Tuumareaktsioonid

Maailm meie ümber on üles ehitatud üksteist vastastikku mõjustavatest aineosakestest. Meile nähtavate liikumiste ja muutuste sügavamaks aluseks on aine ehituskivide, aatomite ja molekulide liikumised, ümber­korraldumised ja muundumised. Nii tekivad lihtsamatest osakestest keerulisemad, need omakorda võivad omavahel veelgi keerulisemateks kombineeruda, võivad aga ka tagasi lihtsamateks laguneda. Aatomite ja molekulide niisuguseid ümber­korraldumisi nimetatakse keemilisteks reaktsioonideks. Nende käigus muutuvad ühed keemilised ühendid teisteks. Toimub keemilisi ühendeid koos hoidvate keemiliste sidemete ümber­korraldumine, osa neist katkeb, samas tekivad uued.

Omal ajal, sajandeid tagasi, kui aine ehitusest ei teatud veel midagi, püüdsid alkeemikud muuta ka lihtaineid, keemilisi elemente. Nende ülim unistus oli odavamatest ja kätte­saadava­matest ainetest kulda valmistada. Praegu me teame, et see oli täiesti lootusetu ette­võtmine, sest keemilistes reaktsioonides saab ainult keemilisi sidemeid ümber korraldada, kuid ei saa muuta ühte elementi teiseks. Keemilise elemendi olemuse määrab selle elemendi aatomi tuum. Tuumade muundamine pole aga keemiale jõukohane, selleks on vaja miljoneid kordi suuremaid energiaid.

Teatud protsessides aga võib ka tuumadega toimuda midagi samasugust nagu molekulidega keemilistes reaktsioonides. Tuumad võivad ühineda, ümber korralduda ja laguneda. Neid protsesse nimetatakse tuumareaktsioonideks ja tavaliselt toimuvad need aatomi­tuumade põrkumisel teiste tuumadega või mikro­osakestega, nagu prooton ja neutron. Radioaktiivse lagunemise jaoks pole aga väliseid põhjusi tarviski, see toimub iseeneslikult.

Esimest korda puutuski inimene tuumareaktsioonidega kokku radioaktiivsuse juures, seega umbes 19. ja 20. sajandi vahetusel. Eelmises peatükis nägime, et α- ja β-lagunemisel muundub ühe elemendi tuum teise elemendi tuumaks, α-lagunemise korral on sisuliselt tegemist tuuma lagunemisega. Radioaktiivsus andis aga füüsikutele ühe võimaliku vahendi tuuma­maailma tungimiseks, uute tuuma­reaktsioonide tekitamiseks. Osutus, et raadiumist väljapaiskuvatel alfaosakestel on juba küllaldaselt energiat põhjustamaks tuumade ümber­korraldumist. Siin kohtume jälle oma vana tuttava Ernest Rutherfordiga.

Rutherford lootis täiesti õigustatult, et kui rasked alfa­osakesed, mis radioaktiivsest ainest välja lendavad, uuesti ainesse suunata, saab kindlasti midagi teada aine ehituse kohta. Eelmises peatükis me nägime, et see viis aatomi­tuuma avastamisele.

1919. a aga teostas Rutherford esimese tõelise tuumade muundamise (vt joonis): alfaosakesega pommitamisel muutus lämmastiku tuum hapniku ja vesiniku tuumaks, $\[ {}_2{}^4\text{H}\text{e}+{}_7{}^{14}\text{N}\to {}_8{}^{17}\text{O}+{}_1{}^1\text{H}, \]$ ehk siis: lämmastiku tuuma pommitamisel alfaosakesega tekkisid hapniku tuum ja prooton.

Esimene tehislik tuumareaktsioon

Alkeemikute unistus elementide muundamisest oli täitunud, vähemalt põhi­mõtteliselt, kuigi kulla praktiline valmistamine pole sugugi perspektiivikam kui alkeemias (sellisel meetodil saame küll üksikuid kulla tuumasid, kuid mitte arvestatavaid aine­koguseid).

Siit saigi alguse tänapäeva tuumafüüsika.

Tuumareaktsioonide korral toimub tuumaosakeste ümberpaigutumine, mille tulemusena tuumad võivad ühineda, ümber korralduda ja laguneda, tekivad uued tuumad või tuumad ja tuumaosakesed (prootonid, neutronid). Selline protsess ei toimu aga juhuslikult, vaid selles kehtivad kindlad seaduspärasused. Lisaks sulle juba mehaanikast tuntud energia jäävuse seadusele kehtivad tuumareaktsioonides mitmed teised olulised jäävusseadused. Meie poolt vaadeldavates tuumareaktsioonides on nendeks elektrilaengu jäävuse seadus (kogulaeng enne ja pärast reaktsiooni jääb samaks) ja tuumaosakeste koguarvu jäävus (prootonite ja neutronite koguarv enne ja pärast reaktsiooni jääb samaks).