Fysiikka 8 luku 5.4 Elektronisieppaus

Elektronisieppauksessa ytimeen siepattu elektroni reagoi protonin kanssa ja syntyy neutroni ja neutriino. Reaktioyhtälö on

Kun ydin sieppaa elektronin atomin sisimmältä kuorelta, elektroniverhoon jää elektroniaukko, joka täyttyy ylemmältä energiatasolta tulevalla elektronilla. Elektronin siirtymä miltä tahansa ylemmältä tilalta tilalle n = 1 synnyttää röntgensäteilyn kvantin. Elektronisieppauksen yhteydessä havaitaan siis kyseisen isotoopin röntgenspektrin ominaissäteilyä.

Fysiikka 8 – luku 5.3 Beetahajoaminen

Beetasäteilyssä ytimet emittoivat elektroneja e^- tai positroneja e⁺. Tällöin ytimien sanotaan olevan beeta-aktiivisia. Positroni on elektronin antihiukkanen ja sen massa on yhtä suuri kuin elektronin massa. Positronin sähkövaraus on +e ja elektronin siis –e.

Beetahiukkasen (positroni tai elektroni) lisäksi atomin ytimestä emittoituu toinenkin hiukkanen, neutriino v tai antineutriino. Neutriinot ja antineutriinot vuorovaikuttavat aineen kanssa heikosti ja ne ovat siksi vaikeasti havaittavia. Neutriino on varaukseton ja massaton ja sen nopeus on valon nopeus.

Beetahajoaminen tapahtuu heikon vuorovaikutuksen seurauksena. Sen välittäjähiukkanen on välibosoni. Beetaplushajoamisessa ytimessä protonin kvarkkirakenne uud muuttuu rakenteeksi udd. Samalla emittoituu välibosoni, joka muuttuu positroniksi e⁺ ja neutriinoksi v.

Beetamiinushajoaminen

Beetamiinus-aktiivisessa ytimessä neutroni muuttuu protoniksi ja samalla ytimestä emittoituu elektroni ja antineutriino. Hajoamisreaktio on

jossa x on emoydin ja  Y tytärydin.

Beetaplushajoaminen

Beetaplushajoamisessa protoni muuttuu ytimessä neutroniksi ja samalla positroni ja neutriino emittoituvat. Hajoamisreaktio on

 

Kun positroni kohtaa aineessa elektronin, ne yhdistyvät eli annihiloituvat. Annihilaatiossa syntyy kaksi gammakvanttia.

Positroniemissiotomografiassa (PET) potilaaseen ruiskutetaan beetaplus-aktiivista merkkiainetta, joka kulkeutuu tutkittavaan elimistön kohtaan. Merkkiaineen säteilemän positronin ja annihiloitusessa elimistössä olevan elektronin kanssa syntyy gammasäteilyä, jonka avulla saadaan poikkileikkauskuvia potilaan elimistöstä. Positroniemissiotomografian avulla voidaan etsiä kasvaimia, tutkia verenkiertoa ja seurata aivotoimintoja.

Fysiikka 8: luku 5.2 Alfahajoaminen

 

Alfahiukkaset etenevät ilmassa vain muutamia senttimetrejä.  Alfahajoaminen:

Fysiikka 8 luku 5.1 Radioaktiivisuus

Radioaktiivinen ydin voi hajota spontaanisti, jolloin ytimestä syntyy samalla säteilyä. Hajoamista nimitetään radioaktiiviseksi hajoamiseksi ja säteilyn eri lajeja ydinsäteilyksi. Ytimien säteilyä ei voida poistaa, hidastaa, nopeuttaa tai muutenkaan muuttaa. Säteily voi olla alfa-, beeta-, gamma- tai neutronisäteilyä.

Ionisoiva säteily on sellaista säteilyä, joka pystyy irrottamaan kohtaamistaan atomeista tai molekyyleistä elektroneja. Ionisoiva säteily on ihmiselle vaarallista, koska se voi aiheuttaa elävissä kudoksissa kemiallisia ja biologisia muutoksia. Alfa-, beeta- ja gammasäteily ovat ionisoivaa säteilyä.

Neutronisäteilyä syntyy luonnossa esim raskaiden nuklidien hajotessa kevyemmiksi nuklideiksi. Se ei ole suoranaisesti ionisoivaa säteilyä, koska neutroneilla ei ole sähkövarausta. Neutronisäteily on kuitenkin hyvin läpitunkevaa,  ja neutronin absorboiduttua ytimeen ydin yleensä lähettää gammasäteilyä, joka on ionisoivaa säteilyä. Gammasäteilyä syntyy, kun ytimen viritystila purkautuu.

Ydinreaktioissa ovat voimassa kaikki säilymislait: reaktioissa säilyvät sähkövaraus, massaluku, energia, liikemäärä ja pyörimismäärä.

Fysiikka 8, luku 4, tehtävistä poimittua

Juttua atomin ytimestä

Ytimen nukleonit eivät pääse koskettamaan toisiaan, koska nukleonien välillä vallitseva ydinvoima on hyvin lyhyillä etäisyyksillä hylkivä voima. Näin ollen se estää nukleoneita koskettamasta toisiaan.

Protoni on sitoutunut ytimeen löyhemmin kuin neutroni, koska koska siihen kohdistuu ydinvoiman lisäksi sähköisestä vuorovaikutuksesta aiheutuva hylkimisvoima. Koska neutronilla ei ole sähkövarausta, siihen kohdistuu ainoastaan ydinvoima, minkä takia se on sitoutunut vahvemmin ytimeen kuin protoni.

Ytimen massavaje voidaan laskea. Mihin massaa ”katoaa” ytimen muodostuessa? Vastaus: ytimen massavajetta vastaavaa energiaa kutsutaan ytimen sidosenergiaksi. Se on energia, joka vapautuu, kun nukleonit sitoutuvat toisiinsa muodostaen ytimen. Tämän vuoksi ytimen massa on pienempi kuin ytimen muodostavien yksittäisten nukleonien yhteenlaskettu massa.

Keskiraskaat ytimet eivät hajoa helposti, koska niiden sidosenergiat nuklidia kohden ovat suuria. Keveiden ja raskaiden ytimien sidososuudet ovat pienempiä  kuin keskiraskaiden ytimien sidososuudet. Siksi kevyet ja raskaat ytimet hajoavat helpommin kuin keskiraskaat.

Miksi rauta on rakennusmateriaalina luja ja kupari pehmeä, vaikka niiden ytimet kuuluvat keskiraskaisiin ja ovat likimain yhtä lujarakenteisia? Vastaus: Atomin ytimen luja rakenne on eri asia kuin aineen kestävyys rakennusmateriaalina. Materiaalin lujuus riippuu elektroniverhosta ja kiderakenteesta. Samallakin alkuaineella voi olla erilaisia kiderakenteita. Esim valurauta on kovaa  eikä kestä taivutusta, takorauta on pehmeää ja sitä voi taivuttaa. Lyijykynän hiili on pehmeää, mutta hyvin kova timanttikin on hiiltä.

Miksi energiaa ei vapaudu, kun keskiraskas ydin hajoaa kahdeksi kevyeksi ytimeksi? Entä miksi energiaa ei vapaudu, kun kaksi keskiraskasta ydintä liittyy yhteen hyvin raskaaksi ytimeksi? Vastaus molempiin on sama eli energiaa ei vapaudu kummassakaan tapauksessa, koska tulosytimissä sidososuudet ovat pienemmät kuin lähtöytimillä, joten reaktioissa sitoutuu energiaa. Yksittäisen nukleonin sidos ei vahvistu kummassakaan tapauksessa, vaan molemmissa tapauksissa heikkenee.

 

Fissio ja fuusio

Fissio- ja fuusioreaktioissa vapautuva energia perustuu siihen, että osa reaktioon osallistuvien ytimien massoista muuttuu energiaksi. Energiaksi muuttuneen massan ja vapautuneen energian välillä vallitsee yhtälö E = mc².

Fuusioreaktiossa eli kahden kevyen ytimen liittyessä yhteen raskaammaksi ytimeksi sidososuus kasvaa. Yksittäinen nukleoni on fuusion jälkeen lujemmin sitoutunut kuin ennen fuusiota. Sidoksen vahvistuessa vapautuu energiaa.

Fissioreaktiossa eli raskaan ytimen hajotessa kahdeksi keskiraskaaksi ytimeksi sidososuus kasvaa. Yksittäinen nukleoni on siis lujemmin sitoutunut kuin ennen fissiota. Sidoksen vahvistuessa vapautuu energiaa.

Fysiikka 8 : luku 4.3 Sidosenergia ja massavaje

Ytimen muodostavien protonien ja neutronien yhteismassa on aina suurempi kuin ytimen massa. Ytimen massavaje ∆m on ytimen rakenneosien yhteismassan ja ytimen massan erotus:

∆m = Z m_p + N m_n + Z m_e – m_atomi

jossa Z on protonien lukumäärä, N neutronien lukumäärä, Z elektronien lukumäärä, m_p protonin massa, m_n neutronin massa, m_e elektronin massa ja m_atomi atomin massa, johon sisältyy elektronien massa.

Ytimen massavajetta vastaavaa energiaa kutsutaan ytimen sidosenergiaksi E_B. Se on energia, joka vapautuu, kun nukleonit sitoutuvat toisiinsa muodostaen ytimen. Jos ydin halutaan hajottaa takaisin erillisiksi nukleoneiksi, pitää ytimeen tuoda tämä sama energiamäärä. Ytimen sidosenergia on

E_B = ∆mc².

Ytimen sidosenergia on energia, joka tarvitaan hajottamaan ydin nukleoneiksi. Ytimen muodostuessa vapautuu samaa määrä energiaa. Ytimen sidososuus b on ytimen sidosenergia yhtä nukleonia kohden. Sidososuus saadaan yhtälöstä

b = E_B / A

Kun lasketaan ydinreaktioissa ytimien massojen muutoksia, ytimien massojen sijasta käytetään atomien massoja, koska ytimen massaa ei voida suoraan mitata. Ydinvoima on lyhyen kantaman voima.

Fysiikka 8: luku 4.2 Ydinvoima

 
 

Auringon energiantuotanto perustuu fuusioon. Fuusiossa kevyet ytimet pääsevät niin lähelle toisiaan, että vahva vuorovaikutus sitoo ne yhdeksi ytimeksi. Vahva vuorovaikutus tapahtuu ytimessä protonien ja neutronien rakenneosasten, kvarkkien, välillä. Sen välittäjiä kutsutaan gluoneiksi. Vahva vuorovaikutus on yksi neljästä perusvuorovaikutuksesta. Muut perusvuorovaikutukset ovat heikko vuorovaikutus, sähkömagneettinen vuorovaikutus ja gravitaatiovuorovaikutus. s

Kvarkeilla on niiden sähkövarauksen lisäksi myös värivaraus (tai väri). Vahva vuorovaikutus ilmenee värivarauksellisten hiukkasten välillä vaikuttavana voimana, ns. vahvana voimana, joka sitoo kvarkit toisiinsa.

Ydinvoimaksi kutsutaan nukleonien välistä voimaa, joka on vahvan vuorovaikutuksen aiheuttama. Vahva vuorovaikutus tapahtuu kvarkkien välillä. Ydinvoiman kantama on lyhyt, noin 2 fm. Ydinvoima on voimakas hylkimisvoima.

Atomimassayksikkö

Koska atomien massat ovat hyvin pieniä, ydinfysiikassa atomin massan yksikkönä käytetään yleensä atomimassayksikköä (1 u). Määritelmän mukaan atomimassayksikkö on kahdestoistaosa ¹²₆C –isotoopin atomin massasta. Tasan 12 grammaa tätä hiili-isotooppia sisältää 1 moolin verran hiiltä, ja 1 mooli sisältää Avogadron luvun N_A ilmoittaman määrän hiiliatomeja.

Massa ja energia

Sisäinen energia on aineen massaan sisältyvää energiaa. Massa on yksi sidotun energian muoto. Massaan m sisältyy sisäinen energia

E = mc²

jossa c on valon nopeus TYHJIÖSSÄ!

Atomimassayksikön 1 u suuruista massaa vastaa likimain energia 931,49 MeV eli 1 u ≈ 931,49 MeV/c²

Fysiikka 8: luku 4.1 Ytimen rakenne

Atomin ytimen rakenneosien eli protonien ja neutronien, yhteisnimitys on nukleoni. Protonien ja neutronien massat ovat melkein yhtä suuret. Ytimen ominaisuudet riippuvat sen protonien ja neutronien lukumäärästä. Atomin ydintä kuvataan symbolilla ^A_Z X, jossa X on alkuaineen kemiallinen merkki, Z järjestysluku ja A massaluku.

A = Z+N

jossa N on ytimessä olevien neutronien lukumäärä. Neutroniluku on N = A – Z. Protonien lukumäärä tietyn alkuaineen ytimissä on aina sama, mutta neutronien lukumäärä voi vaihdella. Niitä ytimiä, joilla on eri neutroniluku, kutsutaan kyseisen alkuaineen isotoopeiksi. Kaikilla saman aineen isotoopeilla on samanlaiset kemialliset ominaisuudet, koska alkuaineen elektroniverhon rakenne riippuu vain protonien määrästä ytimessä eikä neutronien määrästä. Isotooppeja ei voi erotella toisistaan kemiallisin menetelmin.

Kullakin alkuaineella on sekä stabiileja että epästabiileja isotooppeja. Epästabiileja isotooppeja kutsutaan radioaktiivisiksi isotoopeiksi. Ne lähettävät hajotessaan hiukkassäteilyä tai sähkömagneettista säteilyä.

Magneettikuvaus

Magneettikuvaus perustuu ydinmagneettiseen resonanssiin. Tämä pohjautuu siihen, että ympäröivä aine vaikuttaa ydinten käyttäytymiseen magneettikentässä. Ihmisen kehosta noin 70 % on vettä. ja vety on osana vesimolekyylia, mikä vuoksi käytännön magneettikuvaus perustuu kudoksissa olevien vetyatomien eli protonien sekä magneettikentän vuorovaikutukseen. Magneettikuvauksessa käytetään hyväksi voimakasta magneettikenttää sekä matalaenergistä radiotaajuista shkömagneettista säteilyä, joiden avulla kuva muodostetaan.

Magneettikuvausta voidaan käyttää lähes kaikkien kehonosien kuvaamiseen. Sisäelimet: sydän, maksa, munuaiset ja lantion alueen rakenteet näkyvät magneettikuvauksen hyvän pehmytosaerittelykyvyn vuoksi erinomaisesti. Erityisesti se sopii selkärangan, selkäytimen ja välilevyjen tutkimiseen. Nivelten kulumavikojen aiheuttamat muutokset sekä kaularankaperäiset hartia- niska, ja käsioireet ovat hyviä magneettikuvauskohteita.

Eniten magneettikuvausta käytetään kuitenkin aivojen tutkimuksessa. Tällä menetelmällä saadaan yksityiskohtaisempia kuvia aivoista kuin millään muulla kuvantamismenetelmällä. Se soveltuu kaikkien aivoperäisten oireiden ja sairauksien tutkimiseen.

Nykyisin ei ole vielä tiedossa, että magneettikentällä olisi haitallisia vaikutuksia ihmisen elimistölle, joten se on tämänhetkisen käsityksen mukaan huomattavasti turvallisempi tutkimusmuoto kuin tietokonetomografia tai PET eli positroniemissiotomografia, jossa tutkittavan verenkiertoon ruiskutetaan radioaktiivista merkkiainetta jonka kulkeutumista seurataan kameralla.

Magneettiangiografialla eli verisuonikuvauksella korvataan osa niistä röntgenkuvista, joissa tarvittaisiin varjoaineiden käyttöä. Verisuonet näkyvät magneettikivassa, koska magneettikuvaus pystyy havaitsemaan veren virtauksen.Verisuonikuvauksessa nähdään muun muassa aivo- ja kaulasuonten ahtaumat, pullistumat ja verisunten epämuodostumat. Magneettispektroskopia menetelmällä voidaan tutkia sydänlihaksen paikallista aineenvaihduntaa.

Lukupiiristä tukea opiskeluun

No niin, nyt on sitten lääkiksen pääsykoe toukokuussa 2015 tähtäimessä. Olen puuhaillut Älyvuodon kautta lukupiiriä Turkuun ja me näemme toisemme ensimmäistä kertaa ensi viikolla Turun pääkirjastossa. Älyvuoto on siis lääkikseen hakijoiden suuri foorumi. Sitten kun Turun lääkiksen kirjasto aukeaa uudessa osoitteessaan niin olis tarkoitus siirtyä sinne opiskelemaan. Sinne tulee kuulemma oikein ryhmätyöskentelytilat joissa ei tarvitse olla hiljaa. Loistavaa!

Mulla on töistä lomaa koko heinäkuun joten ajattelin yrittää noudattaa seuraavaa päivärytmiä: aamulla klo 6.00 aamulenkille jos sellainen on ohjelmassa. Sitten klo 9.00 alkaen kirjastoon, missä olis tarkoitus viipyä viisastumassa klo 15-17 asti. Eväät tietysti mukaan ja onhan siellä kirjastossa kahvila jossa vois käydä klo 12, sieltä saa ihan kunnon ruokaakin. Sitten vielä illalla toinen juoksutreeni jos sellainen ihanuus lukee ohjelmassa.

Jossain vaiheessa heinäkuuta mä suuntaan sitten Vierumäen urheiluopistolle muutaman päivän lomalle hyvässä seurassa. Jätän sitten kirjat suosiolla kotiin ja latailen akkujani.

Fysiikka 8: Aineiden tutkimusmenetelmiä

Röntgensäteily

Röntgen keksi röntgensäteet vuonna 1895. Luut, lihakset, nivelet ja sisäelimet absorboivat röntgensäteilyä eri tavoin. Röntgenkuvassa näkyy vaalea kohta silloin, kun säteily absorboituu voimakkaasti kudokseen, jolloin filmille pääsee vähän säteilyä. Luut näkyvät kuvassa vaaleina. Luun vaimennuskerroin röntgensäteilylle on suurempi kuin lihasten tai rasvan. Lihakset ja rasva näkyvät kuvassa melko tummina ja erottuvat toisistaan huonosti. Keuhkot näkyvät kuvassa tummina, koska ne sisältävät paljon ilmaa, jonka säteily läpäisee helposti, ja siten filmille pääsee paljon säteilyä.

Röntgenkuvaustekniikalla voidaan tutkia myös mm. hitsaus- ja valuvikoja sekä halkeamia laivoissa ja silloissa. Röntgensäteilyn spektristä suodatetaan pois pienienerginen säteily, jotta potilaan saama säteilyannos pienenisi. Suodatus ei vaikuta kuvan laatuun.

Mikroskoopeista

Valomikroskopia perustuu valon kulkuun näytteen (solujen) läpi. Solunäytteet värjätään, koska solun rakenne saadaan paremmin näkyviin, jos solun osat absorboivat valoa eri tavoin. Värjäyksen avulla erot saadaan paremmin näkyviin. Väriaineina käytetään usein orgaanisia yhdisteitä.

Elektronimikroskoopilla voidaan erottaa pienempiä yksityiskohtia kuin optisella mikroskoopilla, koska elektronimikroskoopilla on pienempi aallonpituus. Optisen mikroskoopin erotuskyky riippuu käytetyn valon aallonpituudesta, eikä sillä voida erottaa sitä pienempiä yksityiskohtia. Elektronimikroskoopissa kiihdytysjännite vaikuttaa elektronien nopeuteen ja siksi elektronisuihkun de Broglien aallonpituuteen, mikä on huomattavasti pienempi kuin valomikroskoopissa.

Sentrifugi

Solunäytteitä voidaan tutkia myös sentrifugin avulla. Sentrifugissa näytettä pyöritetään hyvin suurella kulmanopeudella. Sen avulla virukset saadaan eroteltua proteiineista, koska virukset ja bakteerit ovat hyvin pieniä verrattuna proteiinien muodostamiin molekyyleihin.  Ympyräliikkeessä normaalivoima pakottaa kevyet virukset ja raskaat proteiinit eri kohtaan koeputkessa ja niiden erotteleminen tulee mahdolliseksi.

Fysiikka 8: luku 3.3 Mikroskoopit aineen rakenteen tutkimuksessa

Optisella mikroskoopilla voidaan erottaa ainoastaan yksityiskohtia, jotka ovat valon aallonpituutta suurempia. Sen sijaan elektronimikroskoopin erotuskyky on  merkittävästi parempi, koska de Broglien aallonpituus on huomattavasti pienempi kuin näkyvän valon aallonpituus. Elektronimikroskoopin erotuskyvyn määräävät käytettävä kiihdytysjännite ja elektronien aallonpituus. Elektronimikroskooppia käytetään mm. lääketieteessä ja nanotekniikan tutkimuksissa.

Atomivoimamikroskoopissa näytteen pintaa tutkitaan värähtelijään kiinnitetyllä terävällä neulalla, jonka kärki on vain muutaman nanometrin levyinen.  Atomivoimamikroskoopin erotuskyky riippuu neulan koosta. Atomivoimamikroskoopilla saadaan parhaimmillaan näkyviin jopa yksittäiset atomit.

Pyyhkäisyelektronimikroskoopissa elektronisuihku pyyhkäisee näytteen pintaa piste pisteeltä. Kun elektronisuihku osuu näytteeseen, osa elektroneista siroaa, osa absorboituu näytteeseen ja osa menee läpi, jos näyte on tarpeeksi ohut. Pyyhkäisyelektronimikroskooppi muodostaa kuvan kohteen pintarakenteesta elektronien ja kohteen pintakerroksen atomien välisten vuorovaikutusten perusteella.

Fysiikka 8 luku 3.2 Röntgensäteilyn käyttö aineen tutkimuksessa

Röntgensäteilyä käytetään teollisuudessa esim valuvikojen ja hitsaussaumojen tutkimisessa. Jos tutkittavaa näytettä säteilytetään riittävän suurienergiaisilla hiukkasilla kuten protoneilla, saadaan kohtioaineen ominaissäteilyn piikit näkyviin röntgenspektriin. Tätä alkuaineen tunnistamisen menetelmää kutsutaan PIXE-menetelmäksi eli hiukkasherätteiseksi röntgenemissioksi. Tällä menetelmällä voidaan tutkia esim taulujen aitoutta.

Röntgenlaitteella voidaan tutkia myös aineen kiderakennetta. Kiteisen aineen atomit ovat asettuneet säännölliseen järjestykseen, kidetasoiksi. Röntgensäteilyn aallonpituus on samaa suuruusluokkaa kuin kidetasojen etäisyydet toisistaan. Siksi kiteisen aineen rakennetta voidaan tutkia röntgendiffraktiolla. Tällä menetelmällä saadaan selville aineen kiderakenne ja kidehilassa olevat virheet.

Braggin lain mukaan röntgensäteily heijastuu kiteen tasoista lain

2 d sin θ = n λ

määräämiin suuntiin θ. Missä n = 1,2 ,... on heijastuksen (diffraktion) kertaluku ja kidetasojen välimatka on d.