EXPLORANIUM GR-130 minispec- Gammaspektrometrin käyttöohje

Transkriptio

1 Pohjois-Suomen yksikkö Q 15/25/2006/1 Rovaniemi EXPLORANIUM GR-130 minispec- Gammaspektrometrin käyttöohje Pertti Turunen 2006

2 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Päivämäärä Tekijät Pertti Turunen Raportin laji Käyttöohje Toimeksiantaja Raportin nimi EXPLORANIUM GR-130 minispec-gammaspektrometrin käyttöohje Tiivistelmä Raportin ensimmäisessä osassa käsitellään aineen atomaarista rakennetta, radioaktiivisuuden perusteita, radioaktiivisuuden esiintymistä luonnossa, gammasäteilyn mittaamista sekä gammaspektrometriaa. Toisessa osassa esitetään EXPLORANIUM GR-130-gammaspektrometrin käyttöohje. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) Gammasäteily, gammaspektrometria, EXPLORANIUM GR-130 minispec Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Karttalehdet Muut tiedot Arkistosarjan nimi Q15 Kokonaissivumäärä 147 s. + 2 liitettä Kieli suomi Yksikkö ja vastuualue Pohjois-Suomen yksikkö / 501 Allekirjoitus/nimen selvennys Arkistotunnus Q 15/25/2006/1 Hinta Hanketunnus Allekirjoitus/nimen selvennys Julkisuus Julkinen Pertti Turunen

3 GEOLOGICAL SURVEY OF FINLAND Authors Pertti Turunen DOCUMENTATION PAGE Date Type of report User manual Commissioned by Title of report EXPLORANIUM GR-130 -gammaspektrometrin käyttöohje [= Instructions fo use of EXPLORANIUM GR-130 -gammaspectrometer] Abstract The first part of the report deals with the atomic structure of matter, principles of radioactivity, occurrence of radioactivity in nature, measurement of gamma radiation, and gamma ray spectrometry. The second part of the report presents instructions for use of EXPLORANIUM GR- 130-gammaspectrometer. Keywords Gamma radiation, gamma ray spectrometry, EXPLORANIUM GR-130 minispec Geographical area Map sheet Other information Report serial Q 15 Total pages 147 p. + 2 apps. Language Finnish Unit and section Northern Finland Office / 501 Archive code Q 15/25/2006/1 Price Project code Confidentiality Public Pertti Turunen

4 Sisällysluettelo Kuvailulehti Documentation page 1 AINEEN RAKENTEESTA JA STANDARDIMALLISTA Tiivistelmä Johdanto Aineen rakenteesta Kvanttiteoria Heisenbergin epämäärisyysperiaate Sähkömagneettinen vuorovaikutus Vahva ydinvoima Heikko ydinvoima Yhteenveto standardimallista 9 2 RADIOAKTIIVISUUS Tiivistelmä Historiaa Määritelmiä Nuklidikartta Sidosenergia Radioaktiivinen hajoaminen Alfa-säteily Beta-säteily Gamma-säteily Muita radioaktiivisuuden ja säteilyn lajeja 24 3 GAMMASPEKTROMETRIASTA Johdanto Gammasäteily Gammasäteilyn vuorovaikutus aineen kanssa Yleistä Valosähköinen ilmiö Comptonin sironta Parinmuodostus Lisää vuorovaikutuksista Muita vuorovaikutuksia Säteilyn mittaamisesta Yleistä Skintillaatiodetektori Puolijohdeilmaisin Mitä detektorissa tapahtuu Iso detektori Pieni detektori Todellinen detektori Todellisen detektorin mittaama gammaspektri. 42

5 3.6.1 Yleistä Summautuminen Röntgenspektrit Takasironta Annihilaatiosäteily Betaspektri Spektrimittauksista Muutamia spektrin kvantitatiivisia ominaisuuksia Tehokkuus Resoluutio Minimihavaittavuus Peak-to-Compton ratio Spektrin muodon riippuminen gamman energiasta Gammasäteilyn vaimeneminen aineessa Johdanto Geometrinen vaimeneminen Absorptiovaimeneminen Puoliintumispaksuus Keskimääräinen vapaa matka Tärkeimpien radionuklidien gammaspektrit Kalium Uraani Torium 62 4 LUONNON RADIOAKTIIVISUUDESTA Radioaktiivisuus luonnossa Puoliintumisajat Radioaktiiviset hajoamissarjat Primordiaaliset radioaktiiviset nuklidit Yleistä Kalium Uraani Torium Kosmogeeniset nuklidit Antropogeeniset isotoopit Radioaktiivisuuden käyttökohteita geotieteissä Radioaktiivisuuden esiintyminen kivissä Radioaktiiviset nuklidit Radionuklidien geologinen käyttäytyminen Radioaktiivisten alkuaineiden pitoisuudet pääkivilajiluokissa Gammamittaukset geotieteissä 86 5 SÄTEILYN SUUREET Johdanto Säteilykenttää luonnehtivat suureet Hiukkasten määrä Säteilyenergia Hiukkaskertymä Hiukkaskertymänopeus Energiakertymä 91

6 5.2.6 Energiakertymänopeus Vuorovaikutussuhteet Vaikutusala Matkavaimennuskerroin Massavaimennuskerroin Vuorovaikutustaajuus Energialuovutuksen massakerroin Jarrutuskyky Massajarrutuskyky Dosimetriasuureet Absorboitunut annos Absorptioannosnopeus Kerma ja cema Kermanopeus ja cemanopeus Säteilytys Säteilytysnopeus Annosekvivalentti Annosekvivalenttinopeus Radioaktiivisuuden suureet Aktiivisuus Ominaisuusaktiivisuus Hajoamisvakio Puoliintumisaika 98 6 EXPLORANIUM GR-130 MINISPEC-GAMMASPETROMETRIN KÄYTTÖOHJE Aluksi Akkujen lataaminen Mittaaminen GR-130:llä Datan tallentaminen muistiin Stabilointi Spektrimittaus Nuklidien tunnistuskirjasto Muisti SET UP-asetukset SPECVIEW-OHJELMA Yleistä Asennus Toiminta Kursorin käytöstä Kirjaston lataus GR-130:lle Muutama sana käytännön mittauksesta ESIMERKKEJÄ GR-130:LLÄ MITATUISTA SPEKTREISTÄ Taustasäteily Cesium Amerikium Torium-malmi Uraanimalmi 144

7 Kirjallisuusluettelo LIITTEET: Liite 1. Liite 2. Virheilmoitukset GR-130:n menut

8 1 1 AINEEN RAKENTEESTA JA STANDARDIMALLISTA 1.1 Tiivistelmä Vallitsevan atomiteorian mukaan maailmankaikkeuden materia koostuu muutamasta harvasta materiaalisesta alkeishiukkasesta ja niiden vuorovaikutuksia säätelevästä myös materiaalisesta voimavaikutuspartikkelista. Perushiukkasista elektroni on hyvin todennäköisesti todellinen alkeishiukkanen, mutta toiset niistä kuten protoni voidaan jakaa alkeellisempiin osiin. Vielä ei tiedetä ovatko niiden rakennuspalikat, kvarkit, aineen rakenteen perimmäinen pohja. Atomiteorian luonteeseen kuuluu, etteivät nämä palikat koskaan esiinny yksinään vaan yhden tai kahden muun kvarkin seurassa. Aineen pitämiseksi koossa niin atomi- kuin galaksitasollakin tarvitaan liimahiukkasia. Materiaalihiukkaset ja liimana toimivat voimanvälityshiukkaset voivat muuttua toisikseen, sillä suhteellisuusteorian mukaan aine ja energia ovat yhtä. Luonnon neljä perusvoimaa edellyttävät kukin oman liimahiukkasensa olemassaoloa, ja näistä toistaiseksi tunnetaan kolme. Ainetta makroskooppisella tasolla pitää koossa sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen, fotoni, joka sitoo atomit molekyyleiksi ja atomitasolla vangitsee elektronit atomin ytimen ympärille. Ytimet koostuvat nukleoneista ja nämä edelleen kvarkeista. Kvarkitkaan eivät pysy yhdessä ilman omaa liimaansa, gluoneja, jotka muodostavat vahvan ydinvoiman. Radioaktiivista hajoamista säätelee heikko ydinvoima. Neljäs luonnon voimavaikutus, painovoima, poikkeaa muista eikä sen voimanvälityshiukkasta ole havaittu. Atomi- ja alkeishiukkasluokan hiukkasten käyttäytymistä säätelevät omat erikoiset lakinsa, joiden kokoelma tunnetaan kvanttiteorian nimellä. Makroskooppisessa maailmassa nämä lait vaikuttavat paradoksaalisilta. Niiden mukaan syy- ja seuraussuhteet eivät yksittäistapauksessa ole tärkeitä, vaikkakin hiukkasten määrän ollessa suuri niiden kokonaiskäyttäytyminen lähenee "terveen järjen" mukaista käyttäytymistä. Hiukkasia hallitsee myös ns. Heisenbergin epämääräisyysperiaate, jonka mukaan luonnon ehdottomien lakien rikkominen on sallittua ja tavallistakin kunhan rikos on riittävän pienimittakaavainen eikä lain rikkomisesta edes periaatteessa ole mahdollista jäädä kiinni. Tämä periaate tuottaa energiasta virtuaalisia hiukkasia joiden avulla esim. radioaktiivinen β-hajoaminen on mahdollista selittää. Jos energiaa on käytettävissä riittävästi, tavallisten alkeishiukkasten lisäksi syntyy useita tavallisissa oloissa tuntemattomia eksoottisia hiukkasia. Niitä ei tarvita maailmankaikkeuden rakentamiseen eikä syytä näiden olemassaololle tunneta. Siten vaikka nykyinen atomiteoria, standardimalli, kuvaakin alkeishiukkasten käyttäytymistä hyvin tarkasti, se ei selitä kaikkia ilmiöitä eikä siten voine olla lopullinen totuus. 1.2 Johdanto Vallitsevan atomiteorian, ns. standardimallin, mukaan maailmankaikkeuden materia koostuu ainehiukkasista ja niiden keskinäisiä suhteita säätelevistä voimavaikutuksista samaan tapaan kuin ihmisen kieli koostuu sanoista ja kielioppisäännöistä. Samalla tavalla kuin kielioppisääntöjen ilmaisemiseen tarvitaan sanoja, myös standardimallin mukaan useimmat voimavaikutusten välittäjät ovat materiaalisia. Aine ja sitä koossapitävät voimat ovat yhtä ja toisistaan erottamattomia, ja niiden hiukkaset voivat muuttua toisikseen.

9 2 Kemiallisin keinoin ainetta tutkittaessa päädytään molekyylitasolle eli tasolle, jossa kemialliset reaktiot tapahtuvat. Näissä reaktioissa alkuaineet eivät muutu toisiksi vaikka reaktion tulos saattaakin olla makroskooppisesti hyvin erilainen kuin lähtömateriaali. Kun molekyylien tutkimista jatketaan fysikaalisin menetelmin, todetaan niiden koostuvan alkeellisemmista hiukkasista, atomeista. Kiihdytinfysiikassa käytettävin menetelmin kuitenkin päädyttiin jo sata vuotta sitten johtopäätökseen, etteivät atomitkaan muodosta lopullista aineen rakenteen perustasoa. Atomin havaittiin koostuvan ytimestä ja sitä ympäröivästä elektroniverhosta. Elektroni on nykyisen käsityksen mukaan jaettavaksi mahdoton perushiukkanen - ei ole pienempiä hiukkasia miksi se voisi jakaantua mutta ydin on kyetty hajottamaan protoneiksi ja neutroneiksi sekä sadoiksi muiksi partikkeleiksi. Näiden rakenteessa ja käyttäytymisessä havaittiin säännönmukaisuuksia, joiden perusteella on päätelty niiden koostuvan standardimallin fundamentaalisimmista hiukkasista, kvarkeista. Standardimallikaan ei voi olla lopullinen teoria, koska se ei selitä kaikkea kuten sitä miksi hiukkasilla on massa. Malli ennustaa kuitenkin monet hiukkasten piirteet erittäin tarkasti, ja kvarkkienkin olemassaolo on todistettu viime vuosikymmenet kestäneen tutkimuksen tuloksena. Kaikki luonnon ilmiöt, radioaktiivisuus muiden mukana, voidaankin selittää elektronin sekä kvarkkien välisiksi vuorovaikutusilmiöiksi. 1.3 Aineen rakenteesta Standardimallin mukaan aine koostuu atomeista, joista pienimmän ytimen läpimitta on 1.6 fm eli 1.6*10-15 m. Ydintä kiertää yksi elektroni, jonka etäisyys ytimestä ja siten atomin keskipisteestä on 106 pm eli 106*10-12 m. Atomi on suurimmaksi osaksi tyhjää tilaa. Kaksi atomia voidaan kuitenkin siirtää vain niin lähelle toisiaan, että niiden elektroniverhot koskettavat toisiaan. Tällaisessa tapauksessa elektronit saattavat kuulua molemmille atomeille ja ne muodostavat molekyylin. Kemialliset reaktiot ovat atomien elektronien välisiä vuorovaikutuksia. Elektronit ovat pienimpiä alkeishiukkasia, niin pieniä, ettei niiden koosta voida sanoa muuta kuin että se on pienempi kuin m. Elektronien tunnetuin ja merkittävän ominaisuus on sähkövaraus, joka on kaikilla elektroneilla saman suuruinen. Kaikki luonnossa havaittavat tai ihmisen luomat varaukset ovat jaettavaksi mahdottoman alkeisvarauksen monikertoja. Historiallisista syistä elektronin varausta sanotaan negatiiviseksi. Elektronit kiertävät ydintä, jonka ympärille ne ajautuvat sähkömagneettisen voimavaikutuksen houkuttelemina. Sähkömagneettinen voima on yksi luonnon neljästä voimavaikutuksesta. Ydin vetää elektroneja puoleensa, koska se koostuu positiivisesti varatuista hiukkasista, protoneista. Protonin varaus on saman suuruinen kuin elektronin mutta vastakkaismerkkinen eli positiivinen. Protoni on n kertaa massiivisempi kuin elektroni ja siitä syystä atomin massa keskittyy ytimeen. Protonin lisäksi ytimessä on sähköisesti neutraaleja hiukkasia, neutroneita, jotka ovat (lähes) protonien kaltaisia varauseroa lukuun ottamatta. Protonien määrää ytimessä (Z) sanotaan atomin järjestysluvuksi ja protonien ja neutronien yhteismäärää atomipainoksi (A). Järjestysluku määrää sen minkä alkuaineen atomista on kysymys. Elektronien määrä atomin ympärillä on sama kuin protonien määrä ja atomi on tällöin kokonaisuutena neutraali. Neutroneja on sama määrä kuin protoneja tai hiukan enemmän. Alkuaineilla saattaa olla lukuisia isotooppeja, joilla on yhteinen järjestysluku mutta erilainen atomipaino. Makroskooppisessakin maailmassa on monia säilymislakeja, ja ne ihminen ymmärtää itsestään selvyyksinä: jokin ominaisuus kuten massa ei yksinkertaisesti voi kadota vaan sen minkä tahansa prosessin jälkeen on oltava sama kuin ennen prosessia. Säilymislait ovat tehokkaimpia työkaluja,

10 3 joilla hiukkasmaailman prosesseja voidaan tutkia ja tulkita. Hiukkasmaailmassakin on olemassa monia ominaisuuksia, joiden on säilyttävä. Erikoisilta nämä vaikuttavat siksi, että ominaisuuskirjat voidaan pitää tasapainossa luomalla ominaisuus ja antiominaisuus tyhjästä. Esim. fotoni, jonka varaus ja massa ovat nollia, saattaa muuttua elektronipositronipariksi. Näiden varaukset -e ja +e luodaan tyhjästä minkä luonto sallii, sillä kokonaisvaraus ennen muutosta on sama kuin sen jälkeen. Samalla fotonin energia muuttuu suhteellisuusteorian mukaisesti kahden aineellisen hiukkasen massaksi. 1.4 Kvanttiteoria Atomaaristen partikkelien käyttäytymistä voidaan kuvata klassisen mekaniikan ja arkipäivän käsittein molekyylitasolle saakka. Atomien ja alkeishiukkasten käyttäytymisen on havaittu poikkeavan radikaalisti makroskooppisten kappaleiden "terveen järjen" mukaisesta käyttäytymisestä. Tätä hiukkasten käyttäytymisteoriaa kutsutaan kvanttiteoriaksi. Sen lakien alaisten hiukkasten väliset vuorovaikutukset saattavat olla makroskooppisen maailman käsittein tarkasteltuina paradoksaalisia, mutta ne ovat niitä sääntöjä joita hiukkaset noudattavat ja tottelevat. Elektronien kiertoliike ytimen ympäri on yksi näitä käsittämättömiä ilmiöitä. Kiertoliikkeessä olevan hiukkasen tulisi menettää koko ajan liike-energiaansa säteilemällä, ja näin sen tulisi syöksyä ytimeen sähkömagneettisen vetovoiman vetämänä. Näin ei kuitenkaan tapahdu. Luonto kieltää elektronia syöksymästä ytimeen. Kvanttiteorian keskeisiä käsitteitä on hiukkasten aalto-hiukkasdualismi. Klassisessa fysiikassa voimavaikutuksia välittäväksi tekijäksi selitetään kentät, jotka siirtävät energiaa aaltoina. Aaltoja ei voida pitää äärellisinä kokonaisuuksina, eikä niiden energia sijaitse yhdessä paikassa, koska määritelmänsä mukaan aallon sijainti vaihtelee ajan mukana. Esim. ääniaalto on ilmanpaineen muuttumista ja vesiaalto vedenpinnan deformoitumista. Aallolla ei ole alkua eikä loppua ja esim. puhdas siniaalto toistuu 2π:n periodein. Hiukkaset taas ovat erillisiä homogeenisia kappaleita, joiden energia on keskittynyt äärelliseen tilaan. Hiukkaset sijaitsevat tietyssä paikassa, niitä voi olla vain yksi yhdessä paikassa ja siirtyäkseen paikasta toiseen hiukkasen on noudatettava kinematiikan, kiihtyvyyden, nopeuden ym. lakeja. Hiukkasten välisissä vuorovaikutuksissa energia ja liikemäärä säilyvät. Magneetin ympäristössä vallitsee tunnetusti magneettikenttä. Jos kentän lähdettä siirretään, tieto siitä siirtyy kentän välityksellä valonnopeudella kaikkiin suuntiin samalla kun kenttään syntyy sähköinen komponentti. Kun kenttää tarkastellaan lähemmin, se tietyllä tavalla järjestetyissä kokeissa edelleenkin näyttää aallolta, mutta joissakin toisissa kokeissa vaikuttaa koostuvan hiukkasmaisista energiapakkauksista. Molemmat koetulokset ja niiden tulkinnat ovat oikeita kyseessä on kvanttimekaniikan mukainen hiukkasten aalto-hiukkasdualismi. Atomaarisilla hiukkasilla on sekä aaltojen että hiukkasten piirteitä, ja se kumpaa piirrettä kuvaavan tuloksen jokin koe antaa, riippuu siitä kumpaa kokeella mitataan. Jos ytimen ympärillä kiertävää elektronia ei havainnoida, luonto ei tee päätöstä siitä onko elektronilla enemmän aalto vai hiukkasluonnetta. Kun mitataan hiukkasluonteen ominaisuutta, luonto antaa hiukkaselle hiukkasominaisuudelle arvon mutta samalla tämän kanssa kytkeyksissä oleva aaltoluonneominaisuus jää epämääräiseksi. On huomattava, että aalto ja hiukkanen eivät ole sitä mitä alkeishiukkanen "tosiasiassa" on vaan ne ovat malleja, joiden avulla tilannetta tarkastellaan. "Totuus" on ainakin toistaiseksi väistänyt ihmisen ymmärrysyrityksiä.

11 4 Yksi kvanttiteorian perussääntöjä on hiukkasten keskinäistä kanssakäymistä säätelevä ns. Paulin kieltosääntö. Sen mukaan ainehiukkaset eivät voi olla samassa tilassa jos niiden kaikki kvanttiluvut ovat samoja; esim. atomissa ei ole kahta kaikilta ominaisuuksiltaan samanlaista elektronia. Kvanttiluvuilla tarkoitetaan atomaaristen hiukkasten ominaisuuksia. Toinen sääntö on Heisenbergin epämääräisyysperiaate. 1.5 Heisenbergin epämäärisyysperiaate Heisenbergin kvanttimekaanisen epämääräisyysperiaatteen mukaan on mahdotonta mitata samanaikaisesti hiukkasen paikkaa ja liikemäärää (nopeuden ja massan tuloa) mielivaltaisen tarkasti. Mitä tarkemmin toinen suureista tunnetaan, sitä epämääräisempi on toisen arvoa. Matemaattisesti sanottuna x * p 1 / 2 ħ, missä x = paikan epävarmuus p = liikemäärän epävarmuus ħ = h/2π = * Js h on Planckin vakio ja se on yksi luonnon perusvakioita. Tämä kvanttimekaniikan ehkä fundamentaalisin yhtälö tarkoittaa, että paikan ja liikemäärän samanaikaisen mittauksen epätarkkuus ei missään oloissa edes periaatteessa ole luonnon määräämää arvoa pienempi. Jos toinen suureista pystyttäisiin määrittämään ehdottoman tarkasti, toisen suureen arvosta ei samaan aikaan olisi mitään tietoa. Ilmiö voidaan kvalitatiivisesti selittää siten, että tarkkaan mittaukseen tarvitaan lyhytaaltoista valoa, koska yleensäkin tutkimussignaalin aallonpituus määrää sen miten tarkkoja havaintoja voidaan tehdä. Metrin mitalla ei voida mitata millin pituisia matkoja. Mittaukseen käytettävän valon aallonpituuden lyhetessä sen energia fysiikan lakien mukaan kuitenkin kasvaa, ja valon energia potkaisee tutkittavan hiukkasen pois. Hiukkasen paikka jää sitä epäselvemmäksi mitä enemmän aallolla on energiaa eli mitä lyhytaaltoisempaa se on eli mitä tarkemmin nopeus halutaan mitata. Suureiden epävarmuus ei ole kiinni siitä mitataanko niitä vai ei vaan niiden "todellisissa" arvoissa on ihmisestä riippumatta tämä määrittelemättömyys mukana. Sama periaate koskee paikan ja liikemäärän lisäksi kaikkia muitakin sellaisia suurepareja, joiden tulon dimensio on Joule*sekunti. Erikoisen tärkeän suureparin muodostavat energia ja aika. Hiukkasen energia saattaa hyvin lyhyen ajan poiketa runsaastikin siitä mitä energia oli juuri ennen tuota ajanhetkeä tai sen jälkeen. Tällä on hyvin perustavaa laatua olevia seurauksia. Kiihdytinkokeissa on nimittäin havaittu, että joissakin hiukkasten välisissä reaktioissa ainehiukkanen emittoi massiivisen voimanvälityshiukkasen, joka saman tien hajoaa kevyemmiksi partikkeleiksi. Koska voimanvälityshiukkasen energia saattaa olla paljon emohiukkasta suurempi, energian säilymisen periaate näyttää rikkoutuvan raskaan hiukkasen lyhyen eliniän ajaksi. Reaktio on kuitenkin sallittu Heisenbergin yhtälön saneleman lain nojalla. Massiivinen ja lyhytikäinen hiukkanen on virtuaalinen ja ilmiön jälkeen kokonaisenergia on sama kuin ennen sitä. Virtuaalinen hiukkanen on olemassa niin lyhyen aikaa, ettei sitä voida edes periaatteessa havaita. Atomaaristen hiukkasten elämässä virtuaaliset hiukkaset ovat jokapäiväistä todellisuutta. Luonto ei koe rikkovansa lakejaan luodessaan hiukkasia tyhjästä hyvin lyhyeksi aikaa. Reaalisia hiukkasia ympäröikin koko ajan pilvi virtuaalisia hiukkasia, jotka palaavat saman tien lähtöpaik-

12 5 kaansa ja katoavat jos ne eivät elinaikanaan tavoita vastaanottavaa hiukkasta. Jos näin tapahtuu, virtuaalinen hiukkanen joutuu toisen hiukkasen vastaanottamaksi ja muuttuu todelliseksi. Virtuaalinen hiukkanen saattaa muuttua todelliseksi jos käytettävissä on niin paljon ulkoisesta lähteestä saatavaa energiaa, että energialaina voidaan maksaa takaisin epämääräisyysperiaatteelle ennen laina-ajan umpeen kulumista. 1.6 Sähkömagneettinen vuorovaikutus Materian rakenteessa yhtä tärkeitä tekijöitä ainehiukkasten kanssa ovat ne voimavaikutukset, jotka kontrolloivat hiukkasten välistä kanssakäymistä. Voimavaikutuksia tunnetaan neljä, joista makroskooppisella tasolla tulevat esille painovoima ja sähkömagnetismi. Painovoima on heikoin kaikista luonnon voimavaikutuksista ja sillä on radioaktiivisuuden kanssa niin vähän tekemistä, ettei sitä tarkastella tämän enempää. Sähkömagneettinen voimavaikutus on luonnon voimista se, joka pitää aineen koossa makroskooppisella tasolla. Pöytälevyn lujuus, peilin heijastavuus ja nesteen viskositeetti ovat tämän voiman aiheuttamia minkä lisäksi se ilmenee sähköisinä ja mag -neettisina ilmiöinä sekä valona ja radioaktiivisena gammasäteilynä. Elektronit tuntevat tämän voimavaikutuksen positiivisesti varatun atomiytimen läheisyydessä ja sen vaikutuksesta joutuvat vangituksi ytimen ympärille. Vapautuminen vankilasta on mahdollinen, mutta vain jos siitä maksuksi tarvittava energia saadaan ulkoisesta lähteestä. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjä on teorian ja kokeidenkin mukaan energiapakkaus nimeltään fotoni (tai γ-kvantti). Se on puhdasta energiaa, massaton ja liikkuu aina valonnopeudella. Kun hiukkasen lähettämä virtuaalinen fotoni joutuu toisen hiukkasen vastaanottamaksi, fotoni muuttuu todelliseksi, hiukkaset tulevat tietoisiksi toisistaan ja niiden välillä vallitsee voimavaikutus. Hiukkasten voidaan katsoa pallottelevan fotonia välillään, ja voimavaikutus niiden välillä kestää niin kauan kuin pallottelu jatkuu. Sähkömagneettisen voimavaikutuksen voimakkuus pienenee etäisyyden neliön mukaan, mutta sen vaikutusala on ääretön. Kuvassa 1 esitetään kaavakuva standardimallin mukaisesta sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta. Kaksi elektronia lähestyy toisiaan ajan kuluessa vasemmalta oikealle. Elektroneja ympäröi virtuaalisten fotonien pilvi, ja keskellä kuvaa elektronit vaihtavat voimanvaikutusbosonin eli fotonin. Koska elektronit ovat samanmerkkisiä, ne tuntevat bosonin välittämän voiman karkottavana ja siksi ne alkavat siirtyä toisistaan poispäin. Sähkömagneettiset kentät, radioaallot, lämpösäteily, näkyvä valo, röntgensäteet ja gammasäteet muodostavat jatkuvan spektrin. Vaikka eri taajuisen säteilyn syntymekanismi vaihteleekin, kaikissa on kyseessä sama ilmiö jonka välittää γ- kvantti - sama γ-kvantti, jota mitataan ja selitetään gammaspektrometriassa.

13 6 Kuva 1. Sähkömagneettisen voimavaikutuksen välittyminen fotonin vaihdolla. 1.7 Vahva ydinvoima Ytimessä olevat protonit ovat kaikki sähköiseltä varaukseltaan samanmerkkisiä, minkä seurauksena niiden välillä vallitsee sähköinen hylkimisvoima. Koska kuitenkin ydin pysyy koossa, täytyy olla olemassa voimavaikutus, joka on vahvempi kuin vastakkaiseen suuntaan vaikuttava sähkömagneettinen hylkimisvoima. Tälle annettiin aikoinaan nimi vahva ydinvoima, ja se onkin kolmas luonnon voimavaikutuksista ja vahvin kaikista, sata kertaa vahvempi kuin sähkömagneettinen vuorovaikutus ja kertaa vahvempi kuin heikko ydinvoima. Vahvaa ydinvoimaa on olemassa kahta lajia, joista toista sanotaan värivoimaksi ja toista residuaaliseksi vahvaksi voimaksi. Residuaalisen vahvan ydinvoiman välittäjähiukkanen on nimeltään mesoni. Standardimallin mukaan protoneja ja neutroneja (eli yhteisnimitykseltään nukleoneja) ympäröi virtuaalisten mesonien pilvi. Koska mesonit ovat suhteellisen raskaita, niiden elinikä on pieni - epämääräisyysperiaatteelta lainattu aika on massiivisen hiukkasen kohdalla lyhyt. Ne eivät ehdi elinaikanaan matkustaa kovinkaan kauas ennen kuin energialaina on maksettava takaisin. Jos ulottuvilla on toinen nukleoni, se saattaa ottaa mesonin vastaan jolloin siitä tulee todellinen, ja näin luonto pakottaa kaksi nukleonia muodostamaan atomin ytimen. Mesonin suuren massan takia voiman kantomatka on pieni, m eli 1 fm, ja tätä suuremmilla etäisyyksillä se on nolla. Tässä suhteessa se poikkeaa sähkömagneettisesta voimavaikutuksesta, jonka kantama on ääretön. Atomin elämä on dynaamista sen lisäksi että elektronit kiertävät ydintä huoneen lämpötilassakin tuhansien sekuntikilometrien nopeudella, myöskään nukleonit ytimessä eivät vietä staattista elä -mää vaan ne ottavat vastaan ja lähettävät edelleen mesoneita koko ajan. Varsinainen dynaamisuus atomissa keskittyy kuitenkin nukleonien sisäiseen rakenteeseen. Protoni ja neutroni on nimittäin kiihdytinkokeissa pystytty jakamaan tämänhetkisen teorian fundamentaalisimpiin osiin, kvarkkeihin. Kvarkit eivät muodosta nukleonia ilman omaa voimaansa. Sitä sanotaan vahvaksi värivoimaksi. Kvarkkien elämän rinnalla ytimenkin kvanttimekaaninen käyttäytyminen vaikuttaa yksinkertaiselta. Protoni ja neutroni koostuvat molemmat kolmesta kvarkista, joille on annettu mielivaltaiset nimet up (u) ja down (d). Protonin kvarkkirakenne on (uud) ja neutronin (udd). Kvarkit eroavat

14 7 toisistaan sähkövarauksiensa puolesta - u:n varaus on +⅔e ja d:n -⅓e, missä e on elektronin alkeisvaraus. Elektronin jakamaton alkeisvaraus ei ole jakamaton kvarkkien maailmassa. Samaan tapaan kuin nukleonit pallottelevat mesoneja ja näin muodostavat atomin ytimen, kvarkit pallottelevat gluoneiksi sanottuja liimahiukkasia. Erona mesoneihin nähden on kuitenkin se, että kvarkkien välisen etäisyyden kasvaessa niiden välillä vallitseva vetovoima kasvaa. Näin kvarkit on vangittu nukleonin sisään. Siellä ne saavat vapaasti vaellella, mutta niillä ei ole ulospääsyä. Luonto ei salli kvarkkien esiintyvän paljaana vaan ainoastaan kolmen (tai kahden, mesonit koostuvat kahdesta kvarkista) kvarkin muodostaman hiukkasen kaapuun verhoutuneena. Jos kvarkki koetetaan siirtää kauemmaksi muista, niiden välinen yhteenkuuluvuus kasvaa. Jos kvarkin siirtämiseen käytetään riittävästi energiaa, gluonien muodostama voimavaikutus lopulta murtuu, mutta koska läsnä on paljon energiaa, osa siitä materialisoituu suhteellisuusteorian mukaan ja muuttuu kvarkiksi irrotetun kvarkin paikalle. Siirretty kvarkkikin saa energiasta materialisoituvan parin, ja koko toimenpiteestä seurauksena syntyy ylimääräinen mesoni. Ensi kuulemalta aineen kvarkkirakenteessa näyttää olevan vakava ristiriita. Protoni koostuu kahdesta up- ja yhdestä down-kvarkistasillä. Up-kvarkin massa on 5 MeV, down-kvarkin 8 MeV ja protonin 938 MeV. Suhteellisuusteoria ja Heisenbergin periaate selittävät kuitenkin tämän paradoksin. Kvarkit sijaitsevat m läpimitaltaan olevan protonin sisällä missä ne poukkoilevat lähes valonnopeudella ja näin ne ovat voimakkaasti relativistisia eli niiden massa on huomattavasti lepomassaa suurempi. Heisenbergin mukaan kvarkkien paikan ja liikemäärän epävarmuuksien tulon on oltava suurempi kuin ħ. Jotta tämä sääntö tulisi täytetyksi ja koska kvarkin sijaintialueen läpimitta on vain m, liikemäärän epävarmuuden on oltava luokkaa 100 MeV kaikissa kolmessa avaruuden suunnassa. Kolmen kvarkin yhteenlaskettu liikemassa on näin samaa luokkaa protonin ja neutronin massan kanssa ja ristiriita poistuu. Gluoneilla on oma varauksensa, joka antaa saman ominaisuuden myös kvarkeille. Ominaisuutta sanotaan väriksi ja se on analoginen sähköisen varauksen kanssa. Värillä ei ole muuta tekemistä arkipäivän värien kanssa kuin analogia. Jos kolme kvarkkimaailman väriä, punaiseksi, vihreäksi ja siniseksi ristityt, joutuvat yhteen, summaväri on valkoinen eli värivaraus katoaa. Eriväriset gluonit vetävät toisiaan puoleensa ja samanväriset karkottavat toisiaan. Kvarkit voivat muodostaa hiukkasen vain sillä tavalla, että hiukkanen on valkoinen. Antikvarkeilla on antiväri, joka myös pystyy kumoamaan värin vaikutuksen. Nukleonin dynaamista luonnetta kuvaa oheinen taiteilijan näkemys. Kuvan kolmea kvarkkia ympäröi virtuaalisten kvarkkien ja gluonien pilvi. Gluoneilla on kolmenlaisia värivarauksia, punaisia, sinisiä ja vihreitä sekä lisäksi antipunaisia, antisinisiä ja antivihreitä. Gluonit liikkuvat valonnopeudella ja joutuvat toisen kvarkin vastaanottamaksi tai palautuvat sen lähettäneeseen kvarkkiin ja katoavat.

15 8 Kuva 2. Taiteilijan näkemys nukleonin dynaamisesta luonteesta. 1.8 Heikko ydinvoima Neljättä luonnon voimavaikutuksista ja mm. β-aktiivisuuden takana olevaa voimaa sanotaan heikoksi ydinvoimaksi. Se on kymmenen tuhatta kertaa heikompi kuin vahva ydinvoima ja se vaikuttaa luonnon voimista vähiten tärkeältä, mutta jos sen voimakkuus poikkeaisi vähänkin siitä mikä se on, maailma olisi aivan toisenlainen. Heikko ydinvoima ja sähkömagneettinen voima on sekä teoriassa että käytännössä pystytty todistamaan yhden laajemman voimavaikutuksen ilmenemismuodoiksi samaan tapaan kuin sähkö ja magnetismi ovat sähkömagnetismin ilmenemismuotoja. Yhdistynyt voima edellyttää neljä voimanvälittäjähiukkasta, välibosonia, joista yksi on jo tuttu fotoni. Kolme muuta heikon voiman kuljettajaa ovat W +, W - ja Z 0, missä yläindeksit tarkoittavat bosonien varauksia elektronin varauksina. Fotonia lukuun ottamatta kaikki ovat hyvin massiivisia, lähes sata kertaa massiivisempia kuin protoni. W-bosonia tarvitaan selittämään esim. β-aktiivisuutta. Kun neutroni muuttuu protoniksi, se emittoi W - -hiukkasen. Varauksien summa ennen bosonin syntymistä on sama kuin sen jälkeen. Paradoksaaliselta vaikuttaa se, että bosonin massa on sata kertaa suurempi kuin sen lähettäneen neut-

16 9 ronin massa, mutta se on mahdollista, koska syntynyt W-partikkeli on virtuaalinen. Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen mukaan partikkeli lainaa epätarkkuusperiaatteelta energiaa riittävän määrän syntyäkseen. Mitä suurempi lainattu energia on, sitä lyhempi on laina-aika, ja W-bosoni joutuu hajoamaan niiksi hiukkasiksi, jotka havaitaan β-hajoamisen seurauksena eli elektroniksi ja antineutriinoksi. Jälkimmäisen syntyminen on tarpeen jotta impulssimomentti säilyisi. Heikon voiman vaikutusala on pieni, <10-17 m, mikä aiheutuu voimanvaikutusbosonien massiivisuudesta. Energiaa epätarkkuusperiaatteelta tarvitaan niin paljon, että sen laina-aika on niin lyhyt, ettei edes valo ehdi liikkua tuona aikana atomin läpimittaa pitempää matkaa. Jos energiaa olisi tarpeeksi lainattavaksi, laina-aika voisi olla pitempi, bosoneilla olisi enemmän elin-aikaa ja ne voisivat matkustella laajemmin. Korkeilla energioilla sähkömagneettinen ja heikko ydinvoima alkavat lähestyä toisiaan, ja riittävän korkeilla energioilla voimat yhdistyvät. Kuvassa 3 esitetään ydinreaktio, jonka välittää heikko ydinvoima. Tässä β-hiukkasen synnyttävässä reaktiossa down-kvarkki muuttuu up-kvarkiksi, jolloin varaus siirtyy nukleonin ulkopuolelle W - -bosonin välittämänä. Neutroni muuttuu protoniksi säteilemällä elektronin ja antineutriinon. Kuva 3. β-hajonta heikon ydinvoiman välittämänä reaktiona. 1.9 Yhteenveto standardimallista Kuvan 4 kaavion esittämän standardimallin mukaan aine koostuu atomeista, joiden läpimitta on luokkaa m. Atomissa on ydin, läpimitaltaan m, ja sitä ympäröivä elektronien pilvi. Elektronit määräävät aineen kemialliset ominaisuudet sekä sen miten lähekkäin ytimet normaalioloissa ovat. Ydin koostuu edelleen protoneista ja neutroneista, jotka molemmat ovat läpimitaltaan kymmenesosa ytimestä. Protonien määrä sanelee sen mitä alkuainetta ydin on ja myös elektronien määrän atomin ympärillä ja samoin neutronien lukumäärä ytimessä määräytyy protonien mukaan. Protonit ja neutronit koostuvat edelleen kukin kolmesta kvarkista, joiden kokoa ei ole pystytty mittaamaan, mutta se on, samoin kuin elektroninkin läpimitta, on pienempi kuin m. Elektronit pysyvät atomin ympärillä sähköisen vetovoiman turvin. Ytimen pitää koossa nukleonien pallopeli mesoneilla ja edelleen nukleonit pysyvät koossa gluonien välittäessä voimavaikutusta. Materiaalihiukkaset koostuvat kahdesta ryhmästä, leptoneista ja kvarkeista, jotka ovat nykyisen tiedon mukaan perushiukkasia. Leptonit eivät tunne vahvaa vuorovaikutusta, ja tunnetuin niistä on elektroni. Elektronista on olemassa kaksi raskaampaa painosta, myoni ja tauoni. Nämä eivät

17 10 eroa elektronista muuten kuin massaltaan ja hajoamistaipumukseltaan siinä kun elektroni on pysyvä - se ei voi hajota alkeellisemmiksi hiukkasiksi. Kuva 4. Atomin rakenne standardimallin mukaan. Kutakin kolmea elektronin painosta seuraa oma neutriinonsa. Ne ovat merkillisiä energiapakkauksia, jotka oli otettava hypoteettisina olioina selittämään muuten kiellettyä joidenkin säilymislakien vahingoittumista. Neutriinoilla ei ilmeisesti ole massaa tai se on hyvin pieni ja ne liikkuvat aina valonnopeudella. Varauksettomina ja massattomina ne reagoivat hyvin heikosti muun aineen kanssa ja voivat vaikeuksitta lävistää maapallonkin hidastamatta menoaan. Kaikilla leptoneilla on antipartikkelinsa. Niihin on myös liitettävä oma säilymislakinsa, ns. leptoniluvun säilyminen. Partikkeleilla leptoniluku on +1, antipartikkeleilla -1 ja ei-leptoneilla 0. Toinen ainehiukkasten perusryhmä ovat kvarkit. Ne eivät esiinny yksittäin vain vaan parittein tai kolmittain. Edelliset ilmenevät ulkomaailmalle mesoneina, jälkimmäiset baryoneina eli protoneina ja neutroneina. Kvarkit ovat fermioneja eli niiden spin on ±1/2. Täten mesonien spin on 0 tai 1 (ts. ne ovat bosoneita) ja bayonien 2 tai 3/2. Spin on yksi alkeishiukkasten kvanttiluku,

18 11 jonka likimääräisenä vastineena makroskooppisessa maailmassa on hyrrän pyöriminen akselinsa ympäri. Hiukkasilla on useita muitakin tässä ohitettuja kvanttilukuja, joiden havainnollistaminen on yhtä työlästä ja ymmärtäminen vielä työläämpää. Taulukossa 1 esitetään edellä tarkastellut hiukkaset ja niiden välisiä vuorovaikutuksia välittävät voimanvaikutuspartikkelit taulukkona. Taulukko ilmoittaa tiiviissä muodossa standardimallin antaman kuvan aineen ja maailmankaikkeuden rakenteesta. Taulukko 1. Standardimallin mukaiset luonnon voimavaikutukset. Voimavaikutus Vaikutukselle Vaikutus- Suht. Vaihdetut Merkitys maailmankaikkeudessa alttiit alue voimakkuus hiukkaset hiukkaset Kvarkit Gluonit Pitää kvarkit yhdessä => nukleonit Vahva ~10-15 m 1 Hadronit Mesonit Pitää nukleonit yhdessä => atomiytimet Sähkö- Varatut 4 ~10-2 Fotonit Määrää atomien, molekyylien, kiinteiden magneettinen partikkelit aineiden ja nesteiden rakenteen Heikko Kvarkit ja ~10-17 m ~10-5 Välibosonit Välittää kvarkkien ja leptonien muunnok leptonit sissa; auttaa määrittämään atomiydinten koostumusta Painovoima Kaikki 4 ~10-39 Gravitonit Järjestää aineen planeetoiksi, tähdiksi ja galakseiksi Standardimallin mukaan kvarkkeja on kuusi, samoin leptoneita. Voimanvaikutusbosoneita tunnetaan neljä. Hiukkasten massat vaihtelevat hyvin paljon. Jokapäiväisen elämän kannalta riittää tietää, että aine koostuu kahdesta kvarkista (u ja d), elektronista, kolmesta gluonista (g, r ja b) sekä fotonista ja neutriinoista. Muut hiukkaset ovat maankamaran olosuhteissa harvinaisia ja vähämerkityksisiä. 2 RADIOAKTIIVISUUS 2.1 Tiivistelmä Radioaktiivinen hajoaminen tarkoittaa epästabiilin ytimen spontaania, ilman ulkopuolista vaikutusta tapahtuvaa reaktiota, jossa ydin muuttuu ns. tytärytimeksi ja radioaktiiviseksi säteilyksi. Radioaktiivinen hajoaminen noudattaa tilastollisia ja matemaattisia lakeja. Yksittäisen radioaktiivisen ytimen hajoaminen on tilastollinen tapahtuma, eikä hajoamishetkeä tai hajoavaa ydintä ole mahdollista määrätä etukäteen. Näytteen radioaktiivisuutta voidaan nostaa tai laskea jos kyetään rikastamaan tai vähentämään sen sisältämien radioaktiivisten isotooppien suhteellista määrää, mutta itse radioaktiiviseen hajoamiseen ei pystytä millään kemiallisella tai fysikaalisella tavalla vaikuttamaan.

19 12 Radioaktiivisuuden taustalla ovat atomin ydintä koossapitävät ja hajottavat voimat. Jos nämä ovat samaa keskinäistä suuruusluokkaa, ytimen pyrkiminen energeettisesti stabiilimpaan tilaan saattaa ilmetä siitä poistuvina hiukkasina tai puhtaana energiana. Ydin pysyy koossa vahvan ydinvoiman turvin, jonka muodostavat mesonit, suhteellisen massiiviset hiukkaset, joita protonit ja neutronit pallottelevat välillään. Mesonien massiivisuuden takia pallopelin pieni kantomatka sanelee ytimen koon. Tätä suuremmilla etäisyyksillä protonien välinen sähkömagneettinen poistovoima, jota välittää gammasäteilynä ilmenevä fotoni, on suurempi kuin vahva ydinvoima, ja nukleonit ovat vapaita ytimen vetovoiman kahleista. Mitä raskaampi ydin on, sitä enemmän sen muodostavat protonit ja neutronit vievät tilaa, ja lyijyä raskaammat ytimet ovat läpimitaltaan niin suuria, ettei vahva ydinvoima pysty pitämään niitä koossa. Raskaat ytimet ovat pääasiassa α- aktiivisia eli ne säteilevät helium-atomin ytimiä samalla kun muuttuvat järjestysluvultaan alemmiksi alkuaineiksi, useiden hajoamisten jälkeen stabiileiksi lyijy-ytimiksi. Keveillä alkuaineilla on stabiilien isotooppien lisäksi lähinnä β-aktiivisia isotooppeja. Jos ytimessä on ylimääräinen annos neutroneita, ydin pyrkii vapautumaan liioista neutroneista, ja sille on energeettisesti edullisinta siirtyä stabiiliin tilaan muuttamalla osa neutroneista protoneiksi. Tässä tapauksessa alkuaine muuttuu alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä yhtä ylemmäksi mutta sen atomipaino säilyy. Ulkopuoliselle havainnoijalle siirtyminen tasapainoa kohti näkyy β - -aktiivisuutena eli elektronin poistumisena ytimestä. Jos protoneja on liian paljon suhteessa neutronien määrään, tapahtuu nukleonien muuttuminen toisikseen vastakkaiseen suuntaan eli protoni muuttuu neutroniksi samalla kun ydin siirtyy taulukossa yhtä kevyemmäksi alkuaineeksi. Ulospäin reaktio näkyy negatiivisen elektronin eli positronin syntymisenä, β + - aktiivisuutena. Näiden hiukkassäteilylajien lisäksi esiintyy vielä korkeaenergistä sähkömagneettista säteilyä, γ- säteilyä. Radioaktiivinen α- ja β-hajoaminen eivät tavallisesti tapahdu yksinään, vaan ytimeen jää usein ylimääräistä energiaa, ja atomin virittynyt tila purkautuu kun se vapauttaa ylijäämäenergian yhtenä tai useampana γ-kvanttina. Gammakvantti poistuu ytimestä valonnopeudella ja sen kantomatka on suuri mutta äärellinen, koska γ-kvantti törmäilee tielleen sattuviin atomeihin, vuorovaikuttaa sähkömagneettisesti näiden kanssa ja menettää energiaansa. Energian aleneminen ei vaikuta γ-kvantin nopeuteen mutta laskee sen taajuutta. Energiansa γ-kvantti menettää kolmessa reaktiossa; valosähköisessä ilmiössä, Comptonin sironnassa ja parinmuodostuksessa. Gammasäteilyn energia on sen synnyttäneelle radioaktiiviselle hajoamiselle tyypillinen ja vaihtelee välillä 40 kev - 4 MeV. Tämän energian mittaaminen antaa mahdollisuuden identifioida radioaktiivinen ydin. 2.2 Historiaa Radioaktiivisuus löytyi vahingossa 1895 kun W. Röntgen totesi, että suojatut valokuvalevyt valottuivat katodisädeputken lähellä. Tuntemattomia valottajasäteitä kutsuttiin X-säteiksi. Nykyään ne tunnetaan röntgensäteiden nimellä ja ne ovat hyvin lyhytaaltoisia γ-säteitä. Pitempiaaltoisina niitä nimitetään fotoneiksi ja ne ovat yksi neljän voimavaikutuksen välittäjähiukkasesta. Säteiden löytymisen aikaan tutkijoilla ei ollut käsitystä siitä mistä säteet tulivat ja mitä ne olivat. H. Becquerel totesi 1896, että myös uraanisuola lähettää säteitä, jotka valottavat valokuvaemulsiota ja ionisoivat ilmaa, mutta eivät läpäise materiaaleja. Erona katodiputkisäteisiin nähden oli vielä se, että näitä α-säteiksi kutsuttuja säteitä tuli spontaanisti, ilman ulkoista jännitettä.

20 13 Myöhemmin todettiin, että säteet koostuivat helium-atomin ytimistä. Koska nämä ovat runsaat 7000 kertaa elektronia massiivisempia, on ymmärrettävää miksi niiden tunkeutumiskyky aineeseen oli pieni. Toinen radioaktiivisuuden laji sai nimekseen β-säteily. Se oli läpitunkevampaa kuin α-säteily, mihin on syynä se, että se koostuu kevyistä elektroneista. Kolmas säteilyn laji, γ-säteily, johon sähkö- ja magneettikenttä eivät vaikuta, löydettiin Se osoittautui myöhemmin röntgensäteilyn tapaan lyhytaaltoiseksi sähkömagneettiseksi säteilyksi. Sen tunkeutumiskyky aineeseen on suuri. 2.3 Määritelmiä Hiukkasen energian perusyksikkönä käytetään elektronivolttia (ev). Yksi elektronivoltti on se energia, jonka elektroni saa liikkuessaan yhden voltin potentiaalieron läpi. Koska elektronivoltti on hyvin pieni yksikkö, tavallisin käytössä oleva yksikkö on megaelektronivoltti; 1 MeV = 10 6 ev. Hiukkasen massasta puhuttaessa käytetään myös samaa yksikköä, koska suhteellisuusteorian mukaan massasta voidaan käyttää energian yksikköjä yhtälön E = mc 2 mukaisesti. Hiukkasen kokonaisenergialla tarkoitetaan sen lepomassan ja liike-energian summaa. Nopeasti liikkuvat hiukkaset ovat voimakkaasti relativistisia (= massa riippuu liikenopeudesta) ja niiden liikeenergia saattaa olla paljon suurempi kuin niiden lepomassa. Energian yksikköinä lausuttuina protonin ja neutronin massat ovat 931 MeV ja elektronin massa on MeV. β-hajoamisessa välittävän virtuaalisen W-bosonin massa on MeV eli 83 GeV. Tytär-hiukkanen on 90 kertaa emohiukkasta massiivisempi ja kertaa omaa tytärtään massiivisempi. Ristiriita on kuitenkin sallittu, koska se on riittävän lyhytkestoinen eli laina-aika on niin lyhyt, ettei sitä tarvitse maksaa oikealla energialla. 2.4 Nuklidikartta Ensimmäisessä luvussa kerrotulla tavalla atomin ydin koostuu protoneista ja neutroneista. Protonit ovat positiivisesti varattuja ja lähellä toisiaan ollessaan karkottavat toisiaan. Neutroneita tarvitaan stabiloimaan ydintä, ja niitä on kevyissä ytimissä vetyä ja heliumia lukuun ottamatta sama määrä kuin protoneja, yleensä kuitenkin enemmän. Voidaan kuvitella, että neutronit toimivat ytimessä sementin tavoin ja muuraavat protonit yhteen. Seuraavassa kuvassa esitetään isotooppien ryhmittyminen protoni- ja neutroniluvun mukaan. Kaikkiaan nuklideja tunnetaan ainakin 2500, joista stabiileja on ainakin 274. Teoreettisesti nuklideja on konstruoitavissa n Kuvan mukaan joillain alkuaineilla saattaa olla jopa 40 isotooppia, joista suurimmillaan kymmenkunta on stabiileja. Kuvasta näkyy, että neutronien määrä kasvaa järjestyslukua ja protonien määrää nopeammin. Pysyvät nuklidit on kuvaan merkitty mustilla täplillä. Nämä ulottuvat kevyimmästä ytimestä, vedystä eteenpäin järjestyslukuun 82 saakka, joka on lyijy. Luonnossa tavataan atomeja järjestyslukuun 92 eli uraaniin saakka, mutta kaikki lukua 82 suuremmat ytimet ovat radioaktiivisia ja siten pysymättömiä. Ydin on labiili ja siten radioaktiivinen silloin kun vahvan voiman ydintä koossapitävä voima ja sähkömagneettisen voiman hylkimisvoima ovat samaa suuruusluokkaa. Lyijyä raskaammat ytimet ovat läpimitaltaan niin suuria, ettei vahva ydinvoima pysty pitämään niitä koossa väli-

21 14 bosonien massiivisuuden takia epämääräisyysperiaatteelta lainattava energia on niin suuri, että laina-aika jää lyhyeksi eikä bosoni ehdi liikkua tuona aikana riittävän kauas. Raskaat ytimet ovat pääasiassa α-aktiivisia eli ne säteilevät helium-atomin ytimiä samalla kun kevenevät eli siirtyvät kuviossa origoa kohti. Useiden hajoamisten jälkeen ne muuttuvat stabiileiksi lyijy-ytimiksi. Myös keveillä alkuaineilla on stabiilien isotooppien lisäksi suuri määrä radioaktiivisia isotooppeja. Jos ytimessä on ylimääräinen annos neutroneita, ne sijaitsevat kuviossa stabiilien ydinten vyöhykkeen alapuolella. Ydin pyrkii vapautumaan ylimääräisistä neutroneista, ja sille on energeettisesti edullisinta siirtyä stabiiliin tilaan muuttamalla osa neutroneista protoneiksi. Tässä tapauksessa alkuaine muuttuu taulukossa seuraavaa ylemmäksi mutta sen atomipaino säilyy. Ulkopuoliselle havainnoijalle siirtyminen tasapainoa kohti näkyy β -aktiivisuutena eli elektronien poistumisena ytimestä. Jos protoneja on liian paljon suhteessa neutronien määrään, missä tapauksessa isotooppi on stabiilien ydinten vyöhykkeen yläpuolella, tapahtuu nukleonien muuttuminen toisikseen vastakkaiseen suuntaan eli protoni muuttuu neutroniksi. Samalla ydin muuttuu taulukossa yhtä kevyemmäksi alkuaineeksi. Ulospäin reaktio näkyy negatiivisen elektronin eli positronin syntymisenä. Tätä sanotaan β + -aktiivisuudeksi. Kuva 5. Nuklidikartta. Pysyvät nuklidit merkitty tummilla täplillä. Näiden hiukkassäteilylajien lisäksi esiintyy myös korkeaenergistä sähkömagneettista säteilyä, γ- säteilyä. Sitä syntyy muiden säteilylajien yhteydessä ja joskus yksinäänkin kun ydin vapauttaa ylimääräistä energiaa lähettämällä γ-kvantin.

22 Sidosenergia Nuklidin sidosenergia on se energia, joka tarvitaan hajottamaan nuklidi nukleoneiksi. Kääntäen sidosenergia on se energia, joka vapautuu kun nukleonit tulevat toistensa vaikutuspiiriin ja muodostavat ytimen. Sidosenergia kuvaa ytimen stabiilisuutta. Ytimen massa on pienempi kuin sen muodostamien nukleonien yhteinen lepomassa. Tähän on syynä se, että energia, joka tarvitaan sitomaan nukleonit ytimeksi otetaan rakennuspalikoiden massoista. Mitä suurempi osuus lepomassoista muuttuu sidosenergiaksi, sitä stabiilimpi muodostunut ydin on. Kuva 6. Ytimen sidosenergia nukleonia kohti. Ytimen stabiilisuutta kuvaa parhaiten sidosenergia nukleonia kohti. Kuvassa 6 esitetään kaavio, jossa sidosenergia nukleonia kohti esitetään massaluvun funktiona. Sidosenergia nukleonia kohti on suurin nuklideilla 58 Fe ja 62 Ni. Näitä kevyemmät ytimet ovat syntyneet fuusiossa kun kaksi kevyttä ydintä yhtyvät ja muodostavat raskaamman ytimen. Satojen miljoonien asteiden lämpötiloja tarvitaan jotta rautaa muodostuisi, mutta tätä raskaammilla ytimillä lämpötilan nousukaan ei riitä vastustamaan protonien keskinäisiä hylkimisvoimia. Rautaa raskaammat ytimet syntyvätkin tähdissä ns. neutronikaappausketjuissa. Ydin kaappaa ulkopuolelta neutronin, jolloin ytimestä tulee radioaktiivinen. β-hiukkasen emittoimalla nuklidi kasvattaa järjestyslukuaan ja näin syntyy uusi raskaampi alkuaine. 2.6 Radioaktiivinen hajoaminen Radioaktiivinen hajoaminen tarkoittaa epästabiilin ytimen spontaania, ilman ulkopuolista vaikutusta tapahtuvaa reaktiota, jossa ydin muuttuu ns. tytärytimeksi ja radioaktiiviseksi säteilyksi. Radioaktiivinen hajoaminen noudattaa samoja matemaattisia lakeja riippumatta säteilyn laadusta. Yksittäisen radioaktiivisen ytimen hajoaminen on täysin tilastollinen tapahtuma, eikä hajoamishetkeä ole mahdollista määrittää etukäteen.

23 16 Ydinlajin eli nuklidin taipumusta hajoamiseen kuvastaa hajoamisvakio λ siten, että λ t on todennäköisyys sille, että ydin hajoaa aikavälin t kuluessa kun t on pieni. Tavallisesti tarkasteltavana oleva aktiivisten ydinten määrä N(t) on hyvin suuri. Tällöin ajassa dt niistä hajoaa murto-osa λdt, ja kokonaismäärän ajanhetkenä t ilmoittaa yhtälö N(t) = N 0 *exp(-λt), missä N 0 on ydinten määrä hetkellä t = 0. Hajoamisvakion sijasta yleisesti käytetään keskielinaikaa τ, joka on eksponentiaalisesti vaimenevalle ilmiölle kuten radioaktiiviselle hajoamiselle hajoamisvakion käänteisarvo τ = 1/λ. Keskielinajan kuluessa ydinten luku ja aktiivisuus alenevat osaan 1/e alkuperäisestä. Puoliintumisaika on se aikaväli, jonka kuluessa ydinten määrä tai aktiivisuus pienenee puoleen. Tämä aika on T = ln2*τ, eli puoliintumisaika on n. 69 % keskimääräisestä elinajasta. Jokaisen puoliintumisajan suuruisen aikavälin kuluessa ydinten määrä ja aktiivisuus pienenevät puoleen, kahdessa puoliintumisajassa ¼:aan, kolmessa ⅛:aan jne. Seuraava kaavio kuvaa ydinten lukua ajan funktiona kolmen eri puoliintumisajan tapauksessa. 100 Radioaktiivisten ydinten suhteellinen määrä T 2T 4T Aika Kuva 7. Ydinten suhteellisen määrän muutos ajan funktiona kun puoliintumisaika on T, 2T ja 4T. 2.7 Alfa-säteily Alfa-säteet havaittiin spontaaneista radioaktiivisista säteistä ensimmäiseksi, mikä on syynä säteiden saamaan nimitykseen. Aluksi tosin säteilyä sanottiin keksijänsä mukaan Becquerelin säteilyksi. Alfa-hajonnassa radioaktiivisesta ytimestä poistuu helium-atomin ydin esim. seuraavan reaktion mukaisesti: U 90Th He Uraaniydin on kooltaan niin suuri, että se on labiili ja siksi se menettää α-hiukkasen. Reaktiossa massa pienenee kahden protonin ja kahden neutronin verran eli 4 amy (atomimassayksikköä). Protonien määrän menetys johtaa siihen, että uraanin ydin muuttuu toriumin ytimeksi ja jäljelle

24 17 jäänyt ydin menettää kaksi elektronia, koska sen protonien vetovoima ei ole riittävä elektronien vangitsemiseen. Irronnut α-hiukkanen on hyvin stabiili ja se käyttäytyy kuin oikea alkeishiukkanen protonin tai neutronin tavoin. Suuren massansa takia se etenee suuntaansa muuttamatta törmäillessään ympäröivän aineen kuten ilman molekyyleihin menettäen jokaisessa kohtaamisessa osan liike-energiastaan. Helium-ytimen tunkeutumissyvyys aineeseen onkin pieni; tavallinen paperiliuska riittää sen pysäyttämiseksi. Ydin on positiivisesti varattu ja lyhyen ajan kuluessa se vetää puoleensa kaksi elektronia. Näin koko reaktiosta on syntynyt yksi toriumin ja yksi heliumin atomi. Näistä edelleen toriumin atomi on radioaktiivinen. Alfa-hajoaminen on yleistä raskailla nuklideilla. Kevein tunnettu α-aktiivinen nuklidi on 142 Ce, ja kaikki tätä raskaammat nuklidit ovat energiasyistä epästabiileja alfa-hajoamisen jälkeen. Useimmilla on kuitenkin havaittaviksi liian pitkät puoliintumisajat, niin että käytännössä α- aktiivisina pidetään vasta lyijyä raskaampia nuklideja. Hajoamisessa syntyvien α-hiukkasten energia on tyypillisesti muutamia MeV. Syynä siihen, että ydin hajoaa lähettämällä α-hiukkasen eikä yksittäisiä nukleoneja, on α- hiukkasen suuri sidosenergia, n. 7.1 MeV/nukleoni. Jotta ytimestä voitaisiin poistaa nukleoni, pitäisi siihen tuoda sidosenergian verran energiaa eli hajoaminen ei tapahtuisi spontaanisti. Jos ytimestä taas lähtee α-hiukkanen, tämän sidosenergia on käytettävissä hiukkasen poistamiseen. Ei voida olettaa, että ytimessä seikkailisi protonien ja neutronien joukossa myös α-hiukkasia. Alfahajoamista voidaan ajatella prosessina, jossa neljä nukleonia yhtyy α-hiukkaseksi ytimen pinnalla ja näin vapautuva sidosenergia riittää poistamaan sen ytimestä. Poistuvan hiukkasen energian pitää olla niin suuri, että se riittää voittamaan sidosenergian lisäksi myös Coulombin vallin. Käytännössä α-hiukkasen energia ei riitä Coulombin vallin ylittämiseen - silti hajoamisia tapahtuu koko ajan. Coulombin vallin ylittämistä ei voida selittää eikä ymmärtää klassisen fysiikan menetelmin. Vahvan ydinvoiman ylläpitämä ydin on kuin kupissa, jonka reunat kuvaavat potentiaalivallia (Kuva 8). α-hiukkasten energia on 4-9 MeV samalla kun Coulombin vallin korkeus on luokkaa 40 MeV. Valli on siis korkeampi kuin ytimien energia, ja klassisen mekaniikan mukaan α-hiukkasen poistuminen ytimestä edellyttää ulkoisen energian saamista potentiaalivallin ylittämistä varten. Koska hajoaminen on kuitenkin spontaani, johon ei voida vaikuttaa millään tavalla, ei ulkoinen energia voi olla hajoamisen syy. Kvanttimekaniikka sallii "paradoksaalisen" tunneloitumisen esim. Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen nojalla. Sen mukaan hiukkasen paikka on epämääräinen, ja ollessaan ytimen ulkopinnan lähellä tämä paikka saattaa jonakin hetkenä sijaita pinnan ulkopuolella. Toisaalta α- hiukkasella on myös aallon ominaisuuksia, ja aallon amplitudi voidaan tulkita todennäköisyydeksi, jolla hiukkanen on löydettävissä tästä paikasta. Aalto on olemassa kaikkialla, myös Coulombin vallin ulkopuolella. Vaikka sen amplitudi saattaakin olla pieni, on olemassa nollasta poikkeava todennäköisyys, että α-hiukkanen jonakin hetkenä sijaitsee Coulombin vallin ulkopuolella. Ulkopuolinen tarkkailija toteaa α-hajoamisen tapahtuneen. Se mitä radioaktiivisessa (tai missä tahansa) ytimessä tosiasiassa tapahtuu ei ole itsestään selvää. Atomin ydin ei ole staattinen vaan hyvin dynaaminen paikka. Protonit hylkivät toisiaan, mutta vahva ydinvoima pakottaa ne mesonien avulla pysymään ytimessä. Partikkelien liike ytimen sisällä on nopeaa niin että olosuhteet siellä vastaavat hyvin korkeaa lämpötilaa. Nukleoneilla ei ole identiteettiä vaan ne vaihtuvat toisikseen; protoni voi muuttua neutroniksi ja päinvastoin. Nukleonit lähettelevät koko ajan virtuaalisia hiukkasia, jotka vuorovaikuttavat muiden hiukkasten kanssa tai palaavat takaisin lähettämäänsä nukleoniin. Ytimessä voi edelleen syntyä tyhjästä protoni ja antiprotoni, elektroni ja positroni tai muita hiukkasia epämääräisyys-periaatteen