Tuuma ehitus. Tuumajõud. Isotoobid

Osutub, et ka aatomituumal on oma siseehitus,

Prootonist oli meil vesiniku aatomi ehituse juures juttu, sest vesiniku aatomi tuum koosnebki ainult ühest prootonist. Prooton (kr protos – ‘esimene, esmane’) on positiivset elementaarlaengut kandev mikroosake, mille mass on elektroni massist ligi 1837 korda suurem: m_p = 1837 m_e. Teine tuumaosake – neutron – on elektriliselt neutraalne, tema kogulaeng on võrdne nulliga, mass on aga praktiliselt võrdne prootoni massiga: m_n = 1839 m_e.

Vaatame veel kord lähemalt aatomituuma. Iga aatomituuma iseloomustab tuumas olevate prootonite arv, mille annab vastava elemendi järjenumber Z, samuti tuumas olev neutronite arv N. Tuumaosakeste koguarvu A = Z + N nimetatakse tuuma massiarvuks.

Tuumade tähistamisel kasutatakse elemendi järjenumbrit Z ja massiarvu A. Nii oleks mingi konkreetse aatomituuma tähiseks

$\[ {}_Z{}^A\text{X} \]$,

kus X on keemilise elemendi sümbol.

Varem kasutati ka tähistust _ZX^A, kuid võib kirjutada ka lihtsalt ^AX (või X^A), sest laenguarv Z on iga keemilise elemendi korral kindlalt määratud suurus. Nii on kõige kergema elemendi, vesiniku, tuum $\[ {}_1{}^1\text{H} \]$, järgmise elemendi, heeliumi tuum $\[ {}_2{}^4\text{H}\text{e} \]$ (koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist) jne. Viimase loodusliku elemendi – uraani – tuum oleks $\[ {}_{92}{}^{238}\text{U} \]$ (koosneb 92 prootonist ja 146 neutronist).

Rääkides tuumadest, võime tuumaosakesi – prootoneid ja neutroneid – kujutada väikeste kerakestena, mille läbimõõt on väiksem kui 1 fm, tuuma ennast aga kera­kujulisena, mis on kokku pakitud sinna kuuluvatest väikestest kerakestest (prootonitest ja neutronitest). Parema piltliku ettekujutuse saamiseks kujutatakse tuumaosakesi erivärvilistena, prootoneid näiteks punastena ja neutroneid valgetena.

Tuumas olevate prootonite vahel mõjuvad väga tugevad elektrilised tõukejõud (jõud on tugevad seetõttu, et prootonite vaheline kaugus tuumas on väga väike). Et tuum püsiks koos, peavad osakestevahelised tuumajõud olema elektrilistest jõududest oluliselt suuremad. Tuumajõudude uurimine näitas, et prootoni-prootoni, prootoni-neutroni ja neutroni-neutroni vahel mõjuvad tuumajõud on praktiliselt ühesuurused ja ületavad elektrilisi jõudusid ligikaudu sada korda. Tuumajõud on tugevad, nad ei sõltu tuumaosakeste elektrilaengust. Samal ajal on need jõud, tuumajõud, väga lühikese ulatusega ehk mõjuraadiusega, mõjudes praktiliselt vaid tuuma enda ulatuses. Mõnes mõttes on tuumajõud analoogilised molekulaarjõududega. Kui me püüame osakesi üksteisest eemaldada, tekib tõmbejõud, kui aga neid lähendada, mõjub osakeste vahel tõukejõud. Erinevus on aga selles, et tuumajõud on molekulaarjõududega võrreldes väga tugevad ja nende mõjuraadius on väga väike. Viimane tähendab seda, et iga tuumaosake (prooton või neutron) on tuumajõududega seotud ainult oma vahetute naabritega.

Kuna tuumajõud on väga tugevad, tuleb nende jõudude ületamiseks ja aatomituumade purustamiseks või siis tuumareaktsioonide (-muundumiste) tekitamiseks kulutada umbes miljon korda suuremat energiat kui elektronkatte mõjutamiseks. Tuumajõudude tugevusele vaatamata võib siiski juhtuda, et sõltuvalt konkreetse tuuma ehitusest tuum muundub või laguneb ise, andes sellest märku väljalendavate osakeste näol. Niisugused protsessid toimuvad looduses kogu aeg, inimesed aga said neist teada alles 19. sajandi lõpus, kui avastati mõnedest ainetest (uraanisoolad, raadium) väljuv isemoodi kiirgus, mida hakati nimetama radioaktiivseks kiirguseks.

Tuumade uurimine näitas, et üks ja sama keemiline element võib esineda mitme erineva aatommassiga, kuid muidu keemiliselt eristamatul kujul, n-ö keemiliselt identsete „erisortidena”, isotoopidena (kr isos – ‘sama’, topos – ‘koht’, s.t perioodilisuse tabelis samal kohal asuvatena). Kuna tuumas olevate prootonite arv on iga elemendi korral kindlalt määratud suurus, siis eelnev tähendab, et tuumas olevate neutronite arv võib erineda, seega võib erineda ka tuuma massiarv.

Kõikidel elementidel on tegelikult üsna palju isotoope, osa neist on looduslikud, osa aga saadud tehislikult erinevate tuumareaktsioonidega. Kui alustada vesinikust, siis tavalise vesiniku tuum

$\[ {}_1{}^1\text{H} \]$

koosneb ainult ühest prootonist. Vesinikul on ka isotoop tuumaga

$\[ {}_1{}^2\text{H} \]$,

mis koosneb ühest prootonist ja ühest neutronist. Sellise tuumaga vesiniku isotoopi nimetatakse deuteeriumiks ja tähistatakse tähega D. Looduses esinevad paljud elemendid isotoopide seguna, nii on ka looduslik vesinik kahe isotoobi – tavalise vesiniku ja deuteeriumi segu (99,98% vesinikku ja 0,02% deuteeriumi). Vesinik on teatavasti üheks vee H₂O komponendiks, kuid peale tavalise vee on olemas ka nn raske vesi, milles vesiniku asemel on deuteerium – D₂O.

Kui rääkida veel vesinikust, siis on olemas ka kolmas isotoop – triitium, tuumaga

$\[ {}_1{}^3\text{H} \]$,

mis koosneb prootonist ja kahest neutronist. Triitiumi looduses ei leidu, see on saadud tehislikult. Triitiumi tuum on ebastabiilne ja laguneb radioaktiivse lagunemise käigus.

Paljude kergemate elementide isotoobid on toodud joonisel. Punasega on tähistatud stabiilsed, looduses eksisteerivad isotoobid, ülejäänud on saadud tehislikult erinevate tuumareaktsioonidega.

Kergemate elementide isotoobid

Vaatame lõpetuseks veel uraani iso­toope, sest uraan on tuumaenergia saamisel üks olulisi elemente. Looduses esineb uraan peamiselt kahe isotoobina, mida vahel nimetatakse nende massi­arvu järgi uraan-238 ja uraan-235.

Esimese isotoobi tuum oleks $\[ {}_{92}{}^{238}\text{U} \]$ (92 prootonit ja 146 neutronit), teisel $\[ {}_{92}{}^{235}\text{U} \]$ (92 prootonit ja 143 neutronit). Looduslikus uraanimaagis on peamiseks uraan-238, saja neljakümne U-238 aatomi kohta tuleb üks U-235 aatom. Vaatamata sellele, et nende tuumad erinevad ainult kolme neutroni poolest, on tuumad ise oluliselt erinevate füüsikaliste omadustega. Uraan ei ole stabiilne element, kuid ta laguneb ülimalt aeglaselt, mistõttu Maal tekkinud uraanivarud on veel päris suured.