atomi mõõtmed 10-10 m, Tuuma mõõtmed 10-15 m, atomi tuum: üldised omadused 99,9 % massist on kontsentreeritud tuuma. Massiühik u on 1/1 süsiniku massi: Nukleonid: prooton & neutron 1u = 931,4943 MeV/c = 1,660540 10-7 kg Nimetus sümbol laeng mass seisuenergia spin prooton p +e 1,00776u 938,8 MeV 1/ neutron n 0 1,008665u 939,57 MeV 1/ m e /m p = 1/1836 Laenguarv Z (= järjekorranumber perioodilisuse süsteemis) ja massiarv : Tuumas on Z prootonit ja N = -Z neutronit Tähistus 4 Z X N nt 9 3 35 9U He, 4 Be 5, 11 Na 1, 143 Ühele ja samale Z-ile võib vastata erinev, sellised aatomid on isotoobid". Vesinik: Tavaline Z = 1 & = 1 H 1 1 Tuuma mõõtmed: Deuteerium Z = 1 & = H 1 Triitium Z = 1 & = 3 1 3 H 1 C,7 fm 70 Ge 4.9 fm 09 Bi 7,1 fm 1/ 3 Seos tuuma läbimõõdu D ja massiarvu vahel: D = D 0, kus 0 =,4 10-15 m =,4 fm ine tihedus ρ tuumas sõltub vähe massiarvust : ρ 10 17 kg/m 3 Vrdl: plaatina tihedus on,14 10 4 kg/m 3 Nii nagu aatomis, on ka tuumas tuumasisene energia kvantiseeritud: igal nukleonil on lubatud enrgianivood (nivoode vahe 1 MeV). 1 Prootonitel ja neutronitel on spinn S Z = ± ning samuti nukleoni orbitaalse liikumise impulssmoment. Magnetmoment on nii prootonitel kui ka neutronitel (!!!) e Tuuma magneton µ n = m p
Universaalne seos energia ja massi vahel: Tuuma seoseenergia E = mc ja E = Mc Kahe osakese ühinemisel vabaneb energia ( E > 0), kogumass peab vähenema ( M < 0) Energia muutub seoseenergia E B võrra: E B = Mc Massidefekt Z prootoni ja N neutroni puhul: M = Zm P + Nm N M Deuteeriumi tuuma seoseenergia (vesiniku 1 1 H tuumaga liitub neutron) M = mh + mn md = 1,00783u + 1,00866u,01410u = 0, 0039u E = ( 0,0039u) (931,5MeV / u) =, 3MeV Seoseenergia nukleoni kohta sõltuvalt massiarvust Süntees (fusion) Lagunemine (fission) Tuumajõud - tugeva vastasmõju näide. Tuumajõud 1) ei sõltu laengust; ) on lühikese mõjuulatusega (10-15 m); 3) on palju tugevam elektrilisest vastasmõjust; 4) tuumajõud mõjub vaid lähinaabrite vahel (küllastumine); 5) tuumajõud seob paare, millel on vastupidised spinnid.
Tuumade stabiilsus Rohkem kui 500 tuuma, vaid ca 300 on stabiilsed, ülejäänud on radoaktiivsed. Stabiilsuse määrab konkurents tuumajõu (tõmbejõud) ja elektrilise tõukejõu vahel. Radioaktiivsed tuumad lagunevad (muunduvad teisteks tuumadeks); karakteistlik aeg on vahemikus 1µs - 10 9 y. Radioaktiivsus Tuuma spontanne transformeerumine mingist Z ja N väärtusest teistele väärtustele on kahte liiki - α- ja β-lagunemine (tunnelefekt). Kolmanda radioaktiisuse liigiga - γ-kiirgusega ei kaasne Z ja N muutust (kaasneb tuuma üleminekuga ühest energeetiliset seisundist teise). Kiirust, millega toimub tuuma radioaktiivne lagunemine nimetatakse aktiivsuseks: aktiiivsus on defineeritud kui lagunemiste arv sekundis. = λn, kus λ on ühe lagunemise tõenäosus, = -dn/dt Kaks ühikut bekrell (Bq, SI) ja kürii Ci 1 Ci = 3,7 10 10 lagunemist/s ja 1 Bq = 1 lagunemine/s jaühikus laguneb dn tuuma, mis on võrdeline tuumade koguarvuga dn = λn N = N 0 exp( λt) dt Tegelikkuses ei mõõda me N-i, vaid -d. Korrutame mõlemad pooled λ-ga = 0 exp( λt)
= 0 exp( λt) : aja t = 1/λ jooksul väheneb aktiivsus e korda. 8.91 10 9 ( t) 4.571 10 8 0 t 1 10 6 t 1/ Poolestusaeg t 1/ : aeg, mille jooksul aktiivsus väheneb kaks korda = 0 exp( λt 1/ ) 1 t1/ = ln λ 4 α-lagunemine: Z X N Z X N + He 4 Vabaneb energia K α Isotoop K α (ΜeV) t 1/ λ (1/s) 38 U 4,19 4,5 10 9 aastat 4,9 10-18 0 Ra 6,9 56 s 1, 10-15 Po 7,53 1,8 ms 3,9 10 β-lagunemine leiab aset, kui neutron transformeerub prootoniks või vastupidi. Z ja N muutuvad ühe võrra, kuid ei muutu. Raskused: kui nendel muundumistel tekiks vaid elektron, siis osutuks rikutuks impulssmomendi energia jäävuse seadused. Peab olema veel üks osake - neutriino (antineutriino) neutron prootoniks prooton neutroniks Z X N Z 1 Z X N Z 1 N + 1 + 1X N + e X + e + + ν + ν
Vabaneb energia Q, mis jaotub elektroni/positroni ja neutriinode vahel Lagunemine Tüüp Vabanev energia t 1/ (MeV) 19 O 19 Fe +e - + ν β - 4,8 7 s 5 l 5 Mg + e + + ν β + 3,6 7, s γ-lagunemine Pärast a- või g-osakese emiteerimist jááb tuum ergastatud seisundisse, toimub kiirguslik úleminek, kiiratakse footon energiaga 100 kev kuni MeV 198 u β β 0.41 MeV 1,088 MeV Radioaktiivsuse bioloogiline toime Radioaktiivne kiirgus lõhub keemilised sidemed ja ioniseerib. Dosimeetria: kiirguse mõju kudedele. Neeldumisdoos on koe massiühikule antud energia. SI: 1 Gy = 1J/kg = 10 rad Neeldunud energia annab vähe, peab teadma kiirguse bioloogilist efekti. Suhteline bioloogiline efektiivsus RBE Kiirgus RBE Röntgen, γ 1 Elektronid 1-1,5 eglased neutronid 3-5 Prootonid 10 α - osakesed 0 Rasked ioonid 0
Bioloogiline efekt on määratud neeldumisdoosi ja RBE korrutisega = bioloogiline ekvivalentdoos SI-s: 1Sv = RBE 1 Gy 1 rem = RBE 1 rad Radoon Rn poolestusajaga 3,8 d. tekib 6 Rn lagunemisel. Rn lagunedes 18 Po emiteerib α-osakese. Moodustab ca 50% radioaktiivsusest. Radioaktiivne dateerimine 40 K 40 r poolestusaeg t 1/ = 1.5 10 9 y. Mõõtes kaaliumi ja argooni kontsentratsioonide suhte, saab määrata objekti vanuse. Radioaktiivset süsinikku 14 C (t 1/ = 5730 y) genereeritakse kosmilise kiirguse poolt konstantse kiirusega. 14 C on 1 aatom 10 13 stabiilse 1 C kohta. Bioloogilise aktiivsuse (fotosüntees, hingamine) tulemusena omandavad organismid süsinikku. See omandamine toimub kuni organismi surmani. Seejärel lagunemine 14 C 14 N