Fysiikka 1 – luku 6: Energian vapautuminen ja sitoutuminen

6.1 Energia fysiikan käsitteenä                                                       

Energia ei lisäänny eikä vähene, eikä sitä voi luoda eikä hävittää. Kaikissa laitteissa energian muuntaminen muodosta toiseen perustuu jonkin voiman tekemään työhön. Voimat voivat olla esim kosketus-, gravitaatio- tai sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen liittyviä voimia.

Energia voidaan luokitella vapaisiin ja sidottuihin energialajeihin. Vapaata energiaa ovat esim maalämpö, tuulienergia ja Auringon säteilyenergia ja sidottua energiaa kemiallinen energia. Luonnossa oleva sidottu energia pitää ensin vapauttaa käytettäväksi. Kemiallinen energia vapautetaan polttoaineista, esim kivihiilestä tai maakaasusta.

Kaikki erilaiset potentiaalienergian muodot ovat sidottua energiaa. Esim vesivoimalaitoksessa vapautetaan veden potentiaalienergia päästämällä padottu vesi virtaamaan, jolloin veden vapaa liike-energia voidaan käyttää pyörittämään sähköä tuottavia generaattoreita. Uraanimalmissa on potentiaalienergiaa uraaniatomien ytimien sidosenergiana.

Pariston ja ladatun akun kemiallinen energia on molekyylien sidosten potentiaalienergiaa. Akkua ladattaessa sidotaan energiaa ja käytettäessä sitä vapautetaan. Sidotun energian vapauttaminen tuottaa vapaata energiaa, esim kappaleiden liike-energiaa, sähkömagneettista säteilyenergiaa, äänienergiaa tai lämpöä. Äänienergia on aineen rakennehiukkasten liike-energiaa kuten lämpökin.  

6.2 Aurinko energianlähteenä

Lämmöntuotannossa Auringon säteilylämpö otetaan talteen lämmönkerääjillä, joissa kiertävä vesi on Auringon säteilyn lämmittämää. Lämpö siirretään lämmitettäviin kohteisiin tai lämmönvaraajaan. Aurinkopaneelien kennot muuntavat säteilyenergiaa suoraan sähköksi.

Epäsuoraa aurinkoenergiaa ovat esim liikkuvan veden ja tuulen energia, fossiilisten polttoaineiden energia, maalämpö, energiakasvit, aaltoenergia, lämpöpumppujen ilmasta tai vedestä ottama energia ja aurinkotornien käyttämä energia. Vain ydinvoimalaitosten tuottama energia ja geoterminen energia eivät ole peräisin Auringosta.

Auringon energian alkuperä

Auringon sisuksen valtavassa paineessa ja kuumuudessa vedyn ytimet yhdistyvät heliumiksi. Tätä yhdistymistä kutsutaan fuusioksi, jossa syntyneen ytimen massa on pienempi kuin alkuperäisten ytimien yhteenlaskettu massa. Fuusiossa massa ei katoa vaan vapautuu säteilyn energiana. Massa on yksi sidotun energian muoto. Fuusioreaktioiden takia Auringon massa pienenee joka sekunti yli 4 miljoonaa tonnia.

Maapallo kasvihuoneena

Kun Auringon säteily osuu ilmakehään, osa säteilystä heijastuu, osa sitoutuu ilmakehään ja osa menee läpi. Ilmakehän läpäissyt säteily kohtaa maanpinnan, joka sitoo suurimman osan Auringon säteilystä. Vain pieni osa heijastuu maanpinnasta takaisin ilmakehään, ja maaperä lämpenee. Maanpinta lähettää puolestaan ilmakehään pitkäaaltoista infrapunasäteilyä, joka ei läpäise ilmakehän kasvihuonekaasuja yhtä hyvin kuin Auringosta tuleva säteily. Siksi ilmakehä lämpenee, ja osa ilmaan sitoutuneesta lämmöstä palautuu säteilynä takaisin maanpinnalle.

Maan ilmakehän merkittävimpiä kasvihuonekaasuja ovat vesihöyry, hiilidioksidi, metaani, otsoni ja typpioksiduuli. Ne luovat luonnollisen kasvihuoneilmiön, jonka ansiota Maan keskilämpötila on 20-30 C lämpimämpi kuin se olisi ilman kasvihuonekaasujen vaikutusta.

Ihminen vapauttaa kasvihuonekaasuja ilmakehään mm. polttaessaan fossiilisia polttoaineita. Lisäksi nautojen aineenvaihdunta tuottaa suuria määriä metaania, jonka lisääntyminen ilmakehässä voimistaa kasvihuoneilmiötä. Kasvihuoneilmiötä voimistaa myös metsien hakkaaminen ja kulottaminen, koska silloin puihin ja muihin kasveihin ja maaperään sitoutunut hiili vapautuu ilmakehään.

Lisäksi lentokoneet tuottavat otsonikerrosta heikentäviä kaasuja, minkä vuoksi ultraviolettisäteilyn määrä maanpinnalla kasvaa.

Fysiikka 1 – luku 5: Maailmankaikkeus

 

5.1 Perusvuorovaikutukset

Kaikki maailmankaikkeudessa havaitut fysikaaliset vuorovaikutukset voidaan selittää neljän perusvuorovaikutuksen avulla. Ne ovat gravitaatiovuorovaikutus, sähkömagneettinen vuorovaikutus, vahva vuorovaikutus ja heikko vuorovaikutus. Etävuorovaikutuksessa kumpikin osapuoli synnyttää ympärilleen kentän, jonka vaikutuksen toinen osapuolista tunnistaa. Kullakin perusvuorovaikutuksella on oma välittäjähiukkasensa, joita vuorovaikutuksen osapuolet luovuttavat ja ottavat vastaan. Välittäjähiukkaset siirtävät mm. energiaa hiukkasten välillä.

Perusvuorovaikutus	Missä vaikuttaa	Vuorovaikutuksen luonne
gravitaatiovuorovaikutus	kaikkien kappaleiden välillä	aina vetävä
sähkömagneettinen vuorovaikutus	kaikkien sähköisten kappaleiden välillä	vetävä tai hylkiväa
vahva vuorovaikutus	atomin ytimessä, kvarkkien välillä	yleensä vetävä, pitää atomin ytimen koossa
heikko vuorovaikutus	kaikkien alkeishiukkasten välillä	aiheuttaa mm. radioaktiivisia beetahajoamisia

                                                                                                         

Gravitaatiovuorovaikutus

Gravitaatiovoima on kappaleiden välinen vetovoima. Sen suuruus riippuu kappaleiden massoista ja keskipisteiden välisestä etäisyydestä. Satelliitit pysyvät ympyräradoillaan gravitaatiovuorovaikutuksen vuoksi. Gravitaatio vaikuttaa kaikkien kappaleiden välillä ja sen voima heikkenee nopeasti etäisyyden kasvaessa. Gravitaation välittäjähiukkasta gravitonia ei ole vielä havaittu.

Sähkömagneettinen vuorovaikutus

Sähkömagneettinen vuorovaikutus aiheutuu kappaleiden sähkövarauksista ja kappaleiden magneettisista ominaisuuksista. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen on fotoni. Kaikkien sähköisesti varautuneiden kappaleiden välillä on sähköinen vuorovaikutus. Sähkövaraus voi olla negatiivinen tai positiivinen. Varautuneen kappaleen ympärillä on sähkökenttä. Sähköinen voima voi olla hylkimisvoima tai vetovoima. Matkapuhelimen puhelu välittyy soittajan puhelimen antennista tukiasemien välityksellä vastaanottajan puhelimen antenniin sähkömagneettisen kentän avulla.

Magneeteilla on aina kaksi kohtiota, pohjois- ja. Magneetin ympärillä on magneettikenttä. Magneettien välillä on magneettinen vuorovaikutus, joka on vetävä tai hylkivä. Maapallon ympärillä on magneettikenttä, mikä aiheutuu maapallon nestemäisessä ytimessä olevista sähkövirroista. Magneettikenttä suojaa Maata avaruuden kosmisen säteilyn ja aurinkotuulen sisältämiltä varauksisilta hiukkasilta, koska magneettikenttä muuttaa varauksisten hiukkasten kulkusuuntaa.

Kun aurinkotuulen hiukkaset törmäävät ilmakehän happi- ja typpimolekyyleihin, happi- ja typpiatomit virittyvät. Viritystilojen purkautuessa syntyy säteilyä, josta osa näkyy taivaalla loimottavina revontulina.

Vahva vuorovaikutus

Atomiytimet pysyvät koossa vahvan vuorovaikutuksen ansiosta. Vahva vuorovaikutus on protonin ja neutronin rakenneosasten eli kvarkkien välinen vuorovaikutus, jonka välittäjähiukkanen on gluoni. Atomin ydin koostuu neutroneista ja protoneista. Koska sähköinen vuorovaikutus aiheuttaa samanvarauksisten protonien välille poistovoiman, on oltava olemassa toinen sitä voimakkaampi vuorovaikutus, joka pitää ytimen koossa. Kvarkkien välinen vahva vuorovaikutus aiheuttaa protonien ja neutronien välille hieman heikomman jäännösvoiman, ydinvoiman, joka sitoo protonit ja neutronit toisiinsa ytimeksi. Ydinvoiman kantama on lyhyt.

Heikko vuorovaikutus

                                                                                                    

Heikko vuorovaikutus aiheuttaa protonien ja neutronien muuttumisen toisikseen, ja samalla ydin säteilee beetahiukkasen eli elektronin tai positronin. Heikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen on välibosoni. Osa atomiytimistä on radioaktiivisia ja beetahajoaminen on yksi radioaktiivisuuden laji.

5.2 Makro- ja mikrokosmos

Valtaosa maailmankaikkeuden tunnetusta aineesta on keskittynyt tähtiin. Suurin osa maailmankaikkeuden tunnetusta aineesta on vetyä (73 %), heliumia 25 % ja loput muita alkuaineita. Makrokosmoksessa gravitaatiovoima sitoo yhteen kaikkea maailmankaikkeuden ainetta. Maailmankaikkeudesta saadaan eniten tietoa säteilyn avulla. Ultraviolettikuvista saadaan selville, missä on nuoria tähtiä. Röntgenkuvista saadaan tietoa galaksin räjähtävistä tähdistä ja mustista ukoista. Myös infrapunakuvien avulla saadaan tietoa galakseista.

Aurinkokunta

Auringon energia on lähtöisin fuusioreaktioista. Näissä reaktioissa korkeassa kuumuudessa ja paineessa vety-ytimet liittyvät yhteen muodostaen heliumia ja samalla vapautuu energiaa säteilynä. Protuberanssi tarkoittaa Auringon plasmapurkausta. Auringonpilkut ovat Auringon pinnassa olevia tummia alueita, mitkä aiheutuvat voimakkaista paikallisista magneettikentistä. Kentät estävät kuuman aineen nousemisen Auringon pinnalle. Sen takia Auringon pinta on sillä kohtaa kylmempi kuin muualla.

Energian lisäksi Auringosta virtaa avaruuteen myös hiukkasia. Tätä virtaa kutsutaan aurinkotuuleksi. Aurinkotuulen aiheuttamat magneettiset myrskyt eli Maan magneettikentän häiriöt haittaavat tietoliikenne- ja satelliittiyhteyksiä Maassa. Sähkönsiirtojohtoihin syntyvät häiriöt saattavat pahimmillaan johtaa laajoihin sähkökatkoksiin.

1 AU = 149,6 miljoonaa kilometriä. AU tarkoittaa Maan ja Auringon välistä keskietäisyyttä.

Linnunrata

Linnunrata on sauvaspiraaligalaksi. Valtaosa Linnunradan tähdistä on kaksoistähtiä, joissa kaksi lähekkäistä tähteä kiertää toisiaan gravitaatiovuorovaikutuksen seurauksena. Linnunradan keskuksessa on musta aukko, jonka massa on noin kolme miljoonaa kertaa Auringon massa. Auringon lähin naapuritähti Proxima Centauri on noin 4,2 valovuoden etäisyydellä.

Galaksit

Gravitaatio määrää galaksien rakenteet ja hallitsee galaksien ja taivaankappaleiden liikkeitä. Galaksit voivat olla ellipsin muotoisia, epäsäännöllisiä, kiekkomaisia tai kierteisiä. Kaikkien galaksien keskellä on tähtien tihentymä ja yksi tai useampi musta aukko. Tähdet ovat hehkuvia kaasupalloja. Ne koostuvat enimmäkseen vedystä ja heliumista. Tähdet tuottavat itse säteilemänsä valon fuusioreaktioilla.

Aurinkokunnan ulkopuolisia planeettoja kutsutaan eksoplaneetoiksi. Kvasaarien arvellaan olevan nuorten galaksien ytimiä. Niiden keskiosista vapautuu huomattavasti enemmän säteilyä kuin tavallisista galakseista.

Mikrokosmos

Protonit ja neutronit muodostuvat kvarkeista. Kvarkkilajeja ovat ylöskvarkki (u), alaskvarkki (d), outokvarkki (s), lumokvarkki (c), tosikvarkki (t) ja kauniskvarkki (b). Protoni muodostuu kahdesta u-kvarkista ja yhdestä d-kvarkista (uud). Neutroni puolestaan muodostuu kahdesta d-kvarkista ja yhdestä u-kvarkista (ddu). Muistisääntö: Protuud ja Neddu. Protoneista ja neutroneista käytetään yhteisnimeä nukleoni.

Kvarkkien välinen vahva vuorovaikutus aiheuttaa ydinvoiman, joka sitoo ytimen nukleonit toisiinsa. Heikoissa vuorovaikutuksissa kvarkit voivat muuttua toisikseen. Kun protonin yksi u-kvarkki muuttuu heikon vuorovaikutuksen vuoksi d-kvarkiksi, protoni muuttuu neutroniksi. Muutos voi tapahtua myös päinvastaiseen suuntaan.

Kaikki näkyvä aine koostuu perushiukkasista, joita ovat kvarkit ja leptonit. Jokaisella perushiukkasella on oma antihiukkasensa, jolla on sama massa mutta vastakkainen varaus kuin hiukkasella itsellään. Kaikki ympärillämme oleva näkyvä aine koostuu u- ja d-kvarkeista ja elektroneista. Kvarkkeja ei ole havaittu vapaana vaan vain erilaisina yhdistelminä. Sen lisäksi että Aurinko säteilee neutriinoja, niitä syntyy myös radioaktiivisissa beetahajoamisissa.

5.3 Maailmankaikkeuden synty ja tulevaisuus

Alkuräjähdys tapahtui noin 13,7 miljardia vuotta sitten. Maailmankaikkeuden laajeneminen tarkoittaa, että joka kohtaan tulee koko ajan lisää tilaa. Maapallo syntyi 4,7 miljardia vuotta sitten.

Tähtien elinkaari                                                    

Maailmankaikkeudessa syntyy jatkuvasti uusia tähtiä. Tähden elinikä riippuu tähden koosta. Suurempi tähti kuluttaa vedyn loppuun nopeammin kuin pienempi. Tähden pääsarjavaihe päättyy, kun vety tähden ytimessä on loppunut. Tällöin tähden säteilypaine laajentaa tähteä, jolloin siitä tulee punainen jättiläinen. Tähden elinkaaren loppuvaiheessa fuusioreaktiot heikkenevät, tähden lämpötila laskee ja tähti alkaa luhistua.

Jos tähden massa on pieni, sen luhistuessa tähden pintakerros leviää avaruuteen. Ydin tiivistyy, tähden ydinreaktiot loppuvat eikä tähti enää tuota energiaa. Siitä tulee hiiltä ja happea sisältävä valkoinen kääpiö.

Jos taas tähden massa on noin kolminkertainen Auringon massaan verrattuna, tähden luhistuessa syntyvät reatktiot saavat aikaan valtaisan räjähdyksen, supernovan. Supernovan kesto on lyhyt, vain muutama päivä. Tämän jälkeen tähden ydin luhistuu nopeasti pyöriväksi neutronitähdeksi. Neutronitähteä sanotaan myös pulsariksi, koska se lähettää säännöllisiä pulsseja radioaaltojen aallonpituusalueella.

Mustan aukon massa ja tiheys ovat niin suuret, että sen vetovoima vangitsee lähes kaiken materian ja energian. Kolmen kelvinin taustasäteily, galaksien loittoneminen ja kevyiden alkuaineiden suhteelliset määrät maailmankaikkeudessa ovat tärkeimmät alkuräjähdysteoriaa tukevat havainnot.

On päätelty, että maailmankaikkeudessa on oltava ainetta, jota emme havaitse. Tätä ainetta nimitetään pimeäksi aineeksi. Pimeä aine vaikuttaa taivaankappaleiden liikkeeseen aiheuttamansa gravitaatiovoiman takia. Pimeää ainetta oletetaan olevan kaikkialla maailmankaikkeudessa.

Pimeällä energialla tarkoitetaan jonkinlaista painovoiman vastavoimaa, joka kiihdyttää maailmankaikkeuden laajenemista. Arvellaan, että pimeä energia on avaruuteen sitoutunutta energiaa eli sitä on tasaisesti kaikkialla.

Fysiikka 1 – luku 4: Vuorovaikutus ja voima

Newton oli taitava matemaatikko. Hän ratkaisi planeettojen liikettä koskevan ongelman. Samalla hän loi pohjan koko klassiselle mekeaniikalle. Newtonin kirjoittama Principia sisältää Newtonin liikelait ja painovoimateorian. Newtonin mekaniikan pätevyysraja tulee vastaan, kun tutkitaan lähes valonnopeudella liikkuvia kappaleita ja mallinnetaan universumin suurimpia ja pienimpiä rakenteita. Silloin tarvitaan avuksi suhteellisuusteoriaa tai kvanttimekaniikkaa. 

4.1 Vuorovaikutuksia                                                            

Jokainen kappale on aina vuorovaikutuksessa useiden muiden kappaleiden kanssa. Kahden kappaleen vuorovaikutuksessa kumpaankin kappaleeseen vaikuttaa vuorovaikutuksesta johtuva voima. Kahden kappaleen vuorovaikutus aiheuttaa voimaparin. Kuun ja Auringon gravitaatiovuorovaikutus Maan kanssa vaikuttaa vuorovesi-ilmiöön.

Paino eli gravitaatio on etävoima. Etävoimia ovat myös varauksisten kappaleiden välillä vaikuttava sähköinen voima ja magneettisten kappaleiden välinen  magneettinen voima. Vuorovaikutukset voidaan jakaa kosketusvuorovaikutuksiin ja etävuorovaikutuksiin.

Vuorovaikutustapahtumassa molempiin osapuoliin kohdistuu voima. Kosketusvuorovaikutuksessa voima on kosketusvoima. Etävuorovaikutukset vaikuttavat kappaleiden välillä ilman kosketusta. Vaikka voima ja vastavoima ovat yhtä suuret ja vastakkaissuuntaiset, ne eivät voi kumota toistensa vaikutusta, koska ne vaikuttavat eri kappaleisiin. Vektorisuureita, kuten voimaa, kuvataan piirroksissa vektorinuolilla. Nuolen pituudella voidaan kuvata voiman suuruutta.

Newtonin lait                                                      

Newtonin ensimmäisen lain eli jatkavuuden lain mukaan kappale, joka ei ole vuorovaikutuksessa muiden kappaleiden kanssa, pysyy levossa tai jatkaa liikettään suoraviivaisesti muuttumattomalla nopeudella.

Newtonin toisen lain eli dynamiikan peruslain mukaan kappaleen saama kiihtyvyys on suoraan verrannollinen kappaleeseen vaikuttavaan kokonaisvoimaan ja kääntäen verrannollinen kappaleen massaan. Eli F = ma.

Newtonin kolmas laki on voiman ja vastavoiman laki. Sen mukaan kahden kappaleen vuorovaikutuksessa vaikuttaa kaksi voimaa, voima ja vastavoima. Ne ovat yhtä suuria ja vastakkaissuuntaisia ja vaikuttavat eri kappaleisiin eli vuorovaikutustapahtuman osapuoliin.

Paino

Avaruusaluksessa vallitsevaa tilaa kutsutaan usein painottomuudeksi, mutta kyse ei ole painon vaan TUKIVOIMIEN puuttumisesta. Tukivoimia ei ole, koska avaruusaluksella ja kaikilla sen sisällä olevilla kappaleilla on sama kiihtyvyys g. Kiihtyys on Maan keskipistettä kohti, mutta koska avaruusalukselle on lennon alkuvaiheessa annettu Maan pinnan suuntainen nopeus, alus ei putoa Maan pinnalle vaan kiertää Maata eli ”putoaa ohi”.

Kuussa putoamiskiihtyyden suuruus on noin 1,62 m/s². Kuussa kappaleen massa on sama kuin maassa mutta paino noin kuudesosa siitä mitä se on maassa.

Fysiikka 1 – luku 3: Liike

                                                              

Fysiikassa liike on aina suhteellista, liikettä jonkin vertailukohdan suhteen. Suoraviivaista liikettä sanotaan yksiulotteiseksi liikkeeksi. Tasoliikettä eli kaksiulotteista liikettä on esim tietokoneen hiiren liike hiirimatolla. Kalan uiskentelu akvaariossa on esimerkki kolmiulotteisesta liikkeestä.

3.1 Vauhti ja nopeus

Arkikielessä nopeutta ja vauhtia ei erotella toisistaan, vaan niillä tarkoitetaan samaa asiaa. Fysiikassa nopeuden ja vauhdin merkitys on kuitenkin erilainen. Vauhti kuvaa liikettä silloin, kun liikkeen suuntaan ei kiinnitetä huomiota ja vain kuljetun matkan pituudella on merkitystä. Esim kun juoksija juoksee kilpailussa, liikkeen suunnalla ei ole merkitystä, vaan ainoastaan sillä, miten vauhdikkaasti juoksija on juossut. Jos taas haluamme analysoida kuulantyöntäjän työntöä, meidän on tunnettava se vauhti, jonka kuula saa työntäjän kädestä sekä liikkeen suunta. Silloin puhumme kuulan nopeudesta eikä vauhdista.

Nopeustarkasteluissa siirtymä ja kuljettu kokonaismatka eivät välttämättä ole samat. Jos liike tapahtuu koko ajan suoraviivaisesti samaan suuntaan, siirtymä on yhtä suuri kuin kappaleen kulkema kokonaismatka. Tällöin keskivauhti ja keskinopeus ovat yhtä suuret.

Suunnaltaan muuttuvassa liikkeessä, esim edestakaisessa liikkeessä, keskinopeus ei vastaa tavanomaista käsitystä nopeudesta. Aina kun kappale palaa lähtökohtaansa, sen SIIRTYMÄ on nolla. Tällöin keskinopeus on nolla riippumatta siitä, miten kaukana kappale on käynyt tai miten nopeasti se on liikkunut. Samoin jos kierrät urheilukentän radan ympäri, keskinopeutesi on nolla, koska palaat lähtöpisteeseesi. Muistisääntö: nopeus nolla ja vauhti vie!

3.2 Kiihtyvyys

                                                                                                                        

Kiihtyvyydellä tarkoitetaan nopeuden muutosta aikayksikössä. Kappaleilla, joiden ilmanvastus on pieni, on massasta riippumatta sama kiihtyvyys, joka on likimain yhtä suuri kuin gravitaation aiheuttama putoamiskiihtyvyys g. Putoamiskiihtyvyyden arvo on suurin navoilla ja pienin päiväntasaajalla.

Fysiikka 1 – luku 2 Kokeellisuus

     

Suureella tarkoitetaan ilmiön, kappaleen tai aineen mitattavissa olevaa ominaisuutta. Suureita ovat esim nopeus, aika ja massa. Tietyillä suureilla on sekä suuruus että suunta. Tällaisia suureita kutsutaan vektorisuureiksi. Suureita, joilla on vain suuruu, kutsutaan skalaarisuureiksi. Yksiköiden erityisnimeä käytetään aina, kun sellainen on.

Merkitseviä numeroita ovat kaikki luvut, paitsi kokonaislukujen lopussa olevat nollat ja desimaalilukujen alussa olevat nollat. Laskujen välivaiheissa on käytettävä vähintään kahta (mieluummin useampaa) merkitsevää numeroa enemmän kuin lopputuloksessa. Fysiikan laskuissa on aina merkittävä kaikkiin välivaiheisiin näkyviin suureiden yksiköt ja vastaus on ilmoitettava oikealla tarkkuudella.

Suoraviivainen eli lineaarinen malli on fysiikan yksinkertaisin graafinen malli. Kuvaajan avulla voidaan interpoloida eli määrittää arvoja mittauspisteiden välillä. Kuvaajaa voidaan joskus jatkaa äärimmäisten havaintopisteiden ulkopuolelle eli ekstrapoloida. Vedessä ilmakuplat nousevat ylöspäin, koska ilman tiheys on pienempi kuin veden.

Fysiikka 1 – luku 1 Johdanto fysiikan maailmaan

Tuulivoimalaitoksen toiminnan fysikaalinen perusta on ilman liike-energian muuntaminen tuulivoimalaitoksen siipien pyörimisenergiaksi. Generaattori muuntaa pyörimisenergian sähköenergiaksi.

Nanoteknologialla tarkoitetaan atomitason kokoisten laitteiden teknologiaa. Sen sovelluksia hyödynnetään mm. lääketieteessä. Hiukkaskiihdytin on yksi ydinfysiikan perustyökaluista. Sillä tehdään mikromaailman perustutkimusta, ja sitä käytetään myös soveltavan tutkimuksen piirissä.

                                                                                                           

Fysiikan historiaa

Aristoteles oli filosofi ja tiedemies. Häntä pidetään länsimaisen tieteen isänä. Galileo Galilei toi fysiikkaan kokeellisten mittausten ja matematiikan käytön. Hän päätteli tekemiensä kokeiden perusteella, että kaikki kappaleet putoavat tyhjiössä yhtä nopeasti. Isaac Newton päätteli mm. mekaniikan kolme peruslakia ja gravitaatiolain. Mekaniikan peruslakeja kutsutaan myös Newtonin laeiksi. Hän tutki myös optiikkaa ja keksi valon spektrin.  

Michael Faraday havaitsi mm. sähkömagneettisen induktioilmiön, jossa muuttuva magneettikenttä synnytti sähkövirran. James Clerk Maxwell yhdisti sähköiset ja magneettiset ilmiöt toisiinsa kehittämällä yleisen sähkömagnetismin teorian. Wilhelm Conrad Röntgenin keksimä röntgensäteily mullisti lääketieteellisen tutkimuksen.

Marie Curie tuli tunnetuksi yhdessä miehensä Pierre Curien ja Henri Becquerellin kanssa radioaktiivisuuteen liittyvistä löydöistään. Niels Bohr tuli tunnetuksi ensimmäisen vetyatomimallin kehittämisestä. Mallin avulla voitiin selittää mm. vedyn spektriviivat. Erwin Schrödinger johti kvanttimekaniikan perusyhtälön, jota kutsutaan Schrödingerin yhtälöksi. Se on yksi nykyfysiikan tärkeimpiä yhtälöitä.

Albert Einstein loi suhteellisuusteorian ja osoitti, että valo koostuu fotoneista. Paul Dirac puolestaan ennusti, että elektronilla on olemassa oma antihiukkanen, positiivisesti varautunut positroni. Richard Feynman kehitti kvarkkiteoriaa ja Stephen Hawking on tunnetuin kosmologian ja painovoiman nykytutkijoista. Hänen tärkeimpiä tutkimuskohteitaan ovat mustat aukot.

Lomalla

Heippa kaikille!

Tämä blogi on vähän aikaa lomalla, no jo ollutkin jo viikon. Olen viettänyt kesälomaa mm. Vierumäen urheiluopistolla ja käynyt lenkillä. Latailen akkuja kunnon opiskelurypistystä varten! Mulla on myös jonkun verran ylirasitusta joten mä olen keventänyt urheilua reippaasti. Sekin on yksi syy miksi tämä loma opiskelusta vielä jatkuu. Kirjat aukeaa sitten kun siltä tuntuu että mä olen valmis pistämään itseni likoon tulevaisuuteni puolesta!

Opiskelu sinänsä ei ole hirveän stressaavaa, koska aiheet (siis biologia, fysiikka ja kemia) ovat niin kiinnostavia että niitä jaksaa sen takia lukea. Esimerkiksi oikikseen olis kamala yrittää päästä koska oikeustiede ei kiinnosta mua pätkääkään. Joten ei pänttäämisestä todennäköisesti jäis mitään päähän vaikka mä yrittäisin. Enkä edes jaksaisi yrittää kunnolla koska sillon pitäis opiskella sellasta mikä ei kiinnosta.

Fysiikka 8 luku 8.4 Fysiikan tutkimuksen suuret haasteet

Maailmankaikkeudesta saadaan tietoa säteilyn perusteella. Kaikkialla maailmankaikkeudessa oletetaan olevan pimeää ainetta. Pimeän aineen vuorovaikutus tavallisen aineen kanssa on vähäistä. Pimeä aine vaikuttaa galaksien pyörimisnopeuteen gravitaatiovaikutuksensa kautta. Toistaiseksi ei tiedetä, mitä pimeä aine on. Se voisi olla sammuneita tähtiä, syttymättömiä tähtiä, neutriinoja, mustia aukkoja, ruskeita kääpiötähtiä tai tuntemattomia eksoottisia hiukkasia. Yksi ehdokas pimeäksi aineeksi ovat supersymmetriset hiukkaset.

Fysiikka 8 luku 8.3 Hiukkasten tutkiminen

Alkeishiukkasten rakenteen ja vuorovaikutuksisen tutimiseen käytetään hiukkaskiihdytintä. Kiihdyttimessä VARATUT hiukkaset joko kiihdytetään sähkömagneettisen kentän avulla ja ammutaan paikallaan olevaan kohtioon tai kaksi vastakkaisiin suuntiin kiihdytettyä hiukkasta törmäytetään toisiinsa. Hiukkassuihkuja ohjataan magneettikenttien avulla.  

Hiukkaskiihdyttimiä ovat lineaarikiihdytin, kehäkiihdytin, syklotroni ja synkrotoni. Nykyisin lähes kaikki tärkeimmät kiihdyttimet ovat synkrotroneja. Niissä hiukkaset kiertävät ympyrärataa pitkin tyhjiöputken sisällä. Hiukkaskiihdyttimillä tuotettujen hiukkasten havaitsemiseen ja tunnistamiseen käytetään hiukkasilmaisimia. Ilmaisimilla mitataan hiukkasten energiaa, liikemäärää ja ratoja. Erilaisia ilmaisintyyppejä ovat tuikeilmaisimet, kaasutäytteiset ionisaatioilmaisimet, puolijohdeilmaisimet ja kalorimetrit.

Fysiikka 8 luku 8.2 Alkeishiukkaset

Hadronit

Alkeishiukkasilla tarkoitetaan perushiukkasia ja kvarkeista muodostuneita hiukkasia, hadroneja. Kvarkit ovat vahvan vuorovaikutuksensa takia AINA toisiinsa sitoutuneita ja muodostavat protoneita, neutroneita ja muita hiukkasia. Hadronit jaetaan baryoneihin ja mesoneihin. Protoni ja neutroni ovat kaksi kevyintä baryonia. Hadroneista vain protoni on pysyvä hiukkanen, muut hajoavat itsestään.

Antihiukkanen ja antiaine

Antihiukkasista voi syntyä atomeja samalla tavalla kuin hiukkasistakin. Antihiukkasista muodostunutta ainetta kutsutaan antiaineeksi. Jokaisella perushiukkasella on antihiukkanen. Sillä on sama massa kuin hiukkasella, mutta se eroaa hiukkasesta joidenkin muiden ominaisuuksiensa osalta. Esim sen varaus on vastakkainen kuin hiukkasen varaus. Kun antihiukkanen ja hiukkanen kohtaavat, ne annihiloituvat. Annihilaatiossa kummankin massaan sitoutunut energia vapautuu sähkömagneettisen säteilyn energiana, kahtena fotonina:

e⁺ + e^- à 2γ

PET-kuvaus                                                                                    

PET-kuvausta eli positroniemissiotomografiaa käytetään syöpätautien levinneisyyden selvittämisessä ja taudin uusiutumisen toteamisessa. Kyseinen kuvaus perustuu annihilaatioon. Siinä elimistöön ohjattu beetaplus-aktiivinen isotooppi tuottaa hajotessaan positronin, joka annihiloituu elektronin kanssa ja syntyy fotoneita.

Fysiikka 8 – luku 8.1 Standardimalli

 

Hiukkasfysiikan tutkimuksen kohteena ovat atomin ydintä pienempien aineen osasten rakenne ja vuorovaikutukset. Aine koostuu perushiukkasista, joita ovat kvarkit ja leptonit. Niiden ajatellaan olevan pistemäisiä. Perushiukkasia ja kvarkeista muodostuneita hiukkasia kutsutaan alkeishiukkasiksi.

Perushiukkaset vuorovaikuttavat toistensa kanssa. Vuorovaikutuksessa hiukkanen voi muuttua toisiksi hiukkasiksi. Kaikki luonnossa ilmenevät voimat ja luonnonilmiöt liittyvät perimmiltään perushiukkasten välisiin vuorovaikutuksiin. Hiukkasfysiikan standardimalli kuvaa perushiukkasia ja niiden vuorovaikutuksia.

Perushiukkasten perheet

Standardimallin mukaan aineen hiukkaset jakautuvat kolmeen perheeseen, jotka ovat elektronin, myonin ja taun perheet.

                                                                                                            

	Varaus	Elektronin perhe	Myonin perhe	Taun perhe
Kvarkit	2/3 e	ylös-kvarkki u (up)	lumo-kvarkki c (charm)	tosi-kvarkki t (truth tai top)
	- 1/3 e	alas-kvarkki d (down)	outo-kvarkki s (strange)	kaunis-kvarkki b (beauty)
Leptonit	-e	elektroni e	myoni µ	tau τ
	0	elektronin neutriino	muonin neutriino	taun neutriino

Kvarkkeja ei esiinny yksin, vaan ne muodostavat aina jonkin hiukkasen. Kaikki näkyvä aine rakentuu elektronin perheen hiukkasista eli u- ja d-kvarkeista sekä elektroneista. Protoni sisältää kaksi ylös-kvarkkia sekä yhden alas-kvarkin (uud) ja neutroni yhden ylös-kvarkin ja kaksi alas-kvarkkia (udd). Leptonit voivat esiintyä yksin ja vapaana.

Vuorovaikutukset

Perushiukkasten välillä tapahtuvia vuorovaikutuksia kutsutaan perusvuorovaikutuksiksi. Perusvuorovaikutukset ovat vahva vuorovaikutus, heikko vuorovaikutus, sähkömagneettinen vuorovaikutus ja gravitaatiovuorovaikutus. Gravitaatiovuorovaikutus ei ole mukana standardimallissa, koska gravitaation oletettua välittäjähiukkasta gravitonia ei ole vielä havaittu. Standardimalli selittää perusvuorovaikutukset välittäjähiukkasten avulla.

Kullakin perusvuorovaikutuksella on oma välittäjähiukkasensa, jonka vuorovaikutuksen osapuolet ottavat vastaan ja luovuttavat. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen on fotoni. Elektronit sitoutuvat atomissa ytimen ympärille sähkömagneettisen vuorovaikutuksen seurauksena.

Vahvan vuorovaikutukset välittäjähiukkasina toimivat gluonit. Gluonit ovat massattomia hiukkasia. Ydinvoima on seurausta kvarkkien välillä vallitsevasta vahvasta vuorovaikutuksesta.

Heikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkasia ovat välibosonit. Neutriinoilla heikko vuorovaikutus on ainoa vuorovaikutustapa. Sen takia neutriinot kulkevat aineessa lähes esteettä ja heikko vuorovaikutus on harvinainen tapahtuma. Gravitaatiovuorovaikutus vaikuttaa kaikkiin hiukkasiin joilla on massa.

Fysiikka 8 luku 7.3 Ydinenergia

Fissiovoimalaitos

Ydinreaktorin tuottama energia on peräisin uraani-235:n fissioista. Reaktorissa uraaniytimien halkeaminen perustuu kontrolloituina ketjureaktioina tapahtuviin fissioihin. Uraaniytimen halkeamisessa vapautuneilla neutroneilla on liian suuri nopeus, jotta ne voisivat aiheuttaa muiden uraani-235-ytimien halkeamisreaktion. Sen takia neutronit hidastetaan termisiksi neutroneiksi, mitä varten reaktorissa on hidastinaineena kevyistä ytimistä koostuvia aineita kuten vettä. Vesi toimii samalla säteilysuojana.

Ydinreaktorissa fissioiden määrää ja samalla reaktorin tehoa ja lämpötilaa säädellään neutroneita absorboivilla säätösauvoilla. Ne ovat osittain reaktorin sisällä ja osittain ulkopuolella. Reaktorin käytön aikana säätösauvoja voidaan siirtää tarpeen mukaan reaktoriin tai reaktorista pois. Mitä enemmän sauvat ovat reaktorin sisällä, sitä vähemmän on vapaita neutroneita ja fissioita ja sitä alhaisempia ovat reaktorin teho ja lämpötila.

Reaktorista poistettu, käytetty ydinpolttoaine on korkea-aktiivista ydinjätettä. Ennen ydinjätteen loppusijoitusta käytettyä polttoainetta säilytetään vesialtaissa 40-60 vuotta, jotta jätteen aktiivisuus ja lämpötila alenevat niin, että jätettä on helpompi käsitellä. Loppusijoitusta varten polttoainesauvaniput siirretään aikanaan kapselointilaitokseen, jossa ydinjäte pakataan loppusijoituskapseleihin. Jätettä käsitellään kauko-ohjattavilla laitteilla.

Ydinvoimalaitostyypit

Ydinvoimalaitoksen reaktoreita voivat olla painevesireaktori, kiehutusvesireaktori ja hyötöreaktori.

Fysiikka 8 luku 7.2 Fissio ja fuusio

Fissio

Fissiossa vapautuu ydinenergiaa, kun raskaat ytimet halkeavat keskiraskaiksi ytimiksi. Ydinvoimalaitosten energiantuotanto perustuu fissioon. Fissioreaktio voidaan saada aikaan pommittamalla raskaita ytimiä neutroneilla. Varauksettomat neutronit pääsevät helposti vuorovaikutukseen ytimen kanssa, jolloin ydin voi siepata neutronin ja sieppaajanuklidi muuttuu saman alkuaineen eri isotoopiksi. Syntynyt ydin voi hajota radioaktiivisesti esim lähettämällä beetamiinushiukkasen. Uusi ydin voi myös jäädä värähtelevään tilaan, mikä voi johtaa ytimen halkeamiseen kahdeksi keskiraskaaksi ytimeksi.

Sellaisia neutroneja, joiden nopeus vastaa lämpöliikkeessä olevien hiukkasten nopeutta, kutsutaan hitaiksi eli termisiksi neutroneiksi. Nopeat neutronit eivät yleensä aiheuta uraaniytimen halkeamista. Reaktioyhtälössä väliydin merkitään hakasulkeisiin.

Fuusio                                                             

Fuusiossa kaksi kevyttä ydintä liittyvät yhteen yhdeksi ytimeksi. Auringon ja muiden tähtien energia on peräisin niiden sisuksissa tapahtuvista fuusioista. Helpoimmin fuusioituvia ytimiä ovat vedyn raskaat isotoopit deuterium ja tritium.

Jotta nykytekniikalla saataisiin aikaan toimiva fuusioreaktori, pitäisi fuusioreaktorissa ytimistä ja vapaista elektroneista koostuvan plasman lämpötilan olla noin 10⁸ K, jotta ytimillä olisi fuusion aikaansaamiseksi riittävän suuri lämpöliikkeen liike-energia.  

Lisäksi plasman tiheyden pitäisi olla suuri, jotta fuusioitumista tapahtuisi energian tuottamisen kannalta riittävästi. Plasman pitäisi myös pysyä irti reaktorin seinämistä. Nykytekniikalla plasmaa ei pystytä hallitsemaan näin korkeissa lämpötiloissa niin, että fuusio tuottaisi taloudellisesti kannattavaa energiaa.

Toimivan fuusioreaktorin etuja olisivat suuri energiantuotto, polttoaineen riittävyys (luonnon veden deuterium) ja edullisuus sekä se, ettei synny radioaktiivista polttoainejätettä.

Fysiikka 8 luku 7.1 Ydinreaktiot

Alkuaine voi muuttua toiseksi alkuaineeksi vain ydinreaktioissa. Ydinreaktiot voivat tapahtua spontaanisti tai keinotekoisesti. Fissiossa raskaat ytimet halkeavat ja fuusiossa kevyet ytimet yhdistyvät. Fuusiota tapahtuu Auringon ja muiden tähtien sisuksissa spontaanisti. Keinotekoisissa ydinreaktioissa syntyneet ytimet ovat usein radioaktiivisia. Tällaisia isotooppeja kutsutaan radioisotoopeiksi ja niiden radioaktiivisuutta keinotekoiseksi radioaktiivisuudeksi.

Ydinreaktion reaktioenergia on

Q = ∆mc²

jossa ∆m on lähtö- ja tulosydinten massojen erotus.

Eksoergisessä reaktiossa vapautuu energiaa ja endoergisessä reaktiossa energiaa sitoutuu. Eksoergisessä reaktiossa energia ja massavaje ovat positiivisia ja endoergisessä reaktiossa negatiivisia. Spontaanit radioaktiiviset hajoamiset ovat aina eksoergisiä! Niissä osa massasta muuttuu reaktiotuotteiden liike-energiaksi ja gammasäteilyn energiaksi.

Reaktio on endoerginen, jos se vaatii syntyäkseen energiaa. Endoergisessä reaktiossa pommittavan ytimen liike-energiaa muuntuu syntyvien ytimien sisäiseksi energiaksi eli massaksi. Pienintä mahdollista liike-energiaa, jolla reaktio tapahtuu, sanotaan kynnysenergiaksi.

Transuraanit ovat luonnossa esiintymättömiä ja pysymättömiä alkuaineita, joiden järjestysluku on uraanin järjestyslukua 92 suurempi. Niitä saadaan syntymään vain pommittamalla raskaita ytimiä hiukkaskiihdyttimessä.

Fysiikka 8 luku 6.3 Säteilyturvallisuus

Efektiivinen annos kuvaa säteilyn vaikutusta ihmisen elimistöön. Se ilmaisee säteilyn aiheuttaman terveydellisen kokonaishaitan. Efektiivisen annoksen yksikkö on 1 Sv (Sievert). Efektiivisen annoksen suuruuteen vaikuttavat mm. säteilylaji, säteilyn kokonaisenergia, yksittäisten hiukkasten liike-energiat, gamma- ja röntgensäteilyn aallonpituus sekä säteilylle altistunut kehon osa.

Efektiivistä annosta ei voida suoraan mitata, vaan se lasketaan edellä luetelluista seikoista. Alfasäteily on noin 20 kertaa haitallisempaa kuin gammasäteily. Säteilyn riskit ovat suurimmat sellaisissa elimissä, joissa tapahtuu solujen jakaantumista. Tällaisia elimiä ovat esim punainen luuydin, rintarauhaset, keuhkot ja mahalaukun seinämät.

Luonnossa esiintyvä, ihmisen toimista riippumaton säteily ja avaruudesta tuleva säteily ovat taustasäteilyä. Jos säteilyltä on suojauduttava nopeasti  esim ydinvoimalaitoksessa tapahtuneen onnettomuuden takia, annetaan yleinen hälytysmerkki. Tällöin ihmisten on siirryttävä sisätiloihin ja noudatettava radiossa, televisiossa tai internetissä annettavia viranomaisten ohjeita.

Fysiikka 8 luku 6.2 Radiohiiliajoitus

Saman alkuaineen eri isotoopit ovat kemiallisesti samanlaisia, joten ne kaikki sitoutuvat kemiallisiin yhdisteisiin samalla tavalla. Osa ilman hiilidioksidimolekyyleistä sisältää radioaktiivista hiilen isotooppia. Kasvit saavat hiilen suoraan ilmakehästä ja muut eliöt ravinnon mukana.

Jos tutkittava kohde, kuten fossiili, taideteos tai muinaislöytö, on joskus sisältänyt elävää organismia, sen ikä voidaan määrittää radiohiiliajoituksen avulla. Radiohiilen puoliintumisaika on 5730 vuotta. Kaava:

A = A₀ e^-λt

Fysiikka 8 – luku 6.1 Aktiivisuus ja hajoamislaki

Aktiivisuus

Aineen radioaktiivisten ytimien määrä vähenee hajoamisten myötä, joten säteily heikkenee ajan kuluessa. Aktiivisuus kuvaa ytimien hajoamisnopeutta. Radioaktiivisen näytteen keskimääräinen aktiivisuus on ydinten hajoamisten lukumäärä aikayksikössä:

A = - ∆N / ∆t

jossa ∆N on ytimien määrän muutos ja ∆t hajoamisiin kulunut aika. Aktiivisuuden yksikkö on 1 1/s eli 1 Bq. Jos näytteen aktiivisuus on 1 Bq, näytteessä tapahtuu  keskimäärin yksi hajoaminen sekunnissa. Radioaktiivisen näytteen hetkellinen aktiivisuus on

A = λN

jossa λ on hajoamisvakio. Hajoamisvakion yksikkö on 1 1/s. Hajoamisvakio on kullekin radioaktiiviselle isotoopille ominainen. Radioaktiivisuus ei vähene eikä puoliintumisaika lyhene, jos radioaktiivisia aineita esim poltetaan.

Hajoamislaki

Radioaktiivisten ydinten lukumäärä hetkellä t on

N = N₀e^-λt

jossa N₀ on ydinten lukumäärä hetkellä t = 0 ja λ on hajoamisvakio. Radioaktiivisen näytteen aktiivisuus hetkellä t on

A = A₀e^-λt

jossa A₀ on ydinten lukumäärä hetkellä t = 0. Hajoamislaki pätee tietylle radioaktiiviselle isotoopille, ei sellaiselle näytteelle, joka sisältää useita radioaktiivisia isotooppeja.

Puoliintumisaika

Yhden puoliintumisajan T½  kuluttua noin puolet ytimistä on hajonnut. Jäljellä olevien ytimien määrä on noin N = N₀ / 2 eli N₀e^-λT½. Puoliintumisaika on:

T½ = ln2  / λ

Fysiikka 8 Luku 5.5 Gammasäteily

Kun ydin siirtyy viritystilasta alempaan viritystilaan tai perustilaan, se emittoi lyhytaaltoista sähkömagneettista säteilyä, gammasäteilyä. Gammasäteilyä emittoiva nuklidi pysyy samana nuklidina eli alkuaine ei muutu toiseksi alkuaineeksi. Gammasäteilyn perusteella voi tunnistaa radioaktiivisia aineita, koska ytimestä lähtevän  gammasäteilyn aallonpituus riippuu ytimestä.

Gammasäteily läpäisee helposti paperin ja alumiinilevyn. Gammasäteilyä voidaan vaimentaa tehokkaasti paksuilla, raskaista alkuaineista kuten lyijystä tehdyillä suojaimilla. Gammasäteilyn vaimenemista väliaineessa tarkastellaan yleensä intensiteetin avulla. Intensiteetti on säteilyteho pinta-alaa kohden eli

I = P/A

Puoliintumispaksuus d_½ on se väliaineen paksuus, joka vähentää gammasäteilyn intensiteetin puoleen.

Gammasäteily on läpitunkevaa, minkä vuoksi sitä käytetään läpivalaisuun lääketieteessä ja tekniikassa. Erityisesti jakautumisvaiheessa olevat solut ovat erityisen herkkiä säteilyvaurioille. Siksi syöpäsolujen tuhoamiseen voidaan käyttää gammasäteilyä. Voimakas gammasäteily tappaa elävät solut nopeasti. Gammasäteilyn avulla voidaankin steriloida esim kertakäyttöisiä sairaanhoitotarvikkeita ja säteilyttää elintarvikkeita. Säteilytetty aine ei muutu steriloinnissa säteileväksi.

Gammakuvausta varten elimistöön ruiskutetaan radioaktiivista merkkiainetta.

Heikennyslaki

Gammasäteilyn heikennyslaki on

jossa I on ainekerroksen läpäisseen säteilyn intensiteetti, I₀ aineeseen osuvan gammasäteilyn intensiteetti, x ainekerroksen paksuus ja µ matkavaimennuskerroin.

Gammasäteilyn ja aineen vuorovaikutustapoja

Gammasäteily voi vuorovaikuttaa aineen kanssa kolmella tavalla: kun gammasäteily osuu aineeseen, se menettää energiaa

-         valosähköisessä ilmiössä

-         Comptonin imiössä

-         parinmuodostuksessa

Parinmuodostuksessa säteilyenergiaa muuttuu aineeksi. Riittävän suurienergiainen gammakvantti, fotoni, voi muuttua atomin ytimen lähellä elektroniksi ja positroniksi eli hiukkas-antihiukkaspariksi sekä näiden liike-energiaksi. Jotta näin voisi tapahtua, fotonin energian on oltava suurempi kuin 2m₀c² ≈ 1,0219981 MeV, jossa m0 on elektronin lepomassa. Parinmuodostusta seuraa aineessa aina parin häviäminen eli positronin kohtaa elektronin, jolloin tapahtuu annihilaatio.

Syövän sädehoito

Syövän sädehoidossa syöpäkasvaimeen kohdistetaan usein eri suunnista gamma- tai beetasäteilyä. Tällöin terveet kudokset saavat pienemmän säteilyannoksen kuin jos säteilytys kohdistettaisiin kasvaimeen vain yhdestä suunnasta. Syöpäsolut tarvitsevat jakautuakseen runsaasti fenyylialaniinia, joten sen pitoisuus syöpäsoluissa on huomattavasti suurempi kuin terveissä soluissa. Muista että monissa light-tuotteissa lukee ”sisältää fenyylialaniinin lähteen”!

Boorineutronisädehoidolla hoidetaan esim pään ja kaulan pitkälle edenneitä syöpäkasvaimia sekä pahanlaatuisia aivokasvaimia. Boorineutronisädehoidossa ¹⁰B – isotooppi kulkeutuu verenkierrossa fenyylialaniinin avulla potilaan syöpäkasvaimeen. Kyseinen hoito perustuu booriatomien erityiseen kykyyn reagoida neutronien kanssa. Kun booria on kertynyt riittävästi kasvaimeen, siihen kohdistetaan neutroneja. Tällöin kasvaimessa ¹⁰B-ytimet kaappaavat neutroneja, minkä vuoksi booriytimet hajoavat ja syntyy gammasäteilyä.

Hoito ei vaurioita terveitä soluja, sillä gammasäteilyn kantama on lyhyt ja rajoittuu melkein kokonaan syöpäkasvaimeen. Lisäksi hoidossa käytettävä neutronisäteily aiheuttaa potilaalle vain pienen säteilyannoksen, koska neutronit ovat varauksettomia ja siten ne reagoivat heikosti läpäistessään potilaan.