Tuumafüüsika – definitsioon ja ülevaade aatomi tuumast

Tuumafüüsika on füüsika osa, mis uurib aatomi tuuma. Kõik maa peal koosneb aatomitest; need on keemilise elemendi väikseim osa, millel on veel selle konkreetse elemendi omadused. Kui kaks või enam aatomit ühinevad, tekitavad nad selle, mida me tunneme kui molekuli, mis on keemilise ühendi väikseim osa, millel on endiselt selle konkreetse ühendi omadused. Aatomite struktuuri mõistmine on võtmetähtsusega sellistes uuringutes nagu füüsika, keemia, bioloogia jne.

Põhiterminid ja ulatus

Tuumafüüsika keskendub aatomi keskmes asuvale tuumale — sellele kuuluvad peamiselt prootonid ja neutronid (koos nimetatakse neid nukleonideks). Tuuma omadusi määravad nukleonide arv, nende omavahelised jõud ja energia, mis hoiab tuuma koos. Tuumafüüsika hõlmab nii tuumade staatilist struktuuri kui ka dünaamikat: kuidas tuumad käituvad reaktsioonides, lagunemistes ja põrgatuses.

Tuuma koostis ja omadused

• Prootonid — positiivse laenguga osakesed, määravad elemendi keemilise tähise (nt vesinikul 1 prooton, heeliumil 2).
• Neutronid — laenguta osakesed, mõjutavad tuuma stabiilsust ja koos prootonitega määravad isotopi.
• Isotoobid — sama keemilise elemendi aatomid, millel erinev arv neutroneid (näiteks süsinik-12 ja süsinik-14).
• Sidumisenergia — energia, mida on vaja nukleone tuumast välja tõrjuda; see selgitab, miks mõnikord vabaneb palju energiat fissi või fusiooni käigus.
• Massidefekt — erinevus tuuma koosseisu kuuluvate üksikosakeste masside ja tegeliku tuuma massi vahel; seos sidumisenergiaga (E = mc² põhimõtteline seos).

Tuuma jõud ja mudelid

Tuumas toimib lisaks elektromagnetilisele jõule ka tuumajõud ehk tugev n-ydjõud, mis on lühikese ulatusega, kuid piisavalt tugev, et ületada prootonite-vahelist hülgamist. Tuuma kirjelduseks kasutatavad olulisemad teoreetilised mudelid:

• Vedelikukujuline mudel — käsitleb tuuma nagu lahtist vedelikku, aitab selgitada fragmentatsiooni ja energiate jaotust fissi korral.
• Shell-mudel — tuumaergastused ja stabiilsus selguvad elektronide analoogina nukleonide “kesta” täitumisest; seletab eriti “täiuslike” tuumade stabiilsust.

Tuuma reaktsioonid ja radioaktiivsus

Tuumafüüsika uurib mitmesuguseid protsesse:

• Radioaktiivne lagunemine — sõltuvalt protsessist eralduvad alfa-osakesed (heli tuumad), beetakiirgus (elektronid või positronid) või gamma-kiirgus (suure energiaga fotonid). Iga protsessile iseloomulik on poolestusaeg (kui kaua kulub poole isendid lagunemiseks).
• Tuumafissioon — raske tuuma jagunemine kaheks või enamaks osaks, vabaneb suur hulk energiat ja sageli ka neutronid, mis võivad käivitada ahelreaktsioone (kasutatakse tuumajaamades ja tuumarelvadest).
• Tuumafusioon — kergete tuumade (nt vesiniku isotoopide) liitumine raskemateks tuumadeks, mille käigus vabaneb energia; protsess käib tähtedes (nt päikeses) ja on paljude jaoks potentsiaalne puhtam energiaallikas, kui suudetakse kontrollida.

Rakendused

• Energeetika — tuumajaamad kasutavad kontrollitud fissi soojuse tootmiseks ja elektri genereerimiseks.
• Meditsiin — radioisotoope kasutatakse diagnostikas (nt PET-skaneerimine) ja kiiritusravis (onko-, hormoonravi täiendused).
• Tööstus ja teadus — kiirgusdetektorid, materjalide analüüs (neutronlainekatsetused), vanusemääramine (radiokaarbonmeetod).
• Kosmose- ja astrofüüsika — tuumareaktsioonid selgitavad tähekeemiat ja elementide tekke protsesse universumis (nukleosüntees).

Uurimismetoodid ja seadmed

Tuuma uurimiseks kasutatakse mitmeid instrumente ja meetodeid:

• Kiirendid — protonite, elektronide või raskemate osakeste kiirendamine ja nende põrkamine sihitud sihtmassi vastu, et tekitada uusi osakesi või uurida tuuma struktuuri.
• Reaktorid — võimaldavad toota neutroneid ja radioisotoope ning uurida materjalide käitumist neutronikiirguse all.
• Detektorid — Geiger–Müller’i torud, skintillatsioonidetektorid, pooljuhtdetektorid jm kiirguse ja osakeste registreerimiseks.

Ohutus ja eetika

Tuumafüüsika rakendustega kaasnevad ohutuse- ja eetilised küsimused: radioaktiivne saaste, jäätmekäitlus, tuumarelvade levik ja keskkonnamõjud. Seepärast kehtivad tihedad rahvusvahelised ja riiklikud regulatsioonid ning ohutusstandardid, mis hõlmavad jäätmete ladustamist, kiiritust ennetamist ja reaktorite turvalisust.

Lühike ajalugu ja tähtsad läbimurded

• 20. sajandi algus — aatomi mudeli ja tuuma avastused (Rutherfordi katse, protoni ja neutri välimus).
• 1920.–1930. aastad — nukleaarsete protsesside teoreetiline kirjeldus, tuumamudelite areng.
• 1940.–1950. aastad — fissi tehnoloogia areng ja tuumaenergeetika laialdasem hulk rakendusi; samuti sagenesid eetilised arutelud ja rahvusvaheline regulatsioon.
• Kaasaeg — fusiiooni uurimine, tuumasüntees, kõrgenergeetilised kiirendid ja üha täpsemad detektorid ning modelleerimismeetodid.

Tuumafüüsika on interdistsiplinaarne valdkond, mis ühendab teoreetilisi mudeleid, eksperimentaalseid meetodeid ja praktilisi rakendusi. Selle arusaamine on oluline nii teadusuuringute kui ka ühiskondlike otsuste tegemisel seoses energia, tervishoiu ja keskkonnaga.

Aatomid

Struktuur

Aatomid koosnevad elektronidest, neutronitest ja prootonitest. Prootonid ja neutronid asuvad aatomi keskel, mida nimetatakse tuumaks. Prootonid ja neutronid on aatomi kõige raskem osa ja moodustavad suurema osa aatomi massist. Elektronid liiguvad ümber tuuma väga kiiresti, moodustades nn elektronipilve. Elektronipilve mass on väga väike, kuid see moodustab suurema osa aatomi ruumist. Elektronidel on negatiivne laeng ja prootonitel positiivne laeng. Tänu aatomi laengutele püsib aatom just nii koos, aatomis esinevate elektrilaengute tõmbamise teel.

Omadused

Aatomitel on erinevad omadused, mis eristavad üht aatomit teisest ja näitavad, kuidas iga aatom võib erinevates tingimustes muutuda. Nende omaduste hulka kuuluvad aatomiarv, massiarv, aatommass ja -kaal ning isotoobid.

Toimivad jõud

Aatomis on kolm põhijõudu, mis hoiavad aatomeid koos: elektromagnetiline jõud, tugev jõud ja nõrk jõud. Elektromagnetiline jõud hoiab elektronid aatomi küljes. Tugev jõud hoiab prootonid ja neutronid aatomituumas koos. Nõrk jõud kontrollib, kuidas aatom laguneb.

Kvant

20. sajandi alguses oli teadlastel raske seletada aatomite käitumist, kasutades oma seniseid teadmisi mateeriast. Nii et selle lahendamiseks lõid nad täiesti uue viisi aine ja energia käsitlemiseks ning nimetasid seda kvantteooriaks. Kvantiteooria selgitab, kuidas aine käitub nii osakeste kui ka lainetena.

Kiirgus

Aatomid kiirgavad kiirgust, kui nende elektronid kaotavad energiat ja langevad madalamatele orbitaalidele. Orbitaalide energiavahe määrab antud kiirguse lainepikkuse. Seda kiirgust võib näidata nähtav valgus või lühemad lainepikkused.

·         v ·         t ·         e Tuumafüüsika

Külmtuumasüntees - Tuumaenergia - Tuumaplahvatus - Tuumalõhustumine - Tuumakütus - Tuumafusion - Tuumafüüsika - Tuumareaktsioon - Tuumareaktor

Ametiasutuste kontroll

BNF: cb11937695b (andmed) GND: 4030340-8 LCCN: sh85093024 NARA: 10642231 NDL: 00917544 SUDOC: 027306186

Aatomi mudel.

Küsimused ja vastused

K: Mis on tuumafüüsika?

K: Millest koosnevad aatomid?

K: Mis juhtub, kui kaks või enam aatomit ühinevad?

K: Miks on aatomi struktuuri mõistmine oluline?

K: Kui väikesed on aatomid?

Otsing