Ydinfysiikka

Ydinfysiikka tutkii atomien ytimiä, niiden rakennetta, reaktioita ja rakenteisiin vaikuttavia voimia. Ydinfysiikassa keskeisiä tutkimuslaitteita ovat hiukkaskiihdyttimet ja erilaiset säteilyn ilmaisimet. Hiukkaskiihdyttimet ovat tyypillisesti huomattavasti pienempiä kuin hiukkasfysiikassa käytettävät.
Ydinfysiikan sovelluksia löytyy monilta yhteiskunnan osa-alueilta: Ydinvoimalla tuotettiin vuonna 2009 maailman sähköenergiasta 14%. Lääketieteessä käytetään laajalti ydinfysiikkaan perustuvia kuvausmenetelmiä, kuten magneettikuvaus, varjoainekuvaukset ja positroniemissiotomografia, sekä sädehoitoa syöpää vastaan. Yhdeksällä maailman valtiolla tiedetään olevan varastoituina ydinaseita. Geologiassa ja arkeologiassa käytetään radioaktiivisuuteen perustuvia ajoitusmenetelmiä, kuten radiohiiliajoitusta.
Suomessa ydinfysiikkaa tutkitaan Aalto-yliopistossa, Jyväskylän yliopistossa ja Åbo Akademissa. Lisäksi Suomi on mukana kansainvälisen FAIR-tutkimuslaitoksen rakentamisessa.
Ydin.
Atomin ydin on varaukseltaan positiivinen hiukkasmuodostelma, jota atomissa ympäröi varaukseltaan negatiivinen elektroniverho. Lähes koko atomin massa on keskittynyt ytimeen. Ydin koostuu protoneista ja neutroneista, joita sitoo toisiinsa vahva ydinvoima.
Ytimillä on useita eri energiatiloja, joista alinta nimitetään perustilaksi ja muita viritystiloiksi. Ydin voi päätyä johonkin viritystilaansa ydinreaktion tai radioaktiivisen hajoamisen seurauksena. Viritystilat purkautuvat yleensä nopeasti gammahajoamisen avulla, jolloin ydin säteilee suurienergiaista sähkömagneettista säteilyä, gammasäteilyä. Jos ytimen viritystila on viritystilaksi hyvin pitkäikäinen (puoliintumisajaltaan yli miljoonasosasekunnin), kutsutaan sitä isomeeriseksi eli metastabiiliksi viritystilaksi.
Ytimen rakennetta ja energiatiloja arvioidaan usein niin sanotun kuorimallin perusteella. Kuorimalli on samankaltainen atomifysiikan Bohrin mallin energiatasojen ja elektronikuorien kanssa.
Historiaa.
Ydinfysiikan historian voi laskea alkavan radioaktiivisuuden löytämisestä vuonna 1896. Tuolloin ranskalainen fyysikko Henri Becquerel havaitsi, että uraanisuolat lähettävät näkymätöntä säteilyä, joka tummentaa lähelle asetettuja hyvin suojattuja valokuvauslevyjä. Tämän löydön motivoimana Marie Curie alkoi tutkia järjestelmällisesti erilaisia metalleja, suoloja, oksideja ja mineraaleja löytäen toriumin radioaktiivisuuden. Yhdessä aviomiehensä Pierre Curien kanssa hän onnistui löytämään ja erottelemaan vuonna 1898 tutkimistaan mineraaleista pieniä määriä kahta radioaktiivista ennestään tuntematonta alkuainetta, radiumia ja poloniumia.
Vuoden 1899 tammikuussa Ernest Rutherford ilmoitti havainneensa Becquerelin löytämän säteilyn koostuvan kahdenlaisista säteistä: helposti absorboituvasta alfasäteilystä ja läpäisevämmästä beetasäteilystä. Tutkimalla magneettikenttien vaikutusta säteilyyn havaittiin, että alfa- ja beetasäteily koostuvat varatuista hiukkasista, ja että näiden lisäksi oli olemassa vielä läpäisevämpi kolmas säteilymuoto, gammasäteily, johon magneettikenttä ei vaikuta. Joseph John Thomson, joka oli löytänyt elektronin vuonna 1897, osoitti tarkoilla mittauksillaan, että beetahiukkaset ovatkin itse asiassa elektroneja. Rutherford tunnisti pian myös alfahiukkaset heliumiksi. Becquerel havaitsi, että alfahiukkaset emittoituivat radioaktiivisesta lähteestä keskenään samalla nopeudella, mutta beetahiukkasten spektri oli jatkuva – Vaikutti siis siltä, että energian säilymislaki ei pätisikään beetahajoamisessa.
Löydettyään elektronin Thomson esitti atomille rusinapullamallin, jossa atomin arveltiin koostuvan positiivisesta massasta, jossa siellä täällä olisi negatiivisesti varautuneita elektroneja. Tämän mallin kumosivat vuonna 1911 Hans Geiger ja Ernest Marsden Rutherfordin johtamana kokeella, joka osoitti, että atomin massa onkin keskittynyt hyvin pienelle alueelle atomin keskustaan, ytimeen. Rutherford onnistui ensimmäisenä myös muuntamaan keinotekoisesti alkuainetta toiseksi ydinreaktion avulla vuonna 1919.
Nykyaikainen käsitys ytimen rakenneosasista muodostui kuitenkin vasta vuonna 1932, kun James Chadwick löysi protonia muistuttavan, mutta neutraalin alkeishiukkasen, neutronin. Italialainen fyysikko Enrico Fermi päätteli, että varauksettomuutensa ansiosta neutroni olisi erityisen helppo saada törmäämään ytimeen. Hän suoritti työtovereineen 1930-luvulla lukuisia kokeita, joissa hän tutki neutroneiden aikaansaamia ydinreaktioita. Kun Otto Hahn ja Fritz Strassmann havaitsivat 1939, että pommittamalla uraania neutroneilla saadaan uraaniytimet fissiohajoamaan, Fermi arveli, että uraanin fissiossa syntyisi myös vapaita neutroneita. Tämä johti ajatukseen ketjureaktiosta, jonka avulla uraanista voisi saada vapautumaan suuria määriä energiaa.
Fission löytyminen tapahtui samana vuonna toisen maailmansodan puhkeamisen kanssa, ja sen mahdollinen sovellus sodankäynnissä tunnistettiin nopeasti. Jo vuonna 1939 Albert Einstein ja kolme muuta merkittävää tiedemiestä ottivat yhteyttä Yhdysvaltain presidentti Franklin Rooseveltiin kertoen, että voisi olla mahdollista rakentaa uraanin fissioon perustuva atomipommi. Tämän seurauksena Yhdysvaltain armeijassa aloitettiin tutkimustyö, joka huipentui Manhattan-projektiin ja maailman ensimmäiseen ydinkokeeseen.
Ydinfysiikan ilmiöitä.
Radioaktiivisuus.
Tärkeimmät tunnetut radioaktiivisen hajoamisen muodot ovat alfa-, beeta- ja gammahajoaminen. Radioaktiivisessa hajoamisessa ytimestä emittoituu hiukkasia tai sähkömagneettista säteilyä, ja ydin muuttuu samalla joko toiseksi ytimeksi tai siirtyy matalaenergiaisemmalle viritystilalleen (tai perustilalleen). Jotkin raskaat ytimet voivat myös fissioitua spontaanisti. Näiden lisäksi tunnetaan myös harvinaisempia hajoamistapoja, kuten sisäinen konversio, neutroniemissio ja kaksoisbeetahajoaminen.
Ydinreaktiot.
Kaikki luonnossa esiintyvät vetyä raskaammat alkuaineet ovat syntyneet erilaisten ydinreaktioiden seurauksena varhaisessa maailmankaikkeudessa, tähtien palamisessa ja supernovaräjähdyksissä. Tätä prosessia kutsutaan nukleosynteesiksi.
Tunnetuimmat ydinreaktiot ovat fissio ja fuusio. Fissioreaktiossa raskas ydin hajoaa kahteen tai useampaan osaan absorboituaan esimerkiksi neutronin. Jos tällaisessa neutroneilla indusoidussa fissiossa syntyy riittävästi neutroneja, voidaan saada aikaan ketjureaktio. Käytössä olevat ydinvoimalat hyödyntävät tätä ilmiötä sähköntuotannossa.
Fuusiossa kaksi atomiydintä yhdistyy törmätessään toisiinsa. Auringon ja muiden tähtien säteilemä energia on peräisin erilaisista fuusioreaktioista, pääasiassa vedyn fuusioitumisesta heliumiksi. Käytännöllistä fuusioreaktoria ei ole vielä onnistuttu rakentamaan sähköntuotantoon, mutta kehitystyötä tehdään mm. kansainvälisen ITER-koereaktorin muodossa.