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.