Tuumafsika XII klass AATOMIMUDELID Selles peatkis tuleb juttu
Tuumafüüsika XII klass
AATOMIMUDELID Selles peatükis tuleb juttu sellest kuidas on muutunud inimkonna arusaamad meid ümbritsevate kehade vundamendikivide – aatomite – ehitusest.
Ajaloolised aatomimudelid • Atomistlik maailmakäsitlus ▫ Vana-Kreeka filosoofid – atomistid (Demokritos 5. saj. e. Kr) olid seisukohal, et kõik kehad koosnevad jagamatutest koostisosakestest – aatomitest. ▫ Atomistide käsitluses oli aatomeid 5 liiki: tuli, vesi, maa, õhk, eeter ▫ 19. sajandi alguseks oli siiski teada, et erinevaid aatomeid on kokku ca 100 • Piljardipalli mudel (John Dalton, 1803) ▫ aatomid on homogeensed ja kerakujulised (läbimõõduga ca 100 pm); ▫ lihtaine aatomid on kõik ühesugused; ▫ liitainete aatomid koosnevad erinevate elementide aatomitest; ▫ keemilised reaktsioonides paiknevad erinevate ainete aatomid teineteise suhtes ümber, ainekoguse mass ei muutu
Thompsoni aatomimudel • Piljardipalli mudeli vastuolud: ▫ 1870 -del aastatel avastati katoodkiired – negatiivse elektrilaenguga “kiired”, mis tekivad vaakumisse asetatud metallitükil, mis on ühendatud vooluallika negatiivse poolusega ▫ 1896 aastal avastas Joseph John Thompson, et katoodkiired koosnevad väikestes negatiivse laenguga osakestest, mida ta hakkas nimetama elektronideks (Nobeli preemia 1906) • Thompsoni oletuse kohaselt pärinesid tema poolt avastatud elektronid aatomitest – järelikult ei saa aatomid olla homogeensed
Ploomipudingi mudel • Aatomid on kerakujulised (läbimõõduga ca 100 pm) • Aatomid on täidetud positiivse elektrilaengu massiga • Aatomid sisaldavad negatiivselt laetud osakesi – elektrone, mis saavad teatud tingimustel aatomist lahkuda
Rutherfordi katse • Ernest Rutherford püüdis 1909. aastal kontrollida Thomsoni aatomimudeli paikapidavust • Rutherfordi hüpotees: ▫ Pommitades ainet “raskete” positiivsete osakestega (heeliumi aatomi tuumadega), peaks enamik osakestest jääma ainesse kinni ja selle tulemusena laadub aine positiivselt • Rutherfordi katse: • Rutherford pommitas õhukest kuldlehte alfaosakestega ning tõdes, et ▫ enamik osakestest läks ainest (peaaegu) suunda muutmata läbi ▫ mingi hulk osakesi põrkas aga ainelt tagasi
Rutherfordi mudel Katse tulemusena esitas Rutherford uue mudeli: • enamus aatomist on tühi • aatomi keskel asub massiivne tuum, millesse on koondunud positiivne elektrilaeng • tuuma mass on ligikaudu võrdne aatomi kogumassiga • elektronid “hõljuvad” tuumalähedases ruumis nagu õhupallid
Bohri mudel • Niels Bohr’i häiris Rutherfordi elektronide “õhupallikäsitlus” – negatiivse laenguga elektronid peaksid langema tuumale, mille tulemusena aatom häviks • Bohr võrdles aatomit Päikesesüsteemiga, mille keskel asub positiivselt laetud massiivne tuum (nagu Päike) ning mille ümber tiirlevad kindlatel orbiitidel negatiivselt laetud elektronid (nagu planeedid)
Bohri mudel (2)
Bohri postulaadid • Klassikalise teooria kohaselt ei saanud ka Bohri mudel olla püsiv – elektron peaks tiireldes kiirgama elektromagnetlaineid ja langema samuti tuumale • Bohr sõnastas 1913. aastal vastuolu ületamiseks 2 postulaati: ▫ elektronid võivad tiirelda vaid kindlatel orbiitidel, millest igaühele vastab kindel energia. Nendel orbiitidel liikuvad elektronid ei kiirga elektromagnetlaineid. ▫ aatom kiirgab valgust (elektromagnetlaineid) kui tema elektron(id) läheb(vad) suurema energiaga orbiidilt madalama energiaga orbiidile
Kaasaegne elektronpilve mudel • Erwin Schrödinger ja Werner Heisenberg tõestasid 1930 -del aastatel, et elektron ei ole mitte osake klassikalises mõistes (kindla kuju ja ruumalaga), vaid meenutab pigem pilve – tema asukoht ei ole väga täpselt määramata. • Schrödinger ja Heisenberg võtsid “kindla orbiidi” asemel kasutusele aatomi kvantoleku mõiste
Erinevad aatomi kvantolekute pildid
AATOMITUUMAD Selles peatükis tuleb juttu tuumade koostisosakestest, tuumajõududest, massidefektist ja tuumade seoseenergiast
Aatomituum • Pärast tuuma avastamist Rutherfordi poolt, käsitleti seda pikka aega homogeense tervikuna, mille mõõtmeteks hinnati ca 10 -15 m • 1911. aastal püstitas Antonius van den Broek hüpoteesi, et Rutherfordi aatomituum sisaldab positiivse laenguga osakesi • 1919. aastal õnnestus Rutherfordil tõestada, et pommitades ühte ainet positiivselt laetud alfaosakestega, muunduvad ühe aine aatomid teise aine aatomiteks, kusjuures tekkivate aatomite massid erinevad teineteisest alati vesinikuaatomi tuuma täisarvkordse massi võrra – vesiniku aatomi tuuma hakati nimetama prootoniks • 1932. aastal avastas James Chadwik osakese - neutroni, mille mass oli samas suurusjärgus prootoni massiga, kuid millel puudus elektrilaeng
Tuuma tähistatakse: Prootonite arv tuumas Z, määrab ära millise keemilise elemendiga on tegu A on tuuma massiarv: A = N+Z Tuumad koosnevad prootonitest ja neutronitest
Isotoobid • Sama järjekorranumbriga, kuid erineva massiarvuga tuumasid nimetatakse ISOTOOPIDEKS • Isotoopide keemilised omadused on identsed, kuid füüsikalised omadused on erinevad • Näiteks: ▫ vesinik-1 ja vesinik-2 (deuteerium) on stabiilsed tuumad, vesinik-3 (triitium) tuuma eluiga on ca 12, 3 a ▫ süsinik-12 ja süsinik-13 on stabiilsed tuumad, süsinik-11 tuuma eluiga on ca 20 min, aga süsinik-14 oma 5730 aastat.
Tuumajõud • Aatomituumade koospüsimist ei ole võimalik selgitada senituntud jõudude (gravitatsioon, elektromagnetjõud) abil. • Tuumaosakeste vahel mõjuvad uut liiki jõud – TUUMAJÕUD – ja seda vastasmõju nimetatakse TUGEVAKS VASTASMÕJUKS • Tuumajõud on elektromagnetjõududest umbes 100 korda tugevamad • Tuumajõud on väga väikese mõjuraadiusega – nad mõjuvad ainult nende tuumaosakeste (nukleonide) vahel, mis asuvad teineteisest 10 -14. . . 10 -15 m kaugusel
Tuumade seoseenergia • Tuumade lõhkumisel nukleonideks tuleb ületada tuumajõudusid – selleks peab tegema tööd ehk kulutama energiat. Seda energiat, mis on tarvilik tuuma täielikuks lõhkumiseks, nimetatakse TUUMA SEOSEENERGIAKS • Kulutatud energia peab väljenduma massi muutuses: Täpsemad mõõtmised näitavad, et tuuma seisumass on alati väiksem teda moodustavate nukleonide seisumasside summast:
Massidefekt • Tuuma koostisosakeste ja tuuma masside vahet nimetatakse MASSIDEFEKTIKS • kus ΔM – massidefekt, Z – prootonite arv tuumas, mp=1, 6726· 10 -27 kg – prootoni seisumass; N – neutronite arv tuumas; mn=1, 6749· 10 -27 kg – neutroni seisumass; Mt – tuuma seisumass. • Massi vähenemine tuuma moodustumisel tähendab, et seejuures peab vähenema ka selle osakeste süsteemi energia ja seda tuuma seoseenergia võrra:
Näide massidefekti ja seoseenergia suuruse kohta • Heelium-4 tuuma mass on 4, 0026033 u. (1 u = 1, 6605402· 10 -27 kg - aatommassiühik) 1. Millistest osakestest tuum koosneb? 2. Kui suur on tuuma massidefekt, kui mp=1, 0072765 u ja mn=1, 0086649 u 3. Kui suur on tuuma seoseenergia? 4. Kui suur energia vabaneks 1 mooli (4 g) heeliumi moodustumisel prootonitest ja neutronitest kui 1 moolis on Avogadro arv (6, 02· 1023) osakesi? 5. 1 kg põlevkivi põletamisel vabaneb 20· 109 J energiat. Mitu kg põlevkivi tuleks põletada, et saada sama palju energiat kui vabaneb 4 g heeliumi moodustumisel?
RADIOAKTIIVSUS Selles peatükis tuleb juttu radioaktiivsusest kui loodusnähtusest, stabiilsetest ja radioaktiivsetest tuumadest, poolestusajast, alfa-, beeta- ja gammakiirgusest ning tuumareaktsioonidest.
Radioaktiivsuse avastamine (1) • Radioaktiivsuse kui nähtuse avastas 1896. aastal Henri Becquerel , kes uuris uraanisoolade iseneslikku helendamist (luminessentsi) • Becquerel avastas, et ▫ uraanisoolad kiirgavad iseeneslikku so ilma igasuguse välismõjutuseta kiirgust; ▫ selle kiirguse intensiivsus ei sõltu aine mõjutamisest (kuumutamisest, valgustamisest, keemilistest protsessidest vms); ▫ tekkiv kiirgus on küllaltki suure läbitungimise võimega ▫ tekkiv kiirgus ioniseerib aineid, mida ta läbib; ▫ kiirguse hulga määrab ainult uraani hulk preparaadis so see kiirgus on omane uraanile kui keemilisele elemendile; ▫ Becquerelile omistati 1903. a Nobeli füüsikapreemia
Radioaktiivsuse avastamine (2) • Henri Becqereli poolt avastatud ainete võimet iseeneslikult kiirguda, nimetatakse RADIOAKTIIVSUSEKS. ▫ Suure panuse radioaktiivsuse uurimisse andsid Pierre ja Marie Curie, kes avastasid hulgaliselt radioaktiivseid keemilisi elemente (poloonium, raadium jpt) ning uurisid nende omadusi ja mõju elusrakkudele • On kindlaks tehtud, et kõik keemilised elemendid, mille järjekorranumber on suurem kui 83 on radioaktiivsed ▫ Radioaktiivseid isotoope omavad peaaegu kõik keemilised elemendid
Radioaktiivsuse liigid • Ernest Rutherford avastas, et radioaktiivset kiirgust on magnetväljas võimalik lahutada komponentideks: B
α-, β- ja γ-kiirgus (1) α-kiirgus • kõige väiksema läbitungimise võimega kiirgus (teda peatab juba paberleht); • käitub magnetväljas nagu positiivselt laetud osakeste voog; • koosneb heelium-4 aatomituumadest β-kiirgus • keskmise läbitungimisvõimega kiirgus (teda peatab 2. . 3 mm paksune Al-plaat); • käitub magnetväljas nagu negatiivselt laetud osakeste voog; • koosneb elektronidest.
α-, β- ja γ-kiirgus (2) γ-kiirgus • kõige suurema läbitungimisvõimega kiirgus (1 cm paksune Pb kiht vähendab kiirguse intensiivsust kaks korda); • magnetväli ei avalda tema kulgemisele mingit mõju; • on väga väikese lainepikkusega (10 -8. . . 10 -11 m) ja väga suure energiaga elektromagnetlaine
Radioaktiivsed muundumised • Radioaktiivset kiirgust uurides tõdeti, et ▫ see kiirgus on hämmastavalt muutumatu; ▫ selle eraldumisega kaasneb märgatav energia eraldumine ning lõpuks, et • Radioaktiivset kiirgust kiirgav keemiline element muundub selle käigus teis(t)eks elemendi(tide)ks • Frederick Soddy sõnastas nn. Nihkereeglid alfa- ja beetakiirguste kohta. • Gammakiirgusega ei kaasne tuumalaengu muutumist.
Nihkereegel • Alfa-lagunemisel kaotab tuum kahekordse elementaarlaengu suuruse positiivse elektrilaengu ning tema mass väheneb ligikaudu nelja aatommassi ühiku võrra element nihkub perioodilisuse süsteemis kahe ruudu võrra ettepoole • Beeta-lagunemisel lendab tuumast välja elektron, mille tõttu tuumalaeng suureneb ühe ühiku võrra, tuuma mass aga jääb samaks element nihkub ühe ruudu võrra perioodilisuse süsteemi lõpu pool. .
Stabiilsed tuumad • Radioaktiivseid isotoope on oluliselt enam kui stabiilseid – seega on tuuma stabiilsus pigem erand kui reegel. • Selleks, et tuum saaks olla stabiilne peab olema täidetud kolm tingimust: I. Kuna tuuma suurus on piiratud, siis peab leiduma optimaalne osakeste arv, et tuuma seoseenergia oleks antud tingimustes minimaalsed II. Prootonite ja neutronite energiatasemed peavad olema täidetud alates madalaimast III. Prootonite ja neutronite energiatasemed peavad olema täidetud võrdses ulatuses
Poolestusaeg • Radioaktiivsust uurides avastati, et iga radioaktiivse isotoobi jaoks on olemas kindel aeg (poolestusaeg), mille jooksul tema kiirguse intensiivsus väheneb poole võrra. • Poolestusaeg on statistiline suurus – ta ei ütle midagi konkreetse osakese eluea kohta • Mõnede isotoopide poolestusajad: ▫ ▫ ▫ vesinik-3 (triitium) – 12, 3 aastat süsinik-14 – 5730 aastat radoon-222 – 3, 825 päeva uraan-238 – 4, 5 mld aastat plutoonium-239 – 24 400 aastat
TUUMAREAKTSIOONID Selles peatükis tuleb juttu tuumareaktsioonidest – algelisematest reaktsioonidest; raskete tuumade lõhustumis- ja kergete tuumade ühinemisreaktsioonides vabanevast energiast samuti termotuuma- ja ahelreaktsioonidest
Tuumareaktsioonide olemus • KEEMILISTE reaktsioonide käigus muunduvad reaktsioonist osavõtvad ained teisteks aineteks. Reaktsioonide käigus säiluvad KÕIK reaktsioonist osa võtnud aatomid • TUUMAREAKTSIOONIDE käigus muunduvad ühe keemilise elemendi aatomid (tuumad) teiste elementide aatomiteks (tuumadeks)
Tuumareeaktsioonid ja energia • Tuumareaktsioonides vabaneb energia seetõttu, et reaktsiooni lähtetuumade seoseenergia on alati suurem kui tekkivatel tuumadel ehk • tuumareaktsioonide lähtetuumade seisumass tekkivate tuumade omast suurem või • tuumareaktsioonides muundub alati teatav osa massist energiaks
Tuumareaktsioonide liigid TUUMAREAKTSIOONID RASKETE TUUMADE LÕHUSTUMINE KERGETE TUUMADE LIITUMINE (SÜNTEES)
Kergete tuumade süntees • Ajalooliselt kõige esimene tuumareaktsioon viidi läbi 1932. a, kui pommitati liitium-6 tuumi deuteeriumi tuumadega tulemuseks saadi 2 alfaosakest (heelium -4 tuuma)
Tehisradioaktiivsus • Kergete tuumade ühinemisreaktsioonide uurimise käigus avastati TEHISRADIOAKTIIVSUS • TEHISRADIOAKTIIVSUS on nähtus, kus tuumade pommitamisel kergete tuumadega (H, D, He-4 jpt) tekivad radioaktiivsed isotoobid, mida looduses ei leidu • Looduslikke stabiilseid isotoope on vaid 80 elemendil – kokku ca 260 tükki (keskm 3, 2 stabiilset isotoopi elemendi kohta) • Radioaktiivseid tehisisotoope on tänaseks avastatud juba üle 3000
Termotuumareaktsioonid • Kergete tuumade ühinemisreaktsioone, mille toimumise eeltingimuseks on sünteesitavate ainete väga kõrge temperatuur, nimetatakse TERMOTUUMAREAKTSIOONIDEKS • Energeetiliselt kõige perspektiivsem termotuumareaktsioon on deuteeriumi ja triitiumi ühinemine heelium-4 -ks: • Selle käigus eraldub iga ühinemisakti kohta 17, 6 Me. V (2, 816 · 10 -12 J)
Raskete tuumade lõhustumine • Raskete tuumade lõhustumiseks ei loeta neid reaktsioone, mille käigus eralduvad ainult alfavõi beetaosakesed. • Raskete tuumade lõhustumisel lagunevad tuumad mitmeks väiksema järjekorranumbri ja massiarvuga tuumaks. • Esimese raskete tuumade iseenesliku lõhustumise avastasid 1938. aastal Otto Frish ja Lise Meitner • selle reaktsiooni käigus vabaneb 168 Me. V (2, 69· 10 -11 J) energiat
Ahelreaktsioonid • Raskete tuumade lõhustumisel vabanevad neutronid võivad põhjustada järgmiste uraanituumade lõhustumist – seda nähtust nimetatakse ahelreaktsiooniks • Ahelreaktsioonides suureneb lõhustuvate tuumade hulk geomeetrilises progressioonis • Ahelreaktsioon saab käivituda, kui potentsiaalselt lõhustuda võivate tuumade hulk on piisav ehk ainekogus ületab teatava kriitilise väärtuse nö KRIITILISE MASSI • U-235 tuumade ahelreaktsiooni käivitamiseks peab selliste tuumade mass (eeldusel, et ainetükk on kerakujuline) ületama 0, 9 kg. Pu-239 tuumade jaoks on kriitiline mass ca 0, 3 kg
TUUMAENERGIA Selles peatükis tuleb juttu tuumareaktsioonidel vabaneva energia praktilistest väljunditest nagu tuumapomm, tuumareaktor, vesinikupomm, termotuumareaktor
Tuumapommi kronoloogia • 1933. a – ungari teadlane Leó Szilárd patenteerib ahelreaktsiooni kasutamise idee tuumapommis ja tuumareaktoris • detsembris 1938 – avastavad saksa keemikud Otto Hahn ja Fritz Strassmann esimese uraanituuma iseenesliku lõhustumise baariumiks ja krüptooniks (O. Frisch ja L. Meitner jõuavad samale tulemusele 1939. a jaanuaris ja esitavad täpsema teooria) • 1939. a käivitab USA valitsus nn Manhattani projekti eesmärgiga valmistada tuumaenergial töötav pomm • 2. detsember 1942 – kutsutakse Chicago ülikoolis Enrico Fermi juhtimisel esile esimene ahelreaktsioon • 16. juuli 1945 viiakse USA-s Los Alamose kõrbes läbi esimene tuumapommi katsetus (Project Trinity), kus õhiti lõhkeseadeldis nimega The Gadget
Tuumapommi tööpõhimõte • Tuumapommi plahvatama panemiseks kutsutakse esile U-235 (või Pu-239) ahelreaktsioon, seega peab pommis sisalduva “tuumalõhkeaine” mass olema suurem kriitilisest massist • Ahelreaktsioon vältimiseks soovimatul hetkel peab transportimise ajal olema “tuumalõhkeaine” mass kriitilisest väiksem ning muutuma kriitilisest massist suuremaks plahvatuse hetkel. • Selleks on 2 võimalust: ▫ “tuumalõhkeainet” transporditakse kahes tükis, mis plahvatushetkel ühendatakse; ▫ “tuumalõhkeaine” ruumala hoitakse transportimisel kriitilisest suuremana ning plahvatuse hetkel see surutakse kokku vajalike mõõtmeteni
Tuumapomm “Kahuritoru” Uraanist “sihtmärk” Tavaline lõhkeaine “Uraanikuul” • Esimest korda kasutati tuumapomme lahingtegevuses 6. augustil 1945. aastal Hiroshimas (Little Boy), • teist (ja viimast korda) 9. augustil 1945. aastal Nagasakis (Fat Man) • Kõige suurem tuumapommi “Tsaar-pommi” õhkis NL 30. oktoobril 1961. aastal Novaja Zemlja saarestikus. Kokku on maailmas aastatel 1945 … 1998 tehtud 2053 tuumakatsetust
Tuumariigid • • USA – 1032 katsetust Nõukogude Liit – 715 katsetust Prantsusmaa – 210 katsetust Suurbritannia – 45 katsetust Hiina – 45 katsetust India – 4 katsetust Pakistan – 2 katsetust • Mitteametlikult on oma tuumarelv veel ka Iisraelil, Lõuna-Aafrika vabariigil, Põhja-Koreal (? ? ) ja Iraanil (? ? )
Tuumareaktor • Tuumareaktoris toimub juhitud ahelreaktsioon ning hoitakse ära selle kasvamine plahvatuseks • Reaktsiooni “rahulikuks” toimumiseks hoitakse ahelreaktsiooni käigus tekkivate neutronite arv kontrolli all ning • juhitakse reaktsiooni käigus vabanev energia reaktori töötsoonist välja • Tuumareaktoreid kasutatakse elektrijaamades (aga ka laevadel) elektri tootmiseks
Termotuumapomm (vesinikupomm) • Termotuumareaktsioonide käivitamiseks on tarvis ▫ termotuumakütust (raske- (D) ja üliraske (T) vesiniku segu või liitiumdeuteriid) ▫ väga kõrget temperatuuri, mis reaktsiooni käivitab • Termotuumapommi tööpõhimõte ▫ esmalt pannakse plahvatama väike tuumapomm, millega luuakse piisavalt kõrge temperatuur ▫ seejärel toimub termotuumakütuse “plahvatus” • Termotuumapommi plahvatusel vabanev energia on palju suurem kui tuumapommil. ▫ 1 kg termotuumakütuse reageerimisel vabanev energia on võrdne ca 65 miljoni tonni tavalõhkeaine plahvatusel vabaneva energiaga (65 MTNT)
Termotuumareaktor - TOKAMAK • TOKAMAK – “тороидальная камера с магнитными катушками” • Termotuumareaktsioonide käivitumise tingimuseks on aineosakeste ülikõrge temperatuur - 100 000 K, sellisel temperatuuril on aine täielikult ioniseeritud olekus (plasma) ning see „mass“ on äärmiselt ebastabiilne. • TOKAMAK on seadeldis, mis peab magnetvälja abil hoidma ülikuuma plasma (D ja T ioonide segu) “torus”, mis on ümbritsetud vaakumiga ega lase sellel ümbritsevaga kokku puutuda. • TOKAMAK-i tööpõhimõte • Täna veel kulub plasma stabiilsena hoidmiseks rohkem energiat, kui termotuumareaktsioonides vabaneb
ELEMENTAAROSAKESED Selles peatükis tuleb juttu mateeria kõige väiksematest koostisosakestest, nende erinevatest liikidest, ülesannetest, vastastikkusest muundumistest ja sellest kuidas neid uuritakse.
Elementaarosakesed • Elementaarosakesteks nimetatakse Elementaarosakesteks osakesi, mis kõigis senituntud vastasmõjudes käituvad ühtse tervikuna ega koosne lihtsamatest osakestest • Paljudest elementaarosakestest koosnevaid kehasid nimetatakse MAKROKEHADEKS
Fundamentaalosakesed • Ajalooliselt loetakse elementaarosakesteks: �prootonit �neutronit �elektroni �footonit • Prootonid ja neutronid ei olegi „tõeliselt“ elementaarsed, vaid koosnevad omakorda väiksematest osakestest – KVARKIDEST • Selliseid osakesi, mis ei oma sisemist struktuuri, nimetatakse FUNDAMENTAALOSAKESTEKS
Osakesed ja vastastikmõjud (1) • Looduses eksisteerib nelja liiki vastasmõjusid ehk interaktsioone. • GRAVITATSIOONILISES VASTASMÕJUS osalevad KÕIK osakesed ja makrokehad tänu sellele, et neil on MASS ▫ Gravitatsiooniline vastasmõju avaldub ainult osakestevahelises tõmbumises. ▫ Gravitatsiooniline vastasmõju on nii nõrk, et tema toimet pole võimalik üksikute osakeste juures võimalik mõõta.
Osakesed ja vastastikmõjud (2) • ELEKTROMAGNETILISES VASTASMÕJUS osalevad osakesed ja makrokehad tänu sellele, et neil on ELEKTRILAENG ▫ Elektrilised ja magnetilised jõud esinevad alati teineteisest lahutamatult üheskoos. ▫ Looduses eksisteerib kaht liiki elektrilaenguid (+ ja -), seega võib el. magn vastasmõju avalduda nii tõmbumise kui ka tõukumisena. ▫ Ka el. magn. vastasmõju ei kasutata osakeste liigitamisel
Osakesed ja vastastikmõjud (3) • Jõudusid, mis mõjuvad TUUMAOSAKESTE (so prootonite ja neutronite ehk NUKLEONIDE) NUKLEONIDE vahel, nimetatakse TUGEVA VASTASMÕJU jõududeks. • Kaasaegse teooria kohaselt mõjuvad TUGEVA VASTASMÕJU jõud mitte nukleonide vaid hoopis KVARKIDE vahel. • Tuumaosakeste vahel mõjuv jõud on kvarkide vahelise vastasmõju „jääknähtus“ – see on põhimõtteliselt sama, nagu on elektromagnetjõud makrokehade koospüsimisel.
Osakesed ja vastastikmõjud (4) • Elementaarosakesed võivad vastastikku muunduda – selle põhjuseks on fundamentaalosakeste vahel mõjuvad NÕRGA VASTASMÕJU jõud. ▫ Ka need jõud on väga väikese mõjuraadiusega. ▫ Nad mõjuvad nii kvarkide kui teist liiki fundamentaalosakeste – LEPTONITE vahel • Leptonid on osakesed, mis ei osale tugevas vastasmõjus. • Tüüpilisteks leptoniteks on elektronid.
KVARGID Räägime pisut lähemalt kvarkidest
Kvargid • KVARGID on prootonite ja neutronite ehituskivid, mis osalevad tugevas vastasmõjus. • Kvarke on 6 liiki: TÄHIS NIMI LAENG MASS t top +2/3 e 8 me d down -1/3 e 15 me c charm +2/3 e 3 000 me s strange -1/3 e 300 me u up +2/3 e 350 000 me b bottom -1/3 e 10 000 me
«Kvarkvangistus» • Praeguste teadmiste kohaselt ei saa kvargid iseseisvalt eksisteerida vaid on „vangistatud“ elementaarosakestesse. • Kuna vähim võimalik eksisteerida saav elektrilaeng on prootoni/elektroni laengule vastav elementaarlaeng, elementaarlaeng siis on kvarkide „vangistuse“ üheks peapõhjuseks just nende murdarvuline elektrilaeng • Elementaarosakestes peavad kvargid olema kahe- või kolmekaupa
Kvargid • Lisaks on kvarkidel nende tugevasse vastasmõjusse astumise võimet iseloomustav füüsikaline suurus, mida nimetatakse „VÄRVILAENGUKS“ VÄRVILAENGUKS • Eksisteerib kolm erinevat värvilaengut: ▫ R – nagu „punane“ ▫ G – nagu „roheline“ (mõnikord öeldakse ka kollane) ▫ B – nagu „sinine“ • Analoogiliselt põhivärvide „liitmisega“, annab ka kolme värvuslaengu omavaheline liitmine kokku „valge“ • KÕIK elementaarosakesed on „valged“ st nad sisaldavad kolme „erivärvilist“ kvarki
Kvargid elementaarosakestes u u u d d d Prooton Neutron p=(urugdb) e+=2/3 e+ + 1/3 e- p=(ubdrdg) 0=2/3 e+ 1/3 e-
Kvargid ja energia • Prootonit ja neutronit moodustavate kvarkide seisumass on eraldivõetuna suurem prootoni (või neutroni) seisumassist • mp=1836 me vs mu+mu+md=700 015 me erinevus ca 381 x! • Põhjus: kvarkide kättesaamiseks elementaarosakestest tuleb kulutada energiat – kulutatud energia väljendubki „tükkide“ seisumassi suurenemises
Teised kvarkidest moodustatud osakesed • Kvarkide omavahelisel varieerimisel on võimalik moodustada väga palju erinevaid elem. osakesi – HADRONEID • Paraku on enamik nendest väga ebastabiilsed ja muunduvad väga lühikese eluea järel (tänu nõrgale vastasmõjule) teisteks, stabiilsemateks osakesteks • Hadronid jaotuvad omakorda: ▫ poolarvulise spinniga BARÜONIDEKS (ka BARÜONIDEKS FERMION) nagu: prootonid, neutronid, hüperonid ▫ täisarvulise spinniga MESONITEKS (ka BOSON) MESONITEKS nagu: gluonid
VAHEOSAKESD Pisut lähemalt vaheosakestest
Vaheosakesed ehk mesonid • Mesonid on osakesed, mis osalevad tugevas vastasmõjus, aga koosnevad ainult kahest „erilisest“ kvargist • Hetkel teatakse ca 140 erinevat mesonit, mesonit mida tähistatakse kreeka tähestiku suurtähtedega (Π, Κ, Ε, jne) • Omadused: ▫ eluiga on äärmiselt lühike ( << 10 -9 s), ▫ mõõtmed on samas suurusjärgus prootonite ja neutronite mõõtmetega (≈10 -15 m), ▫ elektrilaeng on kas +e, -e või 0, ▫ mass 250 me … 20 000 me
Mesonite „ülesanne“ • Mesonite „ülesanne“ on olla tugeva ja/või nõrga vastasmõju vahendajateks Kvark Meson • Aeg, mis kulub mesonil ühelt kvargilt teise jõudmiseks on palju lühem kui on vajalik tema kindlaks tegemiseks – seepärast nimetatakse kvarkidevahelisi mesoneid ka virtuaalsteks osakesteks.
Teiste vastasmõjude vahendajad Vastasmõju liik Tugev vastasmõju Nõrk vastasmõju Elektromagnetiline vastasmõju Gravitatsiooniline vastasmõju Vahendaja gluuonid (mesonid) bosonid (mesonid) footonid graviton? NB! Palju räägitakse nn Higgs’i bosonist – see on hüpoteetiline osake, mis annab teistele osakestele massi. Seda otsitakse praegu CERN’is toimuvas LHC eksperimendis
LEPTONID Pisut lähemalt leptonitest
Leptonid • LEPTONID on elementaarosakesed, mis ei osale tugevas vastasmõjus • Leptonid ei koosne kvarkidest vaid on sisemise struktuurita • Leptonid on näiteks: ▫ ▫ elektron kõik neutriinod tauonid ja müüonid
Neutriino • Neutriinod on fundamentaalosakesed, fundamentaalosakesed mis liiguvad valguse kiiruse lähedaste kiirustega. • Hetkel on teada kolm neutriinode alamliiki: alamliiki elektron- (1930/1956), müü- (1940/1962) ja tauneutriino (1970/2000) • Kõikidel neutriinodel puudub elektrilaeng • Neutriinode seisumass on väga väike (kuid mitte null!) • Neutriinod ei astu peaaegu interaktsiooni ainega
Neutriinode tekkimine •
ANTIOSAKESED Mis on antiosakesed?
Sümmeetriline maailmapilt • Elementaar- ja fundamentaalosakesi uurides on teadlased jõudnud järeldusele, et mikromaailm on sümmeetriline – see tähendab, et iga kirjeldatud osakese jaoks on olemas osake, mille kõik omadused (välja arvatud mass) on vastupidised vaadeldava osakese omadustega • Näiteks: ▫ elektron vs antielektron (positron) ▫ prooton vs antiprooton ▫ neutron vs antineutron
Näiteid antiosakestest ELEKTRON POSITRON m=9, 1· 10 -31 kg e-=1, 6· 10 -19 C e+=1, 6· 10 -19 C PROOTON ANTIPROOTON m=1, 6726· 10 -27 kg e+=1, 6· 10 -19 C e-=1, 6· 10 -19 C urugdb Seega: igale kvargile vastab antikvark, igale „värvile“ antivärv ja igale leptonile/mesonile/ barüonile vastav antiosake
Aine ja antiaine • Antiosakestest moodustunud „antiaatomeid“ ja „antimolekule“ nimetatakse ANTIAINEKS • Teoreetiliselt peaks antiainel olema samad keemilised ja füüsikalised omadused kui vastaval ainel, kuid seda ei ole veel piisavalt uuritud, sest teaduseksperimentides on saadud ainult üksikuid antiosakesi. • Kui osake ja antiosake omavahel kohtuvad, siis nad ANNIHILEERUVAD st nendes sisalduv mass muutub energiaks • Annihilatsioon on energeetiliselt kõige kasulikum protsess
KUIDAS ELEMENTAAROSAKESI UURITAKSE? Kosmilised kiired, kiirendid jms
Kosmiline kiirgus • Elementaarosakeste uurimise seisukohalt on ammendamatuks allikaks kosmiline kiirgus. • Kosmiline kiirgus tekib tähtedel (ka Päikesel) toimuvate termotuuma reaktsioonide käigus ning sisaldab endas väga suure energiaga osakesi. • Kui suure energiaga osakesed põrkuvad teiste osakestega, võib selle vastasmõju käigus tekkida uusi osakesi, mida on võimalik uurida eriliste detektoritega.
Elementaarosakeste kiirendid • Minimeerimaks kosmilise kiirgusest tulenevate osakeste juhuslikkust, püütakse kiirgusele sarnast olukorda luua ka Maa pealsetes tingimustes - kiirendites • Elementaarosakeste kiirendid on seadeldised, kus elektromagnetväljas antakse osakestele ülisuur energia ning sobival hetkel korraldatakse nende osakeste kokkupõrge ning uuritakse põrkel tekkivaid osakesi
Teema ammendatud! Kordamisküsimused
- Slides: 77
