Aatomituuma ehitus

12. klass > Füüsika > 5. kursus: Mikro- ja megamaailma füüsika

Tuumaosakesed

Pärast tuuma avastamist Rutherfordi poolt, käsitleti seda pikka aega homogeense tervikuna, mille mõõtmeteks hinnati ca 10-15 m

1911. aastal püstitas Hollandi füüsik 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.

Ehkki üsna pea pärast prootoni avastamist sai selgeks, et tuumas peab lisaks prootonitele olema veel teisi, ilma elektrilaenguta osakesi, avastas inglise füüsik James Chadwick osakese – neutroni, mille mass oli samas suurusjärgus prootoni massiga, kuid millel puudus elektrilaeng alles 1932. aastal.

Prootonit ja neutronit nimetatakse ka ühe nimetusega – nukleonid ehk tuumaosakesed.

60

Rangelt võttes peaksime ka tuumade puhul rääkima mitte kui konkreetse kuju ja mõõtmetega osakestest ja nende kogumist, vaid samuti pilvest – leiulainest, kuid piirdume käesolevas osas siiski klassikalisema variandiga ning kujutame nukleone ja nendest moodustunud tuumasid konkreetsete mõõtmetega osakestena.

Isotoobid

Keemiatunnist teame, et keemilise elemendi omadused on määratletud elektronide arvuga aatomis, veelgi täpsemalt – elektronide arvuga elektronkatte viimases kihis.

Samuti teame, et aatomid on tervikuna elektriliselt neutraalsed – see tähendab, et aatomis sisalduv positiivne laeng peab olema sama suur kui elektronide negatiivne.

Kuna prootoni positiivne elementaarlaeng on võrdne elektroni negatiivse elementaarlaenguga, saame järeldada, et aatomituumas peab olema sama palju prootoneid kui on elektronkattes elektrone.

Prootonite arvu tuumas (mis on võrdne elektronide arvuga elektronkattes) nimetatakse aatomituuma järjekorranumbriks ning seda tähistatakse tähega Z.

Neutronite arvu tuumas tähistatakse tähega N, nukleonide koguarvu tuumas nimetatakse massi-arvuks ning tähistatakse tähega A. Seega on iga aatomituum (mille keemiline tähis on tinglikult X) määratud kahe täisarvuga:

61

Sageli esitatakse konkreetse massiarvuga tuuma kirjeldus kujul X-A (näiteks C-12; He-4).

Sama järjekorranumbriga, kuid erineva massiarvuga tuumasid nimetatakse isotoopideks. Isotoopide keemilised omadused on identsed, kuid füüsikalised omadused on erinevad.

Näiteks: vesinik-1 (protium, 69) ja vesinik-2 (deuteerium, 70) on stabiilsed tuumad, vesinik-3 (triitium, 71) tuumadest lagunevad aga umbes 12,3a pooled tuumadest (poolestusaeg). Samuti süsinik-12 (72) ja süsinik-13 (73) on stabiilsed tuumad, süsinik-11 (74) tuumade poolestusaeg on ca 20 min, aga süsinik-14 (75) oma 5730 aastat.

62

Tuumajõud

Aatomituumade koospüsimist ei ole võimalik selgitada meie poolt siiani käsitletud jõudude (gravitatsioon, elektromagnetjõud) abil.
Tuumaosakeste vahel mõjuvad teistsugust liiki jõud – tuumajõud – ja seda vastastikmõju nimetatakse tuuma ehk tugevaks vastastikmõjuks.

Nukleonide vahel mõjuvad tuumajõud on elektromagnetjõududest umbes 100 korda tugevamad. Samuti on tuumajõud on väga väikese mõjuraadiusega – nad mõjuvad ainult nende nukleonide vahel, mis asuvad teineteisest umbes 10-15 m kaugusel.

63

 

Tegelikult ei mõjugi tuumajõud mitte prootonite ja neutronite, vaid hoopis neisse igavesti vangistatud kvark-kolmikute vahel. Kvargid on need osakesed, mille vahel mõjuvad tugeva vastastikmõju jõud. Kvargi mõjuraadius ulatub nukleonist väljapoole. Kui sellesse piirkonda satub teises nukleonis sisalduv kvark, hakkavad nad vastastikku teineteist mõjutama – nii moodustuvadki aatomituumad.

Seoseenergia. Massidefekt

Selleks, et liigutada tuumast välja seal sisalduvad nukleonid, tuleb osakestele rakendada tuumajõududega võrdseid (või nendest pisut suuremaid) jõudusid – osakeste liigutamiseks tuleb teha tööd.

Energiat, mis tuleb kulutada tuuma lõhkumiseks eraldiasuvateks nukleonideks, nimetatakse tuuma seoseenergiaks. Energiat, mis kulub tuuma lõhkumisel keskmiselt ühe nukleoni kohta, nimetatakse tuuma eriseoseenergiaks.

Massi ja energia ekvivalentsusprintsiibi kohaselt on keha energia võrdeline keha massiga:

64

kus E – keha energia, m – keha mass ja c =3,0∙108 m/s – on absoluutkiirus.

Seega tehes tuuma lõhkumiseks tööd A ning suurendades selle arvel tuumaosakeste koguenergiat E, suurendame me kokkuvõttes nende osakeste massi:

65

On üllatav, kuid mõõtmistega tõestatud fakt, et tuumaosakeste mass eraldi võetuna on alati suurem kui neist moodustunud tuuma mass.

66

Tuumade moodustumisel nendest samadest nukleonidest läheb aga massidefektiga võrdne mass „kaduma“ – järelikult peab tuumade moodustumisel prootonitest ja neutronitest vabanema seoseenergiaga võrdne kogus energiat.

Seega kui on meil on Z prootonit, mille igaühe mass on mp ja N neutronit, mille igaühe mass on mn ning nendest moodustunud aatomituum, massiga mx, siis avaldub massidefekt:

67

ning seoseenergia:

68