Atomism
Vana-Kreeka filosoofid – atomistid (Demokritos 5. saj. eKr) olid seisukohal, et kõik kehad koosnevad jagamatutest koostisosakestest – aatomitest. Atomistide käsitluses oli aatomeid 5 liiki: tuli, vesi, maa, õhk, eeter. 19. sajandi alguseks oli siiski teada, et erinevaid aatomeid on kokku umbes 100 erinevat liiki.
Tänapäevase atomistliku printsiibi kohaselt ei saa ainet (kehi) lõputult väiksemateks osadeks jagada nii, et saadud osadel säiliksid kõik jagatava terviku omadused.
Meid ümbritsevad kehad koosnevad ainetest, mille väikseimaks koostisosakeseks on molekul. Molekule on võimalik jagada omakorda teineteisega sarnaseks aatomiteks (kokku ca 120+ erinevat).
Aatomid omakorda koosnevad tuumast ja elektronkattest. Tuuma moodustavad omavahel vastastikmõjus olevad prootonid ja neutronid, elektronkatte aga elektronid.
Kogu kaasaegne katseliselt kontrollitud osakeste füüsika lähtub Osakeste Standardmudelist, mille kohaselt aine koosneb kaheteistkümnest fundamentaal- ehk alusosakesest: kuuest leptonist ja kuuest kvargist. Need ongi aine füüsikalised algosaksesed tänapäevases tähenduses.
Daltoni piljardipallimudel
Esimese tänapäeva mõistes tõsisemalt võetava katse kirjeldada aatomit tegi John Dalton 1803. a
Daltoni mudeli kohaselt olid aatomid homogeensed ja kerakujulised (läbimõõduga ca 100 pm) nagu piljardipallid. Kõik lihtaine aatomid olid kõik ära vahetamiseni ühesugused. Liitainete aatomid aga koosnevad erinevate elementide aatomitest.
Daltoni teooria kohaselt keemiliste reaktsioonide käigus aatomid ei muutu, nad paiknevad reaktsioonide käigus teineteise suhtes ümber, ainekoguse mass tervikuna aga ei muutu.
Thomsoni rosinasaiamudel
1870-del aastatel avastati katoodkiired – negatiivse elektrilaenguga “kiired”, mis tekivad vaakumisse asetatud metallitükil, mis on ühendatud vooluallika negatiivse poolusega. 1896 aastal avastas inglise füüsik Joseph John Thomson, et katoodkiired koosnevad väikestes negatiivse laenguga osakestest, mida ta hakkas nimetama elektronideks (Nobeli preemia 1906).
Thomsoni oletuse kohaselt pärinesid tema poolt avastatud elektronid aatomitest – järelikult ei saa aatomid olla homogeensed.
Nii kirjeldas Thomson aatomit kui rosinasaia (tuntud ka ploomipudingi mudelina):
Selle kohaselt on aatomid on kerakujulised (läbimõõduga ca 100 pm) ning täidetud positiivse elektrilaengu massiga (nagu saias küpsetatud tainas), millesse on pikitud negatiivselt laetud osakesi – elektrone (nagu rosinad saias), mis saavad teatud tingimustel aatomist lahkuda – saavad tekkida katoodkiired.
Rutherfordi õhupallimudel
Uus-Meremaa päritoluga Briti füüsik Ernest Rutherford, keda tema kaasaegsed pidasid parimaks eksperimenteerijaks pärast Michael Faraday aega, püüdis 1909. aastal kontrollida Thomsoni aatomimudeli paikapidavust. Tema hüpotees oli: pommitades ainet “raskete” positiivsete alfa-osakestega (heeliumi aatomi tuumadega), peaks enamik osakestest jääma ainesse kinni ja selle tulemusena peaks aine laaduma positiivselt
Rutherford pommitaski (vt videot) väga õhukest kuldlehte alfaosakestega ning tõdes, et (1) enamik nendest osakestest läks sellest (peaaegu) suunda muutmata läbi, (2) mingi hulk osakesi põrkas aga lehelt tagasi.
Katse tulemusena esitas Rutherford uue niinimetatud õhupallimudeli, mille kohaselt: (1) enamus aatomist läbimõõduga 100pm on tühi, (2) aatomi keskel asub väike (umbes aatomi mõõtudest 10 tuhat korda väiksem) massiivne tuum, millesse on koondunud positiivne elektrilaeng, (3) tuuma mass on ligikaudu võrdne aatomi kogumassiga ning (4) elektronid “hõljuvad” tuumalähedases ruumis nagu õhupallid.
Bohr’i planetaarmudel
Taani füüsikut Niels Bohr’i häiris Rutherfordi elektronide “õhupallikäsitlus” – negatiivse laenguga elektronid peaksid langema tuumale, mille tulemusena aatom häviks.
Võrrelnud massijaotust aatomis massi jaotumisega Päikesesüsteemis, täiendas Bohr Rutherfordi mudelit, pannes elektronid tiirlema ümber tuuma nagu tiirlevad planeedid ümber Päikese – sündis Rutherfordi-Bohr’i planetaarmudel.
On teada, et kiirendusega liikuv elektrilaeng, aga ringjoonel liikuv elektron täidab seda tingimust, peab kiirgama elektromagnetlaineid – näiteks valgust. Enamik aatomeid enamuse ajast valgust ei kiirga.
Kuna tollaste teadmistega polnud võimalik kujunenud vastuolu lahendada, sõnastas Bohr postulaadid, mille kohaselt:
- võivad elektronid tiirelda vaid tuumast kindlatel kaugustel asuvatel orbiitidel, millest igaühele vastab kindel energia. Sellistel statsionaarsetel orbiitidel liikuvad elektronid elektromagnetlaineid ei kiirga.
- kiirgab aatom valgust (valgusosakese – footoni) kui elektron temas läheb suurema energiaga orbiidilt madalama energiaga orbiidile, kui elektron läheb madalama energiaga orbiidilt kõrgema energiaga orbiidile, toimub valguse (osakese – footoni) neeldumine.
Tuumaosakesed
Pärast tuuma avastamist Rutherfordi poolt, käsitleti seda pikka aega homogeense tervikuna, mille mõõtmeteks hinnati ca 10-15 m
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.
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 massiarvuks ning tähistatakse tähega A. Seega on iga aatomituum (mille keemiline tähis on tinglikult X) määratud kahe täisarvuga:
Sageli esitatakse konkreetse massiarvuga tuuma kirjeldus kujul X-A (näiteks C-12; He-4).
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.
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. Täpselt sama suur kogus energiat vabaneb tuuma moodustumisel prootonitest ja neutronitest.
On üllatav, kuid mõõtmistega tõestatud fakt, et tuumaosakeste mass eraldi võetuna on alati suurem kui neist moodustunud tuuma mass. Seda masside erinevust nimetatakse massidefektiks ning see on seoseenergia põhjuseks.
Tuumade seoseenergiat nimetatakse mõnikord ka lihtsalt tuumaenergiaks
Radioaktiivsed kiirgused ja nende toimed
Radioaktiivsuse kui nähtuse avastas 1896. aastal Prantsusmaa füüsik Henri Becquerel , kes uuris uraanisoolade iseeneslikku helendamist ning avastas, et (1) uraanisoolad kiirgavad iseeneslikku so ilma igasuguse välismõjutuseta kiirgust; (2) selle kiirguse intensiivsus ei sõltu aine mõjutamisest (kuumutamisest, valgustamisest, keemilistest protsessidest vms); (3) tekkiv kiirgus on küllaltki suure läbitungimise võimega, (4) tekkiv kiirgus ioniseerib aineid, mida ta läbib; (5) kiirguse hulga määrab ainult uraani, mitte soola hulk preparaadis so see kiirgus on omane uraanile kui keemilisele elemendile.
Ernest Rutherford avastas, et radioaktiivset kiirgust on magnetväljas võimalik lahutada komponentideks:
(1) kõige väiksema läbitungimise võimega kiirgus (teda peatab juba paberleht) hakati nimetama α-kiirguseks. Ta käitub magnetväljas nagu positiivselt laetud osakeste voog. Tehti kindlaks, et α-kiirgus koosneb heelium-4 aatomituumadest (nimetatakse ka α-osakesteks).
(2) keskmise läbitungimisvõimega kiirgust (teda peatab 2..3 mm paksune alumiiniumleht) hakati nimetama β-kiirguseks. See käitub magnetväljas nagu negatiivselt laetud osakeste voog. Tehti kindlaks, et β-kiirgus koosneb elektronidest (nimetatakse ka β-osakesteks).
(3) kõige suurema läbitungimisvõimega kiirgust (1cm paksune plii kiht vähendab kiirguse intensiivsust kõigest kaks korda), hakati nimetama γ-kiirguseks. Magnetväli ei avalda tema kulgemisele mingit mõju. Selgus, et γ-kiirgus on väga väikese lainepikkusega (λ<10-11m) ja väga suure energiaga elektromagnetlaine.
On kindlaks tehtud, et radioaktiivse kiirgumise käigus muunduvad üht liiki aatomite tuumad teisteks aatomituumadeks.
Seadeldist, millega mõõdetakse radioaktiivse kiirguse hulka, nimetatakse dosimeetriks. Dosimeetri töö põhineb temast läbi minevate osakeste loendamisel.
Tuumareaktsioonid
Keemiliste reaktsioonide käigus muunduvad ühed reaktsioonist osa võtvad ained teisteks aineteks. Reaktsioonide käigus säilivad kõik reaktsioonist osa võtnud aatomid:
Tuumareaktsioonide käigus muunduvad ühe keemilise elemendi aatomid (tuumad) teiste elementide aatomiteks (tuumadeks), säilivad kõik reaktsioonist osa võtnud nukleonid:
Tuumareaktsioonid jagunevad raskete tuumade lõhustumis- ja kergete tuumade ühinemisreaktsioonideks.
Raskete tuumade lõhustumine
Raskete tuumade lõhustumisel lagunevad tuumad mitmeks väiksema järjekorranumbri ja massiarvuga tuumaks.
Kõige klassikalisemaks näiteks on uraanituuma lõhustumine baariumiks ja krüptooniks. Kuna tekkivate „tükkide“ mass on uraanituumast väiksem, siis vabaneb selle protsessi käigus märgatav kogus tuumaenergiat.
Raskete tuumade lõhustumisel vabanevad neutronid võivad põhjustada järgmiste uraanituumade lõhustumist – seda nähtust nimetatakse ahelreaktsiooniks.
Kuna iga lõhustumisakti kohta vabaneb lisaks reaktsiooni esile kutsuvale neutronile kaks uut neutronit, suureneb ahelreaktsioonides lõhustuvate tuumade hulk ülikiiresti.
Ahelreaktsioon saab käivituda kui tuumaaine kogus ületab teatava kriitilise väärtuse nö kriitilise massi.
Ahelreaktsiooni olemuse avab hästi juuresolev videosimulatsioon.
Uraanituumade lõhustumise ahelreaktsioonis vabanevat energiat kasutatakse tuumapommis ja aatomielektrijaamade reaktorites energiaallikana.
Tuumareaktor
Tuumareaktoris toimub juhitud ahelreaktsioon ning hoitakse ära selle kasvamine plahvatuseks. Esimene tuumareaktor käivitati 1942. aasta lõpus Chicago ülikoolis (USA). Esimene tsiviilkasutuses energia tootmise tuumareaktor – AM-1 (“Атом Мирный” vene keeles „rahumeelne aatom“) – käivitati 1954. aastal Moskva lähistel (Venemaa).
Tuumareaktori tähtsaimaks osaks on tuumakütus, mida hoitakse eriliste varrastena – igaühe mass väiksem kriitilisest, varraste mass reaktori piirkonnas kokku ületab aga kriitilise massi.
Reaktsiooni “rahulikuks” toimumiseks hoitakse ahelreaktsiooni käigus tekkivate neutronite arv kontrolli all eriliste juhtvarrastega, mis on valminud neutroneid neelavast materjalist ning aeglustist, et reaktoris tekkivad neutronid liiguksid sobiva kiirusega (liiga kiiresti liikuvad neutronid põrkuvad U-235 tuumadega ega lõhusta neid).
Reaktoris vabanev seoseenergia, mis muundub peamisel soojusenergiaks, juhitakse reaktori töötsoonist välja spetsiaalse vedeliksärgi abil – nii nagu puudega köetavatest saunaahjudestki.
Tuumareaktoreid kasutatakse peamiselt elektrijaamades (aga ka laevadel) elektri tootmiseks
Tuumaenergia senisest laialdasema kasutusele võtmise kasuks räägib jaamade suur võimsus ning asjaolu, et tuumakütuse varud on väga-väga suured. Ära ei saa jätta märkimata ka seda, et tuumajaamad ei tekita elektrienergia tootmisel heitgaase.
Selle vastu räägivad aga tuumajäätmete utiliseerimise keerukus, uraani tootmisega seonduvad keskkonnaprobleemid ja ohud inimestele ning inimeste tohutu eelarvamus tuumaenergia suhtes, et „mis siis kui midagi läheb valesti“.
Kartus võib olla põhjendatud, sest tuumajaamas toimuval õnnetusel on ülisuur kahjulik mõju väga pikaks ajaks küllalt suurele jaama ümbritsevale piirkonnale (fotol Tšernobõli tuumaelektrijaama IV plokk pärast seal 1986. aastal toimunud plahvatust – tegu on inimkonna suurima tuumakatastroofiga Hiroshimale ja Nagasakile heidetud tuumapommide järel).
Kahtlemata ongi üheks tuumaenergia laialdasema kasutusele võtmise takistuseks ka võimalus, et tuumareaktorites tekkivatest jäätmetest valmistatakse tuumapomm või kasutatakse neid muul viisil massihävitusrelvana.
Tuumasüntees
Kui kaks aatomituuma satuvad teineteisele piisavalt lähedale, võib neist moodustuda uus ja suurema nukleonide arvuga aatomituum. Sellist kergemate tuumade ühinemist raskemateks nimetatakse tuumasünteesiks.
Ka tuumasünteesil vabaneb arvestatavas koguses tuumaenergiat, sest tekkiva tuuma mass on lähtetuumade omast alati väiksem – seetõttu peab „kaotsi mineva“ massi jagu energiat vabanema.
Taoliste sünteesireaktsioonide käivitamiseks on tarvis väga erilisi tingimusi – ülikõrget (kümnetesse, isegi sadadesse miljonitesse kraadidesse ulatuvat) temperatuuri ja/või ülisuurt rõhku. Taolised tingimused on täidetud Päikese ja teiste tähtede südames, kus kümnetesse miljonitesse kraadidesse ulatuv temperatuur ja ülisuur rõhk sunnivad vesinikuaatomi tuumi liituma heeliumi aatomi tuumadeks. Justnimelt tuumasünteesi reaktsioonides vabanev energia ongi Päikese ja teiste tähtede energia allikaks.
Maapeal osatakse täna sünteesireaktsiooni esile kutsuda vaid vesinikupommi plahvatusena. On küll olemas seadeldised – termotuumareaktorid, kus sünteesireaktsioonid saavad toimuda ka juhitult, kuid paraku kulub nendes sobivate tingimuste loomiseks oluliselt enam energiat kui reaktsiooni käigus vabaneb.
Kui võrrelda lõhustumis- ja sünteesireaktsioonides osalevate tuumaosakeste kohta vabanevat energiat, siis sünteesireaktsioonid on energeetiliselt oluliselt kasulikumad. Ehkki ühes ühinemisaktis vabaneb koguseliselt vähem energiat kui lõhustumisel, osaleb sünteesis palju vähem osakesi ning seetõttu on need osakese kohta energeetiliselt oluliselt kasulikumad.
Füüsika põhivara 