Aatomi- ja tuumafüüsika kirjeldavad mõlemad väga väikeste füüsikat. Selliste väikeste objektidega töötades ebaõnnestub teie intuitsioon, mis on loodud teie arusaamast klassikalisest mehaanikast. See on kvantmehaanika, lähima tuuma jõudude, elektromagnetkiirguse ja osakestefüüsika standardmudel.
Mis on aatomifüüsika?
Aatomifüüsika on füüsika haru, mis tegeleb aatomi ehituse, sellega seotud energiaseisundite ning aatomi vastastikmõju osakeste ja väljadega. Seevastu tuumafüüsika keskendub konkreetselt aatomituuma sees toimuvatele toimingutele, mida on üksikasjalikumalt kirjeldatud järgmises osas.
Osakeste füüsikas on mitu uurimisvaldkonda. Ennekõike on aatomi enda struktuur. Aatomid koosnevad tihedalt seotud tuumast, mis sisaldab prootoneid ja neutroneid, ning hajusast elektronpilvest.
Arvestades, et tuum on tavaliselt suurusjärgus 10-15 kuni 10-14 m läbimõõduga ja aatomid ise on suurusjärgus 10-10 m läbimõõduga (ja elektronide suurus on tühine), selgub, et aatomid on enamasti tühi ruum. Muidugi ei tundu nad nii, nagu nad on ja kogu aatomitest koosnev aine tundub kindlasti substantsina.
Põhjus, miks aatomid ei tundu olevat enamasti tühi ruum, on see, et ka teie olete koosnenud aatomitest ja kõik aatomid suhtlevad elektromagnetilise energiaga. Isegi kui teie käsi, mis koosneb peamiselt tühja ruumi aatomitest, surub vastu lauda, mis koosneb ka enamasti tühja ruumi, ei läbi see lauda läbi nende sisenevate aatomite vaheliste elektromagnetiliste jõudude tõttu kontakt.
Neutriino - osake, mis ei suhtle elektromagnetilise jõuga, on siiski võimeline läbima enamiku aatomimaterjalidest praktiliselt avastamata. Tegelikult läbib su keha igal sekundil 100 triljonit neutriinot!
Aatomite klassifikatsioon
Perioodilisustabelis on aatomid klassifitseeritud aatomite arvu järgi. Aatomnumber on prootonite arv, mida aatom sisaldab oma tuumas. See number määratleb elemendi.
Kuigi antud elemendil on alati sama palju prootoneid, võib see sisaldada erinevat arvu neutroneid. Elemendi erinevad isotoopid sisaldavad erinevat arvu neutroneid. Mõned isotoopid on stabiilsemad kui teised (see tähendab, et spontaanselt laguneb vähemaks millekski muuks) ja see stabiilsus sõltub tavaliselt neutronite arvust, mistõttu enamiku elementide puhul on enamus aatomeid ühte kindlat isotoop.
Elektronide arv, mille aatom sisaldab, määrab, kas see on ioniseeritud või laetud. Neutraalne aatom sisaldab sama arvu elektrone kui prootonid, kuid mõnikord võivad aatomid elektrone omandada või kaotada ning laenguks saada. See, kui kergesti aatom elektrone omandab või kaotab, sõltub selle elektronorbiidi struktuurist.
Vesinikuaatom on kõige lihtsam aatom, mille tuumas on ainult üks prooton. Kolm kõige stabiilsemat vesiniku isotoopi on protium (ei sisalda neutroneid), deuteerium (sisaldab ühte neutronit) ja triitium (sisaldab kahte neutronit), kusjuures kõige rohkem on protiumit.
Aastate jooksul on välja pakutud erinevaid aatomi mudeleid, mis viisid praeguse mudelini. Varase töö tegid ära Ernest Rutherford, Niels Bohr ja teised.
Imendumis- ja kiirgusspektrid
Nagu mainitud, suhtlevad aatomid elektromagnetilise jõuga. Aatomi prootonitel on positiivne laeng ja elektronidel negatiivne laeng. Aatomi elektronid võivad neelata elektromagnetkiirgust ja saavutada selle tulemusel suurema energiaoleku või kiirata kiirgust ja liikuda madalama energia olekusse.
Selle kiirguse neelamise ja kiirgamise üks põhiomadusi on see, et aatomid neelavad ja kiirgavad kiirgust ainult väga spetsiifiliste kvantiseeritud väärtuste korral. Ja iga erineva aatomi tüübi puhul on need konkreetsed väärtused erinevad.
Kuum aatomimaterjaliga gaas eraldab kiirgust väga kindlatel lainepikkustel. Kui sellest gaasist tulev valgus lastakse läbi spektroskoopi, mis levitab valguse lainepikkuse järgi spektris (nagu vikerkaar), ilmuvad erinevad emissioonijooned. Gaasist tulevate heitmekoguste komplekti saab lugeda peaaegu nagu vöötkoodi, mis ütleb täpselt, millised aatomid on gaasis.
Samamoodi, kui jahedale gaasile langeb pidev valgusspekter ja seda gaasi läbiv valgus on siis läbides spektroskoopi, näeksite pidevat spektri tumedate piludega gaasi spetsiifilistel lainepikkustel imendub. See neeldumisspekter näeb välja nagu heitkoguste spektri pöördosa, tumedad jooned ilmuvad seal, kus heledad jooned olid sama gaasi jaoks. Sellisena võib seda lugeda ka nagu vöötkoodi, mis ütleb teile gaasi koostise. Astronoomid kasutavad seda kogu aeg materjali koostise määramiseks ruumis.
Mis on tuumafüüsika?
Tuumafüüsika keskendub aatomituumale, tuumareaktsioonidele ja tuuma vastasmõjule teiste osakestega. Selles uuritakse muu hulgas radioaktiivset lagunemist, tuumasünteesi ja tuuma lõhustumist ning siduvat energiat.
Tuum sisaldab tihedalt seotud prootonite ja neutronite tükki. Need ei ole siiski fundamentaalsed osakesed. Prootonid ja neutronid on valmistatud veel väiksematest osakestest, mida nimetatakse kvarke.
Kvarkid on murdlaenguga osakesed ja mõnevõrra rumalate nimedega. Neil on kuus nn maitset: üles, alla, ülevalt, alt, kummaline ja võlu. Neutron koosneb kahest allkvarkist ja ülakvarkist ning prooton koosneb kahest ülakvarkist ja allkvarrist. Igas nukleonis olevad kvargid on tugeva tuumajõuga tihedalt seotud.
Tugevat tuumajõudu vahendavad osakesed, mida nimetatakse liimid. Kas tunnetate teemat? Teadlastel oli nende osakeste nimetamine väga lõbus! Loomulikult “liimivad” glükoonid kvarke kokku. Tugev tuumajõud toimib ainult väga lühikeses kauguses - keskmise suurusega tuuma läbimõõduga võrreldaval kaugusel.
Siduv energia
Iga isoleeritud neutroni mass on 1,6749275 × 10-27 kg ja iga eraldatud prootoni mass on 1,6726219 × 10-27 kg; aatomituumas kokku seotuna ei ole aatommass aga selle koostisosade summa, mida põhjustab seonduv energia.
Tihedalt seondudes saavutavad nukleonid madalama energiaseisundi, kuna osa kogu massist, mis neil oli üksikute osakestena, muundati energiaks. Seda energiaks muundatavat massivahet nimetatakse tuuma sidumisenergiaks. Suhe, mis kirjeldab, kui palju energiat vastab antud massikogusele, on Einsteini kuulus E = mc2 võrrand kus m on mass, c on valguse kiirus ja E on energia.
Seonduv mõiste on seondumisenergia nukleoni kohta, mis on tuuma kogu sidumisenergia keskmiselt tema koostisosade suhtes. Sidumisenergia ühe nukleoni kohta on hea näitaja selle kohta, kui stabiilne on tuum. Madal sidumisenergia nukleoni kohta näitab, et selleks võib olla madalama koguenergia soodsam seisund konkreetne tuum, mis tähendab, et ta soovib tõenäoliselt kas eralduda või sulanduda teise tuumaga tingimused.
Üldiselt on rauast tuumadest kergemad tuumad saavutanud madalama energia seisundi ja suurema sidumisenergia tuuma kohta, sulandudes kokku teiste tuumadega, samal ajal kui rauast raskemad tuumad kipuvad kergemateks lagunedes saavutama madalama energia seisundi tuumad. Protsesse, mille kaudu need muutused toimuvad, kirjeldatakse järgmises osas.
Lõhustumine, termotuumasüntees ja radioaktiivne lagunemine
Tuumafüüsika põhirõhk on aatomituumade lõhustumise, sulandumise ja lagunemise uurimisel. Neid protsesse juhib kõik põhimõtteline arusaam, et kõik osakesed eelistavad madalama energiaga olekuid.
Lõhustumine toimub siis, kui raske tuum laguneb väiksemateks tuumadeks. Väga rasked tuumad on seda altimad tegema, kuna neil on ühe nukleoni kohta väiksem seondumisenergia. Nagu te võib-olla mäletate, on aatomituumas toimuvat reguleerivad üksikud jõud. Tugev tuumajõud seob nukleone tihedalt kokku, kuid see on väga lühikese toimega jõud. Nii et väga suurte tuumade puhul on see vähem efektiivne.
Tuuma positiivselt laetud prootonid tõrjuvad üksteist ka elektromagnetilise jõu kaudu. See tõrjumine tuleb tugeva tuumajõu abil ületada ja seda saab vahendada ka piisava neutronite olemasolu korral. Kuid mida suurem on tuum, seda vähem on stabiilsuse jaoks jõutasakaal soodne.
Seetõttu kipuvad suuremad tuumad soovima laguneda kas radioaktiivsete lagunemisprotsesside või lõhustumisreaktsioonide kaudu, näiteks tuumareaktorites või lõhustumispommides toimuvate lõhustumisreaktsioonide kaudu.
Sulandumine toimub siis, kui kaks kergemat tuuma saavutavad raskemaks tuumaks ühendades soodsama energiaseisundi. Lõhustumise toimumiseks peavad kõnealused tuumad aga üksteisele piisavalt lähedale minema, et tugev tuumajõud saaks võimust võtta. See tähendab, et nad peavad liikuma piisavalt kiiresti, et elektrilisest tõukejõust üle saada.
Tuumad liiguvad äärmuslikel temperatuuridel kiiresti ringi, seetõttu on see tingimus sageli vajalik. Nii on tuumasüntees võimeline toimuma äärmiselt kuumas päikese tuumas. Tänaseni üritavad teadlased leida viisi, kuidas külm sulandumine - see tähendab sulandumine madalamatel temperatuuridel - toimuks. Kuna energia eraldub termotuumasünteesiprotsessis ega jäta radioaktiivseid jäätmeid nagu lõhustumisreaktorid kipuvad seda tegema, oleks see saavutamisel uskumatu energiaallikas.
Radioaktiivne lagunemine on levinud viis, mille abil tuumad muutuvad stabiilsemaks. Lagunemist on kolme peamist tüüpi: alfa lagunemine, beeta lagunemine ja gamma lagunemine.
Alfa lagunemisel vabastab radioaktiivne tuum alfa osakese (heelium-4 tuum) ja muutub selle tulemusel stabiilsemaks. Beetalagunemist on mitmes variandis, kuid sisuliselt tuleneb sellest kas neutronist saab prooton või prootonist neutron ja vabaneb β- või β+ osake (elektron või positron). Gamma lagunemine toimub siis, kui ergastatud olekus tuum vabastab energiat gammakiirte kujul, kuid säilitab neutronite ja prootonite üldarvu.
Osakeste füüsika standardmudel
Tuumafüüsika uurimine laieneb osakeste füüsika suuremale valdkonnale, mille eesmärk on mõista kõigi põhiosakeste toimimist. Standardmudel klassifitseerib osakesed fermioonideks ja bosoniteks ning seejärel klassifitseerib fermionid edasi kvarkideks ja leptoniteks ning bosonid gabariit- ja skalaarbosoniteks.
Bosoonid ei allu arvukaitseseadustele, fermionid aga küll. Lisaks teistele konserveeritud kogustele on olemas nii leptooni kui ka kvarkide arvukuse kaitse seadus. Põhiosakeste vastastikmõjusid vahendavad energiat kandvad bosonid.
Tuumafüüsika ja aatomifüüsika rakendused
Tuuma- ja aatomifüüsika rakendusi on palju. Tuumaelektrijaamade tuumareaktorid loovad puhta energia, rakendades lõhustumisprotsesside käigus vabanevat energiat. Tuumameditsiin kasutab pildistamiseks radioaktiivseid isotoope. Astrofüüsikud kasutavad kaugete udukogude koostise määramiseks spektroskoopiat. Magnetresonantstomograafia võimaldab arstidel luua üksikasjalikke pilte oma patsientide sisemusest. Isegi röntgentehnoloogia kasutab tuumafüüsikat.