MAAILMANKAIKKEUDEN PIENET JA SUURET RAKENTEET

Transkriptio

1 MAAILMANKAIKKEUDEN PIENET JA SUURET RAKENTEET

2 KAIKKI HAVAITTAVA ON AINETTA TAI SÄTEILYÄ 1. Jokainen rakenne rakentuu pienemmistä rakenneosista. Luonnon rakenneosat suurimmasta pienimpään galaksijoukko galaksi aurinkokunta planeetta ja kuut ihminen, muut eliöt, aineet molekyyli atomi atomin ydin neutroni ja protoni kvarkki

3 2. Luonnossa on neljä perusvuorovaikutusta 1. Gravitaatiovuorovaikutus Kappaleet vetävät toisiaan puoleensa voimalla, joka riippuu kummankin kappaleen massasta ja niiden välisestä etäisyydestä. 2. Sähkömagneettinen vuorovaikutus Kaikki sähköiset ilmiöt ovat tämän seurausta. Se pitää atomin ja aineen koossa. 3. Vahva vuorovaikutus Se aiheuttaa ydinvoiman, joka sitoo protonit ja neutronit toisiinsa atomin ytimessä. 4. Heikko vuorovaikutus Se vaikuttaa kvarkkien välillä. Se ilmenee protonin muuttuessa neutroniksi tai neutronin protoniksi beetahajoamisessa.

4 Kaikki neljä perusvuorovaikutusta vaikuttavat kappaleiden tai hiukkasten välillä niin, että kappaleet tai hiukkaset eivät kosketa toisiaan. Ne ovat etävuorovaikutuksia. Kosketusvuorovaikutus on seurausta sähkömaghneettisesta vuorovaikutuksesta. Esim. kenkään vaikuttava tukivoima ja kitkavoima ovat sähkömagneettisen vuorovaikutuksen seurausta.

5 TEKSTI SÄHKÖMAGNEETTINEN SÄTEILY Muun muassa Auringon valo ja lämpösäteily siirtyvät Maahan sähkömagneettisena säteilynä. Sähkömagneettisen säteilyn aallonpituus vaihtelee äärimmäisen pienestä mielivaltaisen suureen. Ihmissilmä havaitsee sähkömagneettisesta säteilystä van hyvin kapean aallonpituusalueen, joka on noin 0,0004-0,00075mm eli nanometriä. Tätä sanotaan näkyväksi valoksi.

6 Sähkömagneettisen säteilyn eri lajeja ovat gammasäteily, röntgensäteily, ultraviolettisäteily, näkyvä valo, lämpö- eli infrapunasäteily, mikroaallot sekä radioaallot. Näistä käytetään nimitystä sähkömagneettinen spektri. Kaikkein lyhytaaltoisimmat sähkömagneettisen säteilyn lajit ovat gamma- ja röntgensäteily. Gammasäteily syntyy atomin ytimessä ja röntgensäteily atomin elektronikuoren sisemmillä kuorilla. Gamma- ja röntgensäteily läpäisevät hyvin esim. seinän ja ihmisen. Niitä käytetään paljon tekniikan ja lääketieteen sovelluksissa.

7 Ultraviolettisäteilyä (UV) syntyy atomin elektroniverhossa. Sen aallon pituus on suurempi kuin gamma- ja röntgensäteilyn, mutta pienempi kuin näkyvän valon. Se on elolliselle luonnolle välttämätön, mutta myös haitallista. UV-säteilyn vaikutuksesta ihon pinnalla syntyy D- vitamiinia ja se ruskettaa ihoa. Kuitenkin liiallinen UV-säteily vanhentaa ihoa ja lisää syövän riskiä.

8 Kaikki kappaleet lähettävät infrapunasäteilyä. Sitä syntyy molekyylin sisäisen värähtelyn seurauksena. Sen aallonpituus riippuu säteilevän kappaleen lämpötilasta. Infrapunasäteilyn aallonpituus on suurempio kuin näkyvän valon. Ihmisen iho aistii infrapunasäteilyn lämpönä. Useat hyönteiset ja käärmeet löytävät saaliinsa IR-säteilyn perusteella. IR-säteilyä käytetään monissa tekniikan sovelluksissa esim. kauko-ohjaimet, lämpövalokuvaus ja yökiikarit.

9 Mikro- ja radioaaltoja tuotetaan sähköisten värähtelypiirien ja antennien avulla. Matkapuhelimet, mikroaaltouunit, tutkat ja satelliittiyhteydet toimivat mikroaaltoalueella. Radiossa ja televisiossa ääni ja kuva siirretään radioaaltojen avulla lähettimestä vastaanottimeen. Radioaaltojen aallonpituus vaihtelee senttimetreistä kilometreihin.

10 Sähkömagneettinen säteily etenee valonnopeudella ja kuljettaa mukanaan energiaa. Valon nopeus on tyhjiössä km/s. Eri aineissa on valolla eri nopeus. Säteilyn taajuus ja energia kasvavat, kun säteilyn aallonpituus pienenee.

11

12 TEKSTI ISOTOOPIT Kaikki aineet koostuvat noin sadasta eri atomilajista, joita sanotaan alkuaineiksi. Alkuaine nimetään ytimessä olevien protonien määrän mukaan. Neutronien määrä voi saman alkuaineen ytimillä olla erilainen. Tällöin puhutaan alkuaineen eri isotoopeista. Esim. vedyllä on kolme isotooppia vety-1, vety-2 ja vety-3.

13 TEKSTI RADIOAKTIIVISUUS Jos atomin ytimessä on liikaa neutroneja, se hajoaa ennen pitkää. Tällaisia pysymättömiä atomeja sisältävä aine on radioaktiivista. Radioaktiivisen aineen atomit pyrkivät tasapainoon lähettämällä runsaasti energiaa sisältävää gammasäteilyä tai ytimistä hiukkasia, jolloin syntyy hiukkassäteilyä. Hiukkassäteilyä ovat alfasäteily ja beetasäteily sekä neutronisäteily.

14 TEKSTI IONISOIVA SÄTEILY Alfa-, beeta- ja gammasäteily ovat ionisoivaa säteilyä. Ionisoiva säteily on kasveille ja ihmisille vaarallista. Alfasäteily pysähtyy helposti eikä läpäise esim. paperia ja ilmassakin se etenee vain muutamia senttimetrejä. Beetahiukkaset etenevät ilmassa muutaman metrin ja ne pystyvät tunkeutumaan ihon läpi. Gammasäteily on hyvin läpitunkevaa ja sen vuoksi ihmiselle vaarallista. Myös alfa- ja beetasäteilyt ovat vaarallisia, jos niitä lähettävää ainetta joutuu elimistöön.

15 TEKSTI PUOLIINTUMISAIKA Puoliintumisaika on aika, jonka kuluessa puolet radioaktiivisen aineen jäljellä olevista ytimistä hajoaa. Ensimmäisen puoliintumisajan kuluttua alkuperäisistä ytimistä on jäljellä puolet, toisen puoliintumisajan jälkeen neljäsosa jne. Aineiden puoliintumisajat vaihtelevat sekunnin murtoosista tuhansiin vuosiin.

16 VUOTUINEN SÄTEILYANNOS

17 FISSIO Alkuaineita, joiden atomeissa on paljon protoneja ja neutroneja, kutsutaan raskaiksi alkuaineiksi ja niiden ytimiä raskaiksi ytimiksi. Useimmat raskaat ytimet ovat radioaktiivisia. Ne hajoavat vähitellen pysyviksi lähettämällä alfa- tai beetahiukkasia. Raskas ydin voi kuitenkin myös haljeta = Fissio Fissiossa syntyy kaksi uutta atomiydintä ja yleensä muutama neutroni. Fissiossa ydinenergiaa muuttuu liike-energiaksi. Fissiota hyödynnetään ydinvoimalaitoksissa sekä ydinaseissa.

18 FISSIOVOIMALAITOS Nykyiset ydinvoimalaitokset ovat fissiovoimalaitoksia. Suomen ydinvoimalaitokset käyttävät polttoaineenaan uraania. Ydinvoimalaitoksen toimintaperiaate on sama kuin lämpövoimalaitoksessa, mutta turbiinin pyörittämiseen tarvittava höyry tuotetaan ydinenergialla.

19 FUUSIO Fuusiossa kevyet ytimet yhtyvät raskaammiksi ytimiksi. Kevyitä ytimiä ovat esim. vedyn isotoopit deuterium ja tritium. Kaikkien atomien ytimillä on positiivinen sähkövaraus. Ytimet hylkivät siksi toisiaan, eivät pääse helposti toistensa lähelle. Jos ne kuitenkin törmäävät suurella nopeudella, ne voivat päästä niin lähelle, että ne yhdistyvät yhdeksi isommaksi ytimeksi = fuusio Fuusiolle sopivissa olosuhteissa lämpötila on miljoonia asteita ja fuusioituvia ytimiä paljon. Aurtingon sisällä lämpötila ja paine ovat riittävän korkeita, jotta fuusio voi tapahtua. Vetyisotooppien deuteriun- ja tritium-ytimet muodostavat heliumia. Fuusiovoimalaitos voi olla tulevaisuuden energialähde.