Tuumafüüsika

Tuumafüüsika on füüsika haru, mis käsitleb aatomituuma ja selles toimuvaid protsesse. See on teadus aatomituumade ehitusest, omadustest ja vastastikustest muundumistest.
Tuumafüüsikat ei tohi segamini ajada aatomifüüsikaga, mis uurib aatomeid koos neid ümbritsevate elektronidega. Tuumafüüsikast arenes omakorda välja elementaarosakeste füüsika, mis oli pikka aega tuumafüüsika osa. Seetõttu nimetatakse elementaarosakeste füüsikat igapäevakeeles mõnikord ka tuumafüüsikaks ning neil on palju kattuvaid uurimisvaldkondi.
Tuumafüüsika üldtuntud rakendused on tuumaenergia genereerimine ja tuumarelva tehnoloogiad. Seda rakendatakse ka näiteks nukleaarmeditsiinis, magnetresonantstomograafias, materjaliteaduses ioonlegeerimise puhul, geoloogias radiosüsiniku meetodi juures ning ka arheoloogias.

Ajalugu

Tuumafüüsika hakkas aatomifüüsikast lahknema aastal 1896, mil Henri Becquerel, kes uuris fosforestsentsi uraanisoolades, avastas radioaktiivsuse. Elektroni avastamine Joseph John Thomsoni poolt 1897 näitas, et aatomil on siseehitus. Thomson esitas 1903 aatomi ehituse "rosinasaia" mudeli ehk Thomsoni aatomimudeli. Selles mudelis on aatom suur positiivse elektrilaenguga laetud kera, mille sisse on kinnitunud väiksed negatiivse laenguga elektronid.
Sajandivahetuseks olid füüsikud avastanud ka kolme tüüpi kiirgust, mille nad nimetasid alfa-, beeta- ja gammakiirguseks. Otto Hahn ja James Chadwick avastasid 1911. aastal oma eksperimentide käigus, et beetalagunemise spekter on pigem pidev kui diskreetne. Teisisõnu lahkusid elektronid aatomist energia diapasooniga, mitte diskreetsete väärtustena, nagu oli täheldatud gamma- ja alfalagunemiste kohta. Sel ajal oli see tuumafüüsika jaoks probleem, sest see näitas, et energia ei säili sellistes lagunemistes.

Rutherfordi meeskond avastab tuuma

Aastal 1907 avaldas Ernest Rutherford artikli "Radiation of the α Particle from Radium in passing through Matter", milles rääkis sellest, kuidas alfaosakeste kiirgus läbib ainet. Hiljem laiendasid Rutherford ja Hans Geiger seda eksperimentidega, milles nad lasksid alfa-osakesi läbi õhu, alumiiniumi, fooliumi ja kuldplaatide. Suurema töö avaldasid Geiger ja Ernest Marsden aastal 1909 ja veel suurema Geiger aastal 1910. Aastatel 1911–1912 käis Rutherford Londoni Kuningliku Seltsi juures selleks, et seletada oma eksperimente ja esitada uue aatomituuma teooriat sellisena, nagu me seda nüüd tunneme.
Tähtsaim eksperiment enne uue teooria esitamist toimus aastal 1910 Manchesteri Ülikoolis. Ernest Rutherfordi meeskond tegi tähelepanuväärse katse, milles Hans Geiger ja Ernest Marsden tulistasid alfaosakesi (heeliumi tuumasid) õhukese kuldplaadi pihta. Thomsoni mudel prognoosis, et kuldplaadist välja tulevate alfaosakeste trajektoorid peavad olema väga kergelt kõverad. Rutherfordil tuli idee lasta oma meeskonnal otsida midagi, mis teda tegelikult väga vapustas: mõned osakesed hajusid väga suurte nurkade all ja mõnikord isegi vastassuunas. Ta tõi paralleeli paberisse kuuli tulistamisega ning selle tagasipõrkamisega. See avastus, alates Rutherfordi andmete analüüsist aastal 1911, viis sellise Rutherfordi aatomimudelini, milles aatomil on väga väike ja väga tihe tuum, mis sisaldab peaaegu kogu selle massi ja koosneb positiivselt laetud osakestest (neutron oli veel tundmatu). Tuuma laengu tasakaalustamiseks olid seal ka elektronid. Näiteks koosnes selles mudelis lämmastik-14 tuumast, milles on 14 prootonit ja 7 elektroni (kokku 21 osakest), ja tuuma ümber oli veel 7 elektroni.
Rutherfordi mudel töötas päris hästi kuni aastani 1929, mil Franco Rassetti viis California Tehnoloogiainstituudis läbi tuumaspinni uuringud. Aastal 1925 oli juba teada, et prootonitel ja elektronidel on spinn 1/2 ja Rutherfordi lämmastik-14 mudelis peaksid 21 tuumaosakesest paaris olema 20, selleks et kustutada üksteise spinni. Viimane paaritu osake oleks pidanud määrama tuumaspinni, milleks on 1/2. Rassetti avastas aga, et lämmastik-14 spinn on 1.

James Chadwick avastab neutroni

Aastal 1932 mõistis James Chadwick et kiirgus, mida uurisid Walther Bothe, Herbert L. Becker, IIrène ja Frédéric Joliot-Curie, tekkis tegelikult neutraalsete osakeste tõttu, mille mass on peaaegu sama kui prootonil. Ta nimetas seda osakest neutroniks (pärast Rutherfordi tähelepanekut sellise osakese vajalikkuse kohta). Samal aastal püüdis Dmitri Ivanenko seletada tuuma massi mitte ainult prootonite põhjalt ning pakkus välja, et tuum sisaldab ka 1/2 spinniga osakesi ehk neutroneid. Ta arvas ka, et tuumas ei ole elektrone. Neutroni spinn lahendas kohe lämmastik-14 spinni probleemi, kuna selles mudelis andsid nii üks paaritu prooton kui ka üks paaritu neutron ½ spinni samas suunas, mistõttu koguspinn on 1.
Pärast neutroni avastamist võisid teadlased hakata lõpuks arvutama iga tuuma seoseenergia osa, võrreldes tuuma massi prootoni ja neutroni massidega. Sellisel viisil arvutati välja erinevused tuuma masside vahel ja kui tuumareaktsioonid olid mõõdetud, leiti, et need erinevused sobivad väga täpselt Einsteini arvutustega massi ja energia ekvivalentsusest.

Proca bosoni välja massiivse vektori võrrandid

Alexandru Proca oli esimene, kes arendas välja ja esitas bosoni välja massiivse vektori võrrandeid ja mesonite välja tuumajõudude teooria.

Yukawa mesoni postuleerimine tuumade sidumise seletamiseks

Aastal 1935 pakkus Hideki Yukawa välja esimese olulise tugeva jõu teooria selleks, et seletada, kuidas tuum koos püsib. Yukawa interaktsioonis vahendab virtuaalne osake, mida hiljem hakati nimetama mesoniks, jõudu kõikide tuuma osakeste vahel. See jõud seletas, miks tuumad ei lagunenud prootonite tõukumise tagajärjel, ja andis ka seletuse sellele, miks ligitõmbaval tugeval mõjul on väiksem ulatus kui prootonitevahelisel elektromagnetilisel tõukumisel. Hiljem näitas piion ehk pii-mesoni avastamine, et sellel on Yukawa osakese omadused. Tänu Yukawa töödele oli tänapäevane aatomimudel täielik. Aatomi keskosa sisaldab prootonitest ja neutronitest moodustunud tihedat kera, mis püsib koos tugeva tuumajõu abil juhul, kui kera ei ole väga suur. Ebastabiilsed tuumad võivad läbi teha alfalagunemise, mille käigus need kiirgavad energeetilise heeliumi tuuma, või beetalagunemise, milles vabaneb elektron või positron. Pärast üht nendest lagunemistest võib tuum jääda ergastatud seisundisse ja sel juhul läheb see kõrgenergeetilisi footoneid kiirates stabiilsesse olekusse (gammalagunemine).

Tänapäevane tuumafüüsika

Raske tuum võib sisaldada sadu nukleone, mis tähendab, et mõningase ühtlustamisega võib seda käsitleda mitte kvantmehaanilise, vaid klassikalise süsteemina. Tilgamudelis on tuumal energia, mille väärtus tõuseb osalt pindpinevuse tõttu ja osalt prootonitevahelise tõukumise tõttu. Tilgamudel on võimeline esitama mitmeid tuuma omadusi. Selle klassikalise mudeliga on seotud aga ka kvantmehaanilised efektid, mida võib kirjeldada tuuma kihtmudeli abil. Tuumad, milles on kindel arv neutroneid ja prootoneid (maagilised arvud 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, …), on eriti stabiilsed, kuna nende kihid on täidetud. Tänapäeval uuritakse põhiliselt äärmuslikes tingimustes olevaid tuumi, näiteks tuumi suure spinniga. Tuumadel võivad olla ka äärmuslikud kujud või äärmuslikud neutroni-prootoni suhted. Eksperimentides võivad tekkida sellised tuumad kunstlikult indutseeritud liitumisel või tuuma ülekandmise reaktsioonides, milleks kasutatakse kiirendist tulevat ioonkimpu.

Tuuma lagunemine

80 elemendil on vähemalt üks stabiilne isotoop. Kokku on umbes 254 stabiilset isotoopi. Siiski on tuhandeid isotoope, mida on iseloomustatud kui mittestabiilseid. Sellised radioisotoobid lagunevad väga erineva aja jooksul alates sekundi murdosadest ja lõpetades kuni triljoni aastaga. Tuuma stabiilsus on suurim, kui sellel on kindel arv prootoneid ja neutroneid. Liiga palju või liiga vähe neutroneid võivad põhjustada tuuma lagunemise. Näiteks lämmastik-16 aatom (7 prootonit, 9 neutronit) muundub beetalagunemisel hapnik-16 aatomiks (8 prootonit, 8 neutronit) mõne sekundi jooksul selle tekitamise momendist. Selle lagunemise käigus muundub lämmastiku neutron prootoniks, elektroniks ja antineutriinoks. Alfalagunemisel lagunevad radioaktiivsed elemendid, kiirates heeliumi tuuma. Paljudes olukordades see protsess kordub veel mõne korra, kaasates ka teisi lagunemise tüüpe, kuni tekib stabiilne element. Gammalagunemisel laguneb tuum ergastatud olekust stabiilsesse olekusse, kiirates gammakiire. See element ei muutu protsessi käigus teiseks elemendiks.

Termotuumasüntees

Termotuumasünteesis satuvad kaks väiksema massiga tuuma üksteisele väga lähedale, nii et tugev jõud sulatab need kokku. Kulub väga palju energiat, et ületada tuumadevahelist tõukumist, ja sellepärast võib selline reaktsioon toimuda ainult väga kõrgel temperatuuril või suure rõhu all. Kui see protsess õnnestub, vabaneb väga palju energiat ja tekkinud tuuma energiatase on madal. Tuuma seoseenergia iga nukleoni kohta suureneb koos massiarvuga kuni nikkel-62-ni.

Tuuma lõhustumine

Tuuma lõhustumine on sünteesile vastupidine protsess. Tuumade jaoks, mis on raskemad kui nikkel-62, väheneb seoseenergia koos massiarvuga. Seega on võimalik vabastada energiat, lõhustades ühe raske tuuma kaheks kergeks tuumaks. Alfalagunemise protsess on oma olemuselt üks spontaanse lõhustumise erijuht. Neli osakest, mis moodustavad alfaosakese, on üksteisega eriti tihedalt seotud ja nõnda on sellise tuuma saamine lõhustamisel väga tõenäoline. Mõned raskemad tuumad, mille lõhustumisel tekib neutron ja mis samuti võtavad kergesti neutroni selleks, et alustada lõhustamise reaktsiooni, võivad osaleda ka isesüttivas neutroni-algatatud lõhustumises, mida nimetatakse ahelreaktsiooniks. Ahelreaktsioonid olid keemias tuntud enne kui füüsikas ja tegelikult on väga palju tuttavaid protsesse, nagu tuli ja keemilised plahvatused, ahelreaktsioonid. Tuuma ahelreaktsioonid, milles kasutatakse lõhustumisel tekkinud neutroneid, on energiaallikateks tuumaelektrijaamades ja tuumapommides, nagu näiteks ka nendes, mille Ameerika Ühendriigid panid plahvatama Hiroshimas ja Nagasakis.

"Raskete" elementide saamine (aatomnumber suurem kui viis)

Teooria järgi sai pärast universumi jahtumist Suure Paugu järel võimalikuks aatomisiseste osakeste olemasolu. Kõige tavalisemad Suure Paugu käigus tekkinud osakesed, mis on inimeste jaoks lihtsalt jälgitavad, on prootonid ja elektronid. Peaaegu kõik neutronid, mis Suure Paugu käigus tekkisid, imendusid heelium-4-ks esimese kolme minuti jooksul. Lisaks heeliumile tekkisid Suure Pauguga prootonite ja neutronite kokkupõrkel veel mõned elemendid, aga need elemendid ei olnud "rasked". Kõik "raskemad" elemendid, mida tänapäeval näha võib, tekkisid tähtede sees mitmete lõhustumisseeriate käigus. Seoseenergia on kõrgeim raua juures ja seega vabaneb energia ainult sellest punktist allpool toimuvates sünteesiprotsessides. Kuna raskemate tuumade tekkimiseks sünteesiprotsessis on energiakulukas, otsib loodus väljapääsu neutronihaarde protsessist. Neutronitel ei ole laengut ja need imenduvad kergesti tuuma. Rasked elemendid tekivad kas aeglases neutronihaarde protsessis (niinimetatud s-protsessis, s – ingl k slow) või järsus neutronihaarde protsessis (r-protsessis, r – ingl k rapid). S-protsess toimub termiliselt pulseerivates tähtedes ja võtab tuhandeid aastaid selleks, et jõuda raske elemendini, nagu plii või vismut. R-protsess arvatakse toimuvat supernoovade plahvatamisel. Selles protsessis tekivad rasked elemendid palju kiiremini kui s-protsessis.