Atomin ydin. Z = varausluku (järjestysluku) = protonien määrä N = neutroniluku A = massaluku (nukleoniluku) A = Z + N

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Atomin ydin. Z = varausluku (järjestysluku) = protonien määrä N = neutroniluku A = massaluku (nukleoniluku) A = Z + N"

Pentti Koskinen
7 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Atomin ydin ytimen rakenneosia, protoneja (p + ) ja neutroneja (n) kutsutaan nukleoneiksi Z = varausluku (järjestysluku) = protonien määrä N = neutroniluku A = massaluku (nukleoniluku) A = Z + N saman alkuaineen eri isotoopeilla on sama varausluku Z, mutta eri neutroniluku N (ja samalla siis massaluku A) A A isotoopin merkintätapa alkuaineelle X on Z X, tai X esim uraani - 238: U tai U, tai rauta -56: 26Fe tai Fe vain tietyt isotoopit ovat stabiileja eli pysyviä epästabiilit isotoopit ovat radioaktiivisia (lähettävät hajotessaan radioaktiivista säteilyä)

2 E = mc 2 Einsteinin erityisen suhteellisuusteorian perusoletukset ovat suhteellisuusperiaate: fysiikan lait ovat samat jokaisessa tasaisesti liikkuvassa koordinaatistossa valon nopeus tyhjiössä c on aina vakio, eikä riipu valon lähteen nopeudesta Näiden oletusten seurauksena Einstein todisti massan ja energian välisen yhteyden (ekvivalenssin) E = mc 2 massa on siis eräs energian esiintymismuoto massan muutokset on huomioitava tarkasteltaessa energian säilymistä ydinreaktioissa kaavalla voidaan laskea yhden atomimassayksikön vastaavan energiamäärää 1, J 931,49 MeV

3 Sidosenergia ja massavaje ytimeen sitoutuneena nukleoneilla on pienempi potentiaalienergia kuin vapaana (vrt. pallo kiinni maan pinnassa pallo ilmassa) potentiaalienergia peräisin vahvasta vuorovaikutuksesta tämä vapautunut energia vastaa energiamäärää, joka tarvitaan ytimen nukleonien erottamiseen toisistaan = ytimen sidosenergia E B ytimen muodostuessa vapautunut energiamäärä E B ilmenee massavajeena Δm ytimen massa on pienempi kuin nukleonien massa erillään m E c B 2 m Zm p Nm n Zm e m atomin massa protonin massa neutronin massa elektronin massa

4 Fuusio ja fissio Sidososuus b = sidosenergia nukleonia kohti: b = E B A Keskiraskaiden ytimien sidososuus on suurin Keskiraskaat ytimet ovat rakenteeltaan lujimpia Rauta on pysyvin ydin Fuusio Kevyiden atomiytimien yhdistyminen raskaammiksi (kohti keskiraskaita) Fissio Raskaiden ytimien hajoaminen kevyemmiksi (kohti keskiraskaita) Molemmissa tapauksissa sidososuus kasvaa => potentiaalienergiaa (ydinenergiaa) vapautuu

5 Säilymislait Ydinreaktioissa(kin) säilyvät Energia Liikemäärä Pyörimismäärä Sähkövaraus Massaluku Leptoniluku Baryoniluku

6 Alfahajoaminen Alfahajoamisessa radioaktiivisen isotoopin ydin lähettää alfahiukkasen, joka koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista. 4 Alfahiukkanen on siis heliumydin: 2He Jäljelle jää ydin (ns. tytärydin), jossa massaluku A on pienentynyt neljällä ja järjestysluku Z kahdella A Z X A 4 2Y Z 4 2 He Esimerkki: Rn 84Po He Alfa-aktiivinen radon hajoaa poloniumiksi

7 Beetahajoaminen Beetahajoamisessa ydin emittoi elektronin e - tai positronin e + Heikon vuorovaikutuksen aiheuttama Jatkuva spektri Ristiriidassa kvantittumisperiaatteen kanssa Selitys: toisenkin hiukkasen, neutriinon, täytyy emittoitua Neutriinot vuorovaikuttavat erittäin heikosti aineen kanssa Neutriinoja virtaa valtavia määriä joka sekunti maapallon läpi vuorovaikuttamatta yhdenkään atomin kanssa Massa erittäin pieni Varaukseton Nopeus lähes valon nopeus (vai jopa suurempi?!?)

8 - -hajoaminen Ytimen neutroni muuttuu protoniksi ja samalla emittoituu elektroni ja antineutriino Massaluku A ei muutu Järjestysluku Z kasvaa yhdellä + -hajoaminen Ytimen protoni muuttuu neutroniksi ja samalla emittoituu positroni ja neutriino Massaluku A ei muutu Järjestysluku Z pienenee yhdellä A Z A Z X X A Z 1 A Z 1 Y Y e e Kuvat:

Elektronisieppaus (EC) Ydin sieppaa elektronin atomin sisimmältä elektronikuorelta Siepatun elektronin jättämän tilan täyttyessä ylemmiltä

9 Elektronisieppaus (EC) Ydin sieppaa elektronin atomin sisimmältä elektronikuorelta Siepatun elektronin jättämän tilan täyttyessä ylemmiltä kuorilta syntyy röntgensäteilyä Todennäköisempi raskailla atomeilla Elektronit lähempänä ydintä Reaktioyhtälö: 1 1 p 0 1 e 1 0 n X e A 0 A Z 1 Z 1 Y

10 Gammasäteily Ytimen siirtyessä alempaan viritystilaan tai perustilaan syntyy gammasäteilyä Isotooppi ei muutu Viritystilojen energiatasot ytimelle ominaisia: Säteilyn aallonpituudesta on siis mahdollista tunnistaa kyseinen radioaktiivinen aine. Gammasäteilyä esiintyy myös alfa- ja beetahajoamisen yhteydessä Gammasäteilyn yhteydessä ei ole mielekästä puhua kantamasta Sen sijaan käytetään puoliintumispaksuutta d 1/2 (riippuu aineesta, mutta myös gammakvanttien energiasta) Gammasäteilyn intensiteetin muutos I väliaineessa on verrannollinen kyseiseen kohtaan saapuvaan intensiteettiin I ja kerroksen paksuuteen x. Verrannollisuuskerroin on ns. matkavaimennuskerroin. Saadaan siis kaava I = - I x (differentiaalein esitettynä di = - Idx) Tästä voidaan integroimalla johtaa heikennyslain kaava I I 0 e x Intensiteetti I heikkenee alkuperäisestä (I 0 ) eksponentiaalisesti väliaineen paksuuden x funktiona

11 Aktiivisuus Aktiivisuus A kuvaa ytimien hajoamisnopeutta Keskimääräinen aktiivisuus A k on ydinten hajoamisten määrä aikayksikössä A k = N t = N t N on ytimien määrän muutos ja t hajoamisiin kuluva aika Aktiivisuuden yksikkö on [A] = 1/s = 1 Bq (bequerel) Hetkellinen aktiivisuus A on suoraan verrannollinen hajoavien ydinten määrään N A = λn on radioaktiivisesta aineesta riippuva hajoamisvakio, joka kuvaa yksittäisen ytimen hajoamisen todennäköisyyttä

12 Hajoamislaki Hetkellinen aktiivisuus A voidaan kirjoittaa kahdella tavalla: A = dn dt = λn Tästä voidaan integroimalla johtaa hajoamislaki eli aktiivisten ytimien määrä ajanhetkellä t (N 0 = alkuperäinen määrä) N t = N 0 e λt Myös aktiivisuus vähenee eksponentiaalisesti vastaavalla tavalla A t = A 0 e λt Tässä A 0 on alkuperäinen aktiivisuus Puoliintumisaika T 1/2 on aika, jonka kuluessa keskimäärin puolet radioaktiivisista ytimistä on hajonnut Hajoamisvakion ja puoliintumisajan välillä on yhteys T 1/2 = ln 2 λ (A t = d dt N t = A 0e λt ) (ratkaise yhtälö N 0 2 = N 0e λt )

13 Radiohiiliajoitus Ilmankehän hiilessä on kosmisen säteilyn vaikutuksesta hiiliisotooppia 14 C Tämän isotoopin puoliintumisaika on 5730 vuotta Isotoopin osuus kaikesta hiilestä on vakio elävissä kasveissa ja eliöissä Isotoopin osuus kuitenkin hieman vaihdellut historiallisesti Kasvin tai eliön kuollessa aineenvaihdunta loppuu ja isotoopin 14 C osuus alkaa alentua - -hajoamisella 14 6 C 14 7 N 0 e 1

Samankaltaiset tiedostot

Luento Ydinfysiikka. Ytimien ominaisuudet Ydinvoimat ja ytimien spektri Radioaktiivinen hajoaminen Ydinreaktiot

Luento Ydinfysiikka. Ytimien ominaisuudet Ydinvoimat ja ytimien spektri Radioaktiivinen hajoaminen Ydinreaktiot Luento 3 7 Ydinfysiikka Ytimien ominaisuudet Ydinvoimat ja ytimien spektri Radioaktiivinen hajoaminen Ydinreaktiot Ytimien ominaisuudet Ydin koostuu nukleoneista eli protoneista ja neutroneista Ydin on