lauantai 4. huhtikuuta 2015

Fysiikka 8 – luku 8 Hiukkasfysiikka



Fysiikka 8 – luku 8 Hiukkasfysiikka


8.1 Standardimalli                                                      


Hiukkasfysiikka kuvaa luonnon toimintaa sen perimmäisellä tasolla. Aine koostuu perushiukkasista, joita ovat  kvarkit ja leptonit. Perushiukkasten ajatellaan olevan pistemäisiä, koska niissä ei ole ilmennyt sisäistä rakennetta. Perushiukkaset vuorovaikuttavat toistensa kanssa. Vuorovaikutuksessa hiukkanen voi muuttua toisiksi hiukkasiksi. Perushiukkasia ja niiden vuorovaikutuksia kuvaavaa teoriaa kutsutaan hiukkasfysiikan standardimalliksi.


Perushiukkasten perheet


Aineen perushiukkaset jakautuvat kolmeen perheeseen, jotka ovat elektronin, myonin ja taun perheet. Jokaiseen perheeseen kuuluu neljä perushiukkasta, eli kaksi leptonia ja kaksi kvarkkia. Kaikki näkyvä aine rakentuu elektronin perheen hiukkasista.

Kvarkkeja ei synny yksin, vaan ne muodostavat aina jonkin hiukkasen.  Protoni sisältää kaksi ylös-kvarkkia sekä yhden alas-kvarkin (uud). Neutroni sisältää yhden ylös-kvarkin ja kaksi alas-kvarkkia (udd).





 

Vuorovaikutukset


Perusvuorovaikutuksia ovat sähkömagneettinen vuorovaikutus, vahva, heikko vuorovaikutus sekä gravitaatiovuorovaikutus. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen on fotoni, heikon vuorovaikutuksen välibosoni sekä vahvan vuorovaikutuksen gluoni. Gravitaatiovuorovaikutuksen välittäjähiukkasta gravitonia ei ole vielä havaittu. Välibosoneja ovat W+, W- ja Z0. Gluonit ovat massattomia hiukkasia kuten fotonitkin. Gravitaatiovuorovaikutus vaikuttaa kaikkiin massallisiin hiukkasiin. Se on perusvuorovaikutksista heikoin.


8.2 Alkeishiukkaset


Hadronit


Hadronit jaetaan kvarkkirakenteensa perusteella baryoneihin ja mesoneihin. Baryonit ovat kolmen kvarkin muodostamia hiukkasia ja mesonit kvarkin ja antikvarkin muodostamia hiukkasia. Protoni ja neutroni ovat kaksi kevyintä baryonia.


Antihiukkanen ja antiaine


Jokaisella perushiukkasella on antihiukkanen. Sillä on sama massa kuin hiukkasella, mutta se eroaa hiukkasesta joidenkin muiden ominaisuuksien osalta. Esim sen varaus voi olla vastakkainen kuin hiukkasen varaus. Myös kvarkeilla on antihiukkaset, antikvarkit. Kun hiukkanen ja sen antihiukkanen kohtaavat, ne annihiloituvat. Annihilaatiossa kummankin massaan sitoutunut energia vapautuu sähkömagneettisen säteilyn energiana, eli kahtena fotonina. Eli

e+ + e- à 2 γ




 

Fysiikka 8 - luku 7 Energiaa ytimestä



Fysiikka 8  - luku 7 Energiaa ytimestä



7.1 Ydinreaktiot


Ydinvoimalaitoksissa energiantuotanto perustuu raskaiden ydinten halkeamiseen. Ydinreaktioissa atomien ytimet muuttuvat toisiksi ytimiksi. Alkuaine voi muuttua toiseksi alkuaineeksi vain ydinreaktioissa. Ydinreaktion massavaje saadaan laskemalla reaktioon osallistuvien hiukkasten massojen erotus. Ydinreaktion reaktioenergia on

Q = ∆mc2

jossa ∆m on lähtö- ja tulosydinten massojen erotus ja c valon nopeus tyhjiössä. Eksoerginen reaktio on energiaa vapauttava. Siinä energia ja massavaje ovat positiivisia. Spontaanit radioaktiiviset reaktiot ovat aina eksoergisiä. Niissä osa massasta muuttuu reaktiotuotteiden liike-energiaksi ja gammasäteilyn energiaksi.

Endoerginen reaktio vaatii syntyäkseen energiaa. Endoergisen reaktion massavaje ja reaktioenergia ovat negatiivisia. Tulosydinten massojen summa on suurempi kuin lähtöydinten massojen summa. Endoergisessä reaktiossa pommittavan ytimen liike-energiaa muuntuu syntyvien ytimien sisäiseksi energiaksi eli massaksi. Kynnysenergia on pienin mahdollinen energia, jolla reaktio tapahtuu.



7.2 Fissio ja fuusio


Fissio


Ydinenergiaa vapautuu fissioissa, kun raskaat ytimet halkeavat keskiraskaiksi ytimiksi. Hitaan (termisen) neutronin aiheuttama U-235:n fissio on paljon todennäköisempi kuin nopean neutronin aiheuttama fissio. Nopeat neutronit eivät yleensä aiheuta uraaniytimen halkeamista. On myös ytimiä, jotka eivät halkea hitaiden neutroneiden pommituksessa, vaan halkeamiseen tarvitaan nopeiden neutronien suuri energia.

Kun terminen neutroni törmää U-235-ytimeen, uraaniydin sieppaa hitaan neutronin. Tällöin syntyy lyhytikäinen väliydin U-236 ja massavajetta vastaava reaktioenergia ylittää ytimen halkeamiseen tarvittavan energian. Halkeamiseen ei tarvita neutronin liike-energiaa. Siksi hitaatkin neutronit aiheuttavat halkeamisen.

Fuusio


Fuusiossa kaksi kevyttä ydintä liittyy yhteen yhdeksi ytimeksi. Energiantuotannossa toimivan fuusioreaktorin etuja olisivat suuri energiantuotto, polttoaineen riittävyys (luonnon veden deuterium) ja edullisuus sekä se, ettei radioaktiivista polttoainejätettä synny. Auringon ja muiden tähtien energia on peräisin niiden sisuksissa tapahtuvista fuusioista, joissa vetyä fuusioituu heliumiksi.


7.3 Ydinenergia


Fissiovoimalaitos


Ydinvoimalaitoksen energiantuotanto perustuu uraanipolttoaineessa tapahtuvaan fissioon ja hallittuun ketjureaktioon. Fissiossa neutroni törmää U-235-isotoopin ytimeen ja halkaisee sen. Halkeamisen yhteydessä vapautuu 2–3 uutta neutronia ja fissiotuotteita. Osa vapautuneista neutroneista jatkaa ketjureaktiota. Jokaisen halkeamisen seurauksena vapautuu runsaasti energiaa.

Ydinreaktorissa fissioiden määrää ja samalla reaktorin lämpötilaa ja tehoa säädellään neutroneita absorboivilla säätösauvoilla, jotka ovat osittain reaktorin sisällä ja osittain ulkopuolella. Säätösauvoja voidaan siirtää reaktoriin tai reaktorista pois tarpeen mukaan. Mitä enemmän sauvat ovat reaktorin sisällä lomittain polttoainesauvojen kanssa, sitä vähemmän on vapaita neutroneita ja fissioita ja sitä alhaisempia ovat reaktorin lämpötila ja teho.

Ennen ydinjätteen loppusijoitusta käytettyä polttoainetta säilytetään 40-60 vuotta vesialtaissa. Jätteen lämpötila ja aktiivisuus vähenevät niin, että jätettä on helpompi käsitellä. Sitä käsitellään kauko-ohjattavilla laitteilla. Loppusijoitusta varten polttoainesauvaniput pakataan loppusijoituskapseleihin.



Ydinvoimalaitostyypit                                                


Reaktorityyppejä ovat mm. painevesireaktori, kiehutusvesireaktori sekä hyötöreaktori. Painevesireaktorissa reaktiosydämen jäähdytinaineena ja neutronien hidastimena käytettävän veden eli primääripiirin veden paine pidetään niin korkeana, ettei se kiehu, vaikka sen lämpötila on n. 3000 C.

Kuuma vesi luovuttaa energiansa höyrystimessä sekundääripiirin vedelle. Näissä putkistoissa virtaavat vedet eivät sekoitu keskenään. Toisiopiiriin muodostuva höyry pyörittää turbiineja, jotka pyörittävät generaattoreita.

Kiehutusvesireaktorissa sydämen jäähdytysaineena käytettävä vesi kiehuu ja syntyvä höyry johdetaan pyörittämään turbiinia.

Hyötöreaktori tuottaa halkeamiskelpoista polttoainetta enemmän kuin itse kuluttaa. Siinä nopeat neutronit muuttavat U-238:aa ydinreaktioiden avulla neptuniuksi, joka muuttuu edelleen halkeamiskelpoiseksi plutoniumiksi. Toimintavarma hyötöreaktori olisi eräs helpotus maailmaa uhkavaan energiapulaan, joten sitä kehitetään edelleen, kuten myös fuusioreaktoria.