Transcript Tuumafüüsika

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 92U235
tuumas? Mitu elektroni on aatomis?
Kasutades Mend. tabelit leia milliste ainete
aatomis on 51 elektroni.
Mille poolest erinevad 92U234, 92U235, 92U238
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
läbitungimisvõime
γ
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
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 --234 + α
U
Th
92
90
β lagunemisel nihkub element 1 ruudu
tabelis tahapoole.
234 --234 + β
Th
Pa
90
91
Kiirguse omadused
• α- kiirgus osutus väga suureks13700 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.(100g 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 N0 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 mSv (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 . c2
Raskete tuumade lõhustumine
• Tänu massidefektile eraldub tohutu
energia hulk vähesest kütusest.
• 30g 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
• 1H2 + 1H3 --- 2He4 + 0n1
•3
6
Li
+0
1
n ---
2
4
He +
1
3
H
Aatommassiühik – 1u = 1,66 . 10-27 kg.
Eralduv energia
•1 +1
--- 2
0
•∆E = 2,8 . 10-12 J
• N = 1,5 . 1023 aatomit (1g)
• E = 4,2 . 1911J
• m = 15,6 tonni kivisütt
2
H
3
H
4
He +
1
n
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.