FY08 Flashcards
1
Q
säteilyn spektri
A
Sähkömagneettisen säteilyn intensiteetti aallonpituuden tai taajuuden funktiona. Intensiteetti kuvaa, kuinka paljon energiaa säteily kuljettaa tietyn suuruisen pinta-alan läpi aikayksikössä
2
Q
jatkuva spektri
A
eri aallonpituusalueet vaihtuvat toisikseen ilman selviä rajoja
3
Q
viivaspektri
A
koostuu muutamasta erillisestä spektriviivasta. Esimerkiksi loisteputken lähettämän valon spektri
4
Q
emissiospektri
A
Aineen lähettämän eli emittoiman sähkömagneettisen säteilyn spektri
5
Q
kaasun emissiospektrin synty
A
kaasun emittoima säteily hajotetaan prisman tai hilan avulla, jolloin saadaan spektriviivat esille. Eri aallonpituuksia vastaavat spektriviivat näkyvät, kun valo taipuu hilassa (eli diffraktoituu).
6
Q
absorptiospektri
A
Kaasuatomit voivat absorboida jatkuvasta säteilystä vain tiettyjä aallonpituuksia vastaavat säteilyn energiat. Näistä aallonpituuksista syntyvät spektrin absorptioviivat, ja absorptio ilmenee valolähteen jatkuvassa spektrissä tummina viivoina.
7
Q
valon kvanttiteoria
A
sähkömagneettinen säteily koostuu erillisistä hiukkasmaisista osista, joita kutsutaan fotoneiksi. Sähkömagneettista säteilyä voidaan kuvata hiukkasmallilla, jonka mukaan säteily koostuu fotoneista. Hiukkasmalli ei kuitenkaan yksin ole riittävä sähkömagneettisen säteilyn kuvaamisessa.
8
Q
fotoni
A
syntyy sähkömagneettisen säteilyn emissiossa ja häviää absorptiossa. Fotonit ovat massattomia, ja ne liikkuvat valonnopeudella
9
Q
röntgensäteily
A
Röntgensäteilyä synnytetään tyhjiöputkessa, jossa on metallista valmistetut anodi ja katodi. anodin ja katodin välille on kytketty korkea tasajännite. Elektronit lähtevät katodilta, joutuvat anodin ja katodin välisessä sähkökentässä kiihtyvään liikkeeseen ja törmäävät hyvin suurella nopeudella anodiin. Kun elektronit kohtaavat anodiaineen, ne jarruuntuvat ja pysähtyvät nopeasti törmäysten takia. Elektronien jarruuntumisesta aiheutuvaa säteilyä kutsutaan röntgenputken jarrutussäteilyksi. Jarrutussäteilystä aiheutuva röntgensäteilyn spektri on jatkuva, ja likimain tasainen, eikä se riipu siitä, mitä ainetta anodi on.
10
Q
ominaissäteily
A
Kun elektronien kiihdytysjännitettä kasvatetaan, spektriin ilmaantuu teräviä intensiteettipiikkejä. Spektrin piikit eli ominaissäteily (karakteristinen säteily) syntyy elektronisuihkun törmätessä anodimateriaalin atomeihin, jolloin atomien elektronirakenteessa tapahtuu muutoksia. Kiihdytysjännitteen kasvaessa piikkien paikka ei muutu, mutta intensiteetti kasvaa. Intensiteettipiikkien paikat ovat anodiaineelle ominaisia.
11
Q
valosähköilmiö
A
Sähkömagneettisen säteilyn (valon) aiheuttama elektronien irtoaminen metallin pinnasta. Irtoavien elektronien liike-energia ei riipu valon intensiteetistä vaan taajuudesta. Valon intensiteetti vaikuttaa ainoastaan irronneiden elektronien lukumäärään. Elektronin irtoaminen metallista perustuu elektronin vuorovaikutukseen fotonin kanssa. Kohdatessaan elektronin fotoni luovuttaa sille energiansa ja häviää. Osa säteilyn energiasta kuluu elektronin irtoamiseen metallista ja loppu ilmenee irronneen elektronin liike-energiana. Jos fotonin energia on pienempi kuin elektronin irrottamiseen tarvittava energia, valosähköilmiötä ei tapahdu
12
Q
irrotustyö
A
Pienin energia, joka valosähköilmiössä tarvitaan elektronin irrottamiseen metallista
13
Q
rajataajuus
A
pienin säteilyn taajuus, jolla elektroni saadaan irtoamaan metallin pinnasta. suoran ja x-akselin leikkauspiste
14
Q
miten voidaan määrittää valosähköilmiön seurauksena irronneiden elektronien liike-energia?
A
Tyhjiöputken katodilta irtoaa elektroneja valosähköilmiön seurauksena, ja nämä elektronit liikkuvat kohti anodia. Katodin ja anodin välissä olevassa sähkökentässä elektroniin kohdistuu sähköinen voima, jonka suunta on kohti katodia. Sähköinen voima tekee elektroniin työn, joka pienentää sen liike-energiaa. Katodin ja anodin välistä jännitettä U kutsutaan vastajännitteeksi, koska se vähentää elektronien liike-energiaa ja muuntaa sitä sähköiseksi potentiaalienergiaksi.
Sitä jännitteen arvoa U, jolla sähkövirta loppuu, kutsutaan pysäytysjännitteeksi. Nopeimpien elektronien pysäyttämiseen vaadittava pysäytysjännite saadaan yhtälöstä QU=E_k, max.
15
Q
Comptonin sironta
A
kun säteilyn fotoni törmää kimmoisasti vapaaseen tai atomiin heikosti sidottuun elektroniin, fotonin liikkeen suunta muuttuu, ja fotoni luovuttaa törmäyksessä osan energiastaan elektronin liike-energiaksi. Koska fotonin energia pienenee törmäyksessä, fotonin aallonpituus on sironnan jälkeen hieman suurempi kuin tulevan fotonin aallonpituus
16
Q
aaltohiukkasdualismi
A
kaikilla säteilylajeilla ja hiukkasilla on sekä hiukkasille että aalloille ominaisia piirteitä. Hiukkasten aaltomaiset ominaisuudet ilmenevät, kun hiukkasten väliset etäisyydet ovat samaa suuruusluokkaa kuin niiden de Broglien aallonpituudet
17
Q
aaltomekaaninen atomimalli
A
lähtökohta aineaaltohypoteesi, jonka mukaan hiukkasella on hiukkasmaisten ominaisuuksien ohella myös aaltomaisia ominaisuuksia. Atomin elektroniverhoa kuvataan seisovien aaltojen avulla. aineaallon on oltava seisova aalto, sillä seisova aalto ei lähetä energiaa ympäristöön. Tämän seisovan aallon aallonpituuden on oltava de Broglien aallonpituuden kokonainen monikerta.
18
Q
kvanttimekaaninen atomimalli
A
elektronin tilaa kuvataan aaltofunktiolla, joka määräytyy Schrödingerin johtamasta yhtälöstä. Aaltofunktiot kuvaavat elektronin paikan todennäköisyysjakaumaa atomin stationäärisissä tiloissa eli tiloissa, jossa järjestelmän mikään ominaisuus ei muutu. Näin ollen järjestelmä ei voi esimerkiksi lähettää tai vastaanottaa energiaa ilman, että järjestelmä siirtyy tilalta toiselle. Elektronin aaltofunktiota kuvaavat neljä kvanttilukua: pääkvanttiluku n, sivukvanttiluku l, magneettinen kvanttiluku m_l ja spinkvanttiluku m_s. Kvanttiluvut n, l ja m_l liittyvät Schrödingerin yhtälön ratkaisuihin eli tilafunktioihin, ja ne määrittelevät atomin elektroniorbitaalin. Tilafunktio ilmaisee atomissa olevan elektronin kvanttimekaanisen tilan. Orbitaalit kuvaavat niitä alueita ytimen ympärillä, joissa elektroni on todennäköisimmin.
19
Q
miten elektronin ja ytimen sähköiseen vuorovaikutukseen liittyvän potentiaalienergian nollataso valitaan?
A
niin, että atomin kokonaisenergia on negatiivinen. Elektronilla on atomissa liike-energiaa sekä sen ja ytimen väliseen vuorovaikutukseen liittyvää potentiaalienergiaa. On sovittu, että kun elektronin liike-energia riittää juuri elektronin irtoamiseen atomista, sen kokonaisenergia eli liike-energian ja potentiaalienergian summa on nolla. Koska liike-energia on aina positiivinen, tämä sopimus merkitsee, että elektronin potentiaalienergia atomissa on negatiivinen. Atomiin sidottu elektroni liikkuu hitaammin kuin atomista irtoamassa oleva elektroni, ja sillä on näin pienempi liike-energia, joten atomiin sidotun elektronin kokonaisenergia on negatiivinen.
20
Q
miksi kaasun kaikki absorptiospektrin viivat näkyvät kyseisen kaasun emissiospektrissä, mutta kaikki emissiospektrin viivat eivät kuitenkaan näy absorptiospektrissä?
A
Normaalitilaisessa kaasussa (eli kun kaasu ei ole kuumaa) lähes kaikki atomit ovat perustilassa, joten absorptiospektristä puuttuvat emissiospektrissä olevat, viritystilojen välisiä siirtymiä vastaavat viivat.
21
Q
miksi maan lähettämä lämpösäteily absorboituu hyvin kasvihuonekaasuihin, mutta auringon näkyvän valon aallonpituusalueella oleva säteily ei?
A
Molekyyleillä on elektronisten tilojen lisäksi värähtelyyn ja pyörimiseen liittyvät tilat, jotka ovat myös kvanttiutuneet. Ilmakehän kasvihuonekaasut ovat vähintään kolmiatomisia molekyylejä. Tällaiset molekyylit virittyvät korkeammille värähtelytiloille absorboidessaan infrapunasäteilyä. Näkyvän valon fotonit eivät pysty virittämään kasvihuonekaasumolekyylejä, koska fotonien energiat eivät vastaa minkään molekyylin energiatilojen välistä eroa.
22
Q
ydin
A
koostuu nukleoneista eli protoneista ja neutroneista. Protonit ja neutronit koostuvat u-ja d-kvarkeista. Kvarkeilla on niiden sähkömagneettisiin vuorovaikutuksiin liittyvän sähkövarauksen lisäksi myös toisenlainen ominaisuus, jota kutsutaan värivaraukseksi tai väriksi
23
Q
vahva vuorovaikutus
A
ilmenee värivarauksellisten hiukkasten välillä vaikuttavana voimana, ns. vahvana voimana, joka sitoo kvarkit toisiinsa. voimakas-> kvarkit eivät esiinny yksittäin, vaan yhteen liittyneinä. Kvarkkien yhteenliittymät ovat ulospäin värineutraaleja. Kvarkkien välinen vahva voima vaikuttaa hieman nukleonin ulkopuolellakin, ja tämä jäännösvoima sitoo nukleonit toisiinsa. Sen avulla ydin pysyy koossa huolimatta protonien välisestä sähköisestä hylkimisvoimasta
24
Q
ydinvoima
A
nukleonien välinen voima, joka siis on pohjimmiltaan vahvan vuorovaikutuksen aiheuttama. Ydinvoiman kantama on lyhyt, noin 2 fm. Ydinvoima on pienin nukleonien välisen keskietäisyyden kohdalla, ja voima muuttuu hylkiväksi, kun etäisyys r on nukleonin säteen luokkaa. Ydinvoima vaikuttaa nukleonien välillä yhtä suurena nukleonilajista riippumatta. Neutroni on kuitenkin sitoutunut ytimeen vahvemmin kuin protoni, koska protoniin vaikuttaa myös muiden protonien sähköinen hylkimisvoima.
25
nuklidi
ydinlaji, jossa on tietty määrä protoneja ja neutroneja.
26
sisäinen energia
aineen massaan sisältyvää energiaa.
27
massavaje
ytimen rakenneosien yhteismassan ja atomin massan erotus
28
ytimen sidosenergia
energia, joka tarvitaan hajottamaan ydin nukleoneiksi. Yhtä suuri energia vapautuu, kun nukleonit sitoutuvat toisiinsa muodostaessaan ytimen. massavajetta vastaava energia. E_b
29
sidososuus
sidosenergia nukleonia kohti. atomiytimen pysyvyyden eli stabiliteetin mitta. Sidososuus on keskimääräinen energia, jolla yksi nukleoni on sitoutunut ytimeen. Sidososuus lasketaan jakamalla ytimen sidosenergia massaluvulla.
30
keskiraskaiden ydinten sidososuus
keskiraskaiden ytimien sidososuus on suurin. Siksi keskiraskaat ytimet, kuten rauta ja nikkeli, ovat pysyvimpiä ytimiä. Niissä nukleonit ovat voimakkaammin toisiinsa sitoutuneita kuin kevyemmissä ja raskaammissa ytimissä. Sidososuus kasvaa atomin massaluvun kasvaessa rautaan saakka, ja pienenee siitä eteenpäin.
31
ytimen energiatilat
kvantittuneet. perustila ja viritystiloja. Kun ytimen viritystila purkautuu, syntyy sähkömagneettista säteilyä.
32
ledin toiminta
elektroni kohtaa atomisidoksessa olevan aukon, ja osa elektronin energiasta muuntuu sähkömagneettiseksi säteilyksi. Tällöin elektroni siirtyy ylemmältä energiatilalta alemmalle, ja atomi emittoi tilojen energioiden erotusta vastaavan säteilykvantin.
33
laserin toiminta
perustuu aineen elektronitiloihin liittyvien viritysten ja purkausten ketjureaktioon, jossa syntyy intensiteetiltään voimakasta monokromaattista ja koherenttia valoa. laite, joka vahvistaa valoa stimuloidun emission avulla.
34
monokromaattinen valo
sen aalloilla on sama taajuus
35
koherentti valo
aallot ovat samassa vaiheessa
36
vuorovaikutuspotentiaali
sellaiseen sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen liittyvä potentiaali, joka sitoo elektronin tietylle alueelle avaruudessa. tällöin syntyy energialtaan kvantittunut elektronitila. kuvaa elektronin sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen liittyvää potentiaalienergiaa varausyksikköä kohden elektronin sijainnin funktiona. Hiukkasen esiintymistodennäköisyys on suurin siellä, missä potentiaalienergia on pienin.
37
mihin kvanttimekaaninen atomimalli perustuu?
Schrödingerin yhtälön ratkaisuun tilanteessa, jossa potentiaali U on elektronin ja ytimen väliseen sähköiseen vuorovaikutukseen liittyvä potentiaali. Lisäksi energiatiloihin vaikuttaa myös elektronien välinen vuorovaikutus.
38
kvanttipiste.
keinotekoinen kvanttirakenne. myös muunlaisen potentiaalin kuin elektronin ja ytimen väliseen sähköiseen vuorovaikutukseen liittyvän potentiaalin vangiksi jääneet elektronit asettuvat kvanttiutuneille energiatiloille.
39
stimuloitu emissio
Jos fotoni kohtaa atomin, ja fotonin energia vastaa atomin energiatasojen eroa, atomi virittyy. Vastaava ilmiö on mahdollinen myös kvanttipisteillä. Viritystila purkautuu yleensä spontaanisti, mutta purkautumisen voi saada aikaan myös toinen vastaava fotoni. Tätä ilmiötä kutsutaan stimuloiduksi emissioksi. Atomin viritystila purkautuu ja atomi säteilee fotonin, jolla on sama taajuus kuin atomiin osuneella fotonilla-> 2 fotonia, joilla sama taajuus kuin atomiin osuneella. -> saa uusia virittyneitä atomeja purkautumaan-> syntyy paljon saman taajuisia fotoneja
40
laserin rakenne
1. väliainetta, jossa voi tapahtua elektronitiloihin liittyvää virittymistä. Virittyminen saadaan aikaan esimerkiksi sähkövirran tai valon avulla 2. peili. 3. puoliläpäisevä peili. Peilien tehtävä on pitää viritystilojen purkauksissa syntynyt säteily peilien välissä niin pitkään, että erisuuntaiset ja erivaiheiset komponentit poistuvat ja samalla koherentin valon intensiteetti kasvaa. 4. laseriin tuotava energia. 5. lasersäde.
41
aurinkokennon toiminta
perustuu valosähköilmiöön, joka tapahtuu kennon fotodiodien pn-rajapinnassa. Mikäli fotonin energia ylittää materiaalille ominaisen irrotustyön, fotoni voi synnyttää pn-rajapinnan läheisyyteen elektroni-aukkoparin. Tyhjennysalueen sähkökenttä erottaa positiivisesti varattujen hiukkasten tavoin käyttäytyvät aukot ja varaukseltaan negatiiviset elektronit toisistaan. Kun valon intensiteetti on riittävän suuri, p- ja n-puolen pintojen välille syntyy jännite. Aukot ja elektronit eivät voi yhdistyä tyhjennysalueen kautta, mutta yhdistyminen on mahdollinen ulkoisen virtapiirin kautta, kun p- ja n-puolen pinnoille kytketään johdinkontaktit
42
aurinkopaneeli
koostuu useista sarjaan kytketyistä aurinkokennoista
43
miksi valon intensiteetin tulee olla suuri, jotta p- ja n-puolen pintojen välille syntyy jännite?
Kun paneeleihin kohdistuvan säteilyn intensiteetti on suurin, tällöin myös aurinkokennoihin osuvien fotonien määrää on suurin. Tämä lisää kennoissa muodostuvien varauksenkuljettajien (elektronien ja aukkojen) määrää ja kennosta saatavaa sähkövirtaa.
44
miksi kaikkea kennoon absorboituvaa säteilyä ei voida hyödyntää sähköntuotannossa?
Fotonin energia ei välttämättä riitä elektroni-aukkoparin muodostamiseen. Toisaalta absorboituneen fotonin energia saattaa olla suurempi kuin irrotustyö, jolloin irronneelle elektronille jää runsaasti liike-energiaa
45
spektrivaste
kuvaa aurinkokennon kykyä muuntaa säteilyn energiaa sähköisesti siirrettäväksi energiaksi. Spektrivaste on aurinkokennon virtapiiriin tuottaman suurimman mahdollisen sähkövirran ja kennoon kohdistuvan säteilytehon suhde.
Säteilyn aallonpituus kasvaa-> fotonin taajuus ja energia pienenevät. Kun fotonin aallonpituus on tiettyä kynnysarvoa suurempi, fotonin taajuus on alle valosähköilmiön rajataajuuden, eikä fotonin energia riitä synnyttämään elektroni-aukkoparia -> spektrivaste on nolla. Spektrivaste saa suurimman arvonsa, kun fotonin energia on irrotustyön suuruinen. Kun säteilyn aallonpituus lyhenee spektrivasteen huippua vastaavasta aallonpituudesta, säteilyn energia ylittää irrotustyön. Tällöin yhä pienempi osuus säteilytehosta synnyttää sähkövirtaa, ja spektrivaste vähenee.
46
tunneloituminen
hiukkaset läpäisevät esteitä, joita ne eivät klassisen fysiikan mukaan voisi läpäistä. hiukkasen esiintymistodennäköisyyttä kuvaava aaltofunktion neliö |ψ(x)|^2 on nollasta poikkeava myös sellaisen esteen toisella puolella, jonka läpäisemiseen sen energia ei klassisen fysiikan mukaan riitä
47
superpositio
Hiukkasen tilojen superpositio tarkoittaa sitä, että hiukkanen saattaa olla useassa eri tilassa yhtä aikaa, kunnes hiukkanen havaitaan yhdessä näistä tiloista
48
lomittuminen
toisistaan etäälläkin olevien hiukkasten kvanttitilat saattavat riippua toisistaan – ajallisesti välittömästi ja ilman varsinaista vuorovaikutusta. Sanotaan, että hiukkasten tilat ovat lomittuneet.
Hiukkasten kvanttitilat voivat lomittua, kun kaksi superpositiossa olevaa hiukkasta vuorovaikuttaa keskenään. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että hiukkasten tilojen havaintotodennäköisyydet riippuvat toisistaan lomittumisen seurauksena.
49
kvanttitietokone
Kvanttitietokone käyttää laskutoimituksiin kvanttibittejä eli kubitteja. Kubittia kuvaa kvanttimekaaninen tila – esim. järjestelmän alin energiatila vastaa kubitin arvoa 0 ja eka viritystila ψ1 arvoa 1. Kubittitilat voivat erota toisistaan myös elektronin pyörimisen kaltaisen ominaisuuden, spinin, perusteella. Usein kubitit ovat keinotekoisia ja voidaan tulkita kvanttipisteiksi.
Tavallisesta bitistä poiketen kubitin arvoa voi kuvata myös lukua 0 ja lukua 1 vastaavien kvanttitilojen superpositio – eli se voi ikään kuin saada molemmat arvot yhtä aikaa. Kun kvanttitietokoneessa on useampi kubitti, niiden kvanttitilat voidaan lisäksi lomittaa, minkä seurauksena kubittien arvot riippuvat toisistaan. Kvanttilaskenta tapahtuu superpositiossa olevilla tiloilla, joille voidaan suorittaa tilaa muokkaavia operaatioita. Näin ollen kerralla käsiteltävän tiedon määrä on suuri. Kun laskun tulos luetaan, kvanttitila tulee mitatuksi, jolloin superpositio romahtaa, ja tulokseksi saadaan klassinen binääriluku. Kaikkien samanaikaisesti tehtyjen laskutoimitusten tuloksia ei siten saada kerralla.
50
optinen mikroskooppi
muodostaa linssien avulla suurennetun optisen kuvan kohteesta. toiminta perustuu näkyvään valoon. Optisella mikroskoopilla voi erottaa satojen nanometrien kokoluokkaa olevia yksityiskohtia.
51
elektronimikroskooppi
käyttää valon sijasta elektronisuihkua. Sen erottelukyky on nanometrien luokkaa aineaallon lyhyen aallonpituuden takia.
52
atomivoimamikroskooppi
saadaan parhaimmillaan näkyviin näytteen yksittäiset atomit, joiden suuruusluokka on vain 0,1 nm.
toiminta perustuu aineen pinnassa olevien atomien aiheuttamiin sähköisiin voimiin.
53
tunnelointimikroskooppi
perustuu kvanttimekaanisesta tunnelointi-ilmiöstä johtuvien sähkövirtojen syntyyn näytteen ja mikroskoopin mittakärjen välille. voidaan tutkia kiinteän aineen pinnan ja siihen tarttuneiden molekyylien rakennetta ja elektronitiloja. laite, jossa muutamista atomeista koostuvaa mittakärkeä kuljetetaan tutkitun pinnan yläpuolella. Kun mittakärjen ja pinnan atomien etäisyys on noin 0,2–0,5 nm, pinnan elektronitiloilta voi tunneloitua elektroneja mittakärkeen tai päinvastoin. Tutkitun pinnan ja mittakärjen välille syntyy mitattavissa oleva sähkövirta, jota kutsutaan tunnelointivirraksi. Pinnan ja mittakärjen välille voidaan kytkeä biasjännitteeksi kutsuttu jännite, jonka suuruus ja merkki määräävät, miltä elektronitiloilta tunnelointia tapahtuu, ja kumpaan suuntaan. Laitetta voidaan käyttää kahdessa eri tilassa: vakiokorkeustilassa tai vakiovirtatilassa
54
spetroskopia
ainetta analysoidaan sen lähettämän sähkömagneettisen säteilyn spektrin avulla. Spektrin synty voidaan selittää aineen kvanttimekaanisten energiatilojen avulla
55
röntgenkristallografia
saadaan tietoa kiinteän aineen kiderakenteesta eli siitä, miten atomit ovat aineessa järjestäytyneet. Menetelmä perustuu röntgensäteilyn diffraktioon aineessa
56
sirontakokeet
Ytimien ja alkeishiukkasten rakenteen ja ominaisuuksien tutkimus. Hiukkaskiihdyttimellä kiihdytetyillä hiukkasilla, kuten elektroneilla, protoneilla tai ioneilla, pommitetaan näytteenä olevaa ainetta tai toisia hiukkasia. Törmäyksessä syntyneitä hiukkasia tutkitaan erilaisilla ilmaisimilla, jotka mittaavat esimerkiksi hiukkasten liikeratoja ja energiaa. Mittaustuloksista voidaan päätellä, mitä ominaisuuksia tutkittavilla ytimillä tai hiukkasilla on.
57
hiukkasherätteinen röntgenemissio eli PIXE-menetelmä
Kun ainetta pommitetaan riittävän suurienergisillä elektroneilla, ne voivat irrottaa atomin elektroneja atomin alimmilta energiatiloilta eli sisemmiltä elektronikuorilta. Syntyneeseen tyhjään paikkaan siirtyy välittömästi toinen elektroni joltain korkeammalta energiatilalta eli ylemmältä elektronikuorelta. Samalla atomi säteilee sähkömagneettista säteilyä eli emittoi fotonin, jonka energia on sama kuin elektronikuorten välinen energiaero. Kun hyvin monessa atomissa tapahtuu samanlainen siirtymä, spektrissä havaitaan energiaeroa vastaavan aallonpituuden kohdalla intensiteettipiikki. Tätä röntgensäteilyn aallonpituusalueella syntyvää säteilyä kutsutaan ominaissäteilyksi (karakteristiseksi säteilyksi). Se on kullekin alkuaineelle ominainen, mikä mahdollistaa näytteen alkuainekoostumuksen määrittämisen.
58
röntgenfluoresenssianalyysi eli XRF-menetelmä
saadaan aikaan vastaavanlaista ominaissäteilyä kuin PIXE-menetelmällä virittämällä tutkitun aineen atomeja röntgen- tai gammasäteilyn fotonien avulla. Fluoresenssi-ilmiöissä atomi emittoi matalampienergiaisen kvantin kuin mitä absorboi.
59
röntgendiffraktio
Röntgensäteilyn kvantit siroavat hiukkassäteilyn tavoin kiteen atomeista. Kun kidettä säteilytetään röntgensäteilyllä, tiettyihin suuntiin heijastuneet säteet vahvistavat toisiaan. Säteilymaksimit (diffraktiomaksimit) syntyvät niihin suuntiin, joissa kiteen eri atomeista heijastuneet aallot vahvistavat toisiaan eniten. Vahvistussuunnista saadaan tietoa kiteen rakenteesta, eli siitä, millaiseen säännölliseen järjestykseen atomit ovat järjestyneet aineessa.
60
vakiokorkeustila
mittakärkeä kuljetetaan pinnan yläpuolella siten, ettei kärkeä siirretä pystysuunnassa lainkaan. Tutkittu alue käydään tasossa läpi, ja mittauksen perusteella piirtyy kuva, joka esittää tunnelointivirran arvoa tason paikan funktiona.
61
vakiovirtatila
mittakärkeä kuljetetaan näytteen yläpuolella siten, että tunnelointivirran arvo pidetään vakiona. Tämä vaatii mittakärjen siirtämistä myös pystysuunnassa. Tällöin mittauksen perusteella piirtyy kuva, joka esittää mittakärjen pystysuuntaista sijaintia tason paikan funktiona.
62
radioaktiivinen ydin
hajoaa itsestään eli spontaanisti, jolloin emittoituu ydinsäteilyä
63
ionisoiva säteily
alfa-, beeta-, röntgen- ja gammasäteily. Neutronisäteily ei sellaisenaan ole ionisoivaa säteilyä, koska neutroneilla ei ole sähkövarausta. Neutronisäteily on kuitenkin hyvin läpitunkevaa, ja neutronin absorboiduttua ytimeen ydin yleensä lähettää gammasäteilyä, joka on ionisoivaa säteilyä. suurienergiaista säteilyä
64
taustasäteily
ympäristössä luonnostaan esiintyvä säteily. Kaikkialla luonnossa esiintyy ihmisen toimista riippumatonta säteilyä, joka on lähtöisin atomien ytimissä tapahtuvista muutoksista. Lisäksi avaruudesta tulee Maahan tähdissä ja galakseissa syntynyttä kosmista säteilyä. Luonnossa esiintyy radioaktiivisuutta, koska tietyt nuklidit hajoavat niin hitaasti, etteivät ne ole vielä ehtineet kaikki hajota. Luonnossa myös syntyy jatkuvasti uusia radioaktiivisia nuklideja pitkäikäisten nuklidien hajoamistuotteina sekä muissa luonnossa esiintyvissä ydinprosesseissa.
65
alfahajoaminen
Emoydin emittoi alfahiukkasen, jonka rakenne on sama kuin heliumatomin ytimellä ja sähkövaraus positiivinen. Alfahajoamisen seurauksena tytärydin voi jäädä viritystilaan, ja viritystilan purkautuessa syntyy gammasäteilyä. Alfahiukkanen on ennen alfahajoamista osa emoydintä. Klassisen fysiikan mukaan ydin on stabiili, eikä alfahiukkanen näin ollen voi karata emoytimestä. Mutta koska nukleonit muodostavat kvanttimekaanisen systeemin, alfahiukkanen voi tunneloitua ulos ytimestä. kantama eli väliaineen paksuus, jonka läpi ei pääse enää yhtään alfahiukkasta, on ilmassa muutamia senttimetrejä.
66
miksi monet raskaat ytimet emittoivat nukleoneja juuri alfahiukkasina, eivätkä yksittäisinä nukleoneina?
Protonit ja neutronit ryhmittyvät ytimessä ydinvoiman vaikutuksesta helposti kahden protonin ja kahden neutronin muodostamiksi kokonaisuuksiksi, koska näin nukleonit saavuttavat suuren sidososuuden.
67
beetahajoaminen
- beeta-= ytimen neutroni muuttuu protoniksi, emittoituu elektroni ja antineutriino
- beeta+= protoni-> neutroni, emittoituu positroni ja neutriino
tytärydin voi jäädä viritystilaan, joten beeta-aktiiviset aineet voivat emittoida myös gammasäteilyä.
Beetahajoaminen tapahtuu heikon vuorovaikutuksen seurauksena. Protonien ja neutronien sisällä olevat kvarkit ovat tarpeeksi lähellä toisiaan, ja voivat kokea heikon vuorovaikutuksen. Beetahiukkasen kantama ilmassa voi olla muutamia metrejä. β+-hajoamisen seurauksena ydin siirtyy alempaan energiatilaan.
68
antineutriino
neutriinon antihiukkanen, joka on varaukseltaan neutraali ja massaltaan hyvin pieni.
69
neutronin muuttuminen protoniksi
1^n -> 1^p_1 + 0^-e_-1 + antineutriino
70
positroni
elektronin antihiukkanen, ja sen massa on yhtä suuri kuin elektronin massa ja sähkövaraus +e.
71
protonin hajoamisyhtälö
1^p_1 -> 1^n+0^e_+1+ neutriino
72
annihilaatio
beeta+ hajoamisessa syntynyt positroni ja aineen elektroni kohtaavat ja yhdistyvät eli annihiloituvat. Annihilaatio vapaan elektronin kanssa on paljon todennäköisempää kuin annihilaatio sidotun elektronin kanssa. Annihilaatiossa syntyy kaksi gammakvanttia.
73
elektronisieppaus
Jos atomin järjestysluku on suuri, ydin voi siepata elektronin atomin elektroniverhon sisimmältä kuorelta. Tällöin elektroniverhoon jää aukko. Aukko täyttyy ylemmältä energiatasolta tulevalla elektronilla, ja atomi emittoi yhden tai useamman röntgenfotonin. Elektronisieppaus tunnistetaankin tytäratomin ominaissäteilystä. Kun ytimeen joutunut elektroni kohtaa protonin, protoni muuttuu neutroniksi, joka jää ytimeen. Ydin emittoi neutriinon ja samalla vapautuu energiaa gammasäteilynä. Elektroni siepataan lähes aina sisimmältä kuorelta. Todennäköisyys elektronisieppaukseen toiseksi sisimmältä kuorelta on hyvin pieni.
74
miksi EC tapahtuu todennäköisemmin raskaissa ytimissä kuin keveissä?
raskailla ytimillä on keveitä ytimiä suurempi positiivinen sähkövaraus (Z suuri), niiden sisimmät elektronit ovat lähempänä ydintä kuin keveiden atomien elektronit.
75
millä tavoin gammasäteily vuorovaikuttaa aineen kanssa?
valosähköilmiössä. Comptonin ilmiössä sekä parinmuodostuksessa.
76
parinmuodostus
säteilyenergiaa muuttuu aineeksi. Riittävän suurienergiainen fotoni voi muuttua raskaan atomiytimen sähkökentässä elektroniksi ja positroniksi (hiukkas-antihiukkaspariksi) sekä näiden liike-energiaksi. Jotta näin voisi tapahtua, fotonin energian on oltava suurempi kuin elektronin ja positronin energioiden summa. Parinmuodostusta seuraa aineessa aina parin häviäminen eli positroni kohtaa elektronin, jolloin tapahtuu annihilaatio. Parinmuodostus ja annihilaatio ovat osoituksia Einsteinin suhteellisuusteorian mukaisesta massan ja energian ekvivalenssista. Niissä massattoman fotonin energiasta muodostuu massallisia hiukkasia ja päinvastoin.
77
gammasäteilyn vaimentaminen
Gammasäteilyä voidaan vaimentaa tehokkaasti paksuilla, raskaista alkuaineista tehdyillä aineilla, koska gammasäteily vuorovaikuttaa enimmäkseen atomien elektronien kanssa. Aineen kyky absorboida gammasäteilyä kasvaa aineen järjestysluvun kasvaessa. Siksi raskaat alkuaineet, kuten lyijy, absorboivat säteilyä tehokkaasti.
78
hajoamisenergia alfa- ja beetahajoamisessa
hajoamisenergia (reaktioenergia) on yhtä suuri kuin massavajetta Δm vastaava energia. energiaa vapautuu, koska emoytimen massa on suurempi kuin hajoamistuotteiden yhteenlaskettu massa
79
Energian ja liikemäärän säilyminen alfahajoamisessa
Hajoamisreaktioissa vapautuva energia ilmenee hajoamistuotteiden liike-energiana. Alfahajoamista tutkittaessa voidaan hajoavan ytimen (emoytimen) liike-energia olettaa nollaksi, sillä se on hyvin pieni hajoamistuotteiden liike-energioihin verrattuna. Alfahajoamisessa liikemäärä säilyy. hajoamisenergia on yhtä suuri kuin hajoamistuotteiden liike-energia. Aineessa kulkiessaan alfahiukkanen ionisoi atomeja irrottamalla niiden elektroniverhoista elektroneja. Kun alfahiukkaset törmäävät massaltaan huomattavasti pienempiin elektroneihin, alfahiukkaset etenevät suoraan, mutta menettävät jokaisessa törmäyksessä osan liike-energiastaan. Alfahiukkaset, joilla on yhtä suuri liike-energia, etenevät aineessa likimain yhtä pitkän matkan.
80
miksi alfaspektri on viivaspektri?
Alfahajoamisessa hajoamisenergia jakautuu tietyssä suhteessa hajoamistuotteille. Koska osa hajoamisenergiasta jää tytärytimelle, alfahiukkasen saama liike-energia on pienempi kuin hajoamisessa vapautuva energia. Alfahiukkasilla on tietyt liike-energiat
81
miksi beetaspektri on jatkuva?
Beetahajoamisessa reaktioenergia jakautuu kolmen hajoamistuotteen eli tytärytimen, beetahiukkasen (elektronin tai positronin) ja neutriinon tai antineutriinon kesken. Tämän takia beetahiukkasen liike-energia voi vaihdella nollan ja tietyn maksimiarvon välillä. Maksimienergia vastaa ytimen hajotessa massavajeesta saatavaa hajoamisenergiaa. Tytärytimen beetahajoamisessa saama liike-energia on niin pieni, että sitä ei yleensä oteta huomioon. Myös neutriinon ja antineutriinon massat ovat merkityksettömät. Beetahiukkaset menettävät liike-energiaansa pääasiassa kimmotessaan aineen elektroneista ja ytimistä. Yksittäiset beetahiukkaset etenevät eri etäisyyksille, ja beetasäteily heikkenee vähitellen etäisyyden kasvaessa. Hajoamisenergia on kuitenkin kvanttiutunut. Beetasäteilyn spektri on säteilylähteestä emittoituneiden beetahiukkasten liike-energian jakauma
82
gammasäteilyn energia
mitä suurempi on energiatilojen erotus, sitä suurempi on gammasäteilyn energia ja sitä pienempi säteilyn aallonpituus. Viritystilan purkautuessa energiatasojen energiaero vapautuu gammakvantin energiana ja tytärytimen liike-energiana. Tytärytimen liike-energia on niin pieni, että sitä ei yleensä oteta huomioon.
83
radioaktiiviset hajoamissarjat
Raskaita alkuaineita syntyy suurimpien tähtien elämän päättävissä supernovaräjähdyksissä sekä merkittävissä määrin myös neutronitähtien törmäyksissä. Tällaisia nuklideja on vieläkin paljon jäljellä, ja niistä ovat lähtöisin luonnossa esiintyvät radioaktiiviset hajoamissarjat, jotka ovat uraani-, torium- ja aktiniumsarja.
84
radioaktiivisen aineen aktiivisuus
Hajoamisten määrä sekunnissa. Radioaktiivisen aineen aktiivisuus pienenee ajan kuluessa, koska radioaktiivisten ydinten määrä siinä vähenee hajoamisten seurauksena. keskimääräinen aktiivisuus saadaan jakamalla aineessa tapahtuvien hajoamisten määrä hajoamisiin kuluneella ajalla. aktiivisuus A ilmoitetaan positiivisena
85
hajoamisvakio
kullekin radioaktiiviselle isotoopille ominainen. Se kuvaa todennäköisyyttä, jolla atomin ydin hajoaa aikayksikössä. Lyhytikäisen isotoopin hajoamisvakio on suuri, pitkäikäisen isotoopin pieni. yks. 1/s
86
millaiselle aineelle hajoamislaki on voimassa?
sellaiselle radioaktiiviselle aineelle, joka sisältää ainoastaan yhtä radioaktiivista ydinlajia
87
radiohiiliajoitus
menetelmä, jolla voidaan määrittää arkeologisten, elollisesta luonnosta peräisin olevien aineiden ikä.
88
radiohiiliajoituksen periaate
Maan ilmakehään saapuu avaruudesta kosmista säteilyä, joka koostuu sekä sähkömagneettisesta säteilystä että hiukkassäteilystä, kuten neutroneista. Kun neutroni törmää ilmakehässä olevaan typpiytimeen, voi tapahtua ydinreaktio, jossa syntyy radiohiiltä, eli hiili-14-isotooppia. radiohiili sitoutuu yhteyttämisessä ilmakehän hiilidioksidista kasveihin, joita eläimet käyttävät ravintonaan. Hiilen isotooppisuhde N(14C):N(12C) on likimain yhtä suuri ilmakehän hiilidioksidissa ja elävissä eliöissä. Eliön kuollessa sen hiiliaineenvaihdunta loppuu, ja radiohiilen pitoisuus alkaa pienentyä beetahajoamisen vuoksi. Radiohiiliajoituksessa mitataan arkeologisen näytteen isotooppisuhde tai aktiivisuus, jota verrataan elävän eliön isotooppisuhteeseen tai aktiivisuuteen. Hiilen isotooppien 14C- ja 12C-pitoisuudet voidaan määrittää tarkasti massaspektrometrillä.
89
millaisiin näytteisiin radiohiiliajoitus ei sovellu?
Yli 50 000 vuotta vanhojen näytteiden, koska näytteissä on radiohiiltä hyvin vähän. Radiohiiliajoitus ei myöskään toimi luotettavasti nuorien näytteiden tutkimisessa, koska kuolleissa eliöissä on tapahtunut muutoksia radiohiilessä niin vähän, että mittaustarkkuus ei riitä iän määritykseen.
90
alfasäteilyn ionisoivuus
alfahiukkaset ovat hyvin voimakkaasti ionisoivia. Ne pystyvät ionisoimaan lukuisia atomeja ennen pysähtymistään, koska atomien ja molekyylien ionisaatioenergiat ovat suuruusluokaltaan kymmeniä elektronivoltteja. Ytimestä lähtevän alfahiukkasen liike-energia on yleensä 2–10 MeV. Alfahiukkanen ei pysty läpäisemään ihmisen ihoa, mutta alfasäteily voi olla vaarallista, jos sitä lähettäviä radioaktiivisia aineita joutuu elimistöön hengitysilman, juoman tai ravinnon mukana.
91
beetasäteilyn ionisoivuus
Beetahiukkaset ovat läpäisykykyisempiä kuin alfahiukkaset ja pystyvät tunkeutumaan esimerkiksi ihoon. Beetasäteilyä lähettävät aineet ovat vaarallisia iholla tai päästessään elimistöön.
92
gammasäteilyn ionisoivuus
Alfa- tai beetahajoamisessa syntyvä tytärnuklidi on usein virittynyt, ja viritystilat purkautuvat gammasäteilynä. Gammasäteily on läpitunkevaa, ja siksi sitä käytetään läpivalaisuun lääketieteessä ja tekniikassa. Gammasäteily on vaarallista elävälle kudokselle. Hyvin voimakas gammasäteily tappaa elävät solut nopeasti.
93
heikennyskerroin
riippuu väliaineesta ja säteilyn energiasta. Heikennyskertoimen yksikkö on 1/m
94
puoliintumispaksuus
se väliaineen paksuus, joka vähentää gammasäteilyn intensiteetin puoleen. d_0,5=ln2/mu(heikennyskerroin)
95
ulkoinen säteily
pääasiassa luonnon taustasäteilyä. Suomen kallioperän yleisimmissä kivilajeissa, graniitissa ja gneississä, on radioaktiivista uraania ja toriumia.
96
sisäinen säteily
ihmisen kehon sisältä tulevaa säteilyä. Ihmisen kehossa on useita radioaktiivisia aineita. aineet kulkeutuvat kehoon ruoan, juoman ja hengitysilman mukana. Elimistöön siirtyy myös uraanin isotooppeja ja hajoamisketjun tytärnuklideja, esimerkiksi radiumia.
97
absorboitunut annos
ilmaisee säteilyn aineeseen luovuttaman energian massayksikköä kohden. Säteilyannoksen yksikkö on gray (1 Gy = 1 J/kg).
98
ekvivalenttiannos
kuvaa säteilyn tietylle elimelle tai kudokselle aiheuttamaa terveydellistä haittaa. lasketaan absorboituneesta annoksesta siten, että siinä huomioidaan laatukertoimien avulla annoksen aiheuttaneen säteilylajin (esimerkiksi alfasäteily, beetasäteily tai neutronit) kyky aiheuttaa haittaa.Ekvivalenttiannoksen yksikkö on sievert (Sv).
99
efektiivinen annos
kuvaa säteilyn aiheuttaman terveydellistä kokonaishaittaa. Se lasketaan altistuneiden elinten ja kudosten ekvivalenttiannosten summana, jossa huomioidaan kunkin elimen ja kudoksen säteilyherkkyys painotuskertoimien avulla. Efektiivisen annoksen yksikkö on sievert (Sv). Kun puhutaan säteilyannoksesta, tarkoitetaan useimmiten efektiivistä annosta.
100
radon
Radon on ongelma tietyillä alueilla Suomessa erityisesti omakotitalojen sisäilmassa, jos maaperästä vapautuva radon pääsee huonosti eristetyn alapohjan läpi talon sisäilmaan. Korkeita radonpitoisuuksia on esimerkiksi soraharjualueilla. Myös porakaivojen vesissä on vaihtelevia määriä radonia ja muita 238U:n hajoamisketjun radioaktiivisia tuotteita. Radon ja sen radioaktiiviset hajoamistuotteet emittoivat säteilyä, joka ionisoi solujen molekyylejä. Suomen kallioperä sisältää uraania, jonka hajoamistuote radon on. Radon on kaasu, jota vapautuu ilmaan ja joka voi kulkeutua rakenteiden läpi myös huoneilmaan. Radonin pit. voivat nousta moninkertaisiksi verrattuna ulkoilman sisältämiin pitoisuuksiin varsinkin talvella, koska huoneita tuuletetaan vähemmän kuin kesällä, ja ulko- ja sisälämpötilojen erosta johtuen taloissa vallitsee alipaine ulkoilmaan verrattuna.
101
annosnopeus
ilmaisee, kuinka suuren säteilyannoksen ihminen saa tietyssä ajassa. Annosnopeutta käytetään kuvaamaan, kuinka vaarallista on oleskelu tietyssä paikassa tietynlaisen säteilyn kohteena. Jos annosnopeus on suuri, jo lyhyessäkin ajassa saa suuren säteilyannoksen. Annosnopeuden yksikkönä käytetään milli- tai mikrosievertejä tunnissa (mSv/h tai μSv/h).
102
radiologia
Ihmisen kehon tutkimus erilaisten säteilyyn perustuvien kuvantamismenetelmien avulla
103
röntgensäteilyn käyttö lääketieteessä
perustuu siihen, että röntgensäteilyn vaimeneminen kudoksissa riippuu kudoksen ainekoostumuksesta ja tiheydestä. Vaimeneminen tapahtuu pääasiassa siten, että röntgensäteilyn fotoni absorboituu atomiin irrottaen atomin alimmilta energiatasoilta elektronin. Mitä enemmän absorptiota tapahtuu, sitä vähemmän röntgensäteilyä läpäisee kyseisen kehon osan ja päätyy röntgenkuvan muodostavaan ilmaisimeen. Absorboituminen on sitä voimakkaampaa, mitä suurempi on atomin protoniluku. Röntgenputkesta suunnattava röntgensäteily absorboituu osittain kehoon ja kehon läpi päässyt röntgensäteily jatkaa vastakkaisella puolella olevaan ilmaisimeen. Röntgenkuva muodostetaan kehon läpi päässeen röntgensäteilyn jakautuman avulla.
104
tietokonekerroskuvaus
eli tietokonetomografia (TT) perustuu röntgensäteilyn käyttöön. Siinä kuvattava kohde kuvataan joka puolelta. Kun saatu havaintoaineisto yhdistetään tietokoneella, saadaan kohteesta kolmiulotteinen tiheysjakautuma, joka usein esitetään poikkileikkauskuvina. Tällä tavalla kohteesta saadaan tarkempaa tietoa kuin perinteisellä, yhdestä tai muutamasta suunnasta otetulla röntgenkuvalla on mahdollista saada.
105
magneettikuvaus
perustuu ns. ydinmagneettiseen resonanssiin. Voimakkaassa magneettikentässä oleva ydin absorboi energiaa siihen kohdistetusta, radioaaltojen taajuusalueella olevasta lyhyestä sähkömagneettisesta pulssista. Ydin virittyy eli se absorboi kentästä fotonin, jonka energia vastaa ytimen energiatilojen välistä energiaeroa. Kun viritystila purkautuu, ydin säteilee saman taajuista säteilyä kuin se absorboi. Sanotaan, että ydin resonoi sähkömagneettisen säteilyn kanssa.
Ytimien absorboiman säteilyn taajuus riippuu magneettikentän voimakkuudesta kyseisessä kohdassa. Kun magneettikentän jakautuma tunnetaan, voidaan kohteesta muodostaa kuva havaitsemalla ytimien emittoivaa radiotaajuista säteilyä ja sen taajuudessa esiintyviä paikallisia vaihteluita. Eniten säteilyä tulee sieltä, jossa on paljon protoneita suhteessa neutroneihin eli runsaasti esimerkiksi vettä. Sen takia magneettikuvaus on tehokas menetelmä erityisesti pehmeiden kudosten, kuten aivojen ja selkäytimen, kuvantamiseen.
106
sädehoito
Ionisoivaa säteilyä voidaan käyttää syöpäsolujen tuhoamiseen ja kasvainten koon pienentämiseen. Säteily aiheuttaa kudoksessa molekyylien, kuten vesimolekyylien, ionisoitumista. Ionisoituneet molekyylit puolestaan vahingoittavat solujen lisääntymiselle tärkeitä molekyylejä. Kun solussa tapahtuu riittävä määrä sädevaurioita, solu kuolee.
107
ulkoinen sädehoito
potilaaseen ohjataan korkeaenergiaista ionisoivaa säteilyä kehon ulkopuolelta
108
sisäinen sädehoito
Sädehoitoa voidaan antaa kudoksensisäisesti sijoittamalla radioaktiivista yhdistettä sisältäviä rakeita kasvaimen sisään tai lähelle kasvainta.
109
gammasäteilyn synnyttäminen lääketieteessä
Ulkoisessa sädehoidossa käytettävä säteily tuotetaan yleensä lineaarikiihdyttimellä. tuotettu säteily on gamma- tai elektronisäteilyä. Gammasäteily synnytetään törmäyttämällä elektronit metallikohtioon. Kun säteily kohdistetaan kasvaimeen eri suunnista, säteilymäärä kasvainta ympäröiviin kudoksiin voidaan pitää pienenä.
110
protoniterapia
syöpäkasvainta pommitetaan hiukkaskiihdyttimestä saatavilla protoneilla. Protonit luovuttavat energiaa kudoksiin eri tavalla kuin sähkömagneettinen säteily ja elektronit. Toisin kuin esimerkiksi röntgensäteet, protonit luovuttavat suurimman osan energiastaan vasta vähän ennen pysähtymistään. Kun protonien energia mitoitetaan oikein, protonit saadaan luovuttamaan valtaosan energiastaan vasta syöpäkasvaimen kohdalla, jolloin terveisiin kudoksiin syntyy vähemmän vaurioita kuin muissa sädehoidoissa.
111
boorineutronisädehoito
voidaan käyttää hankalasti hoidettavissa oleviin pään ja kaulan alueen syöpäkasvaimiin. Hoidossa potilaan verenkiertoon annostellaan yhdistettä, joka sisältää boori-10-isotooppia. Yhdiste kerääntyy syöpäkudokseen, jonka jälkeen kasvainta säteilytetään pienienergiaisilla (termisillä) neutroneilla. Kun 10-B-ydin kaappaa neutronin, muodostuu epästabiili 11-B-ydin, joka hajoaa nopeasti α-hiukkaseksi ja 7-Li-ytimeksi. Samalla syntyy gammahiukkanen. Alfa- ja litiumhiukkaset ovat ionisoivia ja vahingoittavat syöpäsolujen DNA:ta paikallisesti – niillä on kudoksessa vain muutaman mikrometrin pituinen kantama. Vapautuvat gammahiukkaset vuorovaikuttavat heikommin kudoksen kanssa, joten niitä pääsee etenemään myös syöpäkasvainta ympäröivään terveeseen solukkoon sitä vaurioittaen. Menetelmällä voidaan kohdistaa kasvaimiin paikallisesti suuria säteilyannoksia.
112
isotooppilääketiede
elimistön toimintaa tutkitaan ja sairauksia hoidetaan kehoon annosteltavien radioaktiivisten isotooppien avulla. Radioaktiiviset isotoopit liitetään osaksi kemiallista yhdistettä, eli yhdiste niin sanotusti leimataan radioaktiivisella aineella. Leimattua yhdistettä kutsutaan radiolääkkeeksi. Se kerääntyy tutkittavaan tai hoidettavaan kudokseen.
113
isotooppikuvaus
kartoitetaan radiolääkkeen emittoimaa säteilyä gammakameroiden avulla. Kun elin ei toimi oikein, radiolääke kertyy elimeen ja jakautuu siinä eri tavoin kuin normaalilla tavalla toimivassa elimessä. Siinä missä röntgen- ja magneettikuvauksella saadaan tietoa pääsääntöisesti elimen rakenteesta, isotooppikuvauksella voidaan selvittää elimen toimintaan ja aineenvaihduntaan liittyviä muutoksia.
114
isotooppihoito
radiolääke kerääntyy haluttuun elimeen tai kudokseen, jossa se emittoi ionisoivaa säteilyä paikallisesti.
115
gammakuvaus
isotooppikuvausmenetelmä. Potilaalle annetaan gammasäteilyä lähettävää radiolääkettä, joka kerääntyy tutkittavaan elimeen. Lääkkeen kertymistä ja jakautumista elimessä seurataan gammakameran avulla. Tutkittava elin lähettää gammasäteilyä kaikkiin suuntiin, mutta niin kutsutun kollimaattorin avulla ilmaisimeen saadaan ohjattua vain se osuus gammasäteilystä, joka saapuu kohtisuorasti ilmaisimeen. voidaan tehdä myös kahdella gammakameralla, jotka kiertävät potilaan ympäri ja mittaavat gammasäteilyä useasta eri suunnasta. Tämä niin kutsuttu SPECT-kuvaus soveltuu hyvin paksujen elinten tutkimiseen
116
PET-kuvaus
Positroniemissiotomografia- eli PET-kuvauksessa potilaalle annetaan β+-aktiivisilla isotoopeilla leimattua radiolääkettä. Kun radiolääkkeen sisältämän isotoopin emittoima positroni vuorovaikuttaa elimistössä olevan elektronin kanssa, tapahtuu annihilaatio. Syntyvä gammasäteily voidaan havaita rengasmaisesti kehon ympärille asetetun ilmaisimen, PET-kameran, avulla. Gammakvantit lähtevät samanaikaisesti liki vastakkaisiin suuntiin. Kun kamera havaitsee samanaikaisesti kaksi gammakvanttia, tiedetään, että leimattua merkkiainetta
on havaintopisteiden välisellä akselilla. Yhdistämällä suuri määrä havaintoja saadaan tietokoneen avulla muodostettua kuva tutkittavasta kohteesta.
117
eksoerginen ydinreaktio
Reaktio on energiaa vapauttava. jos reaktioenergia ja massavaje ovat positiivisia.
118
endoerginen ydinreaktio
Reaktio on energiaa sitova, jos se vaatii syntyäkseen energiaa.
119
fuusio
ydinreaktio, jossa kaksi kevyttä ydintä liittyvät toisiinsa muodostaen raskaamman ytimen. Syntyvän raskaamman ytimen massa on pienempi kuin alkuperäisten ytimien massojen summa. Tätä massavajetta vastaava energia, eli sidosenergia vapautuu fuusion tapahtuessa. Vapautuva energia ilmenee syntyvän ytimen liike-energiana sekä fuusiossa mahdollisesti vapautuvien nukleonien, elektronien ja neutriinojen liike-energiana sekä fotonien energiana. Jotta ytimet fuusioituisivat, niiden on tultava niin lähelle toisiaan, että ydinvoima sitoo niiden nukleonit toisiinsa yhdeksi ytimeksi. Ydinten lähestymistä vastustaa protonien välinen hylkivä sähköinen Coulombin voima, jonka kantama on paljon pidempi kuin ydinvoiman kantama. Coulombin voima kasvaa sitä suuremmaksi mitä lähemmäksi ytimet tulevat toisiaan. Sanotaan, että ydinten on ylitettävä Coulombin valli, jotta ne pääsevät ydinvoiman kantaman päähän toisistaan.
120
Coulombin valli
Coulombin valli on matalin kevyille ytimille, joissa on vähän protoneja. Toisaalta ytimissä olevat neutronit auttavat uuden pysyvän ytimen syntymistä, sillä ne kasvattavat protonien etäisyyttä toisistaan ja pienentävät näin protonien välistä hylkivää sähköistä voimaa. Helpoiten fuusioituvia ytimiä ovat vedyn isotoopit deuterium ja tritium.
Fuusioituvilla ytimillä tulee olla riittävän suuri liike-energia, jotta ne ylittävät Coulombin vallin.
121
massavaje ydinreaktiossa
∆m = (mA + mB) – (mC + mD), missä mA ja mB ovat lähtöydinten massat ja mC ja mD tulosydinten massat.
122
fissio
raskaat ytimet halkeavat keskiraskaiksi ytimiksi. Usein fission käynnistää neutronin osuminen ytimeen -> ydin muuttaa muotoa -> protonien hylkimisvoima halkaisee. Sellaisia neutroneja, joiden nopeus vastaa lämpöliikkeessä olevien hiukkasten nopeutta, kutsutaan hitaiksi eli termisiksi neutroneiksi. Nopeat neutronit eivät yleensä aiheuta uraaniytimen halkeamista. On myös ytimiä, jotka eivät halkea hitaiden neutronien pommituksessa, vaan halkeamiseen tarvitaan nopeiden neutronien suuri liike-energia. massavajetta vastaavan reaktioenergian tulee ylittää ytimen halkeamiseen tarvittava energia.
123
energian tuottaminen uraanin avulla
Reaktorissa uraaniytimien halkeaminen perustuu kontrolloituina ketjureaktioina tapahtuviin fissioihin, joissa fissiossa vapautuvat neutronit käynnistävät uusia fissioita.
124
kriittinen massa
Ketjureaktion synty vaatii, että U-235-ytimiä on riittävä määrä eli uraanimäärä ylittää kriittisen massan. Tällöin keskimäärin ainakin yksi ytimen halkeamisessa syntyneistä neutroneista osuu toiseen ytimeen ja aiheuttaa sen halkeamisen.
125
hidastinaine
Uraaniytimen halkeamisessa vapautuneilla neutroneilla on paljon liike-energiaa eli ne ovat niin kutsuttuja nopeita neutroneita. Nopeiden neutronien aiheuttamat fissiot ovat paljon harvinaisempia kuin hitaiden, termisten neutroneiden. Tämän takia halkeamisissa syntyneet neutronit täytyy hidastaa termisiksi neutroneiksi, jotta ketjureaktio pysyisi yllä. Hidastinaineena (moderaattorina) käytetään yleensä vettä. Hidastuessaan neutronit luovuttavat energiaa veteen ja vesi lämpenee. Vettä kierrättämällä energiaa siirretään energiantuotantoprosessin seuraavaan vaiheeseen.
126
säätösauvat
Ydinreaktorissa fissioiden määrää ja samalla reaktorin lämpötilaa ja tehoa säädellään liikuteltavilla neutroneita absorboivilla säätösauvoilla. Mitä enemmän sauvat ovat lomittain polttoainesauvojen kanssa, sitä vähemmän reaktorissa liikkuu vapaita neutroneita. Mitä vähemmän vapaita neutroneita on, sitä vähemmän fissioita tapahtuu ja sitä alhaisempia ovat reaktorin lämpötila ja teho. Säätösauvat sisältävät neutroneita voimakkaasti absorboivia aineita kuten booria tai kadmiumia. Säätösauva estää neutronin pääsyn toiseen polttoainesauvaan
127
hyötöreaktori
tulevaisuudessa. Hyötöreaktorissa nopeiden neutronien pommituksessa myös uraanin muut isotoopit, kuten U-238, voivat muuttua fissioituviksi.
128
kiehutusvesireaktori
reaktiosydämen jäähdytysaineena ja neutronien hidastimena käytetään vettä. Vesi kuumenee, kun fission hajoamistuotteet luovuttavat hidastuessaan sille liike-energiaansa. Tämän seurauksena vesi kiehuu ja syntyvä höyry johdetaan pyörittämään turbiinia. Lauhduttamiseen käytetään merivettä.
129
painevesireaktori
reaktiosydämen jäähdytysaineena ja neutronien hidastimena käytettävän ensiöpiirin veden paine pidetään niin korkeana, ettei vesi noin 300 °C:n lämpötilastaan huolimatta kiehu kulkiessaan reaktiosydämen läpi. Kuuma vesi luovuttaa energiaansa erillisessä höyrystimessä toisiopiirin vedelle. Toisiopiiriin muodostuva höyry pyörittää turbiineja, jotka pyörittävät generaattoreita. Niissä toisiopiirin lauhduttimena käytetään merivettä.
130
SMR
pieni modulaarinen ydinvoimala. Kaukolämpöä saatetaan jatkossa tuottaa niiden avulla. Pelkässä lämmöntuotannossa käytettävän reaktorin lämpötila ja paine ovat matalampia kuin sähköntuotannossa, joten lämpöä tuottava ydinvoimalaitos on edullisempi rakentaa.
131
loppusijoitus
Ennen ydinjätteen loppusijoitusta käytettyä polttoainetta säilytetään vesialtaissa 40–60 vuotta. Tänä aikana jätteen aktiivisuus laskee noin tuhannesosaan alkuperäisestä aktiivisuudesta. Myös jätteen lämpötila laskee, joten jätettä on helpompi käsitellä.
Loppusijoitusta varten polttoainesauvat pakataan loppusijoituskapseleihin, jotka sijoitetaan moninkertaisin suojauksin varustettuina 400 m:n syvyyteen kallioperään.
132
fuusioreaktori
tulevaisuudessa. Korkeassa lämpötilassa aine on plasman muodossa eli atomeista on irronnut elektroneita. Jotta fuusioreaktiot tapahtuisivat, plasman lämpötila tulee olla hyvin korkea. Plasman tulee myös olla riittävän tiheää ja laajenemaan pyrkivä plasma tulee pitää koossa tarpeeksi pitkä aika, jotta fuusioita tapahtuisi riittävästi. Plasma pidetään koossa magneettikentän avulla.
Deuteriumin ja tritiumin fuusioituessa syntyvät heliumytimet ovat sähkövarauksellisia ja jäävät magneettikentän vangitsemiksi lämmittäen osaltaan plasmaa. Suurin osa fuusiossa vapautuvasta energiasta poistuu plasmasta neutronien mukana, sillä magneettikenttä ei vaikuta niihin. Neutronit absorboituvat plasmakammion seinämiin, jossa niiden liike-energia muuntuu seinämien ja seinämien sisällä kiertävän veden sisäenergiaksi. Koska fuusioreaktorissa liikkuu nopeita neutroneita, sen rakenteisiin syntyy hieman radioaktiivisia aineita, mutta varsinaista ydinjätettä ei synny. Fuusioreaktioita voidaan saada aikaan myös matalassa lämpötilassa, jos fuusioitavia aineita törmäytetään keskenään esimerkiksi hiukkaskiihdyttimen avulla.
133
hiukkasfysiikka
tutkii atomin ydintä pienempien aineen osasten rakennetta ja vuorovaikutuksia. Alkuräjähdysmallin mukaan maailmankaikkeuden alkuhetkinä aine oli perushiukkasten muodossa ja kaikkia perushiukkasia oli yhtä paljon. Hiukkasfysiikan lakien ja hiukkasten ominaisuuksien tunteminen on tärkeää, kun selvitetään maailmankaikkeuden syntyä ja kehitystä.
134
perushiukkaset
hiukkaset, joilla ei ole sisäistä rakennetta, eli ne eivät koostu muista hiukkasista. Nykytietämyksen mukaan perushiukkasia ovat esimerkiksi leptonit, sekä protonien ja neutronien rakenneosat, kvarkit + näiden antihiukkaset
135
miksi sirontakokeessa hiukkassuihkun energia tulee olla suuri?
Hiukkanen, jonka massa on m, voi syntyä vain, jos hiukkasten törmäyksessä on käytettävissä Einsteinin energiayhtälön
E = mc^2 mukainen määrä energiaa. mitä suurempi on hiukkassuihkun energia, sitä pienempi on hiukkasten de Broglien aallonpituus ja sitä pienempiä yksityiskohtia sironnan avulla voidaan havaita.
136
hiukkasfysiikan standardimalli
Perushiukkasia ja niiden vuorovaikutuksia kuvaavaa teoriaa kutsutaan hiukkasfysiikan standardimalliksi. Se yhdistää yhteen teoriaan kaikki tunnetut perushiukkaset ja vuorovaikutukset välittäjähiukkasineen, lukuun ottamatta gravitaatiota.
137
perushiukkasten luokittelu
Standardimallin mukaan aine koostuu perushiukkasista, jotka voidaan jaotella kvarkkeihin ja leptoneihin. Perushiukkasten ajatellaan olevan pistemäisiä, koska niissä ei ole ilmennyt sisäistä rakennetta. Perushiukkaset jaotellaan usein kolmeen perheeseen, jotka ovat elektronin, myonin ja taun perheet. Jokaiseen perheeseen kuuluu neljä perushiukkasta, kaksi leptonia ja kaksi kvarkkia. Kaikki näkemämme aine rakentuu elektronin perheen hiukkasista. Kvarkkeja ei esiinny yksin, vaan ne muodostavat aina jonkin hiukkasen. Hiukkasfysiikan standardimalliin kuuluu lisäksi kunkin kvarkin ja leptonin antihiukkanen. Hiukkasen ja sen antihiukkasen massat ovat keskenään yhtä suuret ja varaukset vastakkaiset.
138
myonin perheen hiukkaset
hiukkaset ovat muutoin ominaisuuksiltaan identtiset elektronin perheen hiukkasten kanssa, mutta niiden massat ovat suuremmat.
139
taun perheen hiukkaset
hiukkasten massat ovat myonin perheen hiukkasten massoja suuremmat. Myonin ja taun perheen hiukkasia syntyy vain hyvin suuren energian hiukkasreaktioissa, joissa ne hajoavat nopeasti elektronin perheen hiukkasiksi.
140
perusvuorovaikutus
Perushiukkasten välillä tapahtuvat vuorovaikutukset. Ne määräävät, miten perushiukkaset reagoivat toisiinsa ja miten niistä muodostuu esimerkiksi nukleonien, atomien ja molekyylien kaltaisia rakenteita. Perusvuorovaikutuksia ovat sähkömagneettinen -, vahva -, heikko - ja gravitaatiovuorovaikutus. Hiukkasfysiikan standardimalli kuvaa näistä vuorovaikutuksista kolmea ensimmäistä.
Standardimalli on kvanttimekaaninen teoria, ja se selittää perusvuorovaikutukset välittäjähiukkasten avulla. Kullakin perusvuorovaikutuksella on oma välittäjähiukkasensa, jonka vuorovaikutuksen osapuolet ottavat vastaan ja luovuttavat.
141
sähkömagneettinen vuorovaikutus
varattujen hiukkasten välillä. Sen välittäjähiukkanen on sähkömagneettisen kentän kvantti eli fotoni. Fotonin emissio ja absorptio sekä liikemäärän säilyminen ilmenevät varattuja hiukkasia liikuttavina voimina. Vuorovaikutusta välittävä fotoni on hyvin lyhytikäinen, eikä sitä voi suoraan kokeellisesti havaita.
142
värivaraus
kvarkin ominaisuus, jonka takia kvarkki tuntee vahvan voiman vaikutuksen. värivarauksella on kolme eri astetta, jotka on nimetty punaiseksi, vihreäksi ja siniseksi. jokaisella antikvarkilla on jokin ns. antiväreistä, joita ovat antipunainen, antisininen ja antivihreä.
143
gluoni
gluoni välittää vahvaa vuorovaikutusta värivarauksellisten hiukkasten välillä. Gluoni on niin kutsutun gluonikentän kvantti. Myös gluoneilla on väri, minkä seurauksena kvarkit voivat vaihtaa väriä vuorovaikuttaessaan.
144
jäännösvuorovaikutus
Koska protoni ja neutroni ovat ulospäin värineutraaleja eli ”värittömiä”, ydintä koossa pitävä ydinvoima on vahvan vuorovaikutuksen jäännösvuorovaikutus. Esimerkiksi ytimessä protonin ja neutronin välillä vallitseva ydinvoima johtuu siitä, että protonin kvarkit ja neutronin kvarkit vuorovaikuttavat jonkin verran toistensa kanssa.
145
spin
”sisäinen pyörimismäärä”, joka liittyy hiukkasen magneettisiin ominaisuuksiin. Kaikki hiukkaset voidaan niiden spinin perusteella luokitella kuuluvaksi joko fermioneihin (spin puoliluku: leptoni, kvarkit,baryonit [3 kvarkin yhteenliittymät] ) tai bosoneihin (spin kokonaisluku: fotoni, gluoni, välibosonit, Higgsin bosoni ja mesonit [kvarkin ja antikvarkin yhteenliittymät]) . Kvarkeista koostuvia hiukkasia kutsutaan yhteisnimellä hadronit.
146
heikko vuorovaikutus
Kaikilla aineen perushiukkasilla on niin kutsuttu heikko varaus. Sen seurauksena perushiukkaset tuntevat heikon vuorovaikutuksen. Kyseessä on vuorovaikutuksista ainoa, joka pystyy muuttamaan kvarkin lajin toiseksi. Esimerkiksi u-kvarkki voi heikon vuorovaikutuksen seurauksena muuttua d-kvarkiksi. Heikko vuorovaikutus on keskeinen monessa reaktiossa, jossa epästabiili hiukkanen hajoaa. Heikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen on välibosoni.
147
neutriino
ei ole sähkö- eikä värivarausta ja niiden massa on häviävän pieni. Käytännössä neutriinot vuorovaikuttavat siten ainoastaan heikon vuorovaikutuksen kautta. Heikko vuorovaikutus on harvinainen tapahtuma ja neutriinot kulkevat aineessa lähes esteettä.
148
mittabosonit
Kolmea perusvuorovaikutusta välittäviä hiukkasia, gluonia, fotonia sekä W- ja Z-bosoneja kutsutaan yhteisnimellä mittabosonit. Näiden lisäksi bosonien luokkaan kuuluu Higgsin bosoni. Se on niin kutsutun Higgsin kentän kvantti. Standardimallissa esimerkiksi kvarkkien ja sähkövarauksellisten leptonien massat selitetään Higgsin kentän avulla.
149
kaiken teoria
yhdistää kaikki fysikaaliset ilmiöt samojen perusperiaatteiden alle.
150
gravitoni
Gravitaatio vaikuttaa perushiukkasten välillä, mutta kymmeniä kertaluokkia heikommin kuin muut vuorovaikutukset. Tästä syystä gravitaation vaikutusta on erittäin vaikea havainnoida hiukkaskokeissa. Lisäksi mallinnukset, joissa yritetään yhdistää gravitaatio osaksi standardimallin tapaa kuvailla vuorovaikutuksia, ovat osoittautuneet haastaviksi. Standardimallissa gravitaatiota välittäisi hiukkanen, joka on nimetty gravitoniksi. Gravitonia, eli gravitaatiokentän kvanttia, ei ole kokeellisesti havaittu.
151
kosminen punasiirtymä
Havaintojen mukaan kaukana sijaitsevien galaksien lähettämän säteilyn aallonpituudet ovat keskimäärin suurempia kuin omasta galaksistamme tulevan säteilyn aallonpituudet. Tätä sanotaan kosmiseksi punasiirtymäksi, ja sen voi ajatella johtuvan säteilyn lähteinä toimivien galaksien loittonemisesta Linnunradasta. Havaittu punasiirtymä ja siten galaksin loittonemisnopeus ovat sitä suurempia, mitä kauempana galaksi on. Lähestyvän kohteen tapauksessa aallonpituus pienenee, jolloin puhutaan sinisiirtymästä. johtuu avaruuden laajenemisesta
152
maailmankaikkeuden laajeneminen
Galaksien loittoneminen voidaan selittää maailmankaikkeuden laajenemisen avulla. Maailmankaikkeuden laajenemisella tarkoitetaan uuden tilan syntymistä kaikkialle avaruuteen. Kaksi galaksia eivät välttämättä liiku toistensa suhteen, mutta silti ne loittonevat toisistaan, koska niiden väliin syntyy koko ajan uutta avaruutta. Mitä suurempi on galaksien välinen etäisyys, sitä enemmän galaksien väliin syntyy uutta tilaa. Tämä ilmenee siten, että kaukana toisistaan olevat galaksit loittonevat toisistaan nopeammin kuin lähekkäin olevat galaksit. Avaruuden laajeneminen vaikuttaa myös valoon. Koska sähkömagneettisen aallon yhden jakson aikana kulkema matka pitenee, aallon aallonpituus kasvaa. Tämä selittää valon kosmisen punasiirtymän.
153
galaksien etäisyyden määritys
Tuhat valovuotta pitempien etäisyyksien mittauksessa hyödynnetään nk. standardikynttilöitä, joiden säteilyteho tiedetään. Esimerkiksi erittäin kirkkaat sykkivät tähdet, kefeidit, ovat standardikynttilöitä. Kefeidin kirkkausvaihteluiden taajuuden on todettu riippuvan hyvin tarkasti kefeidin säteilytehosta. Kaukaisessa galaksissa olevan kefeidin taajuudesta voidaan siten päätellä sen säteilyteho. Kefeidin havaittava kirkkaus pienenee kääntäen verrannollisesti etäisyyden neliöön.
Näin ollen kefeidin (ja samalla galaksin) etäisyys Maasta voidaan päätellä mittaamalla kefeidin kirkkaus Maasta katsottuna.
154
Hubblen laki
v = H_0∙d
H_0= 22 (km/s)/Mly
pätee tarkimmin tilanteessa, jossa punasiirtymä aiheutuu vain avaruuden laajenemisesta. Todellisuudessa galaksit liikkuvat toistensa suhteen gravitaation ohjaamina, ja myös liike ilmenee spektrien viivojen siirtyminä (valon Dopplerin ilmiö). Koska avaruuden laajenemisesta aiheutuva loitontuminen on sitä merkittävämpää, mitä kauempana kohde on, Hubblen laki soveltuu parhaiten hyvin kaukaisten kohteiden tutkimiseen.
155
alkuräjähdysteoria
Alkuräjähdysteorian mukaan maailmankaikkeus alkoi laajeta pienestä, tiheästä ja kuumasta alkutilasta 13,8 miljardia vuotta sitten. Yleiseen suhteellisuusteoriaan pohjautuva alkuräjähdysteoria ennusti, että avaruuden tulisi täyttää joka suunnassa samanlainen mikroaaltosäteily. Säteily on peräisin ajalta, jolloin maailmankaikkeuden aine järjestyi atomeiksi noin 380 000 vuotta maailmankaikkeuden synnyn jälkeen. Tämä niin kutsuttu kosminen taustasäteily havaittiin ensimmäisen kerran kokeellisesti vuonna 1964. selittää myös kevyiden alkuaineiden suhteelliset määrät maailmankaikkeudessa. Teorian mukaan vety, helium ja litium syntyivät kosmologisessa ydinsynteesissä maailmankaikkeuden ensimmäisten minuuttien aikana.
156
kosminen inflaatio
Nykykäsityksen mukaan maailmankaikkeus koki ensimmäisten sekunnin murto-osien aikana erittäin voimakkaan laajenemisen vaiheen, jota sanotaan kosmiseksi inflaatioksi. Inflaation sai aikaan avaruuden itsensä energia. Kun inflaatio päättyi, maailmankaikkeutemme oli tyhjä, mutta pian avaruuden energia alkoi muuttua säteilyksi, hiukkasiksi ja antihiukkasiksi. Maailmankaikkeus jatkoi laajenemistaan, mutta hitaammin kuin inflaation aikana. Inflaation jälkeen syntyneistä kvarkeista muodostuivat mikrosekunnin kohdalla protonit ja neutronit.
157
ydinsynteesi
Kun maailmankaikkeus oli ollut olemassa noin 10 millisekuntia, sen lämpötila oli laajenemisen seurauksena laskenut riittävän alhaiseksi, että protonit ja neutronit saattoivat seuraavien minuuttien aikana sitoutua toisiinsa muodostaen ytimiä. Ydinsynteesin ensimmäisessä vaiheessa protonit ja neutronit sitoutuivat deuteriumytimiksi
Nämä puolestaan fuusioituivat tritiumiksi . Deuterium- ja tritiumytimien fuusioituessa syntyi He-4-ytimiä.
Koska osa neutroneista oli ehtinyt jo aiemmin hajota reaktioissa, jossa neutronista muodostuu protoni, ydinsynteesin tapahtuessa maailmankaikkeudessa oli enemmän protoneita kuin neutroneita. Kun alkuräjähdyksestä oli kulunut 380 000 vuotta, maailmankaikkeuden lämpötilan laskiessa syntyivät atomit. Ne protonit, jotka eivät sitoutuneet heliumytimiin, toimivat vetyatomien ytiminä. Tällöin sai alkunsa myös kosminen taustasäteily. Sen aallonpituus oli aluksi näkyvän valon alueella, mutta maailmankaikkeuden laajenemisen seurauksena aallonpituus on venynyt nykyiselle mikroaaltojen aallonpituusalueelle.
158
alkuaineiden synty tähdissä
ekat tähdet koostuivat ydinsynteesissä muodostuneista vedystä ja heliumista.
Tähti syntyy, kun avaruuden kaasu- ja pölypilvi tiivistyy gravitaation vaikutuksesta pienelle alueelle. Mekaanista energiaa muuntuu prosessissa lämpöenergiaksi, minkä seurauksena tiivistyvän pilven lämpötila kasvaa. Kun lämpötila on tarpeeksi korkea, vety alkaa fuusioitua tähden ytimessä heliumiksi energiaa vapauttaen, tähti ”syttyy”. Vedyn fuusioreaktiot saattavat kestää jopa miljardeja vuosia. Kun vety on fuusioitunut, säteilypaine loppuu ja tähden keskusosa alkaa puristua kokoon. Tämä saa keskusosan kuumenemaan. Jos tähden massa on riittävän suuri, lämpötila ja paine kasvavat niin suuriksi, että helium-ytimet alkavat fuusioitua muodostaen hiiltä.
159
kevyet tähdet
Auringon kaltaisissa kevyissä tähdissä hiili on raskain syntyvä alkuaine. Tähden keskus ei kuumene tarpeeksi, jotta hiili fuusioituisi edelleen raskaammiksi alkuaineiksi. Kevyet tähdet päätyvät lopulta kääpiötähdiksi, eivätkä niiden sisällä syntyneet alkuaineet pääse mukaan aineen kiertokulkuun luonnossa.
160
suurimassaiset tähdet
Jos tähden massa on yli kolme kertaa Auringon massan suuruinen, tähden keskusosa tulee gravitaation vaikutuksesta niin kuumaksi, että hiili alkaa fuusioitua raskaammiksi alkuaineiksi. Raskaimmat vakaat alkuaineet, jotka tähden sisällä voivat syntyä fuusioitumalla, ovat nikkeli ja rauta. Niitä raskaampien alkuaineiden fuusioituminen ei vapauta energiaa vaan kuluttaa sitä.
161
miten nikkeliä ja rautaa raskaammat alkuaineet ovat syntyneet?
Tämänhetkisen käsityksen mukaan raskaat alkuaineet syntyvät isoissa tähdissä ennen niiden räjähtämistä, nova- ja supernovaräjähdyksissä sekä neutronitähtien välisissä törmäyksissä. Supernovaräjähdyksen seurauksena tähdessä syntyneet alkuaineet leviävät avaruuteen. Ne sulautuvat aikaa myöten tähtien välisessä avaruudessa olevaan muuhun aineeseen ja päätyvät lopulta uusien taivaankappaleiden rakennusaineiksi.
162
pimeä aine
aine, joka ei lähetä sähkömagneettista säteilyä. Pimeää ainetta ei voi havaita teleskoopeilla. Pimeän aineen koostumusta ei tunneta. vaikuttaa maailmankaikkeuden laajenemiseen samoin kuin tavallinen, näkyvä aine. Sen vaikutus ilmenee esimerkiksi kosmisen taustasäteilyn spektrin pieninä epätasaisuuksina ja siinä, miten galaksit sijaitsevat toisiinsa nähden.
163
gravitaatiolinssi-ilmiöt
Pimeä aine vaikuttaa gravitaation välityksellä myös valon kulkuun. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan valon suunta muuttuu massan vaikutuksesta. Pimeä aine taittaa valoa linssin tavoin.
164
pimeän aineen olemassaolon havaitseminen
olemassaolo havaitaan tutkimalla tähtien kiertoliikettä Linnunradassa ja muissa spiraaligalakseissa. Spiraaligalaksin massa on keskittynyt sen keskusosaan. Galaksin haarakkeissa liikkuvien tähtien nopeuden pitäisi olla sitä pienempi, mitä suurempi tähden radan säde on – samaan tapaan kuin planeettojen ratanopeus pienenee etäisyyden Aurinkoon kasvaessa. Havaintojen mukaan nopeudet eivät kuitenkaan pienene vaan pysyvät samana etäisyydestä riippumatta. Sama ilmiö on havaittu tutkittaessa galaksien liikkeitä galaksiryhmissä. tulokset voidaan selittää, jos oletetaan, että galakseissa ja galaksiryhmissä on näkyvän aineen lisäksi pimeää ainetta, jonka aiheuttama gravitaatio vaikuttaa tähtien liikkeisiin.
165
pimeä energia
saa galaksit loittonemaan toisistaan kiihtyvällä vauhdilla. vaikutus on päinvastainen kuin gravitaation, jonka vaikutus on galakseja puoleensavetävä. Pimeän energian ajatellaan olevan avaruuteen itseensä liittyvää energiaa eli tyhjiöenergiaa. Maailmankaikkeuden aine pyrkii gravitaatiovoimallaan hidastamaan maailmankaikkeuden laajenemista. Havainnot kuitenkin osoittavat, että laajeneminen ei hidastu vaan kiihtyy. Pimeän energian alkuperää ja luonnetta ei vielä tunneta.
166
neutronien määrä fissiossa
voi lisääntyä, mutta ei vähentyä
167
valosähköilmiön energiayhtälö
E_k,max= hf-W_0
168
esimerkkejä sähkömagneettisen säteilyn aaltoluonteesta ja hiukkasluonteesta
aalto:
- valon taipuminen kapeassa raossa.
- valon interferenssi sen kulkiessa hilan läpi, jolloin läpimenneistä aalloista syntyy diffraktiokuvio
hiukkas:
- comptonin sironta
- valosähköilmiö
- Kun fotonisuihku osuu fluoresoivalle pinnalle, siihen syntyy valaiseva jälki.
- Sähkömagneettinen säteily aiheuttaa pintaan osuessaan pintaan kohdistuvan paineen.
169
esimerkkejä hiukkasten aalto- ja hiukkasominaisuuksista
aalto:
-elektronisuihku kohtaa kaksoisraon -> läpimenneet elektronit interferoivat ja muodostavat diffraktiokuvion.
- elektronit siroavat kiteestä -> sironneet elektronit interferoivat, jolloin syntyy interferenssikuvio.
hiukkas:
- Newtonin mekaniikkaa voidaan käyttää mallina hiukkasten välisiä törmäyksiä tarkasteltaessa.
Elektronisuihku etenee sähkö- ja magneettikentässä kuten varatut hiukkaset.
170
miten radonin aiheuttamia haittoja voidaan torjua?
valitsemalla rakennuspaikka oikein. Ehjästä kallioperästä vapautuu vähemmän radonia kuin rikkonaisesta kallioperästä. haittoja vähennetään rakennusvaiheessa. Perustuksiin ja alapohjaan järjestetään tuuletus niin, että alapohjaan ei keräänny radonia. Lisäksi alapohja eristetään tiivisteiden avulla asuinhuoneista. Näin estetään radonin kulkeutuminen sisäilmaan.
171
spektrivasteen määritys kuvaajasta
Todellisessa aurinkokennossa spektrivasteen huippu vastaa hieman lyhyempää aallonpituutta, ja siten korkeampienergiaista fotonia, kuin ideaalisessa kennossa. Energialtaan irrotustyötä vastaavan fotonin aallonpituus voidaan arvioida kohdasta, jossa spektrivaste vähenee nopeimmin aallonpituuden kasvaessa.
