Teame nüüd, et inimene on võimeline esile kutsuma aatomituumade liitumist ja lagunemist. Liitumiseks vajavad tuumad energiat, mis saadakse temperatuuri tõstes, lõhustumiseks tuleb tuumaga liita neutron. Tuumareaktsioonid toimuvad aga ka meie abita.
Radioaktiivne lagunemine
Rasked aatomituumad võivad ka iseenesest laguneda, st muutuda mingiks kergemaks tuumaks. Sellisel juhul öeldakse, et toimub iseeneslik tuumareaktsioon. Sellist nähtust nimetatakse radioaktiivsuseks[mõiste: radioaktiivsus – tuuma iseeneslik lagunemine] ehk tuuma iseeneslikuks lagunemiseks. Looduses leiduvast 94 keemilisest elemendist esimesed 80 on stabiilsete aatomituumadega, ülejäänud on aga radioaktiivsed, st mingi aja jooksul muutuvad nende tuumad kergemaks.
Radioaktiivse lagunemise käigus tekib kiirgus, mida nimetatakse radioaktiivseks kiirguseks[mõiste: radioaktiivne kiirgus – tuuma lagunemise käigus eralduv kiirgus]. Radioaktiivset kiirgust on kolme liiki: alfa- (α-kiirgus), beeta- (β-kiirgus) ja gammakiirgus (γ-kiirgus). Radioaktiivne kiirgus on organismidele ohtlik. Sellepärast hoitakse radioaktiivseid aineid seatinast (pliist[mõiste: plii – pehme mürgine raskemetall (Pb), mida varem nimetati ka seatinaks; kaitseb hästi radioaktiivse- ja röntgenikiirguse eest]) ümbrises, mis ei lase radioaktiivset kiirgust läbi.
Radioaktiivse kiirguse uurimiseks juhitakse kiirgus erinimeliselt laetud plaatide vahelt läbi. Siis ilmneb, et beetakiirgus kaldub positiivselt laetud plaadi poole, alfakiirgus kaldub negatiivselt laetud plaadi poole ja gammakiirgus läbib plaatide vahe suunda muutmata. Katse tulemustest võib järeldada, et alfakiirgus on seotud positiivselt laetud osakestega ja beetakiirgus negatiivselt laetud osakestega ning gammakiirgusel seost elektrilaenguga ei ole.
Mõtle!
- Miks sai katsest järeldada, et alfa- ja beetakiirgus on seotud just elektriliselt laetud osakestega?
- γ-kiirgus
- η-kiirgus
- Δ-kiirgus
- ω-kiirgus
- α-kiirgus
- λ-kiirgus
- β-kiirgus
- δ-kiirgus
- π-kiirgus
Alfakiirgus
Alfakiirgus [mõiste: alfakiirgus – kahest prootonist ja kahest neutronist koosnevatest alfaosakestest moodustunud radioaktiivne kiirgus]on alfaosakeste voog, mis eraldub tuumast alfalagunemise käigus. Alfaosake on liitosake, mis koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist. Kuna samasugune koostis on ka heeliumi aatomi tuumal , nimetatakse alfaosakesi mõnikord ka heeliumi aatomi tuumadeks.
Alfaosakesed kaotavad neile ette jäävate molekulidega põrkudes kiiresti energiat. Põrkumise tagajärjel molekulid ergastuvad [mõiste: ergastumine – üleminek suurema energiaga olekusse]või ioniseeruvad[mõiste: ioniseerumine – aatomi muutumine iooniks ühe või mitme elektroni aatomist välja löömise kaudu], st kaotavad elektrone ja laaduvad positiivselt. Lõpuks ühineb alfaosake kahe elektroniga ja muutub heeliumi aatomiks. Õhus levib alfaosake enne kadumist kuni 10 cm, tahketes või vedelates ainetes aga palju vähem.
Alfalagunemise käigus eralduvad tuumast alfaosakesed, st kahest prootonist ja kahest neutronist koosnevad osakesed, mida nimetatakse alfakiirguseks.
Pikka aega ei osanud teadlased alfaosakeste tekkimist seletada. Tänaseks on selge, et radioaktiivse aatomi tuumas tekivad kogu aeg ajutised moodustised, mis koosnevad kahest prootonist ja kahest neutronist. Sellise moodustise eluiga on u . Seejärel see laguneb ja tekib uus samasugune kooslus. Tunneliefekti[mõiste: tunneliefekt – mikromaailmas esinev nähtus, mille korral võib osake sattuda olekusse, millesse jõudmiseks ei ole tal piisavalt energiat] tõttu võib selline moodustis aga ka tuumast väljuda. Kui see juhtub, siis tuum laguneb ja tekkinud alfaosake hakkab eksisteerima iseseisva osakesena. Olukorda võib mõneti võrrelda tantsuõhtuga, kus tekivad aeg-ajalt tantsijate paarid, mis võivad tantsupeo jooksul muutuda. Peo lõpus võivad mõned paarid (nii ka alfaosakesed) koos peolt lahkuda.
Algne element | Uus element | Uue elemendi A | Uue elemendi Z |
Th | |||
Np | |||
Pb | |||
Ra |
Mõtle!
- Aatomituumast eraldus prooton. Millised aatomit kirjeldavad suurused muutusid?
- Aatomituumast eraldus neutron. Milline aatomit kirjeldav suurus muutus?
Beetakiirgus
Beetakiirgus[mõiste: beetakiirgus – radioaktiivse kiirguse liik, mis koosneb kiiresti liikuvatest elektronidest], mis tekib beetalagunemise käigus, kujutab endast kiirelt liikuvate elektronide voogu. Nende elektronide kiirus võib olla väga suur, kuni 99% valguse kiirusest vaakumis. Seetõttu on beetakiirgus ka hea tema teele ette jäävate aatomite või molekulide ioniseerija. Põrgetel suure osa oma energiast kaotanud elektron jääb lõpuks mõne negatiivse iooni koosseisu või neutraliseerib mõne positiivse iooni laengu. Beetakiirgus levib õhus enne kadumist kuni 1 m, vees 1 cm, aga metallides ainult mõne millimeetri.
Beetalagunemise käigus eralduvad tuumast kiired elektronid, mida nimetatakse beetakiirguseks.
Ka elektronide tekkimist tuuma lagunemise käigus ei osatud kaua seletada. Nüüdseks on teada, et radioaktiivses tuumas võib mõni neutron iseenesest prootoniks muutuda. Kuna looduses kehtib laengu jäävuse seadus[mõiste: laengu jäävuse seadus – isoleeritud süsteemi kogu elektrilaeng on jääv suurus, st laengud võivad selles süsteemis tekkida või kaduda vaid paarikaupa (+q ja –q)], siis peab peale prootoni tekkima ka mõni võrdse, kuid vastupidise laenguga osake, st elektron.
Algne element | Uus element | Uue elemendi A | Uue elemendi Z |
Np | |||
At | |||
Ac | |||
Pa |
Mõtle!
- Aatomituumas muutus üks neutron prootoniks. Milline aatomit kirjeldav suurus muutus?
- Aatomituum tegi läbi alfalagunemise ja seejärel ka beetalagunemise. Kuidas muutusid selle tuuma massi- ja laenguarv?
Gammakiirgus
Gammakiirgus[mõiste: gammakiirgus – radioaktiivse kiirguse liik, mis koosneb väga väikese lainepikkusega elektromagnetilisest kiirgusest] on väga väikese lainepikkusega (λ ≤ 0,01 nm) elektromagnetiline kiirgus ehk elektromagnetlaine[joonealune: omavahel läbipõimunud ning perioodiliselt muutuvate elektri- ja magnetväljade levik ruumis], mis tekib gammalagunemise käigus. See kiirgus on väga suure läbitungimisvõimega, sest gammakiirgusel puudub elektrilaeng ja seepärast ei takista aineosakeste elektrilaengud gammakiirguse liikumist. Gammakiirguse intensiivsus väheneb poole võrra näiteks pärast 20 cm paksuse mullakihi läbimist. Õhus gammakiirgus peaaegu ei nõrgenegi. Gammakiirgus neeldub aines sellepärast, et ta ioniseerib aatomeid või kutsub esile röntgenikiirguse[mõiste: röntgenikiirgus – silmale nähtamatu elektromagnetlaine, mille lainepikkus jääb vahemikku 0,01−10 nm].
Gammalagunemise käigus eraldub tuumast suure läbistamisvõimega elektromagnetiline kiirgus.
Gammakiirguse tekkimist seletatakse sellega, et radioaktiivse lagunemise käigus tekkivad uued tütartuumad on algselt ergastatud olekus[mõiste: ergastatud olek – aineosakeste süsteemi (aatom, tuum) olek, mille korral süsteemil on rohkem energiat kui põhiolekus ehk vähima võimaliku energiaga olekus]. Kui tuumad lähevad üle põhiolekusse, eraldub üleliigne energia elektromagnetilise kiirgusena.
Mõtle!
- Miks hoitakse radioaktiivseid elemente paksuseinalistes pliikonteinerites?
- Milline kiirgus on inimorganismile kõige ohtlikum?
Lisalugemine. Poolestusaeg
Kuna radioaktiivse lagunemise käigus eraldab tuum oma koostisosi, väheneb pidevalt radioaktiivsete tuumade arv. Ajavahemik, mille jooksul laguneb pool olemasolevatest tuumadest, on poolestusaeg[mõiste: poolestusaeg – ajavahemik, mille jooksul laguneb pool olemasolevatest tuumadest]. Poolestusajad võivad olla väga erinevad. Näiteks on krüptooni poolestusaeg 1,4 sekundit, tseesiumil 30 aastat, aga uraani isotoobil koguni 700 miljonit aastat.
Isotoopide poolestusajad
Isotoop | Poolestusaeg |
Poolestusaja põhjal määratakse näiteks fossiilsete[joonealune: varem elanud, väljasurnud või kivistisena säilinud] leidude vanust. Seda tehakse radioaktiivse süsiniku meetodil[mõiste: radioaktiivse süsiniku meetod – üks dateerimise meetod, millega tehakse kindlaks orgaanilise päritoluga fossiilsete arheoloogiliste leidude vanus. Põhineb süsiniku isotoobi ¹⁴C lagunemisel]. Osa õhus leiduva süsihappegaasi koostises olevatest süsiniku isotoopidest on radioaktiivsed ning süsihappegaasi ja seega ka radioaktiivse süsiniku hulk organismis püsib ainevahetuse tõttu mingil kindlal tasemel. Eeldades, et süsihappegaasi kontsentratsioon on läbi aegade olnud õhus püsiv, võib arvata, et ka radioaktiivse süsiniku kontsentratsioon organismis on olnud püsiv. Kui organism sureb, lakkab ainevahetus ja radioaktiivse süsiniku kontsentratsioon organismis hakkab vähenema, sest uut süsihappegaasi enam ei lisandu. Teades radioaktiivse süsiniku algkontsentratsiooni organismis (), praegust kontsentratsiooni N (määratakse katseliselt) ja süsiniku poolestusaega T (5730 aastat) saab radioaktiivse lagunemise seadusest arvutada aja, mis on möödunud organismi surmast.
Radioaktiivset ainet on 10 g. Esita kõik vastused võimalikult täpselt (ära ümarda).
Pärast 1 poolestusaja möödumist on ainet alles g.
Pärast 2 poolestusaja möödumist on ainet alles g.
Pärast 3 poolestusaja möödumist on ainet alles g.
Pärast 4 poolestusaja möödumist on ainet alles g.
Mõtle!
- Kas raadioaktiivse süsiniku meetodil saab määrata kivikirve vanust? Põhjenda.
Jätan meelde
- Radioaktiivsuseks nimetatakse tuuma iseeneslikku lagunemist.
- Radioaktiivse lagunemise käigus eraldub radioaktiivne kiirgus.
- Radioaktiivset kiirgust on kolme liiki: alfakiirgus (α-kiirgus), beetakiirgus (β-kiirgus) ja gammakiirgus (γ-kiirgus).
- Alfakiirgus on alfaosakeste ehk kahest prootonist ja kahest neutronist koosnevate osakeste voog.
- Beetakiirgus on kiirete elektronide voog.
- Gammakiirgus on väga väikese lainepikkusega elektromagnetiline kiirgus.
