja β-lagunemised on spontaansed (iseenesest kulgevad) tuumareaktsioonid Tuumareaktsioone saab ka esile kutsuda, kui teatud tuumasid pommitada teiste tuumade või tuumaosakestega Näiteks N tuuma pommitamine α -osakesega

Looduslik kiirgus põhjustab: Nii näiteks tekib atmosfääris kosmilises kiirguses leiduvate neutronite põrkumisel lämmastikuga süsiniku radioaktiivne isotoop Poolestusaeg 5730 a. Selle isotoobi ja süsiniku tavalise isotoobi kontsentratsioonide suhe on eluslooduses konstantne. Organismi surma järel hakkab konts. vähenema

Neutronite osatähtsus • Neutronid osutusid üldse väga sobivaks vahendiks tuumareaktsioonide esilekutsumiseks • sest on laenguta • omavad piiavalt suurt massi • seetõttu võivad kergesti läheneda tuumadele (pole el. -mag. tõukumist)

Uraani tuuma pommitamisel neutroniga tekivad kaks kildtuuma ja veel kolm neutronit

Tuuma seoseenergia • Kui me püüaksime lõhkuda tuuma algosadeks (prootoniteks ja neutroniteks), siis selleks tuleb teha tööd, st kulutada teatav hulk energiat • Tuuma seoseenergia võrdub tööga, mida tuleb teha selleks, et viia tuuma nukleonid üksteisest sellisele kaugusele, kus nad üksteist enam ei mõjuta.

Eriseoseenergia ehk seoseenergia ühe nukleoni kohta kõige tugevamini on nukleonid omavahel seotud tuumades, mille massiarv on 50 ja 60 vahel

Tuumaenergia vabaneb seoseenergia suurenemise suunas: • Raskete tuumade lõhenemisel • Kergete tuumade ühinemisel

Termotuumareaktsioon: deuteeriumi ja triitiumi ühinemine

Massidefekt Tuuma seoseenergiat võib iseloomustada ka massidefekti kaudu • Nimelt tuuma täielikul lõhustamisel selle koostisosakeste – nukleonide – kogumass erineb tuuma kui terviku massist teatud suuruse võrra kus m on tuuma mass, vastavalt prootoni ja neutroni mass ning Z ja N nende arv tuumas

Aatomi massiühik: Ligikaudu u=1. 660 × 10− 27 kg

Ahelreaktsioon

Ahelreaktsioon

Kriitiline mass Väikesest uraanikogusest lendab liialt palju neutroneid tuuma tabamata välja. Aine massi milles neutronite paljunemistegur on suurem kui 1 nimetatakse kriitiliseks massiks.

Aatompomm Uraan Neutroneid peegeldav kest Süüteseade Püssirohi

“Little Boy” Pikkus: 3 meetrit Läbimõõt: 71, 1 cm Kaal: 4, 4 kg Kütus: väga rikastatud uraan Esimene tuumarelv, mida kasutati sõjas

Tagajärjed: • Hiroshima linnast hävis 60% (6. aug. 1945) • Kohe sai surma umbes 80 000 inimest • Pärast pommi plahvatamist saadud haavadesse ja kiiritushaigustesse suri veel 60 000 inimest. • Enne plahvatust oli linna elanike arv 420 000

“Fat Man ” Pikkus: 3, 25 meetrit Läbimõõt: 1, 5 m Kaal: 4, 656 kg Kütus: väga rikastatud plutoonium

Tagajärjed: • Nagasakile 9. aug. 1945 heidetud pomm hävitas üle kolmandiku linnast. • Kohe sai surma üle 30 000 inimese • Hiljem suri saadud haavadesse ja kiiritushaigustesse veel 140 000 inimest

Tuumareaktor

(Aatomi) Tuumaelektrijaam

Vabanev energia • Ühe uraanituuma jagunemisel eraldub 3, 0204. 10 -11 dzauli energiat. • Ühe grammi uraani täielikul lagunemisel aga ~ 2. 1011 J, mis vastab 3, 5 t kivisöele. • Energia eraldumise põhjus: Ba + Kr mass on väiksem kui uraani mass. ∆m E = ∆m. c 2

Raskete tuumade lõhustumine • Tänu massidefektile eraldub tohutu energia hulk vähesest kütusest. • 30 g ööpäevas --- 100 t kivisütt 1954 • Kütuse veokulud väikesed. • Tööks ei vaja õhku (hapnikku). • Kiirgusohtlik. ( avarii korral ) • Laguproduktide “ matmine”.

Saaste ulatus Tšernobõli tuumareaktori avariis

Kergete tuumade liitmine • Massidefekt on oluliselt suurem, seega saadud energia hulk sammuti. • Kütuseks vajalikku deuteeriumi ja triitiumi on ookeanis piiramatul hulgal • Puuduvad radioaktiivsed jäätmed. • Inimkond ei oska veel termotuumareaktsiooni juhtida. (108 kraadi)

Termotuumareaktsioon • 2 + H 3 --- He 4 + n 1 H 1 1 2 0 • 6 + n 1 --- He 4 + H 3 Li 3 0 2 1 Aatommassiühik – 1 u = 1, 66. 10 -27 kg.

Eralduv energia • 1 2 H + 1 3 H --- 4 He + 2 • ∆E = 2, 8. 10 -12 J 0 1 n • N = 1, 5. 1023 aatomit (1 g) • E = 4, 2. 1911 J • m = 15, 6 tonni kivisütt

Vesinikpomm Mark-17 (Rahvuslikus Tuuma Muuseumis) • Sellist pommi katsetati New Mexicos aastal 1957 • Peaaegu 30 aastat ei teadnud avalikkus lõhkamisest midagi, sest kõik ettekanded olid selle kohta salastatud

Elementaarosakesed Makroskoopiliste kehade väikseimate koostisosakesed on keemilised elemendid Aatom, ega ka aatomi tuum pole enam ammu elementaarne, temast saavad eralduda: • prooton, neutron • elektronid • gamma kvant, kiirguse osake

Elementaarosakeste füüsika • algus 1935. a. • jaapani füüsik Hideki Yukawa ennustas uue osakese olemasolu, mille mass pidi olema umbes 200 korda elektroni massist suurem • pioon ehk π-meson – avastatigi 1947. aastal kosmilistes kiirtes • elementaarosakesi on hiljem avastatud päris palju • Nende eluiga on makroskoopilisest vaatepunktist lähtudes kaduvväike (< 10 -8 s), kuid ilma nendeta ei saa seletada mateeria ehitust

Elementaarosakesed jagunevad: • • Leptonid (elektron, müoon, neutriino ja nende antiosakesed) ei allu tugevale vastastikmõjule. Hadronid on osakesed, mille vastastikmõju on põhjustatud tugevast tuumajõust. Hadronid jagunevad kahte alarühma: – barüonid (prooton, neutron jt), mille nn barüonarv on +1 (antiosakestel -1); – mesonid (pioon, kaoon jt), mille barüonarv on 0. • Vahebosonid (footon, W- ja Z-osakesed) osalevad elektromagnetilises (footon) või nõrgas (W- ja Zosakesed) vastastikmõjus.

Traditsiooniliselt: aine ja väli kui kaks erinevat mateeria eksisteerimise vormi • Elementaarosakeste korral ilmneb sellise jaotuse tinglikkus, sest aine- ja väljaosakeste omavaheline seostatus on väga suur

Elementaarosakesed, mis on fundamentaaljõudude vahendajateks Enamikul elementaarosakestest on olemas ka vastavad antiosakesed. Esimesena neist avastati elektroni antiosake positron

Elementaarosakeste uurimiseks kasutatakse kiirendeid seadmeid, mis võimaldavad laetud osakestele anda täiendavat energiat elektri- või magnetvälja abil

KAS PROOTONID JA NEUTRONID ON ELEMENTAAROSAKESED? • 1963. aastal esitasid ameerika füüsikud M. Gell-Mann ja G. Zweig prootonid ja neutronid koosnevad veelgi fundamentaalsematest osakestest – kvarkidest • kvarke olema kolme erinevat sorti, millele anti nimeks u-, d- ja s-kvargid • Kvarkide elektrilaeng peaks olema vaid murdosa elektroni laengust • Seega elementaarlaeng ei olegi jagamatu

Prooton, neutron ja kvargid peeti vajalikuks omistada kvarkidele veel üks tunnus – värvus ja värvilaeng

KAS PROOTONID JA NEUTRONID ON siis ikka ELEMENTAAROSAKESED? • Mis puutub aga küsimusse, kas prootonid ja neutronid on elementaarosakesed, siis võib ikkagi väita, et on küll. • Kuigi mõlemad koosnevad kvarkidest, ei ole loota, et mingites protsessides võiks kohata vabu kvarke kui eraldi osakesi. • Igatahes füüsikateaduse praeguselt arengutasemelt vaadatuna on see nii.