1895. aastal avastas Röntgen tundmatud kiired, mis paistsid asjadest läbi, isegi inimesest läbi. Esimest korda ajaloos sai elava inimese sisse piiluda ilma teda lahti lõikamata. Röntgenist sai Nobeli füüsikapreemia esimene laureaat. Tundus, et teadus saadab korda imesid. Teaduse populaarsuse laineharjal kogusid uue sajandi algul kiiresti tuntust ka radioaktiivsus ja raadium. Raadium kujunes müügiargumendiks. Pea kõigesse võis lisada raadiumi, see nägi etiketil välja kaasaegne ja teaduslik. Raadiumvärvid pidid kindlasti olema paremad kui tavalised, kuigi enamasti seal raadiumi polnud, lihtsalt nimi maksis. Väga kasulikuks ja populaarseks osutusid radioluminofoorid, värvid, millesse segatud radioaktiivne aine pani need helendama.

1917. aastal võttis US Radium Corporation erinevatesse ametitesse tööle umbes 70 naist, kellest osa hakkasid tööle nn raadiumvärviga. Helenduva värviga kaeti kellade ja näidikute numbrilaudu ning osuteid. Peene töö jaoks kasutati pisikesi kaamelikarvadest pintsleid. Et pintsli ots oleks täpse joonistamise jaoks terav, niisutasid töötajad seda suus. Umbes samal ajal töötas erinevates USA ja Kanada ettevõtetes sellel tööl ligi 4000 inimest. Radioaktiivsete ainete ohtlikkus oli sel ajal juba teada. Ladudes ja laborites hoiduti hoolega kokkupuutest raadiumiühenditega ja kasutati kaitseriietust. Värvimistöö juures aga veendi töötajaid, enamuses noori naisi, et kõik on ohutu. Esines juhtumeid, kus tüdrukud värvisid helendava seguga küüsi, ehteid, juukseid ja vähemalt ühel juhul isegi hambaid.

Tagajärjed olid kohtavad. Töötajate tervis halvenes kiiresti, neid vaevasid erinevad haigused. Paljud surid, täpset arvu ei ole teada. 1927. aastal pöördusid viis raskesti haiget endist töötajat kohtusse tervisele tekitatud kahju eest kompensatsiooni saamiseks. Kohtuprotsess osutus keerukaks, kestis kaua ja kajastus laialt ajakirjanduses. Kas raadiumitüdrukute kohtuasi muutis teadlaste ja kogu ühiskonna arusaamu aatomifüüsikast ja selle rakendustest?

Eelmises osas oli palju juttu aatomite ja molekulide vahelistest jõududest. Mitmed nähtused osutusid nii päris hästi kirjeldatavaks, ilma et me oleks suuremat tähelepanu pööranud aatomi koostisele ja siseehitusele. Muidugi me teame seda, et aatom koosneb tuumast ja elektronkattest. Ilma selleta poleks kuidagi olnud võimalik hakkama saada põhikooli füüsikatundides ja läbida keemiakursusi. Ka elektromagnetismi, optika ja elektrienergia teemades oli juttu elektronidest. Nüüd ongi aeg küsida, kuidas aatom koos püsib ja kuidas paiknevad seal elektronid? Selgub, et aine ehituse saladused ei ole avanenud loodusteadusele kergelt ja aatomi täpsem kirjeldamine ei ole kuigi lihtne ülesanne.

Aatom on küll nime järgi jagamatu (kreeka keeles atomos - jagamatu), aga hiljemalt 19. sajandi lõpuks oli füüsikutele selge, et tõeliselt jagamatu ta olla ei saa. Üheks vihjeks aatomi siseehitusele oli valguse mõju elektrilaenguga kehadele. 1887. aastal avaldas Heinrich Herz artikli sellest, et elektrisädemete tekkimist soodustab laetud kehadele langev ultravioletne valgus. Järgnevatel aastakümnetel uuriti nähtust (joonis 2.1.1.) väga põhjalikult ja see sai nimeks fotoefekt. Vaatamata kõigile pingutustele õnnestus fotoefekti ainult täpselt kirjeldada, mitte põhjendada.

19. sajandi lõpuaastatel tehti mitu avastust, mis viisid aatomiehituse mõistmisele tublisti lähemale. 1895. aastal avastas Wilhelm Röntgen senitundmatu kiirguse, x-kiired, mida hakati mõnel pool nimetama avastaja nime järgi röntgenikiirteks. Otsides fosforessentsi seotust Röntgeni avastatuga, märkas Henry Becquerel 1896. aastal, et uraaniühendid kiirgavad iseeneslikult veel üht uut kiirgust. Kiirgumine ei sõltu välistingimustest ja sellega ei kaasne keemilisi muutusi. Marie Skłodowska-Curie ja Pierre Curie eraldasid uraanimaagist uued, palju suurema kiirgusvõimega elemendid, polooniumi ja raadiumi. Nähtus sai nimeks radioaktiivsus. 1897. aastal avastas J.J. Thomson esimese aatomist väiksema osakese, mida hiljem hakati nimetama elektroniks. Aastal 1900 esitas Max Planck kvanthüpoteesi ja põhjendas, miks kuumemad kehad kiirgavad keskmiselt lühema lainepikkusega (sinisemat) valgust. Kvanthüpoteesi keskseks ideeks on, et valgus kiirgub ja neeldub väikeste portsjonitena, elementaarsete mõjukvantidena. Ühe kvandi energia on seotud valguslaine sagedusega. Kvandi energia ($E_{\text{kv}}$) on väga väike, sagedust ($f$) ja energiat seob Plancki konstant:

Kvanthüpotees ühendab valguse lainelist ja korpuskulaarset käsitlust, siiamaani olid need mitu sajandit rivaalitsenud.

Kvantide tegelik olemasolu ei olnud algul kindel, seega oli teooria hüpoteesiks nimetamine põhjendatud. Ometi osutus kvantide idee väga viljakaks. 1905. aastal ilmus Albert Einsteini fotoefekti teooriat elektronide ja kvantide kaudu seletav artikkel.

Joonis 2.1.1. Fotoefekti on võimalik demonstreerida üsna lihtsate vahenditega. Elektroskoobiga saab vaadata, kuidas negatiivse laenguga tsinkplaat kaotab laengu ultraviolettvalguse toimel. Tavalise lambiga valgustamine ei toimi. Positiivse laenguga plaadile ei mõju ei tavaline ega ultraviolettlamp.	Eriti lihtsate vahenditega läbi viidud fotoefekti katse. Alumiiniumpurgiga katses on vaja UVC-lampi (λ < 280nm).

Vaatame üht lihtsat fotoefekti näidet (joonis 2.1.1.). Ultravioletse valguse toimel kaotab metallplaat negatiivset laengut, aga positiivset mitte. Teades, et negatiivset laengut kannavad elektronid, võime tänapäevaste teadmiste alusel öelda, et valgus sunnib vabu elektrone ainest väljuma. Kuna positiivse laenguga metallis ei ole vabu negatiivseid ega ammugi mitte vabu positiivseid laengukandjaid, siis sel juhul pole valgusel midagi ainest välja lüüa. See lihtne ja paikapidav seletus jätab vastuseta mitu fotoefekti katseliselt kindlaks tehtud iseärasust:

• Fotoefekt tekib enamasti ultravioletse valguse toimel. Pikemalaineline kiirgus (näiteks punane valgus või soojuskiirgus) ei suuda elektrone ainest välja lüüa. Piiri, millest lühema lainepikkusega kiirgus on võimeline fotoefekti tekitama, nimetatakse punapiiriks. Punapiir on aineti erinev ja ei sõltu pinnale langeva valguse intensiivsusest. Kui nõrk ultravioletne valgus tekitab fotoefekti, siis isegi väga ere punane valgus seda ei tee.
• Ainest valguse poolt väljalöödud fotoelektronide energia on erinev, aga pole kunagi teatud piirväärtusest suurem. Valguse intensiivsuse suurendamine ei suuda kuidagi väljunud elektronide maksimaalset kiirust (st kineetilist energiat) suurendada, küll aga teeb seda lainepikkuse vähendamine.

Kui käsitleda valgust elektromagnetlainena, pole võimalik nimetatud katseandmeid seletada. Näiteks suurem valgustatus (eredam valgus) kannab ainesse rohkem energiat ja peaks seetõttu fotoelektronidele suurema kiiruse andma. Katseandmed näitavad aga, et suurema kiiruse annab hoopis lühem lainepikkus. Einstein rakendas oma 1905. aasta artiklis Plancki kvanthüpoteesi, käsitledes valgust energiakvantidena (saksa keeles - Energiequant. Lichtquant). Tänapäeval räägime valgust osakeste voona käsitledes kvantidest või footonitest. Ühe kvandi energia läheb ühele elektronile. Selline lähenemine lahendas fotoefekti mõistatuse ja ühtlasi veenis füüsikuid, et kvandid ei ole tühipaljas hüpotees.

Tänapäeval esitatakse fotoefekti teooria kokkuvõtlikult ühe töö ja energia valemina:

• Võrdusmärgi ees on aines neelduva valguskvandi energia.
  $E_{\text{kv}}=hf$
  kus $h$ on Plancki konstant ($h=6,6\cdot {10}^{-34}\text{J}\cdot \text{s}$) ja $f$ on sagedus. See lihtne valem kirjeldab valgust dualistlikult, ühelt poolt kvandi ehk footonina energia kaudu, teiselt poolt lainena sageduse kaudu. Tasub märkida, et kvantide energiad on väga väikesed. Näiteks ultraviolettvalgus, mille lainepikkus on 273 nm (st sagedus on 1,1·10¹⁵ Hz) kiirgub ja neeldub kvantidena, mille energia on 7,26·10^-19 J (4,53 eV).
• Teisel pool võrdusmärki on see, mis neeldunud kvandist saab. A tähistab valemis elektroni metallist väljalöömiseks vajalikku tööd, seda nimetataksegi väljumistööks. Kui footonitel on energiat vähem, kui kulub väljumistööks, siis fotoefekti ei teki. Kui footonitel on energiat rohkem, siis saavad elektronid metallist välja ja lisaks veel teatud kineetilise energia. Valemis on elektroni kineetiline energia
  $E_{\text{kin}}=\frac{m_e{v}^2}{2}$
  kus $m_e$ on elektroni mass ja v elektroni suurim võimalik kiirus.

Väljumistöö on aineti erinev. Vase väljumistöö A_Cu=7,2·10^-19J (4,7 eV), sellise energiaga on ultravioletse valguse kvandid. Kaaliumi väljumistöö A_K=3,7·10^-19J (2,3eV), fotoefekti tekitab isegi nähtav valgus.

Võib öelda, et Einsteini fotoefekti teooria esitab energia jäävuse seaduse mikromaailmas, aatomite ja mingil määral isegi elektronide tasandil.

Fotoefekti avastuslugu ja esimesed rakendused olid seotud välisfotoefektiga, nähtusega, kus elektronid valguse toimel tõesti väljuvad tahkest ainest gaasi või vaakumisse. Ainest väljunud elektronid, kui need elektrivälja abil liikuma panna, moodustavad fotovoolu, mida saab mõõta ja mitmel moel rakendada. Tänapäeval on fotoefektil palju rakendusi, mis põhinevad enamasti sisefotoefektil. Sisefotoefekti korral valgus küll vabastab elektronid, annab neile võimaluse liikuda, aga ei vii neid ainest välja. Neeldunud valguskvantide energia annab võimaluse viia elektronid samas ainetükis teise kohta, tihti teise kihti. Nii töötavad näiteks päikesepaneelid ja fotoaparaatide sensorid.

Valguse dualism

Õppisime Füüsikalise looduskäsitluse aluste kursuses, et kogu meile teadaolev universum koosneb ainest ja väljast. Ainel ja väljal on väga erinevad omadused. Näiteks mingi osakene asub ruumis kindlas kohas ja tal on kindlad mõõtmed. Aga väljal, mida see osake tekitab, ei ole mõõtmeid, see levib lainetena üle kogu ruumi.

Oleme ka rääkinud, et atomistlik printsiip kehtib ka väljade kohta. Makromaailmas pidevana tunduv väli osutub mikrotasemel samuti koosnevaks jagamatutest osakestest, mida nimetatakse välja kvantideks.

Käesolevas peatükis me uurime elektromagnetlaineid ning sellega seoses tutvume veel ühe looduse fundamentaalse printsiibiga. Selgub nimelt, et ühelt poolt saab loodust kirjeldada ainena (osakestega), mida võib põhimõtteliselt "näha ja katsuda". Teisalt saab neidsamu nähtuseid kirjeldada ka väljadega, mida pole näha, kuid mis vahendavad osakeste vahel mõjuvaid jõude. Sellist omaduste kahesust nimetatakse dualismiks (lad duo – kaks). Looduses vastab igale lainele osake ja iga osakesega kaasneb laine. Näiteks elektrone, mida me oleme joonistel harjunud nägema ümber aatomi tuuma tiirlevate pallikestena, saab kirjeldada ka lainete abil (selliseid laineid nimetatakse ka De Broglie laineteks).

Ka valgust saab kirjeldada kaheti. Siiani oleme rääkinud valgusest kui elektromagnetväljast, mis levib ruumis lainena. Selgub aga, et valgust saab kirjeldada ka osakeste abil, nimelt on olemas valguse osakesed ehk kvandid. Valguse kvanti nimetatakse footoniks (kr phos – valgus).

Footonitest oleme juba rääkinud kursuses Füüsikalise looduskäsitluse alused. Sealt saime teada, et footon on osake, millel seisumass on võrdne nulliga, see tähendab, et paigalolekus footon olla ei saa. Teisiti öelduna: kui footon peatatakse, siis muutub ta millekski muuks, tema energia muutub mõneks teiseks energialiigiks.

Valguse kvantiseloom ilmneb selgemalt valguse kiirgumisel (tekkimisel) ja neeldumisel (kadumisel). Laineline olemus tuleb esile peamiselt valguse levimisel.

Kahe pilu interferentsi eksperiment, mida saab läbi viia igasuguste lainetega, olgu selleks siis valgus või vee lainetus.	Kui valgus on nii nõrk, et tundlik detektor näeb iga footoni neeldumist, siis interferentsipilt tekib sellegipoolest - vaadake video lõpuni. See katse on üks ilusamaid valguse dualistlikku iseloomu demonstreeriv katse.

Valguse lainelised ja korpuskulaarsed (osakesetaolised) omadused ühendas omavahel M. Planck 1900. aastal, kui ta võttis kasutusele valemi

$E=hf$

kus $E$ on footoni energia, $f$ vastava valguslaine sagedus ja $h$ võrdetegur, mida tuntakse Plancki konstandina: TeX parse error: '\cdot' is only supported in math mode. Toodud valem kehtib kõigi elektromagnetlainete korral, mitte ainult valguse puhul.

Ühe footoni energia on nii väike, et seda otseselt mõõta on võimatu. Näiteks sääse ühe tiivalöögi energia on keskmiselt 10¹² (miljon miljonit) korda suurem footoni energiast.

Footonite olemasolu tõestati fotoefekti katsetega. Foto­efektiks, täpsemalt välisfotoefektiks nimetatakse elektronide väljalöömist ainest (J.3.8, a). On olemas ka sisefotoefekt, mille korral valgus lööb elektrone välja keemilistest sidemetest aatomite vahel, aga elektronid ainest ei välju. Sisefotoefekt on näiteks päikesepatareide töö aluseks.

J.3.8 a Välisfotoefekt	Video välisfotoefekti demokatsest. Selles videos on puudu kõige viimane lõik - kui valguse teel on klaasplaat, siis negatiivne laeng ei kao.

Välisfotoefekti uurimiseks kasutame katseseadet, mille skeem on toodud joonisel. 3.8 b.

Katsete tulemused võib kokku võtta järgnevalt:

• Kui elektroskoobiga ühendatud metallplaat laadida negatiivselt, siis selle valgustamisel kaob laeng mõne aja jooksul
• Kui plaat laadida positiivselt, siis laeng valguse toimel ei kao
• Kui me plaati üldse ei lae, siis valguse toimel plaat ei laadu
• Kui asetada valguse teele klaasplaat, siis ei kao ka negatiivselt laetud plaadi laeng

Teeme katsetest järeldused.

Esimene katse näitas, et valguse toimel kadus plaadilt elektrilaeng. Kuna negatiivse laengu kandjad on elektronid, siis võib järeldada, et valgus lõi plaadist välja elektrone.

Viimane katse aga näitas, et kui valguse teel oli klaasplaat, siis ei löödud plaadist elektrone välja. Põhjus on selles, et klaas laseb läbi ainult nähtavat valgust, aga mitte ultravalgust. Järelikult mitte igasugune valgus ei vabasta elektrone, vaid ainult suurema kvandienergiaga valgus ehk ultravalgus. On ju ultravalguse sagedus suurem kui nähtaval valgusel ja seega on ultravalgusel ka suurem kvandienergia. Tuleb märkida, et välisfotoefekt võib esineda üksikute ainete korral ka nähtava valguse toimel.

Kui plaat polnud laetud, siis valguse toimel ei laadunud sellepärast, et väljalöödud elektronid tõmmati plaati tagasi. Põhjus on selles, et enne oli plaadis elektronide negatiivsete laengute ja prootonite positiivsete laengute summa null. Aga elektronide lahkudes jäi ülekaalu prootonite positiivsete laengute summa ja plaat omandas positiivse laengu.

Kui plaat juba on positiivselt laetud, siis tõmmatakse väljalöödud elektrone plaati tagasi veel tugevamini kui laadimata plaadi korral.

Välisfotoefekti avastas 1887. aastal H. Hertz, kui ta uuris elektroodide vahel tekkivat sädelahendust. Ta märkas, et säde tema elektromagnetlainete tekitamiseks loodud katseseadmes tekkis paremini, kui elektroode valgustada. Põhjalikumalt uuris efekti A. Stoletov 1888. aastal. Kuid nemad ei osanud nähtust seletada. Seda tegi A. Einstein footonite abil 1905. aastal ja talle anti selle eest 1921. aastal Nobeli füüsikapreemia. Einsteini teooria sisu võtab kokku valem, mida tuntakse kui Einsteini valemit fotoefekti kohta.

$hf=A+\frac{m{v}^2}{2}$

kus $h$ on Plancki konstant, $f$ – valguse sagedus, $A$ – väljumistöö (töö, mida peab valguskvant tegema, et vabastada elektron positiivsete ioonide tõmbejõududest), $m$ – elektroni mass ja $v$ – vabanenud elektroni kiirus.

Nägime, et valgusnähtusi seletatakse nii lainete kui kvantide abil. Sageli öeldaksegi, et valgus on olemuselt dualistlik ehk kahene. Täpsem oleks öelda, et mitte valguse olemus ei ole dualistlik, vaid dualistlik on meie käsitlus valgusest: mõnede nähtuse juures avaldub valguse laineline olemus, teiste korral kvantolemus.

Valguse laine- ja kvantteooriad ei ole vastandlikud, nad täiendavad teineteist. Mida see tähendab? Aga seda, et kui me käsitleksime valgust kui ainult elektromagnetilist lainet, siis jääks meile mõistetamatuks mitmed valgusega seotud nähtused nagu juba eespool mainitud fotoefekt või valguse rõhk. Siis oleks leiutamata ka laserid ja kõik nendega seotu alates laserite kasutamisest meditsiinis ja lõpetades CD- ja DVD-mängijatega. Ja kui me käsitleksime valgust kui ainult footonite voogu, siis oleks meil keerulisem seletada valguse difraktsiooni ja interferentsiga seotud nähtuseid.

Mida väiksem on elektromagnetlaine sagedus $f$, seda väiksem on ka kvandi energia $E$, sest $E=hf$. Ja ühe kvandi energia võib olla nii väike, et meil ei ole võimalik seda avastada. Näiteks raadiolainetel, sagedusega 100 MHz, on ühe kvandi energia nii väike, et raadios registreeritava signaali tekitamiseks peab antennini jõudma vähemalt 10¹⁰ kvanti sekundis. Sellise osakeste arvu puhul on võimatu neid üksteisest eristada ja neid võib käsitleda lainena.

Ka veelaine koosneb ülipaljudest veemolekulidest, aga keegi ei räägi veeosakeste liikumisest, vaid ikka veelainest.

Kuid suure sagedusega elektromagnetlainete, näiteks γ-kiirguse korral on nende lainelisi omadusi raske märgata. Sel juhul käitub kiirgus pigem osakese kui lainena. Näiteks juba ühest γ-kvandist piisab, et esile kutsuda tuumareaktsiooni nagu seda võib teha ka mingi osakene, näiteks neutron.

Valgusel, mis on sageduste poolest raadiolainete ja γ-kiirguse vahepealne, avalduvad nii lainete kui osakeste omadused. See on aga ebatavaline ja harjumatu, sest me ei oska endale midagi taolist ette kujutada. Midagi muud sarnast pole me looduses märganud. Oleme harjunud, et osakene asub ikka mingis kindlas kohas, aga laine täidab mingi osa ruumist. Valguse korral on aga osake ka samal ajal laine ja laine osake. Sellise ebatavalise olukorra põhjuseks on fakt, et inimene ei saa vahetult tajuda valguse olemust.

Isegi tähtsamate fotoefektiga seotud leiutiste veidigi täpsem kirjeldamine vajaks eraldi peatükke, seepärast piirdume ühe lühiseletusega.

2009. aasta Nobeli füüsikapreemia läks jagamisele kahe praktiliste tulemustega teadussaavutuste vahel. Pool preemiast läks jagamisele Willard S. Boyle'i ja George E. Smithi vahel, kes olid leiutanud pooljuhtseadme, mida selleks ajaks tundis juba terve maailm. CCD (charge-coupled device, laengusidestusseadis) lõi digifotograafia ja tegi nähtavaks seni vaatlemata jäänud nähtused mikromaailmas, elusorganismides, Universumi kaugustes jpm.

CCD on kihilise struktuuriga piksliteks jagatud pooljuhtseade, kus fotoelektrone on võimalik koguda augukestesse (joonis 2.1.3.). See kõlab lihtsalt, aga tehniliselt on seade üsna keerukas. Idee pärineb 1960-ndatest, Boyle'i ja Smithi esimesed artiklid ilmusid 1970. Järgnevate aastakümnetega töötati välja sobivad materjalid ja tehnoloogia ülipisikeste pikslite tekitamiseks. Piksli mõõtudest sõltub pildi kvaliteet. Tänapäeval on piksli suurus umbes 10 mikronit (sajandik millimeetrit).

Joonis 2.1.3. Digipilt tekib pikslitele langevate footonite arvu (valguse intensiivsuse) mõõtmisel väljalöödud elektronide arvuna (kogunenud laenguna) ja tulemuse muutmisel digitaalseks signaaliks.	Joonis 2.1.4. CCD sensoreid armastavad astronoomid, nende seadmetele on välja töötatud maailma kõige suuremad ja kõige tundlikumad CCD-d. Pildil olev teleskoobisensor on toodetud ettevõttes Spectral Instruments (USA). Ruudukujulise 111,5 megapikslise sensori küljepikkus on ligi 10 cm, see töötab temperatuuril 160 K.

Max Planck (1858-1947)

Max Planckile 1918. aasta Nobeli preemia määramise põhjenduseks olid energiakvantide avastamisega füüsika arengule osutatud teened.

Preemia kätteandmisel 1. juunil 1920 peetud kõnes ütles Rootsi Kuningliku Teaduste Akadeemia president muu hulgas: „Plancki kiirgusteooria on tõesti olulisim teenäitaja kaasaegses füüsikas ja tundub kuluvat veel palju aega, enne kui ammenduvad aarded, mille Plancki geniaalsus on päevavalgele toonud.” On tõsi, et kvantmehaanikast on saanud tähtis kivi tänapäevase füüsika alusmüüris, aga vaevalt osati sel ajal aimata, kui palju selles füüsikaharus veel Nobeli preemiaid antakse ja milliste igapäevaste rakendusteni jõutakse.

Kõigele vaatamata oli Planck ise viimaseid, kes loobus mõttest pöörduda tagasi klassikaliste teooriate juurde. Nii tunnebki teadusajalugu teda kui vastutahtsi revolutsioonilist teoreetikut. Samuti jäi Planck kindlalt maailma juhusliku, tõenäosusliku loomuga toimimise idee oponendiks. See ei klappinud kuidagi tema intuitiivse ettekujutusega vaatleja ja füüsilise maailma suhtest.

Kvanthüpoteesi avaldamise ajal oli Planck 42-aastane ja on mõistetav, et nii suuri avastusi ta rohkem ei teinud, kuigi panustas hiljemgi mitmetesse füüsikaharudesse ja füüsikalisesse keemiasse.

Plancki autoriteet saksa füüsikute hulgas oli suur. Ta oli Preisi Teaduste Akadeemia matemaatika ja füüsika alaline sekretär ning Keiser Wilhelmi ühingu (praegu Max Plancki ühing) president. Kui natsid 1933. aastal võimule tulid ja paljud teadlased riigist lahkusid, jäi Planck Saksamaale, et nii palju kui võimalik hoida tagasi saksa füüsikatraditsiooni hävingut.

Vanemas eas pühendus Planck oma kirjutistes enam filosoofiale, esteetikale ja religioonile. Isiklikud tõekspidamised ja kindel iseloom aitasid tal taluda laste õnnetut surma ning Teise maailmasõja koledusi.

Albert Einstein (1879-1952)

Albert Einstein avaldas 1905. aastal neli teoreetilist artiklit, mis on teadusajaloos nii palju kuulsust kogunud, et seda aastat on hakatud lausa imeväärseks (annus mirabilis) nimetama. 2005. aastal, kui sellest tähelepanuväärsest saavutusest möödus sada aastat, tähistati rahvusvahelist füüsika aastat meenutamaks nende kaasaegse füüsika loomisele oluliselt kaasa aidanud tööde ilmumist.

Aastail 1902 – 1909 töötas Einstein Šveitsis Berni patendibüroo ametnikuna. Tal ei olnud sel ajal eriti head võimalust teadusajakirjade lugemiseks ja polnud ka kuigi palju kolleege, kellega oma teaduslikke ideid arutada. Siiski oli tolleaegne füüsika tippajakiri kättesaadav ja mõned lähemad sõbrad käisid Einsteini juures füüsika ja filosoofia probleeme arutamas.

Neli imelise aasta artiklit käsitlesid footoneid, Browni liikumist, massi ja energia seost ning erirelatiivsusteooriat. Tänapäeval kiputakse arvama, et iga töö neist neljast olnuks Nobeli preemiat väärt, relatiivsusteooria eriti. Einstein sai 1921. aasta Nobeli preemia „teenete eest teoreetilise füüsika vallas ja eriti fotoefekti seaduse avastamise eest”. Miks siis ikkagi fotoefekt, mitte relatiivsusteooria või mõni muu eriline teene? Preemia kätteandmisel peetud kõnes mainis Nobeli Komitee esimees lühidalt relatiivsusteooria ümber käivaid filosoofilisi vaidlusi ja Browni liikumise teooria vastu esimestel aastatel tekkinud suurt huvi. Massi ja energia seos jäi üldse mainimata, selle aeg polnud veel kätte jõudnud. Fotoefekti teooria ja footonite teema said palju kiitust kui teedrajavad suunad teaduses. Sel ajal tuli ridamisi esile teadussaavutusi ja avastusi, kus kvantteooria leidis eksperimentaalset kinnitust ja laia rakendust. Võib arvata, et Nobeli komiteel ei olnudki valikut, mida kõige erilisemaks pidada.

Atomismi idee pärineb antiikajast ja pikkadeks sajanditeks jäigi see ainult ideeks. Eksperimentaalsed meetodid arenesid alles 19. sajandil nii kaugele, et sai võimalikuks tõsiselt rääkida aatommassidest ja aatomite mõõtmetest. Samal ajal paranes jõudsalt arusaamine aatomitest, molekulidest ja keemilistest reaktsioonidest seoses keemiateaduse ning keemiatööstuse arenguga. 1870. aastaks sai esialgsel kujul valmis Mendelejevi tabel, aga selles kajastuvat elementide keemiliste omaduste perioodilisuse seadust polnud võimalik kuidagi põhjendada. Aatomite olemasolu ja ka see, et aatomid pole päris jagamatud, sai 20. sajandi algul üha rohkem kinnitust, aga esialgu oli lahtine, kus elektronid aatomis asuvad ja kuidas nad seal püsivad.

Aatomeid on sajandeid modelleeritud pisikeste kehakestena, mis koosnevad tundmatu päritolu, koostise ja ka tundmatute omadustega aatomiainest. Aatomi siseehitus ja kuju jäid saladuseks, sest inimese meeleorganid ei võimalda üksiku aatomi vaatlemist. Mingil moel lepime me praeguseni sellesama lihtsa ettekujutusega, kui kirjeldame näiteks soojusliikumist või difusiooni ja paneme värvilistest kuulikestest kokku molekulide mudeleid. Siiski, mudelikomplektis käib näiteks süsiniku kerakese külge alati neil sidet, aga vesinikule üks. See ei saa olla niisama, miski aatomi sees peab olema selle põhjuseks.

1897. aastal avastas J.J. Thomson katoodkiiri uurides esimese aatomist väiksema aineosakese, elektroni. Katoodkiired tekivad hõrendatud gaasiga täidetud klaastorus asuvate pingestatud elektroodide vahel, st tegemist on elektrivooluga hõredas gaasis või vaakumis. Tol ajal oli elektrivoolu olemus suureks mõistatuseks ja katoodkiired tähtis uurimisobjekt. Thomson näitas, et katoodkiired koosnevad negatiivse laenguga osakestest, mis on vesiniku aatomist üle 1000 korra kergemad. Kiiresti sai selgeks, et nii katoodkiirtes kui ka metalljuhtmetes kannavad elektrivoolu just elektronid. Avastus oli ka aatomiehituse alal läbimurdeks. Kuna elektronid võivad kanda aatomist välja negatiivset laengut, aga väga vähe massi, on loogiline arvata, et aatom koosneb põhiliselt positiivse laenguga raskest „aatomitaignast”. Nii pakkuski Thomson 1904. aastal välja esimese teaduslikult põhjendatud aatomimudeli, mida nimetatakse „ploomipudinguks”. Ploomipuding on traditsiooniline inglise jõulutoit, mis ei ole meie köögitraditsioonis eriti tuntud, seepärast on hakatud eesti keeles kasutama nime „rosinakukli mudel” (joonis 2.2.1.). Elektronid on selles mudelis nagu rosinad saias. Nimi ei ole väga õnnestunud, sest elektronid ei püsi paigal nagu rosinad, nad peavad aatomis tiirlema või võnkuma. Liikuvate elektronide kaudu saab põhjendada laengu ülekannet, elektrivoolu ja ka spektrite (erineva lainepikkusega valguse kiirgumise ja neeldumise) seletamiseks on lootust.

Rosinakukli mudel ei pidanud vastu kuigi kaua. Kohe pakuti välja ideid positiivse laengu asumisest aatomi keskel ja juba viie aasta pärast leiti aatomituum katseliselt. Sai selgeks, et ühtlast positiivse laengu pilve aatomis ei ole, rosinakukli mudelis on küll rosinad, aga saia ei ole. Aatomituumast ja sellega seonduvast tuleb juttu tuumafüüsika peatükkides. Aatomi elektronstruktuuri seisukohalt oli tuuma avastamine järjekordseks murdepunktiks. Aatomituum on aatomimõõtudes nii väike ja raske, et analoogia Päikesesüsteemiga on ilmne. Ka Päike on võrreldes planeetidega väga raske ja võrreldes kogu süsteemiga väga väike. Nii saigi uus mudel nimeks planetaarmudel. Analoogia oli tegelikult üsna kaudne. Polnud mingit põhjust arvata, et elektronid tiirlevad tuuma ümber ühes tasandis nagu planeedid ümber Päikese ja elektronid on kõik täpselt ühesugused, mida planeedid sugugi ei ole. Orbiitide idee sisaldus tegelikult juba Thomsoni mudelis, aga nende kuju ja stabiilset asetust isegi tuumaga aatomimudelis ei õnnestunud kuidagi klassikalise füüsika abil ennustada.

Aatomimudelid arenesid 20. sajandi algul väga kiiresti. Juba 1913. aastal avaldas Niels Bohr artiklite triloogia, kus aatomit on kirjeldatud kui positiivse laenguga tuuma ümber erineval kaugusel, kuid ainult kindlatel orbiitidel ringlevaid elektrone. Elektronid võivad ühelt orbiidilt teisele tõusta või langeda. Orbiidivahetusega kaasneb footoni kiirgumine või neeldumine. Lubatud orbiidil asuvad elektronid ei kiirga ega neela energiat, st energiatasemed aatomis on kvanditud. See viimane postulaat on vastuolus klassikalise elektrodünaamikaga. Kerkib küsimus, kuidas ja miks tiirlevad elektronid just lubatud orbiitidel ilma valgust kiirgamata?

Bohri aatomimudel võimaldas seletada vesiniku aatomi spektrijoonte koondumist seeriatesse ja andis päris hea alguse keemilise sideme ning elementide keemiliste omaduste põhjendamisele (joonis 2.2.3.). Kirjeldatud mudel on mingil moel segu klassikalisest ja kvantmehaanilisest käsitlusest ja selles ilmnesid, nagu kõigis eelmisteski, peagi puudused. Näiteks kirjeldub Bohri mudeliga ainult ühe elektroniga aatomi või iooni (eelkõige vesiniku) spekter, teiste aatomite spektrid paraku mitte.

Bohri aatom on esimene mikromaailma mudel, mis ei kasutata analoogiaid makromaailmast. Seepärast ei ole tal, erinevalt eelnevatest, kujundlikku nime. Mitte miski meie igapäevaste kehade maailmas ei käitu nii nagu elektronid aatomis. Elektron võib asuda näiteks teisel või kolmandal energiatasemel, aga ei saa asuda nende vahel. Me kõik võime elada teisel või kolmandal korrusel, aga kui me läheme teiselt kolmandale, oleme alati kasvõi korraks ka korruste vahel trepil. Intuitiivselt on vastuvõetamatu kujutleda, et mingi keha (näiteks elektron) saab kaduda ühelt orbiidilt ja ilmuda või tekkida teisel.

Praeguseks on teada, et elektronid ei liigu orbiitidel nagu kirjeldas Bohri-Rutherfordi aatomimudel. Ometi on see mudel paljudel juhtudel kasutamiskõlblik aatomitega toimuva kirjeldamiseks energiatasemete kaudu. Kui aatomi elektronkiht neelab kiirguskvante, lähevad elektronid suurema energiaga olekutesse. Bohri järgi läksid nad kõrgemetele (tuumast kaugematele) orbiitidele. Kasutades aatomi või molekuli elektronkatte lihtsustatud skeeme, nimetame suurema energiaga olekuid kõrgemateks energiatasemeteks. Joonistatakse neid tihtipeale siiski Bohri orbiitidena, eriti aatomite korral.

(Bohri aatomimudeli täpsema käsitluse leiad Henn Käämbre õpikust)

Bohri aatomimudel võimaldab küll elektronide orbiitide energiaid arvutada, aga ei näita põhjust, miks just need kindlad orbiidid (ehk energiatasemed) on lubatud. Siin tuleb appi dualismiprintsiip. 1924. aastal esitas Louis de Broglie käsitlusviisi, kus kõigi aineliste objektidega kaasneb laine. De Broglie lainepikkus ($\lambda$) sõltub osakese impulsist, st massist ja kiirusest.

kus $h$ on Planki konstant, $p$ - impulss, $m$ - osakese mass ja $v$ - osakese kiirus. Valemist ilmneb, miks me makrokehade lainelisi omadusi ei märka. Kuna Plancki konstant on väga väike, on tavaliste kehade de Broglie lained käsitamatult lühikesed.

Joonis 2.2.5. De Broglie laine mehaaniliseks analoogiks võiks olla kahest otsast kinnitatud keele võnkumine, aga veel parem on vaadata võnkuvat rõngast. Rõngal saab püsiv seisulaine tekkida siis, kui sinna sobitub täisarv lainepikkusi. Bohri mudeli orbiite peeti ringikujulisteks ja oli loogiline arvata, et lubatud orbiidid on need, kuhu mahub täisarv elektroni seisulaine lainepikkusi. Kuigi selle laine iseloomu kohta ei olnud veel midagi teada, sobis de Broglie elektronlaine mudelisse väga hästi.

Kass mängib keelpilli

Niisiis, juba tuntud footonite lainelis-korpuskulaarne dualism (ptk Aatom) laieneb elektronile ja teistelegi osakestele. Seega ei kihuta Bohri aatomimudeli orbiitidel mitte pisikesed kerakujulised elektronid, vaid võnguvad elektronide seisulained. Lubatuks osutuvad need Bohri orbiidid, kuhu mahub täisarv lainepikkusi. Kuigi elektroni laineomadused sobisid aatomimudelisse hästi ja leidsid ka eksperimentaalset kinnitust (ptk Elektronide difraktsioon), peab ka siin esitama mõned küsimused:

• kas elektroniga kaasnevat lainet saab otseselt siduda mõne füüsikalise protsessiga ehk hästi lihtsalt küsides: mis lainetab?
• kuidas  tõlgendada laine amplituudi?

Need küsimused viivad meid tagasi peatüki alguses lahtiseks jäänud küsimuse juurde, kus ja kuidas paiknevad elektronid aatomis? Klassikalises mehaanikas vastaks sellele küsimusele liikumisvõrrand. Meenutame näiteks teadusajaloos tuntud Kuu trajektoori probleemi lahendamist 17. sajandil. Newtoni seadused võimaldavad Kuu tiirlemist ümber Maa matemaatiliselt kirjeldada ja arvutada selle asukohta suvalisel ajahetkel. Kvantmehaanilises käsitluses on liikumisvõrrandi analoogiks Schrödingeri võrrand, mis kirjeldab aatomite, molekulide, aga ka aatomiosakeste kvantolekuid. Erinevalt klassikalisest mehaanikast ei ole võrrandi lahendiks elektroni trajektoor või asukoht mingil ajahetkel, vaid leiulaine (lainefunktsioon) (ptk Elektronide difraktsioon). Tuleb leppida, et elektroni asukoha, trajektoori või orbiidi asemel on tõenäosus leida elektroni aatomi, molekuli või kristalli mingis kohas. Leiulaine suurem amplituud vastab suuremale tõenäosusele.

Kvantmehaanika algust seostatakse enamasti Plancki 1900. aasta kvanthüpoteesiga (ptk Einsteini fotoefekti teooria), mis kvantiseeris ainult kiirguse. Teadusajalugu teeb vahet kaasaegsel kvantmehaanikal ja varastel kvantteooriatel. Viimaste hulka loetakse ka poolklassikalised teooriad nagu näiteks Bohri aatomimudel ja isegi de Broglie lained. Kvantmehaaniliste mudelite ja seega ka kaasaegses mõttes kvantmehaanilise maailmapildi alguseks loetakse 1926. aastat, mil Schrödinger avaldas oma võrrandi (ptk Kopenhaageni tõlgendus) De Broglie teoorias oli arvestatud, et osakesega ongi seotud mingisugune reaalne laine. Tegelikult on aineosakeste laineomadus esitatud Schrödingeri võrrandis leiulainena, mis on matemaatiline, tõenäosuslik tõlgendus. Ei saa öelda, et mingi füüsikaline objekt selles lainetab. Vaatamata sellele, et kvantmehaanilised mudeleid on intuitiivselt hoomamatud ja raskesti visualiseeritavad, on kvantmehaanika tänapäeva füüsika üks põhialustest ja paljud füüsika-, keemia- ja bioloogiaharud oleksid ilma kvantteooriata mõeldamatud.

Jah, aatomit võib tänapäeval päris hästi kirjeldada, aga peab arvestama, et nägemisega pole siin kuigi palju pistmist. Elektronide asukohti aatomis kirjeldatakse kvantarvudega. Õigemini kirjeldatakse neid piirkondi, kus elektrone võib leida, st elektronide leiulainete kujusid. Tõrjutusprintsiipi võib makromaailmas seletada nii, et kaks keha ei saa olla samal ajal samas kohas. Aatomi elektronstruktuuris tähendab see, et samas olekus, st sama kvantarvude komplektiga saab aatomis korraga olla ainult üks elektron. Elektronide kvantarve on neli: peakvantarv ($n$), orbitaalkvantarv ($\ell$), magnetkvantarv ($m$) ja spinn ($s$).

Peakvantarv loeb elektronkihte. Elektroni keskmine kaugus tuumast on väikseim esimeses kihis ($n=1$). Järgmistes kihtides on elektronid tuumast keskmiselt järjest kaugemal. Leiulaine suuremad amplituudid on tuumast kaugemal, suurema tõenäosusega võib elektrone leida tuumast veidi kaugemal.

Kuna kaugemal on ruumi rohkem, siis mahub sinna rohkem elektrone ja alates teisest kihist ($n=2$) jagunevad elektronid alakihtidesse. Igas järgmises kihis on üks alakiht rohkem (alakihte vastavas elektronkihis loendatakse nullist peakvantarvuni, $\ell =0,1,\mathrm{2...}n$). Lõplikult määrab elektroni poolt kasutatava territooriumi magnetkvantarv. Magnetkvantarvu väärtused igas alakihis võivad olla $m=0,\pm 1,\pm \mathrm{2...}\pm \ell$. Magnetkvantarvule lubatud pluss- ja miinusväärtused annavad igas järgmises alakihis ruumi veel kahele elektronile. Tuumast kaugemates kihtides võib olla üha rohkem elektrone, sest alakihte on rohkem ja eriti seepärast, et iga järgmine alakiht mahutab rohkem elektrone.

Lisaks on elektronil veel üks omadus, spinn. Spin tähendab inglise keeles pöörlemist ja tihti kujutataksegi elektroni päri- või vastupäeva pöörleva kerakesena. See on liiga piltlik, et olla täpne, aga aatomi elektronstruktuuri kirjeldades võib küll öelda, et ühele leiulainele vastab kaks elektroni, nende spinnid on vastassuunalised. Kokku on igas kihis kohta $2n^2$ elektronile.

Perioodtabeli koostamise aegu järjestati elemendid aatommasside järgi ja nii said nad endale järjenumbrid. Tegelikult kajastab järje- ehk aatomnumber (Z) elektronide arvu aatomis ja ühtlasi tuuma elementaarlaengute arvu. Elektronkatte kihiline ehitus võimaldab kaugemates kihtides hoida rohkem elektrone. Esimese (tuumale lähema, alumise, kõige sügavama, väiksema energiaga) kihi peakvantarv on üks ($n=1$) ja sinna mahub kaks elektroni. Arvestades ka spinni mahub igasse kihti $2n^2$ elektroni. Esimeses perioodis ongi kaks elementi, sellega on esimene kiht täis ja täituma hakkab teine. Teise kihi peakvantarv on 2, sinna mahub 8 elektroni. Aatomite keemilisi omadusi määravad väliselektronid. Heeliumil ja neoonil on väliskihid elektrone täis ja nende keemilised omadused on väga sarnased. Pole uudiseks, et kui väliselektrone on vähe, on need nõrgalt seotud ja aatomid kalduvad neid loovutama. Kui aga väliskiht on peaaegu täitunud, täituvad allesjäänud kohad kergesti teistelt aatomitelt saadaolevate elektronidega. Väliselektronid on sidemete moodustumise alus. Keemiliselt kõige põnevamad on nelja väliselektroniga aatomid, nagu süsinik ja räni, mis oma nelja võimaliku sidemega pakuvad võimaluse lõputu arvu ühendite tekkimiseks. Paljude elektronidega aatomites muutub üha olulisemaks elektronide omavaheline mõju ja alates neljandast perioodist läheb kihtide järjestikuse täitumise reegel segamini. Neljandasse kihti läheb esimene elektron enne, kui kolmandas on kõik võimalikud kohad hõivatud.

Joonis 2.2.7. Elektronide tõenäosuslikku paigutust aatomi sees on võimalik välja arvutada ja katseliselt kinnitada. Kas on võimalik ka tõeliselt elektronkattesse piiluda või vähemalt otse aatomite seest pärinevaid andmeid pildiks muuta? 2013. aastal avaldas rahvusvaheline teadlaste rühm pildid, kus väidetavalt esimest korda paistab ergastatud vesiniku aatomi elektronstruktuur. Kasutatud on uut „kvantmikroskoopi”, kus toimib juba 30 aastat tagasi välja pakutud fotoionisatsioonmikroskoopia meetod. Laseriga ioniseeritavast aatomist erinevates suundades väljuvad elektronid suunatakse elektrivälja abil läbi elektrostaatilise läätse ekraanile. Tekkinud elektronlainete interferentsipilt kannab otsest infot elektronide leiulainetest.

Kass riputab üles perioodilisustabeli

Joseph John Thomson (1856-1940)

J. J. Thomson oli tuntud briti füüsik, andekas õpetaja ja hinnatud lektor. Õpetamine ja juhendamine on kindlasti üks tema suuremaid teeneid füüsikateadusele. Tal oli palju õpilasi ja assistente, koguni seitse neist on saanud Nobeli preemia. Aatomimudelite peatükis on juba mainitud Niels Bohri, aatomituumast rääkides tuleb paratamatult alustada Ernest Rutherfordist ja tuumarelva teemas meenutame Robert Oppenheimerit. Kõik nad õppisid ja töötasid Thomsoni laboris ja kes vähegi huvitub aatomifüüsika ajaloost, kohtab seal veel palju teisi tema õpilasi ja kaastöötajaid. Thomson ise sai Nobeli preemia 1906. aastal gaaside elektrijuhtivuse uurimise eest. Gaasi läbiva elektrivoolu eksperimendid olid tõesti olulised, neist koorus lõpuks välja elektron, mis aitas mõista elektrivoolu olemust ja pikapeale hakkas sealt ka aatomi siseehitus hargnema. Hiljem uuris Thomson positiivsete laengukandjatega (ioonidega) elektrivoolu ja teda peetakse stabiilsete elementide isotoopide avastajaks ning ühtlasi mass-spektromeetria leiutajaks. Nobeli preemia sai 1937. aastal ka J. J. Thomsoni poeg George Paget Thomson uurides katseliselt elektronide difraktsiooni kristallides ja tõestades sellega elektroni laineomadusi (ptk Elektronide difraktsioon).

Louis de Broglie (1892-1987)

Louis de Broglie, Prantsuse aadliperest pärit noormees, õppis Sorbonne’is ajalugu ja valmistus diplomaadikarjääriks. Ülikooli lõpetamise ajaks tekkinud huvi matemaatika ja füüsika vastu viis teda kõhkluste kiuste edasi õppima loodusteadusi. Esimese maailmasõja ajal teenis de Broglie Eiffeli torni raadiojaamas ja kulutas kogu vaba aja tehnilistele probleemidele. Pärast sõda jätkusid füüsikaõpingud, põhihuvi oli pöördunud kvantide teooriale. 1924. aastal kaitstud dissertatsioonis „Uuringud kvantteoorias” avaldas de Broglie mateerialainete idee, mille järgi teda kõige enam tuntakse. Võib öelda, et kui Planck ja Einstein kvantiseerisid kiirguse, mis nii kindlat tundus olevat laineline, siis de Broglie sai hakkama vastupidisega. Ta omistas laineomaduse aineosakestele, kõigepealt elektronidele. 1927. aastal kinnitasid de Broglie teooriat mitu teaduseksperimenti. 1929. aastal sai ta Nobeli preemia elektronide lainelise olemuse avastamise eest. Selsamal teemal peetud nobelisti loengus ütleb ta: „Kuigi osakesed ja lained ei saa olla sõltumatud, sest Bohri järgi moodustavad nad tegelikkuse kaks üksteist täiendavat jõudu, peab ometi olema võimalik tuvastada teatud paralleelsust osakese liikumise ja sellega seotud laine liikumise vahel.” De Broglie arendas hiljem lainemehaanikat tuumafüüsikas, aga jäi selle juurde, et osakeste laineomadusega kaasneb mingi reaalne, kuigi osakesest lahutamatu lainetus. Ta hindas kõrgelt füüsika üldist filosoofilist pilti ja kirjutas sel teemal mitu populaarset raamatut.

Kaasaegse aatomimudeli üheks aluseks on dualismiprintsiip. Kõigil osakestel on lainelised omadused. Laiemalt võttes on lainelised omadused kõigel, aga ilmnevad need ainult mikromaailmas, näiteks footonite, elektronide ja aatomite juures. Enne elektronide laineliste omaduste käsitlemist tuletame meelde kahte küsimust mehaanika ja elektromagnetismi kursustest:

• millised on lainete omadused?
• mis on valgus?

Laine üks põhiomadusi ilmneb teise lainega kohtumisel. Kehad ei saa kuidagi olla mitmekesi täpselt samas kohas, lained saavad. Mis juhtub lainete kohtumisel, sõltub sellest, kuidas (millises faasis) nad kohtuvad. Samas faasis (maksimum maksimumiga) kohtuvad lained liituvad ja vastandfaasis (maksimum miinimumiga) kohtuvad lained kustutavad üksteist. Esimesel juhul on tegemist tõusuinterferentsiga, teisel juhul mõõnainterferentsiga.

Difraktsioon on lainete tõkete taha levimise nähtus, see on samuti seotud interferentsiga.

Interferentsinähtusi võib märgata mehaaniliste lainete (veepinna lainetus, heli) juures, valguse interferentsiga see nii lihtne pole. Kui suunata kaks valgusvihku seinale, näeme seal ainult valgustatuse suurenemist, mingit mõõnainterferentsi ei ilmne. Valguse interferentsi katset on siiski sobivates tingimustes võimalik teha. Teadusajalugu tunneb Thomas Youngi interferentsieksperimenti ja vastavat valgusteooriat 19. sajandi algusest. Kahte paralleelset pilu või kahte väikest ava läbinud valgus tekitas ekraanile interferentsipildi. Interferents on kindel valguse lainelise olemuse tõend. Valgusosakeste idee, mille laineteooria kõrvale tõrjus, kerkis uuesti esile 20. sajandi algul kuumade kehade kiirguse ja fotoefekti seletamise käigus (ptk Einsteini fotoefekti teooria) ning hiljem veel mitmetes eksperimentides ja teooriates.

Valguse dualistlik (lainelis-korpuskulaarne) käsitlus paistab viitavat sellele, et valgus „oskab esineda” erinevates nähtustes kord lainena, kord footonina. Polariseerumisel on valgus laine, kiirgumisel ja neeldumisel (sh fotoefekti ja fotokeemiliste reaktsioonide juures) on valgus footonite voog. Peegeldumist ja murdumist võib klassikalise optika raames seletada nii laine- kui ka korpuskulaarteooria abil. Sellise „kord üks, kord teine” iseloomuga on igapäevase elukogemuse põhjal raske leppida. Ükski teine nähtus ei toimi nii ja ka meie tavaliste valgusallikate valgus ei ilmuta silmatorkavat dualismi makrokehade maailmas. Siiski on valgusosakesele suhteliselt kerge andestada, et ta meie intuitiivset mõtlemist teaduseksperimentides sedaviisi lollitab. On ju valgus muuski ebatavaline oma absoluutkiiruse ja seisumassi puudumisega. Kuidas on lood pärisosakestega, näiteks elektronidega?

Vaatame katset skeemi (joonis 2.3.2.), kus elektronid läbivad kahte pilu. Iga üksik elektron jätab pilude taga olevale ekraanile jälje. Igaüks võib ette kujutada, kuidas me tulistame aialippide vahelt vastu seina mingite makromaailma väikeste kehakestega, näiteks hernestega, mis jätavad sinna jälje. Määritud seinal näeme lipivahede kujutisi. Kui tulistame kahest pilust, saame seinale kaks triipu. Kuid elektronid on piisavalt väikesed, et sobivatest avadest läbiminekul ilmutada lainelisi omadusi ja näidata ekraanil üksikutest täppidest moodustuvaid interferentsiribasid, mis ilmselgelt kinnitab elektronide laineomadusi. Arvatavasti tekib igaühel joonist 2.3.2.vaadates mõte, et küllap elektronid mõjutavad üksteist teel piludest ekraanini. Sellisel juhul oleks tegemist paljude osakeste üheskoos lainetamisega, millegi veelainetuse sarnasega. Kuid elektrone on võimalik teele saata ükshaaval. Siis võtab katse muidugi kauem aega, aga interferentsipilt tekib ikkagi. Seega peab elektron läbima kahte ava korraga ja seejärel iseendaga interfereeruma.

Joonis 2.3.3.a Elektronide difraktsioon on oluline kvantmehaanika eksperiment, sellega seoses on arutatud kvantmehaanilise maailmapildi veidruse üle ja pakutud välja mitmeid mõttelisi katseid. Lisaks sellele on elektronide difraktsioon ka hea vaatlusvahend. Näiteks õhuke vase ja tsingi sulfiidi kiht, mida kasutatakse päikesepaneelides paistab elektronmikroskoobis üsna uduselt	Joonis 2.3.3.b Läbivate elektronide difraktsioon ei anna küll kihist  otsest pilti, aga sellest saab välja lugeda aine struktuuri, aatomite paigutuse.

Pilusid läbivate elektronide katsel on meile varuks veel üks üllatus. On võimalik katseseadmele lisada mõõteriist, detektor, mis kontrollib, kummast pilust elektron läbi läheb. Ükshaaval väljalastud ja piludes kontrollitud elektronid ei tekita interferentsipilti. Mingil moel kaotab elektronide piludes „ülelugemine” lainelised omadused. Enamgi veel, sel moel võib vaatleja mõõteriista sisse-välja lülitades otsustada, millal elektronid on osakesed, millal lained.

Kuigi siiani on kogu jutt keerelnud elektronide difraktsiooni ümber, olid esimesed tõestatult dualistlikud osakesed siiski footonid. Üksikute footonite katse kahel pilul tehti 1909. aastal, see toetas valguse dualistlikku käsitlust. Elektronide lainelised omadused leidsid katselise kinnituse pooljuhuslikult 1927. aastal. Ükshaaval teelesaadetud ja pilus määratud elektronide katseni jõuti aastal 1961. Samal moel on nüüdseks demonstreeritud aatomite ja isegi üsna suurte molekulide laineomadusi. Ülalpool näitena nimetatud herneste lainelisust siiski mitte. Kahe pilu katse on kogu aeg olnud ka tuntud mõtteline eksperiment, mis on õhutanud teaduslikku arutelu kvantmehaanika teemal.

Kahe pilu katse mitmed variandid ja mitmed kaasnevad mõttelised eksperimendid panid 20. sajandi esimese poole teoreetikud raske ülesande ette. Mikroosakeste lainelisele käitumisele kuluks ära põhjendus, seletus, tõlgendus või mudel. Aktiivse teadusliku debati käigus kujunenud seletus on matemaatiline ja selle lihtsatesse lausetesse või visuaalsesse mudelisse tõlkimine on küsitav kui üldse võimalik. Mitmed tuntud füüsikud on rõhutanud, et kvantmehaanikas tuleks jõudumööda hoiduda keelele kippuvast küsimusest: „Kuidas see ometi võimalik on?”

Üks formuleering, millest füüsikud enamasti lähtuvad kvantmaailmast rääkides, pärineb suuresti Taani füüsikult Niels Bohrilt, tema kodulinna järgi nimetatakse seda Kopenhaageni tõlgenduseks.

Osakesi väljutav seade (valgusallikas, elektronkahur, radioaktiivne preparaat) tekitab osakese leiulaine. Kopenhaageni tõlgenduse järgi esitab leiulaine osakese leidmise tõenäosust. Teelesaadetud elektroni kohta ei saa küsida, kus ta parasjagu on. Meil on olemas ainult elektroni leidmise tõenäosuse lainetus ruumis, Schrödingeri võrrandi leiulaine. See laine läbibki kahte pilu, interfereerub ja moodustab piludetaguses ruumis elektroni leidmise tõenäosuse interferentsipildi. Üksik elektron võib jõuda ekraanil üsna juhuslikku kohta, praktiliselt igasse punkti, kus ta leidmise tõenäosus on nullist erinev. Kui elektrone saata läbi pilude palju, siis jõuavad nad rohkem sinna, kus interfereerunud leiulainega määratud tõenäosus on suurem.

Hetkel, kui elektron jõuab kahe pilu katses ekraanile ja jätab sinna jälje (tänapäeval jätab see enamasti jälje tundliku ekraaniga ühendatud arvuti mällu), saab selgeks, kus elektron tegelikult on. Elektroni asukoha 100% tõenäosusega teadmine kaotab kogu määramatuse, st mujal ta olla ei saa. Füüsikud ütlevad selle kohta, et leiulaine kollabeerub. Nüüd on ka selge, miks elektronide registreerimine piludes ei võimalda enam interferentsipildi tekkimist. Leides elektroni ühte pilu läbimas, määrame me tema asukoha täpselt. Leiulaine kollabeerub ja ei saa enam interfereeruda. Tegelikult liigub elektron edasi ja pärast pilu läbimist on tegu lihtsalt leiulaine uue kujuga.

Siit paistab veel üks põhjus, miks kvantmehaanika ilmutab end mikromaailmas. Klassikalises mehaanikas toimub kõik alati ühteviisi ja ei sõltu sellest, kas me kehi vaatame või mitte. Muidugi võib juhtuda, et kohmakas eksperimentaator häirib makrokehade liikumist, jätab selle häirimise arvestamata ja saab vigased tulemused. Ometi on suuri kehi võimalik jälgida ilma neid oluliselt mõjutamata. Kahe pilu katses pole võimalust selgelt eristada osakesi (st katseobjekte), mõõtmisseadet ja vaatlejat. Mõõtmine muudab kvantolekut paratamatult.

Veel ühe probleemi tekitab see, et kvantefektid ilmnevad mikromaailmas, aga vaatleja jaoks tuleb mõõtmistulemus paratamatult üle kanda makromaailma. 1935. aastal tõi Erwin Schrödinger artiklis „Praegune olukord kvantmehaanikas” välja hiljem maailmakuulsaks saanud mõttelise eksperimendi, mida tänapäeval kutsutakse „Schrödingeri kass”.

„On võimalik välja mõelda isegi väga veidraid juhtumeid. Teraskambrisse on pandud kass koos järgneva põrgumasinaga (millele kass ise otseselt ligi ei pääse): Geigeri loenduris on väike kogus radioaktiivset ainet, nii vähe, et näiteks tunni jooksul võib-olla laguneb seal üks aatom, aga sama tõenäoline on, et ei lagune ühtegi. Kui laguneb, toimub loenduri torus lahendus ja relee vabastab haamri, mis purustab sinihappe pudelikese. Kui jätta kogu süsteem tunniks ajaks omaette, võib öelda, et kass on elus, kui ükski aatom pole vahepeal lagunenud. Esimene lagunev aatom oleks ta mürgitanud. Kogu süsteemi psiifunktsioon näitab, et seal on (kui lubate nii öelda) elus ja surnud kass võrdsetes osades segunenud või laiali määritud. Sellistel juhtudel on tüüpiline, et algselt vaid aatomimaailmale omane määramatus muutub makromaailma määramatuseks, mida saab lahendada otsese vaatlusega. See hoiab meid „ähmast mudelit” naiivsel moel tegelikkuse kirjelduseks pidamast. Iseenesest selles ei ole midagi segast ega vastuolulist. On vahe, kas foto on tehtud väriseva käega ja teravustamata või on ülesvõttel pilved ja uduvaalud.”

Schrödingeri näide rõhutab läbi kvantmehaanika prisma paistva maailma veidrust. Püüd kirjeldada aatomiosakeste maailma, kus vaatlemine ei ole võimalik vaatlusobjekti olekut (st kvantolekut) muutmata, viib kaugele eemale sellest maailmast, kus on kujunenud meie meeled ja intuitsioon.

Elektronide difraktsiooni (kaldumist sirgjooneliselt teelt tõkke taha) kahe pilu katses võib tagantjärgi pidada kvantmehaanika aluskatseks. Muidugi tekitavad kvantmehaanilised seletused ja Schrödingeri kassi sarnased mõttelised eksperimendid uusi küsimusi.

• Kuidas leiulaine kollabeerub? Milline on täpsemalt see füüsikaline protsess, kui kaua see aega võtab ja kuidas seda kirjeldada?
• Teel elektronkahurist piluni häirib elektron kindlasti mõnda molekuli, iooni või kosmilist osakest, andes seega infot oma asukohast. Kas see ei lähe kirja mõõtmisena paljalt seepärast, et info ei jõua vaatlejani? Millised nõuded esitab loodus mõõtmisele?
• Kas pole olemas mõnda seletust, mis klapiks kõigi katseandmetega ja oleks seejuures ka „mõistlik”?

Kaks esimest küsimust on vastuseta, kuigi nende kallal töötatakse. Kolmanda vastus paistab olevat „ei.” Nii nagu kvantmehaanikat võib matemaatiliselt formaliseerida mitmel, lõppkokkuvõttes siiski samasel viisil, on olemas ka mitu seletust, millest ükski ei mahu meie igapäevase intuitsiooni raamesse ja seega pole „mõistlik”.

Erwin Schrödinger (1887-1961)

Erwin Schrödinger oli Austria füüsik, kaasaegse kvantmehaanika looja. Tema nimega seostuvad Schrödingeri võrrand ja Schrödingeri kass, mille sügavama sisu tundmine jääb kahjuks palju maha nende sõnade kuulsusest. Schrödingeri teaduslik karjäär oli kirju. Ta töötas mitmetes Austria, Šveitsi, Saksamaa, Inglismaa ning Iirimaa teadusasutuses ja ülikoolides, pidas loenguid ka Ameerika Ühendriikides, aga ei jäänud kuhugi pikemalt elama. Põhjuseid oli mitu: Saksamaal ja hiljem ka Austrias võimutsevad natsid, Schrödingeri tervis (ta põdes tuberkuloosi) ja tolle aja kohta ebatavaline ning mitmel pool vastuvõetamatu eraelu korraldus.

Schrödingeri paljude teaduslike huvide hulgas oli aukohal aatomiehituse teooria, uus viis lainemehaanika kaudu lahendada aatomiehituse suuri küsimusi. Selle saavutuse eest sai ta 1933. aastal koos Paul Diraciga Nobeli preemia. Samal aastal anti preemia kätte Werner Heisenbergile, kes oli saanud preemia juba eelmisel aastal, samuti kvantmehaanika loomise eest. Scrödingeri teiste huvide hulka kuulusid värvide nägemise teooria, teoreetiline bioloogia, teadusfilosoofia, antiik- ja idamaade filosoofia, eetika ja religioon. Huvitav on märkida, et mõnedel andmetel ei olnud Schrödinger ise kvantmehaanilisest maailmapildist väga vaimustuses ja otsis midagi enamat, tegeles muu hulgas nagu Einsteingi ühtse välja teooria loomise katsetega.

Niels Bohr  (1885 – 1962)

Niels Bohr oli 20. sajandi teadusrevolutsioonis ehk kõige erakordsema ande ja samavõrd erakordse elukäiguga aatomifüüsika teoreetik. Bohr sündis, elas ja töötas põhiliselt Kopenhaagenis. Mõned aastad õppis ja töötas ta Inglismaal Thomsoni ja Rutherfordi juures Londonis ja Manchesteris. Kopenhaagen jäi siiski linnaks, kus avaldus ta oskus arendada uusi ideid ja samal ajal teadusasutust juhtida. Inglismaalt doktorantuurist naasnud, tegi ta varsti ettepaneku luua ülikoolis teoreetilise füüsika professuur ja oli valmis ise sellele kohale asuma. Asi võttis aega, aga juba mõne aasta pärast asus Bohr suure innuga asutama teoreetilise füüsika instituuti. Ettevõtmist toetasid Taani valitus, Carlsbergi fond, paljud tööstusettevõtted ja eraisikud. 1921. aastal avati instituut ametlikult, töö käis varemgi ja esimesed teadustööd juba ilmusid. Kopenhaagenist sai kvantmehaanika probleemide vaagimise keskus. Teoreetikud hakkasid Kopenhaagenis käima, peeti kirjavahetust. Direktor Niels Bohr osutus andekaks juhiks, tema kui hea võõrustaja ja meeldiva kolleegi kuulsus levis. Füüsikud, sõites Kopenhaagenisse Bohriga nõu pidama, kohtusid omavahel teel läbi Euroopa, peeti ülikoolides loenguid, vaieldi ja arendati uusi teooriaid. Alguse sai Bohri ja Einsteini aastatepikkune debatt, millest kasvas ja arenes kvantmehaanilise maailmapildi Kopenhaageni tõlgendus, arutati läbi paljud uued seisukohad ja tehti üha põnevamaid mõttelisi eksperimente. Füüsikateaduse kuldaeg oli täisõites.

1937. aastal tegi Bohr koos naise ja pojaga maailmareisi, käies Ameerikas, Jaapanis, Hiinas ja Nõukogude Liidus. Teine maailmasõda viis ta mõneks ajaks kodust eemale. Natside võimuletuleku järel pakkus Kopenhaageni instituut ajutist varjupaika paljudele juudisoost teadlastele, aga ka teistele, kes natside ideoloogia suhtes kriitilised olid. Sakslaste poolt 1940. aastal okupeeritud Taanis oli olukord ebakindel ja saanud hoiatuse peatsest arreteerimisest, põgenes Bohr koos perega Rootsi. Seal kohtus ta kuningaga, et rääkida Taani juutidele varjupaiga taotlemisest. Ei ole päris kindlaid tõendeid, kas just Bohri tegevus oli määrav, aga üle 7000 juudi pääseski okupatsioonivõimude eest Rootsi pakku. 1943. lõpul viidi Bohr riskantse lennureisiga Inglismaale ja varsti suundus ta Ameerika Ühendriikidesse, kus valenime all reisides tutvus tuumarelva loomise salajase projektiga. Ei ole täpselt teada, kui suur oli ta panus sellesse, aga mitmetes mälestustes on tema osa siiski mainitud. Pärast sõda võitles Bohr aatomienergia rahumeelse kasutamise eest. Teades, et tuumarelvade loomine muudab rahvusvahelisi suhteid, pooldas Bohr üldist tuumasaladuste avalikustamist. Külma sõja tingimustes osutus kõik palju keerulisemaks, aga siiski õnnestus pärast esimesi Nõukogude Liidu tuumakatsetusi luua Rahvusvaheline Aatomienergia Agentuur. Bohri initsiatiivil loodi Euroopa Tuumauuringute Keskus (CERN) pidurdamaks sõja eel alanud ja üha jätkuvat ajude äravoolu Ameerikasse. Esialgu tundus loogiline olevat asutada keskus Kopenhaagenisse. Euroopa füüsikud suhtusid sellesse kahtlevalt, sest Taanis oleks kogu tegevust varjutanud suurepäraste administraatorivõimetega Bohri vaieldamatu autoriteet. CERN asutati Šveitsis, kuigi teoreetiline osakond töötas algul siiski Kopenhaagenis. Niels Bohr suri 1962. aastal oma armastatud kodulinnas.

Bohri teadussaavutustest tuntakse enam Bohri aatomimudelit koos vesiniku spektri seletusega (Nobeli preemia 1922) ja kvantteooria arendamist. Nende kahe ja oma instituudi pikaajalise juhtimise kõrvale mahtus veel palju märkimisväärset teadust. 1920. aasta paiku esitas Bohr perioodtabeli teoreetilise kirjelduse, mis sisaldab huvitavaid ennustusi. Kolmekümnendatel tegeles ta aatomituuma ehituse teooriatega ja seletas, mis osa on uraani radioaktiivsel lagunemisel isotoobil massiarvuga 235.

Võib teha veel ühe üsna veidra mõttelise eksperimendi, millel on üllatuslik seos kvantmehaanikaga. Kujutleme maanteel kihutavat autot ja politseinikke selle kiirust mõõtmas. Politseinike ja nende aparatuuri jaoks on igal ajahetkel autol kindel koht ja kiirus. Mida parem on aparatuur, seda tõenäosem on täpse tulemuse saamine. Seejuures me (autojuhid, reisijad, politseinikud, mõõteseadmete tootjad, taatlejad jt) eeldame, et kiiruse mõõtmise täpsus ei mõjuta asukoha mõõtmise täpsust. Küllap ongi mõistlik autode kiiruse mõõtmist võtta just nii. Selle mõttelise eksperimendi küsimus on hoopis järgmine: kas võib ette kujutada mingit teist olukorda, mingeid teisi mõõdetavaid objekte, mille korral kiiruse ja asukoha määramise täpsus on omavahel seotud?

Saksa teadlane Werner Heisenberg tõestas 1927. aastal, et on olemas füüsikaliste suuruste paarid, mis ei saa olla samaaegselt kuitahes täpselt määratud. Üheks selliseks paariks on keha asukoht (koordinaat $x$) ja impulss ($p=mv$, massi ja kiiruse korrutis). Seda tõestatud tõsiasja nimetatakse määramatusseoseks või määramatuse printsiibiks ja väljendatakse matemaatiliselt valemiga:

kus ${\sigma }_x$ on asukoha ja ${\sigma }_p$ impulsi mõõtemääramatus ning $\hslash =1,06\cdot {10}^{-34}\text{J}\cdot \text{s}$ on taandatud Plancki konstant (h kriipsuga). Plancki konstant ses valemis viitab veelkord sellele, et määramatusseos ilmutab end mikromaailmas ja puudutab kvantolekuid. Autode ja politseinike maailmas, kust me alustasime seda peatükki, jääb määramatusseos arvestamata, aga kiirguskvantide ja elektronide juures saab see otsustavaks.

Teades, et mõõtmine mõjutab mõõdetavat, võib määramatusseost võtta nii, et looduses on olemas põhimõtteline piirang mõõtmiste täpsusele, aga võib vaadata ka nii, et kvantsüsteem ise on teatud piirini määramatu asukoha ja impulsiga. Tegemist pole tehnilise probleemiga, mõõteseadmete täiustamisega ja ettevaatlikuma (st objekti vähem häiriva) mõõtmisega sellest üle ei saa ega saa ka mingil muul moel.

Määramatuse printsiip on üsna universaalne ja ei käi ainult mõõtmise määramatuse kohta. Peale koordinaadi ja impulsi on teisigi füüsikaliste suuruste paare, mida seob määramatusseos. Loodusnähtuste seletamisel ja praktilise rakenduste juures tuleb rääkida seosest:

kus $E$ on energia ja $t$ on aeg.

Joonis 2.4.1. Ühe pilu katse, laserkiir läheb läbi reguleeritava laiusega pilu ekraanile. Väga kitsa pilu korral moodustub optikakursusest tuttav difraktsioonipilt, külgedel on näha interferentsimaksimumid. Keskmine valguslaik, mis lahtise pilu korral oli ümmargune täpp, venib külgedelt laiemaks. Pilu kitsamaks tehes määrame järjest täpsemalt footonite asukoha pilu läbimisel. Määramatusseose tõttu jääb üha enam määramata, kuhu nad edasi lähevad, st kitsama pilu korral võivad footonid rohkem kõrvale kaduda.

Joonis 2.4.2. Kunstnik võiks tunnelmikroskoobi tööd kujutada nii. Kristalne teravik libiseb üle uuritava pinna, sinise helenduse saatel tunneleeruvad elektronid teravikult proovi aatomitesse. Arvuti reguleerib teraviku asendit ja registreerib selle liigutused nanoskaalas. Ekraanile ilmub pilt... Kujutlus polegi nii väga kunstiline. Võib-olla sinine helendus on liiast, aga nii see aatomite „vaatamine” tänapäeval käib.

Energia ja aja määramatusseose populaarne seletus pöördub jälle kord mõttelise eksperimendiga autode maailma. Kujutleme ülesmäge kihutavat autot, mille kütus on lõppenud, aga hoog on sees, ja kui kineetilisest energiast piisab tõusu lõpuni, ootab ees pikk laskumine järgmise bensiinijaamani. Kahjuks jääb tipu ületamisest natuke puudu ja auto ähvardab hakata kohe-kohe tagasi veerema. Nüüd võiks väga lühikeseks hetkeks energia jäävuse seadusest mööda hiilides nihutada auto läbi korraks avaneva „tunneli“ mäe teisele küljele. Kui energia jäävus jälle kehtima hakkab, siis bilanss klapib. Auto on ikka samal kõrgusel, aga teiselpool mäge ja teekond võib jätkuda.

Vaevalt, et keegi autosõidul sellist trikki tõsiselt kaalub, aga mikromaailmas on energia ja aja määramatuse seosel tähtis koht looduslikes protsessides, näiteks tuumaenergeetikas, Päikese ja teiste tähtede sisemuses ning radioaktiivsusega seonduvates protsessides.

On olemas tunnelefektil põhinevaid rakendusi, millest tunnevad rõõmu nanotehnoloogid.

Tunnelmikroskoobis (joonis 2.4.2.) liigutatakse „vaadeldava” objekti pinna kohal peene elektroonilise juhtimisega üliteravat teravikku, mille peenimat tippu võib pidada peaaegu üksikaatomiks. Teraviku ja proovi vaheline väike pinge sunnib elektrone rajama endale ainesse üleminekuks määramatuse tunneleid. Tekkinud voolu mõõdetakse ja selle kaudu reguleeritakse teraviku kõrgust. Kõrgusest ja asukohast saab arvutada pinna struktuuri ja kuvada see arvutiekraanile.

Parafraseerides Einsteini: Nagu oleks kogu sellest kvantkarglemisest veel vähe... Energia ja aja määramatusseos lubab mikroosakestel tekkida eimillestki. Tingimuseks on muidugi, et nad oleks kerged (vähe massi, vähe energiat) ja ei kestaks kaua. Nii pole ka vaakum sugugi tühi, sealgi saavad olemise ja olematuse piiril hüpelda virtuaalosakesed.

Werner Heisnberg (1901-1967)

Werner Heisenberg seostub teadusloos eelkõige määramatusseosega. Nobeli preemia sai ta kvantmehaanika loomise eest, mida praegu on kombeks siduda hoopis Erwin Schrödingeri ja tema võrrandiga. Heisenbergi füüsikani jõudmine oli juhuste rida. Kui juhused oleks võtnud ritta teisiti, räägitaks temast tänapäeval kui silmapaistavast matemaatikust. Tema lähenemine füüsikaprobleemidele oli teistsugune, aga lõpptulemustele pole muidugi miskit ette heita. Heisenberg oli isiklikus elus ja karjääris keeruliste valikute ees nagu enamus 20. sajandi füüsikuid. Tedagi mõjutasid lisaks üldisele murrangule teaduslikus mõtteviisis väga isiklikult ühiskondlikud ja poliitilised sündmused maailmas ning Euroopas eriti. 1935. aastal oleks ta võinud saada Müncheni ülikooli professoriks oma teadusliku juhendaja Arnold Sommerfeldi pensionilesaatmise järel. Kohalemääramine venis aastaid, sest ametlik poliitika suhtus eitavalt sellistesse „juudi teadustesse” nagu relatiivsusteooria ja kvantmehaanika. Heisenberg ei olnud juut, teda süüdistati juudi stiilis tehtud teaduse pärast. Lõpuks õnnestus tal uurimistest siiski auga välja tulla, aga karjäär Münchenis oli siiski läbi. Teise maailmasõja ajal oli Heisenberg edutult kulgenud Saksa tuumarelva loomise programmi juht. 1941. aasta sügisel külastas ta okupeeritud Kopenhaagenit, pidas mõned loengud ja kohtus Niels Bohriga. Heisenberg oli Bohri alati pidanud oma õpetajaks ja Kopenhaagen oli talle kahekümnendatest aastatest kodune koht, aga sundimatust vestlusest asja ei saanud. Kohtumist, mille eesmärk oli arvatavasti tuumaenergia küsimuste arutamine, on hiljem kirjeldatud erinevalt ja täpsemad asjaolud ongi jäänud teadmata. Sõja lõpu eel interneeriti Heisenberg koos teiste saksa teadlastega ja viidi Inglismaale. 1946. aastal jõudis ta tagasi kodumaale, ütles viisakalt ära ettepanekust kolida Nõukogude Liitu ja töötas elu lõpuni mitmetes teadusasutustes, avaldas artikleid füüsikast ja filosoofiast, pidas loenguid nii kodu- kui ka välismaal. Muu hulgas sai temast korraline professor Müncheni ülikoolis.

Röntgenikiirte ja elektroni avastamine 19.sajandi lõpuaastatel oli kahtlemata pöördepunkt teadusliku maailmapildi arengus. Mõnekümne aastaga saadi vastused küsimustele, mida enne ei osatud küsidagi: valguse ja teiste kiirguste olemus, elektrivoolu ja magnetismi toimemehhanism, aatomite elektronstruktuur ja selle seos keemiliste omadustega; kvanthüpoteesist jõuti kvantmehaanikani. Samal ajal avastatud radioaktiivsuse uurimine viis mitte vähem revolutsiooniliste muutusteni teaduses ja ühiskonnas. Nii nagu fotoefekti teooria ei saanud tekkida enne elektroni avastamist ja kvanthüpoteesi, ei saanud ka radioaktiivsuse saladus laheneda enne aatomituuma avastamist.

Tuumafüüsika sünd on seotud Ernest Rutherfordi töödega, eelkõige maailmakuulsa kuldlehe eksperimendi (joonised 2.5.1., 2.5.2.) ja aatomituuma avastamisega. Rutherfordi juhtimisel uuriti Victoria ülikoolis Manchesteris, kuidas raadiumist kiirguvad α-osakesed läbivad erinevaid aineid. Radioaktiivse kiirguse liigid, α- ja β-kiired ning vastavad osakesed oli ta ise varem avastanud ja nimetanud. Otsustava eksperimendi tegid Rutherfordi juhtimisel Hans Geiger ja Ernest Marsden 1910. aastal. Rutherford esitas eksperimendi tulemused ja oma aatomimudeli 1911. aastal. Uue mudeli järgi tiirlesid elektronid suure massiga ülipisikese positiivse kesklaengu ümber. Kaasaegsest mudelist oli veel päris palju puudu, näiteks ei tuntud neutraalset tuumaosakest, neutronit, ka elektronide orbiitidega oli veel paljugi lahtine, aga tuumafüüsika oli sellega sündinud.

Joonis 2.5.1. Rutherfordi hajumine. Üliõhukest, umbes 400 aatomi paksust kuldlehte läbivad α-osakesed kohtuvad oma teel aatomitega. Thomsoni rosinakukli mudeli [bookx=1610](ptk Aatomimudelite arengust 20. sajandil)[/bookx] järgi pidanuks aatomis hajusalt paiknevad laengud üsna rakseid ja kiireid α-osakesi otseteelt kõrvale kallutama mõne kraadi võrra. Eksperimendi käigus selgus, et α-osakeste hajumine on hoopis suurem, väike osa neist põrkub aatomitelt isegi tagasi. Analüüs näitas, et aatomi mass ja laeng peavad olema väga tihedalt koondunud. Kesklaengu mõõtmeteks arvutati mitte üle 10-13 meetri.

Joonis 2.5.2. Täiustatud seade kuldlehe eksperimendiks. Pisikeses kambris (1) on raadiumitükike (2), millest väljuvad α-osakesed läbivad kitsa ava. Moodustub kiir, mis läbib õhukese kuldlehe (3). Pööratav mikroskoop (5) võimaldab vaadelda erinevate nurkade all hajunud α-osakeste stsintillatsioone (pisikesi valgussähvatusi) tsinksulfiidiga kaetud ekraanil (4). Nõrkade sähvatuste lugemiseks peab eksperimentaatori silm olema pimedusega täielikult harjunud, st vähemalt pool tundi enne mõõtmise algust peab veetma täielikus pimeduses. Minutise vaatluse järel on vaja silmi puhata ja üle 90 osakese minutis ei jõua keegi eraldada. Katsete käigus loeti kümneid tuhandeid osakesi.

Isotoobid on elemendi teisendid, mis erinevad aatommassi poolest. Aatommassi erinevuse põhjus on neutronite erinev arv tuumas. Tuumade tähistamiseks kasutatakse perioodtabeli sümboleid, mille juurde märgitakse tuuma laenguarv $Z$ (ühtlasi järjenumber) ja massiarv $A$ kujul $\frac{A}{Z}X$, kus element $X$ on tabelis järjekohal $Z$, (st tuumas on $Z$ prootonit) ja tuumaosakeste koguarv ehk massiarv on $A$ (st, neutroneid on A-Z).

Näiteks looduslik uraan koosneb 3 isotoobist:

 $\frac{238}{92}U$, uraan-238, tuumas on 92 prootonit ja 146 neutronit ($Z=92$, $A=238$);

$\frac{235}{92}U$ uraan-235, tuumas on 92 prootonit ja 143 neutronit ($Z=92$, $A=235$);

$\frac{234}{92}U$ uraan-234, tuumas on 92 prootonit ja 142 neutronit ($Z=92$, $A=234$).

Ühe elemendi isotoopide keemilised omadused on väga sarnased, raksematel tuumadel täiesti ühesugused, seepärast ei saa neid kuigi lihtsalt üksteisest eraldada (ptk Manhattani projekt).

Aatom on väga väike, aga aatomituum tõesti peaaegu kirjeldamatult väike. Aatommassid võib leida igast perioodtabelist või käsiraamatust, aga täpset aatomite ja tuumade mõõtmete tabelit on keeruline koostada. Aatomi raadius on mõiste, mida mitmetes füüsika ja keemia mudelites tõlgendatakse erinevalt. Piltlikult öeldes on see nagu puuvillapallide mõõtmine. Mõõtmistulemus oleneb sellest, kas puuvill on lahtiselt põrandal või pakitud, kas pall on üksikult või laoruumis teiste vahele kiilutud. Kui tõmmata lahtisele puuvillale mõõdulint ümber, tekib kohe tüli sellepärast, kui palju peaks linti pingutama, et saada aus tulemus. Ka aineosakeste mõõtmisel on paratamatu, et nad saavad mõõtmisest häiritud ja tegelikult ei olegi neil selget kõva pinda, mille „ümber mõõdulinti tõmmata”. Kõigist neist probleemidest mööda hiilimiseks räägime vaid suurusjärkudest ja arvestame, et aatomite läbimõõt on umbes 10^-10 meetrit. Aatomite, molekulide, keemiliste sidemete, mikrobioloogiliste objektide jms mõõtmiseks kasutatakse tihti spektromeetriast pärinevat aatomimõõdus ühikut ongström: 1 Å $={10}^{-10}\text{m}=0,1\text{nm}$.

Aatomituumade läbimõõdu suurusjärk on 10^-14 meetrit. Tuumaosakeste mõõdud on umbes üks femtomeeter, $1\text{fm}={10}^{-15}\text{m}$. Suuremate tuumade läbimõõt on umbes $15\text{fm}=1,5\cdot {10}^{-14}\text{m}$. Femtomeeter kannab juba pool sajandit tuumafüüsikas nime fermi, meenutamaks Itaalia füüsikut Enrico Fermit. Väga üldiselt võttes on tuum aatomist 10 000 korda väiksem. Kuigi mikromaailma tegelikke mõõte on inimesel raske hoomata, võib püüda aatomit kujutleda nii suurena, et ta parasjagu mahuks tuppa ära. Aatomi tuum oleks siis nii suur nagu selle raamatu täpitähtede täpid.

Modelleerides tuuma kui tuumaosakeste tilka ja lugedes kõik aatomid täpselt kerakujuliseks, võime kasutada tuumade raadiuse ($R$) arvutamiseks lihtsat, umbes 20% täpsusega valemit:

kus konstant $r_0=1,25\text{fm}$ ja $A$ on tuuma massiarv (prootonite ja neutronite koguarv). Kulla ($A=197$) tuumade läbimõõt on selle mudeli järgi 14,5 fm.

Rutherfordi mudel ei kirjeldanud kuidagi tuuma siseehitust. Tuuma massi ja laengu klapitamiseks arvati osa elektrone olevat tuuma sees. 1920. aasta paiku levis neutronite hüpotees, nimepanijaks jälle Rutherford. Kõigi tuumaosakeste, ühtviisi nii neutronite kui ka prootonite vahel toimiv tuumajõud pidi kuidagi kompenseerima prootonitevahelist elektrilist tõukejõudu ja muutma tuuma stabiilseks. 1932. aastal tundis James Chadwick neutroni ära eksperimentides, kus berülliumi aatomeid pommitati α-osakestega. Selle avastuse eest sai ta Nobeli preemia.

Tuuma lihtsaimaks kirjeldajaks sobib tilgamudel. Kõik osakesed tuumas on ühesuurused, kerakujulised ja neid hoiab koos tuumajõud, tekitades tuuma pinnal midagi pindpinevuse sarnast. Mudel pärineb 1935. aastast ja kirjeldab tuuma siseehitust klassikalise vedelikuna. Umbes pooltel osakestest on positiivne elementaarlaeng, teistel laengut pole. Vaatamata sellele erinevusele ei ole aatomituuma tilgamudelis ühelgi osakesel mingit eelistatud kohta, nii nagu vedelikutilgas ei ole ühelgi molekulil oma kindlat kohta. Mudel kirjeldab päris hästi mitmeid tuumade omadusi, näiteks kerakujulisust ja seoseenergiaid (ptk Kust pärineb tuumareaktsioonides vabanev energia?).

Tilgamudel haarab osakeste kvantmehaanilist olemust ainult servamisi ja ei seleta täpselt tuumade stabiilsuse erinevusi. Perioodtabeli mõnede tuumade seoseenergia on ebatavaliselt suur, need nn maagiliste järjenumbritega 2, 8, 20, 28, 50, 82 ja võib-olla 126 tuumad on oluliselt stabiilsemad, kui neile vahetult järgnevad. Erinevalt tilgamudelist võtab kihtmudel prootonitelt ja neutronitelt nende vabaduse olla tuumas kus tahes, kirjeldades nende kvantolekut. Mudelis sisaldub analoogia aatomi elektronstruktuuriga. Prootonite ja neutronite kihid on stabiilsemad, kui nad on osakestega täielikult täidetud, nii nagu väärisgaaside erilise inertsuse põhjus on elektronkihtide täidetus.

Mis on tuumajõud?

Aatomituum koosneb nukleonidest, prootonitest ja neutronitest, mis omakorda koosnevad kvarkidest. Prootonite ja neutronite, millest koosnevad meie tavapäraste aatomite tuumad, fundamentaalsed koostisosad on kaks kvarki: u-kvark ja d-kvark. Nimed on tuletatud inglise keelest, up ja down, aga neil ei ole otsest seost sõnade igapäevase tähendusega. See kehtib kogu Standardmudeli terminoloogia kohta. Kvargid on erilised osakesed, nad ei esine kunagi ükshaaval. Prootonis on kaks u-kvarki ja üks d-kvark, neutronis on kaks d-kvarki ja üks u-kvark. Nii ongi kvargid kolmekesi, teatud erilistel juhtudel korraks kahekesi, aga mitte kunagi üksi. See nähtus on saanud nimeks kvarkide vangistus.

Standardmudeli fundamentaaljõude on neli, tugevuse tõusu järjestuses: gravitatsioonijõud, elektromagnetjõud, nõrk jõud ja tugev jõud. Igapäevaelus tunneme kahte esimest, mida on võimalik kirjeldada klassikaliste füüsikamudelitega. Raskusjõud, hõõrdejõud, elastsusjõud – kui nimetada ainult tuntuimad. Nõrk ja tugev jõud on lihtsa vaatluse eest peidetud aatomituumadesse. Tugev jõud vangistab kvargid nukelonidesse. Gluuonid on osakesed, mis vahendavad kvarkide vahel tugevat jõudu, „kleepides” (inglise keeles: glue - liim) nad kokku prootoniteks ja neutroniteks.

Tugev jõud on väga väikese mõjuulatusega, suuremalt jaolt toimib ta nukleonide sees. Prootoneid ja neutroneid hoiab omavahel koos see osa tugevast jõust, mis ulatub nukleonist välja, nn tugeva jõu jääk. Prootonite ja neutronite vahelist jõudu võivad vahendada neutraalsed piionid (${\pi }^0$), mis on väga lühikese elueaga kvargist ja antikvargist koosnevad osakesed.

Mõnes mõttes on nukleonidevahelised jõud sarnased molekulaarjõududega (ptk Van der Waalsi jõud). Molekulaarjõude võib vaadelda keemilist sidet põhjustava elektromagnetjõu jäägina. Sarnaselt molekulaarjõududele on ka tugeva jõu jääk tõmbejõud, aga väga väikesel kaugusel muutub tõukejõuks, mis püüab osakesed minimaalse energia lõksu (joonis 1.1.3.). See sarnasus ongi põhjuseks, miks tilga mudel nii hästi töötab.

Tuumaosakesi on üsna keeruline pildile saada, sest tuuma üliväikeste mõõtmete juures ei ole mõtet küsida, kuidas see või teine asi „välja näeb”. Osakestefüüsikas, kus protsesse saab kirjeldada vaid üsna keeruka matemaatika abil, kasutatakse interaktsioonide arvutamiseks ja visualiseerimiseks Ameerika füüsikuteoreetiku Richard Feynmani leiutatud diagramme. Joonisel on Feynmani diagramm, mis kujutab prootoni ja neutroni vahelist interaktsiooni. Püstteljel on ruum (kaugus), rõhtteljel aeg. Tegemist on lihtsustatud diagrammiga, kus ei ole näidatud gluuoneid ja piioni tekkimist.

Ernest Rutherford (1871-1937)

Ernest Rutherford oli pärit Uus-Meremaalt. Teaduskarjääri jaoks polnud Uus-Meremaa tol ajal sobivaim paik, aga Rutherford oli tubli ja edukas üliõpilane, tegeles uurimistööga elektritehnika alal ning sai stipendiumi õpingute jätkamiseks Inglismaal Cambridge’i ülikoolis. J. J. Thomsoni laboris tegeles ta mõnda aega raadiosidealaste töödega, uuris koos juhendajaga gaaside elektrijuhtivust ja röntgenkiiri. Püüdes gaaside elektrijuhtivust mõjutada värskelt avastatud radioaktiivse kiirgusega, kaldus ta huvi 1898. aastal radioaktiivsuse üldisele uurimisele. Töötades Kanadas McGilli ülikooli moodsas laboris  ja hiljem Manchesteris Victoria ülikoolis, uuris Rutherford üksteise järel välja radioaktiivsuse saladusi. Ta tõi tuumafüüsikasse mõisted alfa-, beeta- ja gammakiirgus, poolestusaeg, kivimite radioaktiivne dateerimine jpm. 1908. aastal sai Rutherford Nobeli keemiapreemia radioaktiivsete elementide keemia uurimise eest. Ta on ainuke nobelist, kes on preemia saanud enne oma tuntuimat saavutust.

Kanadas töötades oli Rutherford märganud, et alfakiirgus kipub vilgukivi lehekest läbides veidi hajuma. Manchesteri laboris asusid alfaosakeste hajumist aatomites mõõtma tema noored kolleegid Marsden ja Geiger. Kuigi sellest vaevarikkast eksperimendist (joonis 2.5.2.) midagi erilist loota polnud, läks hoopis teisiti. Katse tulemused võttis kokku juhendaja ise. Täpsus polnud väga suur, kuid tulemus oli pöördeline, täiesti uus aatomimudel. Eksperimentaatorina ei olnud Rutherfordile vastast. Ta jätkas koos arvuka noortest teadlastest koosneva meeskonnaga tuumareaktsioonide uurimisega, tõestas, et vesiniku aatomituum on teiste tuumade ehituskivi ja nimetas selle prootoniks.

1912. aastal saabus Manchesteri laborisse vaid mõneks kuuks Niels Bohr, kes oli tulnud Inglismaale J. J. Thomsoni juurde oma õpinguid lõpetama. Vabameelne ja uutest ideedest vaimustuv Bohr sobis hästi Rutherfordiga ja samavõrra planetaarmudeliga. Rutherford-Bohri poolklassikaline aatomimudel on praegugi kooliõpikutes tähtsal kohal, sest kirjeldab piltlikult ja piisavalt mitmeid aatomite omadusi. Bohri ja Rutherfordi sõpruse ja koostöö tulemusena sündis tuuma tegeliku koostise teooria, mis ennustas neutroni ning tuumajõudude olemasolu. Rutherfordi mõju eksperimentaalfüüsika arengule on sama raske üle hinnata, kui Bohri oma teooriale.

Kolmekümnendad aastad tõid Rutherfordi nii isiklikku kui tööellu muutusi. 1930. aastal suri pärast neljandat sünnitust tema ainus laps, tütar Eileen. Rutherford jätkas noorte kaastöötajate juhendamist. 1932. aastal tõestas James Chadwick oma eksperimendiseeriaga neutroni olemasolu. John Cockcroft ja Ernest Walton tekitasid tuumareaktsiooni kiirendatud prootonitega, tõestades, et tuumaosakeste seosed on miljoneid kordi tugevamad keemilistest sidemetest. Olles 1931. aastast parun Rutherford of Nelson ja Lordide Koja liige, pöördus ta üha enam ühiskondlike teemade poole. 1933. aastast oli ta Akadeemilise Abistamise Nõukogu president, toetades natsire?iimi eest pagenud teadlasi, aga keeldus isiklikult abistamast saksa keemikut Fritz Haberit, kes oli Esimese maailmasõja ajal arendanud keemiarelvi. Rutherford suhtus alati ühtviisi nii kuulsustesse kui noortesse algajatesse, samuti toetas ta naistele võrdsete õiguste andmist ühiskonnas, hariduses ja teaduses. Ta ei unustanud oma algset kodumaad, olles Uus-Meremaa ülikoolile heaks nõustajaks ja võttes vastu sealt pärit üliõpilasi.

Rutherford lootis, et tuumaenergia ei ole inimkonnale kättesaadav, vähemalt mitte enne, kui on õpitud naabritega rahus elama. Ta suri 1937, paar aastat enne tuumarelva loomise projektide algust.

Aatomi jagamatuse ja igavese püsivuse idee oli 20. sajandi alguses muutunud ajalooks. Radioaktiivsuse uurimine oli paljastanud tõsiasja, et vähemalt mõne elemendi aatomituumad lagunevad, kiirates $\alpha$- ja $\beta$-osakesi. $\alpha$-osake on heeliumi tuum, mis tähendab, et üks aatom (näiteks raadium) paiskab välja teise aatomi (heeliumi) tuuma. Seejuures muutub ta ka ise teiseks elemendiks. $\beta$-osake on kiire (st suure energiaga) elektron. Esimestes oletustes tuuma koostise kohta eeldati tuumaelektronide olemasolu, aga katsed ja arvutused näitasid, et see pole nii. Järelikult peavad elektronid tuumas tekkima, aga kuidas ja millest?

Kuni 1919. aastani oli tuumade muundumisest tuntud ainult iseeneslik $\alpha$- ja $\beta$-lagunemine. Mitme tuuma või tuuma ja osakese vahelisi interaktsioone, mille käigus tuumad lagunevad või moodustuvad uued, looduses küll toimub, aga neile polnud kuigi kerge jälile saada.

Ernest Rutherford uuris Manchesteris mitu aastat $\alpha$-osakeste mõju gaasidele: vesinikule, lämmastikule jt. Tema viimaseks tööks enne Cambridge'i tagasipöördumist oli tõestus, et $\alpha$-osakesed löövad lämmastiku tuumadest välja prootoneid ja ise ühinevad lämmastikuga. Seda võib lugeda esimeseks kontrollitud tingimustes uuritud tuumareaktsiooniks:

Tuumareaktsiooni võrrandis on siin vasakul poolel levinuim lämmastiku isotoop $\frac{14}{7}N$, mis ühinemisel $\alpha$-osakesega (heeliumi tuumaga $\frac{4}{2}He$) muutub stabiilseks hapniku isotoobiks $\frac{17}{8}O$, mida looduslikus hapnikus on ainult 0,04%. Eraldub prooton ehk vesiniku tuum, mille tekke järgi reaktsioon tegelikult avastati.

Keemiliste reaktsioonide võrrandites avaldub 18. sajandil avastatud aine massi jäävuse seadus, mis tähendab, et kõik lähteainete aatomid peavad olema ka saaduste poolel ehk võrrand olgu tasakaalus. Tuumareaktsioonide võrrandid tasakaalustuvad teiste jäävusseaduste järgi, millest nimetame kolm:

• Laengu jäävuse seadus. Sümbolite juures on alumise indeksina märgitud tuumalaeng (tuuma positiivsete elementaarlaengute ehk prootonite arv, järjenumber). Laengute summa võrrandi pooltel peab olema tasakaalus.
• Massiarvu jäävuse seadus. Massiarvud (prootonid ja neutronid kokku) peavad samuti olema tasakaalus. Tuumareaktsioonides ei tähenda see massi jäävust samas mõttes kui keemilistes reaktsioonides.
• Energia jäävuse seadus.

Tuumareaktsiooni võrrandi vastavus jäävusseadustele ei tähenda veel, et selline reaktsioon toimub. Tuumad või osakesed peavad ka kokku saama. Rutherfordi teostatud või pigem avastatud tuumareaktsioonis kasutati $\alpha$-osakesi, mis tekkisid iseeneslikul radioaktiivsel lagunemisel. Lämmastiku tuum ja $\alpha$-osake on mõlemad positiivse laenguga, et nad kohtuksid, tuleb ületada elektriline tõukejõud, nn kuloniliste jõudude barjäär. Looduslikel α-osakestel selle barjääri ületamiseks piisavalt energiat pole ja nimetatud reaktsioon saab toimuda ainult tänu tunnelefektile (ptk Määramtusseos). Tuumareaktsioone saab toimuma panna ka kunstlikult osakesi kiirendades. Esimese kiirendatud prootonitega tuumareaktsiooni teostasid 1932. aastal John Cockcroft ja Ernest Walton. Nende saavutust nimetatakse aatomi lõhestamiseks, mis on selles mõttes õige, et saadused (heeliumi tuumad) on väiksemad kui märklauaks olnud liitiumi tuumad. Sisuliselt on tuumereaktsiooni toimumine siiski keerulisem ja lõhestamiseks võib seda ainult kujundlikult nimetada.

Selles üsna kuulsaks saanud tuumareaktsioonis ilmneb huvitav energeetiline efekt. Mõõtmised näitasid, et $\alpha$-osakeste kineetiline energia oli kokku suurem kui prootonite oma (liitium oli paigal). See tähendab, et reaktsioon on eksotermiline, tuumareaktsioonis vabaneb energiat. Energia tootmiseks see siiski ei sobi, sest ei toimu iseenesest. Selleks, et aatomid pidevalt lõhustuksid, on vaja pidevalt prootoneid kiirendades energiat kulutada. Tuumaenergeetika vajab reaktsioone, mis ennast ise käigus hoiaksid, teisisõnu ahelreaktsioone (ptk Tuumaenergeetika). Ahelreaktsioon tekitab ise osakesi, mis põhjustavad uue reaktsiooni. Selliseid protsesse tuntakse nii keemias, füüsikas kui ka majanduses. Tuumafüüsikas osutus järjekordseks pöördepunktiks uraani tuuma lagunemise avastamine 1938. aastal. Just siis said läbi teaduse kuldsed ajad. Euroopa teadlased olid rahvuslikel ja poliitilistel põhjustel üle maailma laiali paisatud, järgmisel aastal algas Teine maailmasõda ja teaduslik saavutus sai ühtlasi pöördeks rahvusvahelistes suhetes (ptkTuumarelv).

Ahelreaktsioonis laguneb uraan-235 tuum (looduslikus uraanis 0,72%) neutronite toimel ja eralduvad uued neutronid:

Reaktsiooni saadusteks on erinevad kildtuumad, millest esimesena avastati keemilise analüüsi abil baarium. Hiljem on selgunud, et neutroni haaramisega ebastabiilseks muutunud uraan-235 tuum laguneb erinevateks baariumi ja krüptooni isotoopideks (seepärast pole võrrandis massiarve) ja ka muud killud ei ole võimatud. Reaktsioon jätkab ennast sobivates tingimustes ise, sest tekitab uusi neutroneid, mis võivad omakorda uraanituumasid lõhkuda. Ahelreaktsioon võib laviinina laienedes kulgeda plahvatuslikult, aga kui uusi neutroneid ei teki piisavalt, võib ka hääbuda.

Maapealsed tingimused ei soosi üldiselt tuumareaktsioonide toimumist. Gabonis, Ekvatoriaal-Aafrikas on leitud uraanimaagis jälg kaks miljardit aastat tagasi toiminud looduslikust tuumareaktorist. Praeguse uraanimaagi koostise ja Maal valitsevate tingimuste juures see enam töötada ei saaks. Mitmeid tuumareaktsioone tekitab kosmiline kiirgus ja tähed säravad just tuumareaktsioonide arvel.

Tähtede tohutu kiirgusvõimsuse taga on heeliumi tuumade süntees:

Tähe suur siserõhk ja kõrge temperatuur võimaldab prootonitel ühineda heeliumiks läbi mitme vaheetapi. Lõpuks tekib väga stabiilne tuum ($\alpha$-osake), mis koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist. Osa lähteprootonitest muutuvad neutroniteks ja laengu jäävuse tõttu tekivad positronid (positiivse laenguga elektronid, antielektronid), mis tavaliste elektronidega kohtudes kohe annihileeruvad:

Heeliumi sünteesis vabaneb palju energiat, millest osa eraldub $\gamma$-kiirguse ja neutriinodena (${\nu }_e$).

Tuumaenergia, mida saab kasutada tuumajaamas või mida me tunneme päikeseenergiana, on osa tuumaosakeste seoseenergiast. Aatomituuma tilgamudel esitab siin hea analoogia. Kui vedelikutilk aurustada (molekulideks laiali jagada), on vaja molekulaarsidemete lõhkumiseks energiat kulutada. Kui aga vedelik kondenseerub piisaks ja sidemed moodustuvad, siis seesama energiahulk eraldub. (ptk Gaas ja vedelik). Kujutledes aatomituuma tekkimas üksikutest prootonitest ja neutronitest, on selge, et ka tuuma „kondenseerumisel” eraldub energiat ja kui tuuma saaks üksikuteks nukleonideks jagada, siis oleks selleks vaja samavõrra tööd teha.

Tuumade seoseenergiad on erinevad, sest tuumad on erineva suurusega. Kui jagada kogu tuuma seoseenergia nukleonide arvuga, saame eriseoseenergia – seoseenergia ühe tuumaosakese kohta, mis on samuti tuumati erinev (joonis 2.6.2.). Tavalise vesiniku tuumas on üks prooton, sellel tuumal seoseenergiat pole. Vesiniku rasketel isotoopidel, deuteeriumil $\frac{2}{1}H$, triitiumil $\frac{3}{1}H$ ja heeliumi kergel isotoobil $\frac{3}{2}He$ on tuumas mitu osakest ja nende eriseoseenergiad on juba suuremad. Ootamatult suure seoseenergiaga on tavaline heeliumi tuum.

Aatomituuma kihtmudel seletab seda analoogselt heeliumi keemiliste omadustega. Tuumaosakeste kihi täitumine põhjustab aatomi erilise stabiilsuse samamoodi nagu elektronkihi täitumine põhjustab keemilise inertsuse. Alates kolmandast perioodist kasvab eriseoseenergia tasapisi suuremate tuumade suunas kuni koobalti, raua ja niklini. Veel suuremad tuumad on justkui üleliia suured, et hästi koos püsida, ja perioodtabeli lõpuosas on eriseoseenergiad veidi väiksemad.

Otto Hahn, Lise Meitner ja Fritz Strassmann uurisid 1938. aastal Berliinis uraani töötlemist neutronitega. See tundus huvitav ja sama teemaga tegeldi Prantsusmaal ning Itaalias. Selleks ajaks oli palju teadlasi Saksamaalt lahkunud ja juulis ei jäänud ka Austria juudisoost Meitneril enam valikut. Ta põgenes Madalmaade kaudu Rootsi. Hahn kirjutas talle Berliinist, et uraani neutronitega pommitamise üks saadus on baarium. Teade oli nii uskumatu, et tekitas algul isegi analüüside ja katsetehnika suhtes kahtlusi. Kuni selle ajani ei olnud üheski tuumaprotsessis leitud aatomist eraldumas suuremaid kilde kui prootonid ja α-osakesed. Baariumi leidmine tähendas seda, et uraani tuum jaguneb mitmeks suureks tükiks. Eksperimendi tulemuste avaldamine üheskoos oli poliitilistel põhjustel võimatu, Hahn ja Strassmann saatsid oma artikli ära 1938. aasta detsembris.

Lise Meitner kohtus Kopenhaagenis töötava füüsiku Otto Frischiga ja arutas uraaniprobleemi. Nende tuumalõhustumise käsitlus ilmus 1939. aasta jaanuaris ja sisaldab viidet Einsteini valemile E=mc². Samal ajal esitas Frisch ka teooria katselise kinnituse. Avastatud tuumareaktsioonis vabanev energia annab aimu tuumade seoseenergia suurusest, mis väljendub massidefektis (ptk Tuumareaktsioon). See ongi põhjuseks, miks uraani lõhustamise avastamist loetakse tuumarelva loomise eelduseks ja Einsteini valemit nimetatakse isegi aatompommi valemiks.

Uraan on viimane perioodtabeli looduslik element, tema tuum on väga suur, suure laenguga ja looduslikult radioaktiivne. Tilgamudelis (ptk Aatomituum), millest Meitner ja Frisch lähtusid, hoiab tuuma koos tuumajõududest põhjustatud „pindpinevus”. Positiivse laenguga prootonite tõukumine töötab väikese mõjuulatusega tuumajõududele vastu. Suur tuum on prootonite tõukumise tõttu viimasel püsivuse piiril ja valmis vähimagi häirimise (üksiku neutroni lisamise) peale lagunema. Neutroni haaramine muudab tuuma täiesti ebastabiilseks, see venib pikerguseks ja jaguneb kaheks enam-vähem võrdseks osaks. Tekkinud kildtuumad lendavad laengutevahelise tõukejõu mõjul laiali, aga nende kineetiline energia on nii suur, et ei seletu lihtsalt laengutevahelise tõukumisega. Selle suure energia allikas on lähtetuuma ja kildude seoseenergiate erinevus  (ptk Tuumareaktsioon), st tuumaosakeste-vahelist seoste potentsiaalne energia. Raskete tuumade lõhustumise uudis levis teadlaste hulgas kiiresti. Ameerikasse viis teate konverentsile kiirustav Niels Bohr. Tuumaenergia kasutusvõimalused paistsid olevat käeulatuses, aga teoreetilised ja tehnilised probleemid olid endiselt suured. Lisaks sellele oli kohe algamas maailmasõda.

Ahelreaktsiooni võimalust tuumafüüsikas oli juba 1933. aastal ennustanud Ungari päritolu füüsik Leo Szilárd, aga ta ei leidnud aineid, millega see toimuda võiks. Kui selgus, et neutronite toimel lagunevas uraani tuumas tekivad uued neutronid, tundis Szilárd selles peituva võimaluse kohe ära. Koos teiste Ameerikasse põgenenud Ungari füüsikutega arutati võimalust, et Saksamaal on alustatud või kohe algamas tuumaenergia sõjalise rakendamise projekt ja otsustati juhtida sellele võimalusele Ameerika Ühendriikide valitsuse tähelepanu. Einsteini-Szilárdi kiri presidendile viis kokkuvõttes Manhattani projekti ja tuumarelva loomiseni. Einsteini veendi allkirja andma tema suure tuntuse tõttu ja see muutis kirja tõepoolest kaalukamaks.

Selleks, et kasutada tuumaenergiat, oli vaja lahendada mitmeid teoreetilisi ja tehnilisi probleeme. Looduslik uraan koosneb põhiliselt kahest isotoobist, üle 99,27% on uraan-238 ja 0,72% on uraan-235. Plahvatusliku ahelreaktsiooni annab uraan-235, mille omadused olid 1939. veel üsna tundmata. Isotoopidel on samad keemilised omadused, st tavalised ainete eraldamise meetodid uraan-235 kontsentratsiooni tõstmiseks ei sobi. Füüsikalistest rikastusmeetoditest katsetati algul gaasilise uraanheksafluoriidi ($U{F}_6$) tsentrifuugimist, aga see osutus tehniliselt liiga keeruliseks ja kalliks. Kahe gaasi difusioonil põhineva ja ühe elektromagnetilise meetodi järjestikune rakendamine võimaldas tõsta uraan-235 kontsentratsiooni 89%-ni. 1945. aasta juulikuuks oli nii saadud umbes 50 kg pommi valmistamiseks sobivat materjali.

Tuumarelva arendamise teine suund keskendus plutooniumile. Plutoonium-239 leidub looduses nii vähe, et selle eraldamine maakidest ei tule kõne alla. Suure koguse plutooniumi tootmine on võimalik tuumareaktorites (ptk Tuumaenergeetika), kus uraan-238 muutub neutronite toimel läbi mitme beetalagunemise (ptk Radioaktiivsus ja kiirgus) plutoonium-239-ks.

Plutooniumi tekib üsna vähe ja see tuleb pärast reaktorist väljavõtmist eraldada. Erinevalt uraani rikastamisest saab siin kasutada keemilisi meetodeid, aga ka see oli algul lahendamist ootav probleem, sest plutooniumi omadusi polnud veel jõutud uurida. Tuumarelva loomise projekti kõige kulukamaks osaks saigi uraani rikastamine ja plutooniumi tootmine.

Ahelreaktsioon (ptk Tuuamreaktsioon ei arene plahvatuslikult väikeses uraani- või plutooniumitükis, sest palju tekkinud neutroneid pääseb ainest välja enne, kui nad kohtuvad järgmiste lõhustumisvalmis aatomitega. Ahelreaktsiooni kestmiseks piisavat aine kogust nimetatakse kriitiliseks massiks. Uraan-235 ja plutoonium-239 kriitilised massid on ideaaljuhul vastavalt 50 kg ja 10 kg. Reaalselt sõltub kriitiline mass aine puhtusest ja tihedusest, mõju avaldavad välistingimused nagu temperatuur ja neutronite tagasipeegeldamine. Tehniliselt on oluline ainetüki kuju. Näiteks kerakujulisena kriitilist massi ületav kogus on alakriitiline varrastena või rõngastena. Esimeste aatompommide loomiseks korraldati mõned lihtsad, kuid võrdlemisi riskantsed kriitilise massi eksperimendid, millest saadud andmed võimaldasid teadlastel asuda relva konstruktsiooni välja töötama (joonis 2.7.1.).

Esimeste aatompommide loomise teaduslike ja tehniliste probleemide kõrval tuli tegelda taktikaliste küsimustega. Pommide lõplik monteerimine ja kohaletoimetamise viisid vajasid läbitöötamist. Projekt pidi olema hoolega salastatud ja seegi polnud lihtne ülesanne. Teadlased osutusid tihtipeale isepäisteks ja probleemseteks isiksusteks. Rikastustehaste, laborite ja instituutide kümnetesse tuhandetesse ulatuvat tehnilist ja abipersonali püüti hoida teadmatuses saladusest, mille heaks töö käis. Administreerimine, logistika ja salastamine läks üldiselt hästi, aga sellele vaatamata õnnestus nõukogude agentidel info plutooniumipommi kohta välja viia.  Nõukogude Liidu tuumaprogrammil oli kättesaadud dokumentidest palju abi. Praeguseks avalikustatud andmed viitavad, et Ameerika saladuste väljanuhkimine kiirendas nõukogude tuumaprogrammi mitme aasta võrra.

Manhattani projekti esimesed tuumapommid said valmis 1945. aastal. Esimene tuumakatsetus toimus New Mexico osariigis Almogordo polügoonil 16. juulil. Enne Teise maailmasõja lõppu otsustati lõhata kaks pommi (joonis 2.7.) Jaapani linnade kohal. Tuumarünnakuid Hirošimale ja Nagasakile on möödunud aastakümnete jooksul hinnatud erinevalt. Linnade hävitamist on õigustatud sõja kiire lõpetamise vajadusega. On tõsi, et Jaapan kapituleerus kohe pärast tuumarünnakuid. Samas ei ole kuidagi võimalik teada, milline oleks olnud sõja lõpp ilma tuumarelvadeta, mis oleks saanud edasi rahvusvahelistest suhetest ja kas aatompommid oleksidki jäänud lõhkema ainult katsepolügoonidel. Nõukogude tuumaprogramm arenes Los Alamosest lekkinud andmete tõttu kiiresti ja juba 1949. aastal jõuti esimese tuumakatsetuseni Semipalatinski tuumapolügoonil Kasahstanis.

Joonis 2.7.2. Esimeste tuumarelvade hulka kuuluv "Väikemees" heideti 6. augustil 1945. aastal Jaapani linnale Hiroshima. Pommi kuju on funktsionaalne, tegemist on uraanitükkide kokkutulistamise kahuriga.	Tuumarelva "Paksuke" kuju on funktsionaalne, ümar kest mahutab kerakujuliselt paigaldatud lõhkelaenguid, mille kontrollitud plahvatus surub keskele tihedalt kokku plutooniumist tuuma. Pomm heideti 9. augustil 1945. aastal Jaapani linnale Nagasaki.

Enne esimest tuumakatsetust analüüsiti võimalust, et plahvatuskeskmes väga kõrgele tõusev temperatuur võiks panna vesiniku aatomid (näiteks vees) ühinema heeliumiks (ptk Tuumareaktsioon), mis käivitaks nn superpommi ehk vesinikupommi. Arvutused näitasid, et seda ei juhtu. Lisaks kõrgele temperatuurile vajab „Päikese süütamine Maal” ka kõrget rõhku. Vesinikupommi väljatöötamine osutus väga mahukaks füüsikateooria ja matemaatika probleemiks, mille lahendamisele aitas palju kaasa esimeste elektrooniliste arvutite, ENIAC ja MANIAC kasutamine. Teise maailmasõja järgne võidurelvastumine viiski kergete tuumade sünteesil põhineva termotuumarelva väljatöötamiseni 1950-ndate keskel. Tavalist vesinikku või vesinikku vee molekulides ei saa maapealsetes tingimustes niimoodi ühinema panna, nagu see toimub tähtedes. Termotuumapommi lõhkeaineks on vesinik-2, deuteerium. Deuteeriumi tuumas on üks prooton ja üks neutron, massiarv kaks. Loodusliku vesiniku hulgas on deuteeriumi 0,01%. Siiski on puhta deuteeriumi või selle ühendite eraldamine mõnevõrra lihtsam, kui oli uraani isotoopide eraldamine, ja vastavaid tehaseid ehitati juba alates 1930-ndatest mitmel pool maailmas.

Kuigi veeldatud deuteeriumi plahvatamapanek tavalise aatompommi toimel osutus võimalikuks (esimene katsetus 1953), polnud reaalne sellist pommi sõjaliselt kasutatavaks, st kohaletoimetatavaks teha. Hiljem katsetatud väiksemates ja kergemates seadmetes kasutati liitiumi ja raske vesiniku ühendit, liitiumdeuteriidi. Sütikuna kasutati kaheastmelist plutooniumpommi. Plahvatuses vabanenud neutronid tabavad liitiumi tuumi, tekib palju triitiumi (vesinik-3, üliraske vesinik). Triitiumi ja deuteeriumi ühinemise saaduseks on heelium-4 tuumad ja neutronid, vabaneb väga palju energiat.

Tuumaplahvatus on lõhkeaine plahvatusest erinev. Kõrge temperatuur ja lööklaine tekivad mõlemal juhul, aga just plahvatuse võimsus on erinev. Tuumarelvas vabaneb väga palju energiat mõne millisekundi jooksul. Osa energiast tekitab hävitava kiirgusimpulsi, temperatuur plahvatuse keskmes tõuseb mitme miljoni kraadini ja sellega kaasneb ülitugev lööklaine. Tuumapommide plahvatusi hinnatakse võrdluses tavalise lõhkeaine, trotüüli ehk trinitrotolueeni (TNT) plahvatusega. Kuigi tuumaplahvatuse iseloom on tavalõhkeainete omast erinev, saab trotüüliekvivalendi kaudu plahvatustel vabanevat energiat võrrelda. Esimese tuumakatsetuse eel lõhati jälgimisseadmete ja mõõteriistade kontrollimiseks polügoonil 100 t trotüüli. Tuumaplahvatus osutus võrdseks 20 000 t lõhkeaine plahvatusega. Trinity oli niisiis 20 kt (kilotonnine) pomm, energiat vabanes 8,4·10¹³ J=84 TJ. Hirošimale ja Nagasakile heidetud pommid olid vastavalt 13 kt ja 21 kt. Megatonniste plahvatuste piir ületati vesinikupommidega. Nõukogude Liidus projekteeriti 100 Mt Tsaar Pomm, mis ehitati katsetuse jaoks poole võrra vähendatud variandis ja plahvatas Novaja Zemlja polügoonil 1961. aastal. See on suurim plahvatus, mille inimesed on korraldanud. Kõige suurem teadaolev plahvatus enne aatomiajastut arvatakse olevat 1917. aasta õnnetus lõhekaineid vedanud Prantsuse kaubalaevaga. Arvestuslik trotüüliekvilaent oli 2,9 kilotonni.

Tuumaplahvatusega seostatud seenekujuline pilv tekib tegelikult teistegi suurte plahvatuste, nt vulkaanipursete ja metsatulekahjude korral. Tuumaseen kerkib plahvatustel, mis toimuvad maapinnal, maa või vee kohal. Udust, suitsust, pinnasetolmust, purustatud ja osaliselt aurustunud kivimitest ning pommi enda jäänustest koosneva pilve kõrgus sõltub pommi tüübist ja plahvatusel vabanevast energiast. Vesinikpommide katsetused on näidanud, et alates 1 Mt plahvatusest võib tuumaseen tõusta 20 km kõrgusele ja viia stratosfääri suurel hulgal gaase ning tolmu, sh radioaktiivseid aineid (ptk Radioaktiivsus ja kiirgus).

Tuumarelvade valmistamise saladus oli 1950-ndate alguseks avalikuks saanud ja võidurelvastumise hoos kasvasid nii tuumaarsenalid kui ka tuumariikide nimekiri. Tuumarelvade arvu loetakse kasutusvalmis ja kiiresti valmisseatavate lõhkepeadena. Arvesse ei lähe lahtivõetud ja hävitamist ootavad lõhkepeade osad ja pooleliolevad seadmed. Mahakantud ja poolelijäänud tuumapommid on potentsiaalselt ohtlik materjal, sest nende üle peetav arvestus on katkendlik. Tuumarelvade laoseisu maksimum oli 1986. aasta paiku, koguarv ületas siis 65 000 lõhkepead. USA maksimum oli 1966. aastal, Nõukogude Liidu maksimum oli 1986. või 1987. aastal. Teistel tuumariikidel on arvatavasti kunagi olnud kokku umbes tuhat lõhkepead. Kui kõik maksimumid oleks kokku langenud, võinuks olla korraga umbes 73 000 lõhkepead. Ei ole teada, kui palju lõhkepäid on üldse toodetud, hinnatakse, et üle 130 000. Neist veidi üle 2000 on lõhatud tuumakatsetuste tarvis. Pärast külma sõja lõppu on palju tuumarelvi hävitatud või hävitamiseks ette valmistatud ja 2013. laoseisuks arvatakse umbes 17  300 lõhkepead. Põhiosa sellest on endiselt vanade tuumariikide, enamalt USA ja Venemaa käsutuses.

Tuumariike on üheksa: Ameerika Ühendriigid (esimene katsetus 1945), Venemaa (1949), Ühendkuningriik (1952), Prantsusmaa (1960), Hiina (1964), India (1974), Pakistan (1998), Põhja-Korea (2006). Iisraeli peetakse kindlalt tuumariigiks, aga ametlikku kinnitust sellel pole. On võimalik, et Iisrael tegi koostööd Lõuna-Aafrika vabariigiga ja korraldas tuumakatsetuse 1979. aastal India Ookeanis, aga ka seda varjab ametlik vaikimispoliitika. Lõuna-Aafrika Vabariik on oma 1980-ndatel valmistatud tuumarelvadest täielikult loobunud. Nõukogude Liidu lagunemisega iseseisvunud riikide territooriumil olnud lõhkepead viidi Venemaale. Nii jäid tuumariikide nimekirjast välja Ukraina, Valgevene ja Kasahstan. Iraani tuumprogrammi eesmärk on 2013. aasta seisuga lahtine.

20. sajandi teisel poolel sai tuumaohutusest oluline rahvusvaheliste suhete ja koostöö teema. Probleem on mitmetahuline: tuumarelvade tootmine, hoidmine ja lõpuks ka hävitamine, tootmisjääkide käitlemine ja ladustamine, tuumakatsetuste mõju ookeanile, atmosfäärile ja inimeste tervisele, tuumareaktorite töökindlus, jäätmete töötlemine ja pikaajaline säilitamine, radioaktiivsete ainete kasutamine meditsiinis ja tehnikas jpm. Suurriikide ladudesse kogunesid tuhanded lõhkepead, mis kergitas küsimuse suuremahulise tuumasõja puhkemisest ja selle võimalikest tagajärgedest. Nõukogude Liidus, Ameerika Ühendriikides ja teisteski riikides püüti näidata tuumasõda kaunis kergesti üleelatavana ja elanikkonda selleks ette valmistada. Kindralid kippusid uskuma, et tuumasõda on võidetav, isegi mõistlik, koguni paratamatu. Samal ajal suurenes tuumakatsetuste ja vulkaanipursete uurimise andmestik, atmosfääri- ja kliimamudelid arenesid arvutustehnika täiustumise toel üha edasi. Tuumasõja tagajärgede mudelid näitavad, et tuumaseentega ülestõstetud tolmust ja tulekahjude suitsust muutuvad päevad pimedaks (tuumaöö) ja suved jäävad ära (tuumatalv). Stratosfääri ulatuvad pilved rikuvad osoonitasakaalu aastakümneteks. Sajab musta radioaktiivset vihma. Võib-olla ei ole see kõik nii hull, need on ikkagi ainult mudelid ja tagajärjed sõltuvad plahvatuste arvust ning kohast, aastaajast jpm. Diskussioon tuumatalve teemal on olemuslikult sarnane vaidlusega üldise kliimasoojenemise üle. Majanduslikel ja poliitilistel põhjustel hinnatakse mudelite järeldusi ja puudusi oma mätta otsast ning halvustatakse vastasleeri. Praegu on siiski üsna selge, et Hiina kommunistlik juht Mao Zedong eksis rängalt, kui ta 1957. aastal ütles:

„Kujutleme, kui palju inimesi sureb sõja puhkemise korral. Maailmas on 2,7 miljardit inimest ja kolmandik hukkub. Või natuke rohkem, võib-olla pool. Ma ütlen, et kui juhtub halvim ja pool sureb, siis pool jääb ikkagi alles. Aga imperialism on maatasa tehtud ja kogu maailm saab sotsialistlikuks. Mõne aasta pärast on inimesi jälle 2,7 miljardit.”

J. Robert Oppenheimer (1904-1967)

J. Robert Oppenheimer oli Manhattani projekti teadusdirektor. Tehniliselt ja sõjaliselt poolelt juhatas kindral Leslie Groves. Oppie, aatompommi isa, nagu teada tunti 20. sajandi keskel, on paljudele teadlase isiklike tõekspidamiste ja riiklike huvide kokkupõrke sümbol.

Oppenheimer õppis nooruses võrdse vaimustusega loodusteadusi, matemaatikat ja keeli. Hea mälu ja keeletaju võimaldas tal korraga tegelda kreeka, ladina, prantsuse ja saksa keelega, ajendiks tihti soov lugeda huvitavaid autoreid originaalkeeles. Kogu elu huvitus ta klassikalisest ja idamaade filosoofiast.

Pärast õppimist Harvardis ja Cambridge’i ülikoolis Rutherfordi juures sai ta doktorikraadi Saksamaal ning pöördus Ameerikasse tagasi 1929. aastal. Oppenheimer oli erakordselt andekas õppejõud ja suurepärane teoreetik. California ülikoolis Berkeleys ja California tehnoloogiainstituudis töötades avaldas ta mitmeid ennustuslikke ideid, mis puudutasid neutroneid, positrone, neutrontähti – kui nimetada ainult tuntumaid. Pikka kasvu, kõhn, energiline, intensiivne, kaasahaarav, särav – need on sõnad, millega õpilased ja kolleegid teda iseloomustasid.

Teoreetilise füüsika uuringud haarasid teda sedavõrd, et ta elas tihti justkui omas maailmas, lugemata uudiseid ja kuulamata raadiot. 1930-ndate poliitilised sündmused maailmas köitsid siiski ta tähelepanu ja ta võttis väga selge fašismivastase seisukoha. 1942. aasta juunist asus Oppenheimer Manhattani projekti juhtima. Parimate teadlaste koondamine Los Alamose teaduskeskusesse on kindlasti Oppenheimeri energia ja suhtlemisoskuse teene. Lõpuks juhtis ta üle kolme tuhande töötajaga keskust, lahendades samas pidevalt teoreetilisi ja tehnilisi probleeme. Ometi ei tunnistatud tema sobivust direktori kohale alguses kuigi kergelt. Juhtimiskogemusi tal eriti polnud, tema lähedased olid seotud kommunistliku parteiga, ta polnud isegi, erinevalt teistest kandidaatidest, Nobeli preemia laureaat. Vaatamata võimude pidevatele kahtlustele ja arvatavale turvariskile oli kindral Groves siiski kindel, et paremat meest projekti juhtima pole olemas. Tagantjärele on kõik tunnistanud, et tal oli õigus.

Esimese tuumakatsetuse jälgimist meenutas Oppenheimer aastaid hiljem kahe tsitaadiga hinduismi pühast tekstist  Bhagavadgītāst: „Kui tuhande Päikese helendus sööstaks korraga taevasse, oleks see nagu kõigevägevama hiilgus.” ja „Nüüd on minust saanud Surm, maailmade hävitaja.”

Pärast sõda juhatas Oppenheimer USA Aatomienergia Komisjoni. Vesinikupommi loomist ta algul ei toetanud, aga vaatamata kõhklustele loobus siiski otsesest vastuseisust. Kommunismihirmu laineharjal tuletati nüüd jälle meelde tema vasakpoolseid vaateid ja lähedasi suhteid kommunistidega enne sõda. Uurimine viis selleni, et Oppenheimeri luba töötada riigisaladustega tühistati, tema töö Aatomienergia Komisjonis ja vesinikupommi projektis lõppes.

Kaotanud võimaluse mõjutada teaduspoliitikat, jäi Oppenheimer ometi Princetoni Instituudi direktoriks, pidas loenguid Euroopas ja Jaapanis, ta valiti paljude ülikoolide audoktoriks ja teadusseltside liikmeks. Teda tunnustasid nii teadlased kui ka poliitikud. Praegu, kui isegi Venemaal avanevad veidi tuumasaladuste arhiivid, on üsna kindel, et kuigi Oppenheimer oli 1930-ndatel lähedalt seotud kommunistide ja kommunistliku parteiga, ei saanud nõukogude luure tema kaudu mingit informatsiooni, kuigi proovis.

1950-ndate keskpaigast alates veetis ta pikki kuid oma väikeses rannamajas Neitsisaartel, kus purjetas koos naise ja tütrega merel ning kirjutas raamatuid eetika ning moraali teemadel. Oppenheimer oli noorusest saadik ahelsuitsetaja. 1966. aastal diagnoositi tal kõrivähk ja ta suri Princetonis veebruaris 1967.

Aatomituumade siseenergia muutmine elektrienergiaks on alates 20. sajandi keskpaigast saanud tavaliseks. Tuumaenergeetika on suur teadus- ja tööstusharu. Kasutuses on palju erineva tuumkütusega reaktoritüüpe, neutronite voogu aeglustatakse ja kontrollitakse mitmel moel ja konstruktsioonilisi lahendusi on samuti palju. Kõige üldisemalt (joonis 2.8.1.) on tegemist soojuselektrijaamaga, kus generaatorite pööritamiseks kasutatav kuum aur saadakse reaktoris tuumareaktsioonil vabaneva soojusega vett keetes.

Reaktor on seade, milles toimub tuumareaktsioon, kus seda kontrollitakse ja kust vabanenud soojus viiakse soojuskandjaga välja. Reaktori konstruktsioon, materjalid, kaitsekest ja turvasüsteemid võivad neil harvadel juhtudel, kui midagi valesti läheb, tuumaõnnetuse tagajärgi leevendada või isegi päris ära hoida.

Tuumkütuseks on aineid, mis aatomituumadega toimuvate protsesside, olgu lagunemise või liitumise tulemusena võimaldavad tuumade siseenergiat teisteks energialiikideks muuta. Tihti nimetatakse tuumkütuseks ka valmismaterjale (koos kesta, täiteainete, aeglustajate jm-ga), mis on toodetud tuumareaktorisse paigutamiseks. Kõige tavalisemad tuumkütused on uraan-235 ja plutoonium-239, milles tekib aeglaste neutronite toimel ahelreaktsioon. Uraan-238, mida on looduslikus uraanis kõige rohkem, laguneb kiirete neutronite toimel, ahelreaktsiooni ei teki. Uraan-238 tuumad haaravad neutroneid ja neist saab pärast kahte beetalagunemist (ptk Radioaktiivsus ja kiirgus ja Manhattani projekt)

tuumkütus plutoonium-239. Kütus pannakse reaktorisse enamasti varrastena, mis olenevalt reaktori tüübist sisaldavad veel struktuurseid materjale, neutronite aeglustajaid või neutronite peegeldajat.

Neutronite aeglustamiseks on reaktoris tuumkütuse hulka või vahele lisatud aineid, mille tuumadega põrkudes kaotavad neutronid kineetilist energiat. Aeglustamine on vajalik, sest kütuse tuumad haaravad ainult aeglasi neutroneid piisavalt suure tõenäosusega, et ahelreaktsioon saaks püsida. Aeglustiks sobivad ained on näiteks süsinik (grafiit), vesi, raske vesi, berüllium. Hea aeglusti ei neela neutroneid ega sisalda neutroneid neelavaid lisandeid. Tuumareaktorite väljatöötamise algusaegadel oli probleeme puhta süsiniku tootmisega, näiteks boorilisandiga grafiit ei sobi reaktorites kasutamiseks. Saksamaa tuumaprogrammi luhtumise üheks põhjuseks Teise maailmasõja ajal oli saadaoleva grafiidi liiga suur boorisisaldus.

Ahelreaktsiooni juhtimiseks kasutatakse kontrollvardaid, mis valmistatakse neutroneid neelavast ainest, põhiliselt kaadmiumist, indiumist ja hõbedast, aga ka paljudest teistest metallidest või ühenditest. Kontrollvardaid reaktoris kütuse vahele pistes või neid sealt välja tõmmates reguleeritakse neutronite arvu ja seekaudu reaktsiooni kulgu. Reaktsiooni saab kontrollida ka reaktorist läbi voolava soojuskandja kaudu, selleks lisatakse sinna booriühendeid.

SCRAM

SCRAM on ahelreaktsiooni peatamine avariiolukorras või teatud sorti avariikahtluse korral. Näiteks Jaapanis on SCRAM-i käivitamine kohustuslik kõigis tuumajaamades maavärina korral ja toimub tavaliselt automaatselt. Nimi pärineb esimeste tuumareaktorite katsetamise aegadest, kui varraste reaktorisse viimist nimetati skrämmimiseks. Hiljem mõeldi välja, et SCRAM-i tähendus võiks olla julgestuse kontrollvarda kirvemees (safety control rod axe man). Kõige esimese tuumareaktori käivitamisel olevat tõesti ühe mehe ülesandeks jäetud hädaolukorrasläbi raiuda köis, millega oli üles riputatud üks lisavarras. See varras oleks kukkunud reaktorisse ja peatanud kontrolli alt väljuva ahelreaktsiooni. Esimest SCRAM-i ei läinud vaja.

Aastakümnetega on projekteeritud ja läbi proovitud väga palju erineva konstruktsiooni ja mitmete soojuskandjatega reaktoreid. Kõiki variante ei jõua nimetadagi, aga märkimist väärivad järgmised:

• Survevee reaktorid (PWR - pressurized water reactors), kus tavaline vesi kõrgel rõhul ja temperatuuril kannab soojuse boilerisse. Boilerist saadud aur suunatakse turbiinile. Vesi toimib ka neutronite aeglustajana.
• Keeva vee reaktorid (BWR - boiling water reactors), kus vesi keeb reaktori sees, tuumkütuse varraste vahel, ja aur suunatakse sealt otse turbiinile. Vesi (täpsemalt iga vesiniku tuum vee molekulis) on neutronite aeglustaja, aga kahjuks ka üsna hea neutronite neelaja. Veega jahutatavas reaktori tuumas peab kasutama rikastatud uraani.
• Suure võimsusega kanalreaktor (RBMK - pеактор bольшой mощности kанальный - РБМК), Nõukogude Liidus välja töötatud üsna ebatavaline grafiitaeglustiga reaktoritüüp, mida praegu enam ei ehitata. Kolm veel töötavat jaama peaksid reaktorid sulgema 2030. aastaks. Pärast õnnetust Tšernobõlis on käiku lastud ainult üks selline reaktor.
• Raske vee reaktorid, mis kasutavad neutronite aeglustajana ja osaliselt ka soojuskandjana rasket vett (D₂O). Deuteerium on hea aeglustaja ja ei neela neutroneid, seepärast saab raske vee reaktorites kasutada rikastamata uraani. Kanadas on kõigis tuumajaamades CANDU (CANada Deuterium Uranium) raske vee reaktorid, neid on projekteeritud ka teistesse maadesse.
• Gaasjahutusega reaktorite variandid, mis kõlbavad hästi nii jõujaamadeks kui plutooniumi tootmiseks, töötati välja Ühendkuningriigis ja Ameerika Ühendriikides. Grafiitaeglustaja ja gaasilise soojuskandjaga jaamu arendatakse edasi ja peetakse perspektiivikaks.
• Sulatatud soolad ja metallid on soojuskandjatena suhteliselt ohutud, neid kasutatakse muuhulgas aatomiallveelaevadel. Sulatatud sooladega reaktoris on võimalik, et soojuskandja on ühtlasi ka kütus.

Tuumareaktorite tehnilist täiustumist, turvalisuse nõudeid, vastavat seadustikku ja rahvusvahelist kontrolli kirjeldatakse reaktorite põlvkondadega:

• I põlvkonda kuuluvad katseseadmed, prototüübid ja mõned proovireaktorid, mida ärilistel eesmärkidel käiku ei lastudki. Praeguseks on need kõik suletud, mitmeid hoitakse alles tehnikaajaloo mälestistena.
• II põlvkonnaks on põhiosa praegu töötavaist reaktoreist, mis said valmis aastatel 1965 kuni 1996. Nende jaamade tööeaks oli arvestatud 30 kuni 40 aastat, aga mõned neist on juba ümber ehitatud toimima 50 või 60 aastat ja arvatakse, et osa jaamu võib parandamise ja täiustamisega vastu pidada 80 aastat. Mõned II põlvkonna jaamad on ehitatud isegi pärast 2000. aastat, neis on parandatud turvalisust ja planeeritud, et ilma suurema ümberehituseta töötavad 60 aastat. Neid jaamu loetakse mõnikord põlvkonda II+.
• III põlvkonna jaamade projekteerimise põhimõtted kujunesid välja 1990-ndateks. Neis uutes jaamades on parandatud kütusetehnoloogiat, on rohkem tähelepanu pööratud passiivturvalisuse meetmetele, vähendatud hooldevajadust ja tõstetud efektiivsust. Ühtlasi on neid jaamu odavam ehitada ja kasulikum pidada. Paljud praegu töötavad ja ehitatavad jaamad kannavad tähiseid III+ ja III++.
• IV põlvkonna jaamu pole veel ehitatud ja kuigi uurimine käib, pole lootust nendega turule tulla enne 2030. aastat.
• V põlvkonna tuumajaamade põhimõttelist võimalikkust on arutatud. Kuigi uurimisteemasid oleks, pidurdavad esialgu konkreetsemaid plaane majanduslikud ja turvakaalutlused.

Esimene tuumareaktor käivitati 1942. aastal Chicago ülikoolis Enrico Fermi juhitud töörühma poolt. Algul oli selliste reaktorite loomise eesmärgiks uurida ahelreaktsiooni toimumise tingimusi, juhtimise võimalusi ja toota plutooniumi. 1950-ndate jooksul arendati välja elektrienergia tootmiseks sobivad seadmed ja tuumajaamade arv kasvas kiiresti. 2013. aastaks oli maailmas umbes 435 töötavat tuumelektrijaama, planeeritud koguvõimusega üle 370 GW. Läbi tuumaenergeetika poolsajandi on kõige rohkem jaamu ehitatud Ameerika Ühendriikides, Prantsusmaal, Jaapanis ja Nõukogude Liidus. Ehitamine käib umbes 70 tuumajaamas, mis peaksid lähematel aastatel lisama 65 GW võimsust. Uusi jaamu ehitatakse ja projekteeritakse suuremalt jaolt Venemaal, Hiinas, Indias ja Lõuna-Koreas. Paljud riigid on loobunud uute tuumajaamade planeerimisest ja asunud vanu sulgema.

Tuumaelektrijaamade sulgemise ja ehitamisplaanidest loobumise põhjused on osaliselt majanduslikud. Uraani hind on tõusnud ja ehitusnormid karmistunud, mis teeb kallimaks nii jaamade püstitamise kui ka igapäevase käigushoidmise. Teiselt poolt on igasuguse tuumatehnoloogia kasutamine ühiskondlik ja psühholoogiline probleem, mis tuleneb kahest ohust:

• On hea, et tuumajaamal ei ole tossavaid korstnaid ja suuri tuhavälju (joonis 2.8.1.). Arvestades jaamade pikka iga, on jäätmeid silmapaistvalt vähe. Vastukaaluna on tuumajäätmete käitlemine, transport ja säilitamine keerukas ning kallis. Jäätmeid ei saa peaaegu üldse uuskasutusse võtta, nad ei muutu ohutuks ka väga pika aja jooksul. Hoidlaid peab kontrollima, valvama ja ümber korraldama sadu, osaliselt isegi tuhandeid aastaid. Mitte keegi ei taha oma maale tuumajäätmete hoiupaika.
• Elektrijaam on suur ettevõte, mis toimib paljude keerukate seadmete koostöös. Seal töötab palju erinevate väljaõpete ja ülesannetega inimesi. On praktiliselt võimatu, et nii suures süsteemis ei lähe midagi rikki, ei kulu üle piiri, keegi ei tee valeotsust. Nii on see kõigis suurtes tööstusettevõtetes ja tuumajaam ei ole siin erandiks. Eripära on see, et kui mitu õnnetut juhust kokku satuvad, võivad tagajärjed inimestele, jaamale ja kahjuks ka väga laiale ümbrusele olla katastroofilised.

1957. aastal asutatud Rahvusvaheline Aatomienergia Agentuur (IAEA) on praeguseks seadnud kolm suurt eesmärki:

• aatomienergia rahumeelse kasutamise edendamine;
• kontroll tuumatehnoloogiate, -materjalide ja -seadmete kasutamise üle nii palju kui see võimalik on, et vältida edaspidi igasugust sõjalist kasutust;
• tuumajaamade ohutuse parandamine.

IAEA registreerib ja klassifitseerib tuumajaamades juhtunud õnnetusi. Vastav juhtumite skaala INES, (joonis 2.8.2.) koostati 1989. aastal. Juhtumite kirjeldamine ja hindamine ei ole lihtne, arvesse võetakse juhtumi tulemusel tekkinud radioaktiivse saastumise ulatust, surmajuhtumite arvu, tagajärgede likvideerimise kulusid ja arvatavate keskkonnamõjude ajalist ulatust. INES ei ole täpne teaduslik mõõdupuu, pigem on see vahend juhtumite ja õnnetuste kõige üldisemaks kirjeldamiseks, näiteks suhtlemisel ajakirjandusega. Selle järgi on kirjeldatud ka vanemaid õnnetusjuhtumeid. Kõike kokku võttes on tuumaajastu jooksul (veidi üle poole sajandi) juhtunud umbes 25 raskemat õnnetust. Märgiliste, väga suure ühiskondliku mõjuga sündmustena nimetatakse tavaliselt kolme:

1) Three Mile Islandi (USA) jaama teise reaktori jahutussüsteemi häire ja vee temperatuuri tõusu peale käivitus automaatne väljalülitamine (SCRAM), täpselt nii nagu see on ette nähtud. Üks väljalülitamisel 10 sekundiks avatud kaitseventiilidest ei sulgunud, kuigi kontrollseadmed näitasid, et on sulgunud. Ajaga, mis kulus tekkinud probleemide lahendamiseks, jõudis välja voolata nii palju jahutusvett, et reaktori tuum sulas osaliselt üles. Vigastatud ja endiselt väga kuuma reaktori jahutamine osutus tehniliselt keerukaks. Reaktori konstruktsioon pidi igal juhul vältima radioaktiivsete ainete kaitsekestast välja pääsemist, aga mitme õnnetu juhuse kokkulangemise tõttu jõudis reostunud jahutusvesi siiski abihoones asunud mahutisse ja väike kogus radioaktiivset ainet (põhiliselt gaasilised ksenoon ja krüptoon) lekkis keskkonda. Gaaside keemilise inertsuse ja väikese koguse tõttu ei olnud jaama ümbrusele mõõdetavat mõju, inimesed viga ei saanud. Kaitsekest pidas vastu, sulanud ained välja ei voolanud. Kuu ajaga suudeti reaktori temperatuur viia alla 100 kraadi ja rõhk atmosfääri rõhuga võrdsustada. Juhtumi tagajärgede likvideerimine algas augustis 1979, reaktori kaas avati juba juulis 1984 ja detsembris 1993 loeti tööd ametlikult lõppenuks. Teine reaktor on siiski arvel ajutise tuumajäätmete hoidlana, mida säilitakse ja jälgitakse samas kohas vähemalt kogu jaama sulgemiseni aastal 2034.

Vaatamata sellele, et õnnetus lõppes nö õnnelikult, tekitas see ühiskonnas erakordselt laia vastukaja. Esimest korda tuli ilmsiks, et paari aastakümnega harjumuspäraseks muutunud tuumaenergeetika võib tehniliste rikete, inimlike eksimuste, unustamise ning kommunikatsiooniraskuste tagajärjel muutuda ootamatult ohtlikuks. Üle maailma toimus tuumaenergia kasutamise vastaseid meeleavaldusi, korraldati koosolekuid ja kontserte, kirjutati artikleid ja raamatuid. Protestid olid suunatud jaama omaniku, uurimiskomisjoni, riigi ja ka teadlaste ning inseneride vastu. Paljud inimesed nõudsid ja ka said kompensatsiooni neile tekitatud kahjude, rikutud karjääri ja tervise eest. Sündmus võttis tuumaenergeetika arengul tublisti hoogu maha.

2) Tšernobõlis töötas Nõukogude Liidus projekteeritud RBMK tüüpi reaktor, mis oli ebatavaline nii põhimõttelt, konstruktsioonilt kui ka ehitustehniliselt. Selliseid esitati kui nõukogude tuumateaduse ja energeetika suursaavutusi, aga töökindluse, ahelreaktsiooni juhtimise ja avariiolukordade lahendamise probleemid ei olnud tegelikult kuigi kindlalt lahendatud. Suurõnnetus Tšernobõlis sai alguse planeeritud elektrisüsteemi avariilahenduse katse ajal, millega alustati 25. aprillil 1986. Kohaliku elektrivõrgu dispetšeri nõudel lükati katse edasi ja hilisem aeg langes kokku öövahetuse tööletulekuga. Uus vahetus ei olnud elektriinseneride planeeritud katse käiguga kuigi täpselt kursis ja tegi reaktori juhtimisel mitu valeotsust. Päris täpselt ei ole vigade kuhjumise käik ja põhjused teada, sest mitu kontrollruumi töötajat suri kiirituse tagajärjel juba mõne nädala pärast. Katseplaanis ettenähtud reaktori võimsuse vähendamisel tekkis reaktoris lühikese poolestusajaga (ptk Radioaktiivsus ja kiirgus) ksenoon-135, mis on neelab neutroneid ja pärsib sellega ahelreaktsiooni veelgi. Sellist ebastabiilset olukorda nimetavad tuumainsenerid reaktori mürgitumiseks. Võimsus langes väga madalale, aga seda õnnestus käsitsijuhtimisega siiski veidi tõsta ja enam-vähem stabiliseerida. Vaatamata reaktori kahtlasele käitumisele ja liiga väiksele võimsusele jätkati ettevalmistusi katseks. Tervelt kümne minuti jooksul ei tehtud välja mitmetest juhtimissüsteemi alarmidest. 26. aprillil kell 1.23.04 katse algaski. Mürgitunud reaktor, mis töötas madalamal võimsusel, kui katsetingimused ette kirjutasid, käitus ebatavaliselt ja juhtimisarvuti jätkas alarmeerimist.

Kell 1.23.40 vajutas keegi avariisulgemise nuppu ja käivitas SCRAM-i, mis ei olnud kohane ja läks täiesti valesti. Reaktori võimsus tõusis kiiresti kümme korda suuremaks maksimaalsest projekteeritud võimsusest. Tekkis väga palju ülikuuma auru, mis sai esimese plahvatuse põhjuseks. Teine, palju võimsam plahvatus toimus kolme sekundi pärast. Teise plahvatuse põhjus ei ole teada. Võimalik, et ka siin oli tegemist auruga. Kütusevarraste tsirkooniumkatte, grafiidi, kuuma veeauru ja õhuhapniku reageerimisel võis tekkida vesiniku ja vingugaasi segu, mis on samuti väga plahvatusohtlik. Radioaktiivse reostuse uurimise järgi on arvutatud, et mingi osa sulanud reaktori tuumast võis plahvatada nagu ebaõnnestunud tuumapomm, umbes 10-tonnise trotüüliekvivalendiga. Igal juhul oli just teine plahvatus see, mis purustas reaktori ja seda ümbritsenud hoone. Kütuse ja aeglusti laialipaiskamine peatas ahelreaktsiooni, aga süütas ümbruses mitu tulekahju. Reaktori varemed hõõgusid punaselt, grafiit ja ehitusmaterjalid põlesid lahtise leegiga. Õhku tõusis enneolematu radioaktiivse tolmu ja gaasi pilv, mis saastas ümbruskonda ja levis üle paljude Euroopa riikide. Hilisemad mõõtmised on näidanud, et kõige hävitavama reostuse osaliseks said reaktori lähima ümbruse kõrval mõned Valgevene piirkonnad.

Katastroofi sügavamad põhjused on jäänud igikestva vaidluse teemaks. Nõukogude Liidu juhtkond viivitas õnnetusest teatamisega ja püüdis mitmeti tulemusi pisemana näidata. Algul suunati kõik põhimõttelised süüdistused tuumajaama töötajate vastu. Ei saa eitada, et juhtimisruumis tehti vigu ja tagantjärele võiks operaatoritele õpetada, kuidas õnnetust ära hoida. Hiljem on siiski selgunud, et RBMK tüüpi seadmetel oli olulisi puudusi, reaktor oli halvasti projekteeritud ja ehitatud ning mitu muude riikide tuumareaktorites täiesti tavalist turvalahendust oli üldse rakendamata. Tuumatehnoloogia salastamine ja energeetika juhtimine ideoloogilisel alusel tegi võimatuks vigadest õppimise.

Tšernobõli katastroofi tagajärgede likvideerimisele kaasati sõjavägi, suure töö tegi ära kordusõppuste ettekäändel kogutud reserv. Päästetöödeks ei oldud valmis ja kõik osutus väga keeruliseks. Teha oli palju: ümbruskonnast pidi elanikud teadmata ajaks evakueerima (üritades seejuures paanikat vältida), tulekahju tuli summutada, reaktori varemed oli vaja kinni katta ja pikaajaliseks säilitamiseks ette valmistada, sulanud reaktorituumast tekkinud „laava” pinnasesse jõudmist pidi iga hinna eest vältima (seejuures ei olnud teada, mis reaktorihoone alumistes ruumides toimub), ümber plahvatanud reaktori vedelev surmavalt radioaktiivne praht (kütuse, aeglusti ja reaktori tükid) oli vaja kokku korjata, saastunud alad, tehnika, seadmed jm vajasid puhastamist, valvamist ning kontrollimist, suur inimvägi tuli majutada ja toita jpm. Pingelises olukorras oli palju segadust, infosulgu ja probleeme, aga suures osas olid tehtud otsused siiski õiged.

Kolm terveksjäänud reaktorit pandi mõneks ajaks seisma, aga kuna elektrienergiat oli hädasti vaja, käivitati juba samal aastal uuesti. Lõplikult suleti Tšernobõli elektrijaam 2000. aastal. Õnnetuse tekitatud kahjud ja päästetööde kulud on kokku liidetud, aga täit selgust neis siiski ei ole. Jaama lahtivõtmine ja suletud tsooni valvamine tekitab Ukraina riigile jätkuvalt (tõenäoliselt vähemalt 300 aasta jooksul) suuri kulusid.

3) Fukushima tuumajaamas on kuus erineva vanusega ja mitmelt tootjalt pärit keeva vee reaktorit. 2011. aasta ülitugeva maavärina ajal olid neist kolm erinevatel põhjustel suletud. Kolm töötavat reaktorit lülitusid maavärina peale automaatselt välja, nagu Jaapani seadused nõuavad. SCRAM-i alustamisega samal ajal käivitusid avariigeneraatorid, varustamaks energiaga juhtimisseadmeid ja jahutussüsteeme. Sarnase varugeneraatorite süsteemi katsetamine toimus ühel õnnetul ööl umbes 25 aastat varem Tšernobõlis. Fukushima jaamas läks kõik plaanipäraselt, kuni maavärina tekitatud hiidlaine 50 minuti pärast rannikule jõudis. Elektrijaam oli kaitstud 5,7-meetrise veetõusu eest, aga seekordne tsunami tõusis ligi 14 meetri kõrgusele. Elektrivarustus katkes, peaaegu kõik diiselgeneraatorid jäid seisma, kütusepaagid uhuti minema, elektrooniliselt juhitav ülerõhu kontroll lülitus välja. Osa seadmetest jäi siiski töökorda. Jahutussüsteemis oli võimalik kasutada aurupumpi ja lülitada elektroonikat patareitoitele. Hiljem on selgunud, et pingelistes oludes ei jätkunud jaama töötajatel piisavalt tähelepanu kõigi oluliste kohtade jaoks. Vaja oli korraga tegeleda nii elektrivarustuse taastamise, reaktorite jahutamise kui ka kasutatud kütusevarraste jahutusbasseinidega. Probleemid hakkasid kuhjuma ja kui akutoitel lisapumbad seisma jäid, tõusis temperatuur nii kõrgele, et kütusevarraste tsirkooniumkate reageeris kuuma veega ning tekkinud vesinik plahvatas mitmes kohas.

Õnnetusjuhtumi tulemusena pääses keskkonda suur kogus radioaktiivseid aineid, mille täpne kogus ei ole teada. 2013. aasta lõpuks ei ole selge, millal radioaktiivse vee leke Vaiksesse ookeani lõpeb. Juhtumi uurimine tuletas meelde mitmeid Fukushimaga seotud muresid varasemast ajast. Päevavalgele tuli fakte 60-ndate ja 70-ndate aastate turvalisuse kontrolliga seotud dokumentide võltsimisest. Selgus, et jahutussüsteemi katsetamistes oli vahet peetud 11 ja mõnes kohas isegi 40 aastat. 2008. aastal nõuti kontrolli tulemusena kohest tsunamitõkke täiustamist, arvestades veetaseme tõusuga 10,2 meetrit. Kompanii juhtkond ei pidanud soovitust tõsiseks, sest nii kõrge laine tundus ebareaalne.
Seekord reageeris maailm tuumaõnnetusele üsna tagasihoidliku protestiga, aga siiski võeti valitsuste tasandil vastu otsuseid vähendada tuumaenergeetika osatähtsust. Saksamaal on otsustatud kõik tuumajaamad sulgeda aastaks 2022. Itaalias, Šveitsis ja Belgias on toimunud referendumid, väga suur protsent elanikkonnast pooldab tuumaenergeetikast loobumist. Prantsusmaal on otsustatud töötavate jaamade arvu oluliselt vähendada. Mitmetes Aasia riikides on uute jaamade projekteerimine lõpetatud.

Enrico Fermi (1901-1954)

Itaalia füüsik Enrico Fermi oli samavõrra tugev nii teoreetiku kui eksperimentaatorina. Tema juhtimisel tehti rida ahelreaktsiooni uurimise katseid, arvutati ja planeeriti esimene töötav tuumareaktor.

Fermi oli pärit Roomast. Ta asus pärast kooli lõpetamist õppima Pisa ülikooli, lõpetas selle hiilgavalt, reisis Euroopas, kus kohtus paljude oma aja füüsikateoreetikutega. Juba 24-aastaselt sai ta Sapienza ülikooli professoriks Roomas. See oli üks esimesi teoreetilise füüsika professuure Itaalias. Fermi juhitud noorte teadlaste rühm sai peagi kuulsaks kui Via Panisperna poisid. Need poisid avastasidki aeglaste neutronite toime, avastus, mis viis lõpuks tuumareaktorite ja aatompommide ehitamiseni.

1938. aastal otsustas diktaator Mussolini Hitleri Saksamaad järgides alustada juudivastase kampaaniaga. Fermi oli Mussolini juures heas kirjas, ta nimetati teaduste akadeemia liikmeks ja kuulus isegi parteisse. Fermi ei olnud juut, aga tema naine oli ja see tegi kogu perekonna elu Roomas keeruliseks. Samal aastal sai ta Nobeli preemia uute, neutronkiirguse toimel tekkivate elementide ja aeglaste neutronite toimel toimuvate tuumareaktsioonide avastamise eest. Pärast preemia kättesaamist Stockholmis sõitis Fermi kohe koos perega Ameerika Ühendriikidesse. Ta oli juba varem salajase kirjavahetusega otsinud töökohta Ameerikas ja valis nüüd viiest pakkumisest Kolumbia ülikooli. Sel ajal oli ta ilmselt neutronite alal maailma parim spetsialist ja seepärast oli väikeseks pettumuseks, et uraani tuumade lagunemise tõestus ja seletus tuli hoopis Saksamaalt. Teise maailmasõja ajal ei olnud itaallastel Ameerikas kuigi kerge, aga Fermi isikuomadused ja eriline anne võimaldasid tal ometi kaasa lüüa olulistes teadusprojektides. 1944. aastal sai ta USA kodakondsuse.

Fermi oli arvatavasti esimene teadlane, kes juhtis tähelepanu Einsteini valemis E = mc² peituvale tuumade siseenergia vihjele. 1923. aastal kirjutas ta: „Vähemalt lähemas tulevikus ei tundu võimalik, et leitakse tee selle kohutava energiakoguse vabastamiseks ja nii ongi hea. Selle hirmuäratava energiaga plahvatuse esimene tulemus oleks teha pihuks ja põrmuks füüsik, kellel on piisavalt ebaõnne see tee leida.”

2. detsembril 1942. aastal oli Fermi juhitud töörühm Chicago ülikooli vana staadioni tribüünialuses ruumis valmis käivitama tuumareaktorit Chicago Pile-1. Reaktori kütus oli uraanitablettides, neutroneid aeglustas grafiit, kontrollvardad tehti kaadmiumist, indiumist ja hõbedast. Kogu seade meenutas puidust ja mustadest tellistest kuhjatud hunnikut (inglise keeles: pile - kuhi). Kiirguskaitset ja jahutust ei olnud. Reaktor pidi tulema umbes kerakujuline, aga Fermi arvutas ehituse ajal välja, et ahelreaktsiooni käivitamiseks pole vaja kogu materjali kokku laduda. Erakordne läbimõeldus, põhjalikkus ja piinlikult täpsed arvutused olid omased paljudele tema katsetele. See oli ka üheks põhjuseks, et reaktoriga julgeti katsetada rahvarohkes südalinnas. Iseeneslik ahelreaktsioon saavutati kell 15.25 ja reaktor töötas esimesel korral 28 minutit. Hiljem võeti kogu seade koost lahti ja viidi linnast välja. Praegu on see maetud koos mõne teise Manhattani projekti reaktori varemetega Red Gate Woodsi, Chicago linnalähedasse metsa.

Pärast sõja lõppu pöördus Fermi tagasi õppetöö ja teadusliku uurimise juurde. Ta tegeles osakestefüüsika ja kosmilise kiirgusega. Vesinikupommi projekti suhtes oli ta kriitiline, aga nagu paljud teadlased, osales selles siiski konsultandina, tehes mitmeid olulisi arvutusi.

Fermi suri 54. eluaastal pärast maovähi operatsiooni. Kahjuks ei jõudnud ta kirjutada planeeritud tuumafüüsika õpikut.

Prantsuse teadlane Henri Becquerel uuris 1896. aastal fosforestsentsi – mõnede ainete võimet pärast tugevat valgustamist ühevärviliselt helendada. Esialgu paistis, et uraanisoolad kiirgavad päikesekiirte mõjul lisaks valgusele ka röntgenikiiri, mis läbivad katses kasutatud tihedat musta paberit, aga metalli mitte. Peagi selgus, et valgustamine polegi vajalik, uraanisoolad kiirgavad täiesti iseenesest. Radioaktiivsuse uurimisele aitas tublisti kaasa uute, palju võimsamalt kiirgavate elementide avastamine. Marie ja Pierre Curie, eraldasid maakidest polooniumi ja raadiumi. Raadiumi kaudu kinnistus kogu nähtuse nimena radioaktiivsus.

Radioaktiivsus oli alguses teadlastele suur mõistatus, selle lahendamine on seotud Ernest Rutherfordi töödega. Juba aastatel 1898 kuni 1901 selgitas ta välja, et Becquereli kiired koosnevad mitmest erineva läbimisvõimega komponendist, mis said nimeks alfa- ja beetakiired. Elektri- ja magnetväljaga oli võimalik need kiirgused üksteisest eraldada ja siis sai kolmas komponent, millel laengut pole, nimeks gammakiirgus (joonis 2.9.1.). Samal ajal sai selgeks ka see, et gammakiired on sarnased röntgenikiirtega, st tegu on lühilainelise elektromagnetkiirgusega, suure energiaga kvantidega.

Alfalagunemise korral eraldub tuumast α-osake, heeliumi tuum

Tuumad ise muutuvad seeläbi teise elemendi tuumadeks, justkui nihkudes perioodtabelis kahe koha võrra ettepoole. Tekkinud tuuma massiarv on lähtetuuma omast nelja võrra väiksem. Uraan-238 on alfaradioaktiivne, lagunemisel eraldub $\alpha$-osake ja järele jääb tooriumi tuum, mis on samuti radioaktiivne ja laguneb edasi:

Tuumafüüsika ajaloos on $\alpha$-osakestel tähtis koht. Aatomituum avastati kulla aatomeid vaakumis $\alpha$-osakestega pommitades ja nende hajumist mõõtes (ptk Aatomituum). Rutherfordi hajumist kasutati hiljem palju tuumauuringutes. Esimesed avastused tuumareaktsioonide alal tehti samuti aineid $\alpha$-osakestega mõjutades.

Tuntud rakendustest on kõige laiema levikuga ionisatsioonikambriga suitsuandurid. Alfaradioaktiivne ainetükike ioniseerib pisikeses kambris gaasimolekule ja teeb võimalikuks sealt läbi lasta nõrka elektrivoolu. Kui kambrisse tungivad suitsuosakesed, muutub voolutugevus ja alarmsignaal rakendub.

Aatomimaailma mõõtudes on $\alpha$-osakesed üsna suured, suure massiga ja laetud, mispärast ei jõua nad radioaktiivsest preparaadist kuigi kaugele. Õhus levib alfakiirgus mõne sentimeetri, ei läbi õhukest metallikihti ega tungi läbi isegi paksemast paberist. Seepärast ei ohusta alfakiirgus organisme välispidiselt.

Joonis 2.9.2. Suitsuanduri ionisatsioonikambrisse on peidetud pisike tükk alfaradioaktiivset  ameeriitsium(IV)oksiidi. Kiirgusohtu ei ole, kuni kamber on terve, sest α-osakesed ei läbi metalli ega levi ka õhus kuigi kaugele.	Joonis 2.9.3. Satelliitide elektrivarustuse jaoks plutoonium(IV)oksiidist (238Pu02) pressitud silindri paneb punaselt hõõguma radioaktiivsel lagunemisel vabanev energia.

Kõige levinum tuumaenergia elektrienergiaks muundamine käib tuumajaamades soojusenergia ja vee keetmise kaudu (ptk Tuumaenergeetika). Radioaktiivsel lagunemisel vabanevat energiat saab elektrienergiaks muuta veel mitmel moel. Üks enamkasutatud lahendusi on termoelektriline radioisotooppatarei. Vooluallikaks on neis seadmetes termopaarid. Pinge saavutatakse temperatuurierinevusega, mis paneb laengukandjad liikuma kuumalt poolelt külmale. Kõrge temperatuur saadakse erinevatest, eelistatult $\alpha$-radioaktiivsetest ainetest. Kõige enam on kasutatud plutoonium-238 (joonis 2.9.3.), aga ka strontsiumi, polooniumi, küüriumi ja ameriitsiumi isotoobid on kasutust leidnud. Termoelekrilised radioisotooppatareid teenivad kohtades, kus patareid peavad kaua vastu pidama ja hooldamine või vahetamine on keeruline, kallis või võimatu. Seepärast kasutatakse neid satelliitidel, automaatsetes polaaralade vaatlusjaamades või tuletornides. Mõnda aega paigutati neid isegi südamestimulaatoritesse.

Beetalagunemisel eraldub tuumast suure kiirusega $\beta$-osake. Henry Becquerel tegi juba 1900. aastal kindlaks $\beta$-osakese massi ja laengu suhte, mis näitas, et tegemist on elektroniga (${\text{e}}^{-}$). Kuna tuumas ei ole elektrone, mis saaksid sealt väljuda, siis peavad elektronid tekkima. Ebastabiilsed tuumad lähevad iseenesest vähema energiaga seisundisse, misjuures muutub üks neutron prootoniks. Täpsemalt, üks d-kvark muutub u-kvargiks:

ehk

Lisaks sellele tekib igal lagunemisel üks antielektronneutriino. Selles protsessis massiarv ei muutu, küll aga muutub ühe võrra suuremaks laenguarv ja $\beta$-lagunemisel tekkinud tuum on perioodtabelis lähtetuumast järgmine.

Tuumast eralduvate $\beta$-osakese energiad on erinevad. Kiirus võib ulatuda üle 270 000 km/s, st beetakiirguse energia on väga suur. Õhus jõuab β-osake mõne meetri kaugusele, tungib rakkudesse või läbib õhukese alumiiniumlehe, aga ei läbi raskeid metalle ega kiviseinu. Kui $\beta$-osakese kiirus on aineosakestega kohtumise tõttu vähenenud, siis on ta täiesti tavaline elektron. Kahjuks jõuab ta kiirust kaotades ioniseerida molekule ja lõhkuda keemilisi sidemeid, millest tuleb beetakiirguse ohtlikkus elusolendeile.

Neutriinod on huvitavad osakesed

Beetalagunemisel tekivad koos kiirete elektronidega ka neutriinod, mille jälile jõutigi $\beta$-osakeste energia mõõtmisel. Beetalagunemise esialgsetes teooriates tekkisid probleemid energia jäävuse ja spinniga, kalduti isegi arvama, et energia jäävuse seadus ei pruugi osakeste maailmas kehtida. 1930. aastal kirjutas Austria füüsikateoreetik Wolfgang Pauli kolleegidele kirja, kus esitas beetalagunemise uue teooria ja kutsus üles planeerima eksperimente selle tõestuseks. Teooria eeldas, et elektroniga koos tekib veel üks väga kerge laenguta osake, mille ta nimetas neutroniks. 1932. aastal avastas James Chadwick eksperimentaalselt neutraalse tuumaosakese, mille nimetas ka neutroniks. Kahe samanimelise osakese eksitava vea parandas Enrico Fermi, kui ta, võttes Pauli kerge osakese oma beetalagunemise teooriasse, nimetas selle neutriinoks. Itaalia keeles on neutron neutrone (suur neutraalne asi) ja neutrino on pisike neutron, neutronike. Veidi utreerides võib öelda, et neutriinoteooria päästis energia jäävuse seaduse.

Pauli tellis oma kirjas „headelt radioaktiivsetelt daamidelt ja härradelt” neutriinode avastamise eksperimendi, mis tegelikult sai teoks alles paarkümmned aastat hiljem. 1956. aastal tõestasid Clyde L. Cowan ja Frederick Reines katseliselt neutriinode olemasolu. Katsed tegi ja teeb keeruliseks see, et neutriinod on laenguta, ja peaaegu massita. Elektromagnetjõudu nad ei tunne ja aineosakestega on vastastikmõjus ainult väikese mõjuraadiusega nõrga tuumajõu kaudu. See tähendab, et neutriinod lähevad peaaegu puutumatult läbi igasugusest ainest. On välja arvutatud, et Päikesel toimuva tuumasünteesi tõttu läbib Maal iga päikesekiirguse poole suunatud ruutsentimeetrit umbes 70 miljardit neutriinot sekundis. Aatomituumadega kohtuvad neist väga üksikud. Cowan ja Reines katsetasid tuumareaktorite juures, kust saadi ruutsentimeetrile umbes 50 triljonit antielektronneutriinot sekundis. 200-liitristes veemahutites, mis olid kosmilise kiirguse mõju vähendamiseks sügaval maa all, kohtusid neutriinod vee koostises olevate prootonitega. Tekivad neutron ja positron (antielektron): 

${\overline{\nu }}_e+\frac{1}{1}p\to \frac{1}{0}n+e^{+}$

Positron kohtub kohe mõne elektroniga ja annihileerub, andes kaks $\gamma$-kvanti. Saamaks kindlalt äratuntavat signaali, oli vees lahustatud kaadmiumkloriidi. Kaadmiumi tuumad neelavad neutroni, tekib ergastatud tuum, mis kiirgab viie mikrosekundi pärast ühe $\gamma$-kvandi:

$\frac{1}{0}n+\frac{108}{48}Cd\to \frac{109}{48}C{d}^{\ast }\to \frac{109}{48}Cd+\gamma$

Just neist kvantidest pärinevate väikeste valgussähvatuste järgi (kaks korraga ja üks hilinemisega) tunti neutriinod ära. Kuude kaupa andmeid kogudes tehti kindlaks, et keskmiselt neeldub seadmes kolm neutriinot tunnis. Täiendavaks kontrolliks peatati reaktsioon tuumareaktoris, neutriinode neeldumine vähenes, nagu oli ennustatud. 1995. aasta Nobeli füüsikapreemia üks osa anti Frederick Reinesile neutriino katselise avastamise eest, Clyde L. Cowan suri juba 1974. aastal.

Kui selgus, et neutriino kohtumist tuumaosakesega on võimalik registreerida, hakati sobivaid seadmeid ehitama ja arendama terves maailmas. Neutriinoteleskoopideks ja neutriinoobservatooriumiteks nimetatud seadmed on oma mõõtudelt ja tehnoloogialt üsna muljetavaldavad.

Neutriinod on ka edaspidi püsinud teaduslike probleemide esirinnas. 1960-ndatel avastati mitmes katses, et Päikeselt maale saabuvaid elektronneutriinosid on umbes kolmandik sellest, mida ennustasid Päikese toimimist kirjeldavad matemaatilised mudelid. Kahtlustati vigu mudelis ja isegi tundmatuid muutusi Päikese termotuumareaktsioonis. Tõenäolisem paistis siiski mingi neutriinodega seotud põhjus. Neutriinosid on kolme sorti: elektronneutriinod, müüneutriinod ja tauneutriinod. 2001. aastaks tõestati veenvalt, et neutriinod ostsilleeruvad ühest tüübist teise. Umbes 35% Päikeselt saabuvaist neutriinodest on elektronneutriinod. Algul määrati ainult neid. Ülejäänud on müü- või tauneutriinod. Koguarv klapib üsna hästi Päikese teoreetilise mudeliga. Veel järeldub neutriinode ostsillatsioonist, et nad pole seisumassita, alluvad tõrjutusprintsiibile ja ei liigu valguse kiirusega. Sedasama väitis Wolfgang Pauli juba 1930. aastal, kui ta uut osakest esimest korda nimetas. 2013. aastaks on neutriinode massid siiski määramata. On teada piir, millest mass on väiksem ja et see pole null.

2011. aasta septembris avaldas Itaalia Gran Sasso laboratooriumi ja CERNi koostööprojekt OPERA teate, et nende andmed viitavad neutriinode liikumisele valgusest kiiremini. Tegu oli pigem üleskutsega leida viga, sest ka OPERA teadlased ise ei uskunud tegelikku „kosmilise kiiruspiirangu ületamist”. Uudis levis kiiresti, jõudis ajalehtede esikülgedele ja pakkus huvi kõige laiemale publikule. Tekkis ja taaselustus mitmeid teooriaid, mõned neist üsna fantastilised. 2012. aasta juulis tehti teatavaks, et viga on leitud, st neutriinod ei ületa absoluutkiirust. Kui olla päris täpne, siis algsed andmed paistsid näitavat, et neutriinod jõuavad umbes 730-kilomeetrisel teel läbi mägede kohale 60,7 ±6,9(A) ±7,4(B) nanosekundit varem, kui valgus oleks sama tee läbinud vaakumis. Parandatud andmetel jõuavad neutriinod varem 6,5 ±7,4(A) (+8,3)(-8,0)(B) nanosekundit. Mõõtemääramatus on üle kahe korra mõõtmistulemusest suurem, aga küllap võib neutriinodel üllatusi varuks olla.

Radioaktiivsuse uurimise algusaastatel eraldati kiirgusliigid ($\alpha$ ja $\beta$) eelkõige läbimisvõime järgi. Aastatel 1899 kuni 1903 tehti radioaktiivsuse uurimisel suuri edusamme ja selgus, et on olemas veel üks põhimõtteliselt erinev, väga suure läbimisvõimega kiirgusliik. Rutherford, kes oli nimetanud eelmised ja näidanud, et sel uuel kiirgusel pole laengut, nimetas selle $\gamma$-kiirguseks. Kui kümne aasta pärast selgus, et $\gamma$-kiired peegelduvad kristallidelt, määrati lainepikkus ja sai selgeks, et tegu on röntgenikiirgusega sarnase, aga suurema sageduse ja suurema kvandi energiaga elektromagnetlainega.

Piir röntgenikiirguse ja $\gamma$-kiirguse vahel on kokkuleppeline ja lähtub enamasti kvandi energiast, mis peaks olema vähemalt 100 keV (sagedus 10¹⁹ Hz, lainepikkus 10 pikomeetrit, suurusjärgulise täpsusega). See kokkulepe ei ole väga kindel. Tihti nimetatakse $\gamma$-kvantideks või $\gamma$-footoniteks ka väiksema sagedusega kiirgust, kui see pärineb radioaktiivsusest. Kui kiirgus pärineb aatomi elektronkattest, mitte tuumast, nimetatakse seda röntgenikiirguseks, kuigi kvandi energia võib olla kokkuleppelisest piirist suurem. Maapealseks $\gamma$-kiirguse allikaks on põhiliselt radioaktiivsus. Mõnel juhul tekivad gammasähvatused ägedates äikesetormides, selle protsessi mehhanism ei ole täpsemalt teada. Kosmiline ruum saadab meile samuti mitmesuguse päritolu ja energiaga $\gamma$-kiirgust.

Suur kvandi energia ja hea ainest läbitungimise võime annavad mitmeid võimalusi γ-kiirguse praktiliseks rakendamiseks. On välja töötatud palju meetodeid materjalide ja esemete „läbivalgustamiseks” $\gamma$-kiirtega. Ameerika Ühendriikides on alates 2002. aastast üha enam rakendatud kaubakonteinerite automaatset kontrolli $\gamma$-kiirgusseadmete abil. $\gamma$-kiirgus on laialt levinud meditsiiniseadmete ja -materjalide steriliseerimiseks autoklaavimise asemel.

Vaatamata sellele, et kiirgus on inimeste tervisele mitmes mõttes ohtlik, kasutatakse $\gamma$-kiiri kasvajarakkude hävitamiseks. Tuntuim meditsiiniseadmete gammaallikas on Co-60. Beetalagunemisel annab selle tuum ühe $\gamma$-kvandi. Tekkinud Ni-60 tuum on ergastatud ja kiirgab põhiolekusse üleminekul ühe veelgi suurema energiaga $\gamma$-kvandi:

Radioaktiivne lagunemine on tõenäosuslik protsess (ptk Elektronide difraktsioon ja ptk Määramtusseos). Ei saa kuidagi määrata, millal laguneb konkreetne tuum või millise aatomi tuum järgmisena laguneb. Küll aga on kõigile radioaktiivsetele isotoopidele määratud poolestusaeg ($T_{1/2}$). Selle aja jooksul lagunevad pooled olemasolevatest tuumadest. Algsest radioaktiivsete aatomite hulgast $N_0$ jääb aja $t$ möödudes alles $N$ aatomit:

$N_0$ on algne radioaktiivsete aatomite arv, $T_{1/2}$ on poolestusaeg, $t$ on kulunud aeg ja $N$ aja $t$ pärast allesjäänud osakeste arv.

Näiteks uraani looduslike isotoopide poolestusajad on:

• uraan-234, 2,45·10⁵ aastat;
• uraan-235, 7,04·10⁸ aastat;
• uraan-238, 4,46·10⁹ aastat.

Uraani poolestusaeg on väga pikk. Mitmetel radioaktiivse lagunemise produktidel on see üsna lühike. Näiteks jood-131, mis tekib tuumaplahvatustel ja –reaktorites ja mille poolestusaeg on 8 päeva. Tšernobõli katastroofi järel oli radioaktiivne jood saastunud aladel viibijaile eriti ohtlik esimestel nädalatel, hiljem selle kontsentratsioon langes kiiresti. Eriti kiiresti lagunevad perioodtabeli viimases reas asuvate uute elementide tuumad. Livermooriumi, mis on tabelis 116 kohal, kõigi isotoopide poolestusaegu mõõdetakse millisekundites. Kõige stabiilsemal neist, Lv-294 on poolestusaeg 53 ms.

α- ja β-lagunemisel tekkivad uued tuumad, mille asetust perioodtabelis võrreldes lähtetuumaga kirjeldab nihkereegel:

• α-lagunemisel muutub laenguarv kahe võrra väiksemaks ja massiarv nelja võrra väiksemaks. Tuum nihkub perioodtabelis kahe koha võrra ettepoole.
• β-lagunemisel suureneb tuuma laenguarv ühe võrra, massiarv ei muutu ja tuum nihkub perioodtabelis ühe koha võrra tahapoole.

Tihti on tekkinud uued isotoobid samuti radioaktiivsed ja lagunevad edasi. Nii moodustub lagunemiste seeria, mis viib lõpuks välja mõne stabiilse isotoobi tekkimiseni (joonis 2.9.7.). Paljud lagunemisseeriad annavad võimalusi kivimite vanuse määramiseks. Üks vanemaid ja paremini läbitöötatud meetodeid põhineb kahes lagunemisseerias tekkinud plii-isotoopide koguse määramisel. Uraani-raadiumi seerias muutub uraan-238 stabiilseks isotoobiks plii-206. Uraani-aktiiniumi seerias muutub uraan-235 stabiilseks isotoobiks plii-207. Mõnedes mineraalides, näiteks tsirkoonis (ZrSiO₄), esineb teatud määral uraani isotoope, aga tekkimise ajal ei saanud seal kindlasti olla pliid. Tähendab, et kogu analüüsil leitud plii on tekkinud kahe nimetatud lagunemisseeria kaudu. Teades radioaktiivse lagunemise seadust ja tundes kõik vaheetappe (poolestusaegu), on võimalik kivimi tekkimise aeg välja arvutada. Dateerimine uraani ja plii kaudu kõlbab kivimitele, mille vanus on üks miljon kuni 4,5 miljardit aastat. Selle tänapäevaseks täpsuseks loetakse 0,1-1%. Meetodit on arendatud alates Rutherfordi esimestest töödest sel alal 1905. aastal ja praegu on see põhiline viis kivimite vanuse määramiseks. Muu hulgas on nii määratud ka Maa vanus.

Looduslik süsinik koosneb kahest stabiilsest isotoobist (ptk Isotoobid), ${}_6^{12}\text{C}$ (98,9%) ja ${}_6^{13}\text{C}$ (1,1%). Õhu süsihappegaasis on lisaks stabiilsetele süsiniku isotoopidele väga väike kogus (umbes triljondik) radioaktiivset süsiniku isotoopi ${}_6^{14}\text{C}$, mida nimetatakse ka C-14, süsinik-14 ja radiosüsinik. Põhiline radiosüsiniku allikas on kosmiline kiirgus. Ülisuure energiaga prootonid ja muud aatomituumad tungivad kosmosest atmosfääri ja kohtudes õhu molekulidega, tekitavad laviinina uusi osakesi. Muu hulgas tekib neutroneid, mis võivad lämmastiku ${}_7^{14}\text{N}$ muuta radioaktiivseks süsiniku isotoobiks (C-14). Tekkinud süsinik reageerib kiiresti õhuhapnikuga. Moodustunud süsihappegaas levib ühtlaselt atmosfääris ja lahustub veekogudes:

Radioaktiivne süsinik laguneb pidevalt, muutudes taas stabiilseks lämmastiku isotoobiks ${}_7^{14}\text{N}$ ja eraldades $\beta$-osakesi:

Samas selle kontsentratsioon atmosfääri ülakihtides püsib muutumatuna, sest kosmilised osakesed tekitavad radiosüsinikku juurde. Kõigi süsinikuringes osalevate organismide rakkude süsinik koosneb neist samadest isotoopidest, millest õhu süsihappegaas, sest sellest algab kogu toiduahel. Nii saab ka C-14 rakkude koostisse. Surnud orgaaniline aine keskkonnaga enam süsinikku ei vaheta. Radioaktiivne süsinikuisotoop laguneb tasapisi ja selle sisaldus väheneb järjest. Teades radioaktiivse lagunemise seadust, on võimalik allesjäänud C-14 hulga järgi arvutada, kui ammu on uuritav orgaaniline aine lõpetanud süsiniku omastamise. Mida vähem on proovi jäänud radioaktiivset süsinikku, seda vähem kiirgub sellest $\beta$-osakesi ja seda vanema orgaanilise ainega on tegu.

Joonis 2.9.8. 1949. aastal saatis Willard Libby arheoloogidele, kes temaga varem koostööd olid teinud, esimese teoreetilise lagunemiskõvera võrdluse teadaoleva vanusega proovide analüüsiandmetega. Kahe aasta pärast ilmus tema raamat „Dateerimine radiosüsiniku järgi”, sellest alates on radiosüsiniku aastate skaalat üha täpsemalt kalibreeritud ja ka meetod on palju täienenud. C-14 poolestusajaks loetakse tänapäeval 5730±40 aastat. 1960. aastal sai Libby Nobeli keemiapreemia.

Radiosüsiniku meetodi töötas 1949. aastaks välja Willard Libby juhitud töörühm Chicago ülikoolis. Uus meetod põhjustas murrangu arheoloogias. Muudest allikatest määratud leidude vanused klappisid päris hästi radiosüsiniku abil määratutega (joonis 2.9.8.) ja meetod levis kiiresti. Orgaanilist päritolu leidude vanus määratakse radiosüsiniku aastates enne tänapäeva. Tänapäevaks loetakse kokkuleppeliselt aastat 1950, sest just siis rikkusid õhus tehtud tuumakatsetused C-14 tasakaalu. Nii määratud aastaid ei saa päriselt kalendriaastatena võtta. Põhjuseid on mitu. Süsihappegaas ei jaotu atmosfääris ega lahustu ookeanides päris ühtlaselt. Vulkaanipursked ja inimtegevus segavad aeg-ajalt õhku kivimitest või väga vanast orgaanikast pärinevat süsihappegaasi, mis radiosüsinikku ei sisalda. Atmosfääri koostise ja Maa magnetvälja muutused nihutavad paigast C-14/C-12 tasakaalu, st kunagi võis organismidesse ladestuda hoopis teistsugune kogus radiosüsinikku. Arvutatud radiosüsiniku aastaid korrigeeritakse nii palju kui võimalik kalibreerimisega ja arvutatakse seekaudu kalendriaastatesse. Selleks kasutatakse muudest allikatest teadaoleva vanusega proove. Lähemas ajaloos sobivad kirjalikud allikad, vanematel aegadel tulevad appi puidu aastarõngad ja koobastes esinevad lubjakivimoodustised. Radiosüsiniku meetod ei vii meid kaugemale ajalukku kui umbes 50 000 aastat. Selle ajaga on C-14 juba nii palju vähenenud, et määramine osutub praktiliselt võimatuks.

Kunstlik radioaktiivsus ja elementide sünteesimine.

Radioaktiivsus avastati ja seda uuriti aastaid looduslikel radioaktiivsetel isotoopidel. Kunstliku radioaktiivsuse avastamise ja uute radioaktiivsete isotoopide sünteesimise eest pälvisid 1935. aastal Nobeli keemiapreemia Frederic ja Irene Joliot-Curie. Nad pommitasid polooniumist pärinevate α-osakestega mitmeid kergemaid elemente ja said uusi radioaktiivseid aineid. Näiteks alumiinium muutus fosfori isotoobiks massiarvuga 30, mida looduses ei esine. Seda kiiresti lagunevat uut ainet kutsuti radiofosforiks. Paljusid tänapäeval tuntud ja kasutatavaid isotoope looduses ei esine ja neid toodetakse. Meditsiinis tarvitatav Co-60 on samuti kunstlik isotoop, mis tekib Co-59 neutronaktivatsiooni teel.

Uute isotoopidega asi ei piirdu, praeguseks on sünteesitud pikk rida uusi elemente. Perioodtabeli viimane looduslik element on uraan, laenguarv 92. Kõik järgmised ruudud, mida nimetatakse transuraanideks, on täidetud kunstlike elementidega. 1936. aastal täideti lõpuks perioodtabeli 43. ruut sünteetilise tehneetsiumiga. Puuduvat elementi oli sinna otsitud alates tabeli loomisest. Tehneetsium on kergeim element, millel ei ole ühtegi stabiilset isotoopi. Tc-90 hulk maakides on nii väike, et seda ei ole peaaegu võimalik ja muidugi mitte kasulik loodusest toota. Transuraanide sünteesimine oli 20. sajandi keskel mõnda aega teaduslaborite ja suurriikide teadusliku võidujooksu teema. Viimased sünteesitud elemendid on äärmiselt ebastabiilsed, poolestusaegu arvestatakse millisekundites. Teoreetilised mudelid viitavad sellele, et mõned veelgi suuremad tuumad (järjenumbritega üle 120) võiksid olla veidi püsivamad ja moodustada tabelis nn stabiilse saare. Nende poolestusajad arvatakse tulevat üle minuti, mõne teooria järgi isegi aastaid.

Radioaktiivse kiirguse ja röntgenikiirguse otsene ohtlikkus elusorganismidele oli teada peaaegu avastamisest saadik. Geneetiline oht ja kantserogeensus said üldiselt teatavaks 1930-ndate aastate jooksul. Kaasaegse teaduse sajand on lisanud radiatsiooniohtude kohta rohkelt andmeid. Tuumakatsetused, kaks sõjalist tuumaplahvatust, õnnetusjuhtumid tuumajaamades ja ohtlike jäätmete hoidlates, kiirgusseadmetega töötamine - radioaktiivsus on saanud igapäevaseks ja samas muutnud meid ettevaatlikuks. Kiirgust on õpitud mõõtma ja kiirgusallikaid tundma.

Inimesed elavad tegelikult pidevas kiirgusvoos. Elektromagnetlainetest ohustavad meid eelkõige röntgenikiired ja $\gamma$-kiired. Siiski tuntakse tänapäeval ka UV-kiirgusega seotud ohte ja uuritakse hoolega, kas mobiilsides kasutatav raadiolaine ei või olla ohtlik pikaajalise toime korral ja näiteks lastele. Teame ka ohtlikke osakestevooge: $\alpha$- ja $\beta$-osakesed ning neutronid.

Ohtlikke kiirgusliike, mis võivad otseselt surmata rakke, tekitada neis kahjustusi või muuta DNA-d, nimetatakse ioniseerivateks kiirgusteks. Ioniseeriva kiirguse dooside mõõtmiseks kasutatakse spetsiaalseid SI kiirgusühikuid:

Materjalides või kudedes neeldunud kiirgusdoosi ühik on grei (Gy). Doos on üks grei, kui ühes kilogrammis neeldub üks džaul kiirgusenergiat:

Grei on ühik, mis ei võta arvesse kiirgusliikide erinevat mõju ja seda, milliseid organeid kiirgus mõjutab. Ameerika ühendriikides kasutatakse neeldunud doosi ühikut rad. 1 rad= 0,01 Gy.

Kiirguse mõju organismile kirjeldab paremini ekvivalentdoos, mille ühik on siivert (Sv). Ka siivert väljendab ühes kilogrammis neeldunud energiat džaulides, aga seda korrigeeritakse faktoriga Wr, mis arvestab kiirguse liikide eripära ja muid üksikasju. Ameerikas kasutatakse selle analoogi rem. 1 rem=0,01 Sv.

Mitmetest allikatest pärineb looduslik ja tänapäeval ka osaliselt kunstlik kiirgusfoon (joonis 2.9.9.). Elusolendid on tavalise kiirgusfooniga kohanenud, ohtlikuks saab see siis, kui mingi allikas annab ebatavaliselt suuri kiirgusdoose. Inimeste keskmine ekvivalentdoos looduslikest allikatest on 2,2 mSv aastas. Sellele lisandub umbes 20% kunstlikest allikatest, peamiselt meditsiiniuuringutest. Rahvusvahelised normid määravad, kui suur doos tohib kutsetööst või kohalikest tingimustest lisanduda keskmisele kiirgusfoonile. Näiteks täiskasvanud inimese kogu keha maksimaalne lubatud ekvivalentdoos töökohal ei toi ületada 100 mSv viie järjestikuse aasta jooksul või 50 mSv aastas. Surmavaks ühekordseks kiirgusdoosiks loetakse 3-5 Sv, kiiritushaiguse tekib 1-3 Sv.

Madame Curie (1867-1934)

Madame Curie, nagu teda tundis teaduskogukond, Marie Skłodowska-Curie, nagu ta ise oma nime kirjutas, oli Poola teadlane, kes töötas põhiliselt Prantsusmaal.

Maria Salomea Skłodowska oli pärit Varssavist, mis kuulus sellel ajal Vene impeeriumi alade hulka. Õpetajate pere, kus Maria oli noorim laps, elas poliitilistel ja majanduslikel põhjustel üsna keerulistes tingimustes. Maria lõpetas siiski gümnaasiumi kuldmedaliga, töötas koduõpetajana, õppis ise raamatute ja kirjavahetuse abil, osales põrandaaluse rahvusliku ülikooli õppetöös ja katsetas keemialaboratooriumis. Poolas oli sel ajal naistele kõrgharidus peaaegu kättesaamatu ja teaduskraadini jõudmine täiesti välistatud. 1891. aastal sõitis Maria (Prantsusmaal Marie) vanema õe eeskujul ja toetusel Pariisi, kus ta kitsaste olude kiuste õppides ja õpetades jõudis kiiresti kahe teadusliku kraadini. Samal ajal kohtus ta Pierre Curie’ga. Neid lähendas ühine teadushuvi ja maailmavaateline kooskõla. Marie oli siiski kindel, et ta pöördub kodumaale tagasi. 1894. aastal sõitis ta Varssavisse, et kohtuda perega ja leida seal tööd. Pierre oli samuti valmis Poolasse sõitma, oli valmis isegi loobuma oma õppetööst Pariisis. Kahjuks ei olnud Poolas midagi muutunud, Krakowi ülikool keeldus naisteadlast tööle võtmast ja Marie pöördus Pierre’i kutsel Pariisi tagasi. 1895. aastal registreeriti nende ilmalik abielu ja neist sai üks maailmakuulsamaid teadusperekondi. Tuntud teadlaseks kasvas ka nende 1897. aastal sündinud tütar Irène.

Pierre ja Marie Curie ühised teadushuvid keskendusid kiirgusele. Sajandivahetuse eel avastatud röntgenikiired ja radioaktiivsus pakkusid huvi paljudele teadlastele ja avastusi tuli ridamisi. Tugeva rahvusvahelise konkurentsi tingimustes avaldasid Curie’d mitukümmend teaduslikku artiklit nii koos kui ka eraldi. Paljud avastused tehti erinevates ülikoolides ja instituutides praktiliselt samal ajal ja kiire avaldamine hakkas muutuma üha tähtsamaks. Curie’d õppisid omavalmistatud seadmetega radiatsiooni mõõtma ja saanud aru, et uraanimaakides sisaldub teisigi radioaktiivseid elemente, eraldasid kahe uue elemendi ühendid. Elemendid nimetati polooniumiks ja raadiumiks. Hiljem õnnestus saada ka puhast metallilist raadiumi. 1903. aasta Nobeli preemia jagati erakordse panuse eest radiatsiooninähtuse uurimisse Pierre Curie, Marie Curie ja Henri Becquereli vahel. Marie on esimene naine, kes Nobeli preemia sai. Tegelikult lisati Marie nimi nominatsioonile Pierre’i otsese nõudmise peale hiljem.

Kuigi rahvusvaheline tunnustus oli suur, ei olnud töö Pariisis kuigi lihtne. Curie’del puudus korralik laboratoorium ja kuigi Pariisi ülikool oli lubanud sisustada sobivad ruumid, ei toimunud mitme aasta jooksul midagi. Stockholmi Nobeli preemiat vastu võtma jõudsid nad alles 1905. aastal. Põhjuseks toodi töökohustused, aga tegelikult sai üha selgemaks, et mõlema teadlase, eriti Pierre’i tervis on väga halb. Preemiaraha võimaldas neil esimest korda laborisse abilist palgata. Vahepeal sündis teine tütar, Ève. Marie jagas end teadustöö ja kodumurede vahel. Muu hulgas õpetas ta lastele poola keelt, saatis ja viis neid oma kodumaale igal võimalusel. Pidevaks probleemiks kujunesid Prantsuse ühiskonnas valitsevad meeleolud, see et Marie Curie oli välismaalane ja naine. Kui Curie’d Londonis Kuninglikku ühingut külastasid, esines ainult Pierre, naise ettekanne oleks olnud liiga järsk traditsioonide murdmine.

1906. aastal hukkus Pierre liiklusõnnetuses. Marie võttis vastu Pierre’i jaoks loodud füüsika õppetooli ja sai Pariisi ülikooli esimeseks naisprofessoriks. Lõpuks õnnestus tal luua korralik laboratoorium. Enamgi, Pariisi ülikooli ja Pasteuri instituudi koostöös sündis kuulus Raadiumi instituut, nüüdseks Curie instituut. Ometi ei valitud Marie Curie’d Prantsuse Teaduste Akadeemia liikmeks. Esimese naisena sai Prantsusmaal akadeemikuks üks tema doktorantidest alles 1962. aastal.

1911. aastal sai Marie Curie teise Nobeli preemia, seekord keemias, radioaktiivsete elementide avastamise ja nende ühendite ning omaduste uurimise eest. Isiklikus elus kujunes see aasta kohutavaks. Ajalehtede tormiliste süüdistuste hulka kuulusid juudi päritolule viitav neiupõlvenimi, Pierre’i teadussaavutuste enda nimele kirjutamine, romantilised suhted abielus kolleegiga, Prantsuse teadusmaine rikkumine jm. Paisuva ühiskondliku hüsteeria toel jõuti lausa isiklike rünnakuteni. Pärast Nobeli preemia vastuvõtmisel peetud kõnet ütles Marie tervis täiesti üles. Ta langes depressiooni ja viibis mõnda aega salastatud asukohaga haiglas. Veidi kosunud, veetis ta terve aasta Inglismaal hoolitseva sõbra juures, kes hoolega ajakirjanikke tõrjus. Laborisse ei pääsenud ta terve 1912. aasta jooksul. Samal ajal pakuti töökohta Varssavis, aga ta otsustas siiski pühenduda oma instituudile Pariisis. Kahjuks ei kestnud see pühendumine kaua, puhkes Esimene maailmasõda ja instituudi töö katkes pea täielikult 1919. aastani.

Sõja algul saatis Curie tütred Inglismaale ja asus ise õppima anatoomiat, radioloogiat ja automehaanikat. Eesmärk oli luua mobiilsed sõjaoludesse sobivad radioloogiaseadmed. Ta aitas sõjaväearstidel ehitada umbes 20 mobiilset röntgenaparaati ja paigaldada välihaiglatesse 200 radioloogiaseadet. Sõja ajal ei tegelenud ta teadustööga, aga kirjutas oma kogemustest sõjaolukorra radioloogiat käsitleva raamatu.

Pärast sõja lõppu töötas ta oma instituudis. Kuigi kuulsus ja kutsed paljudest ülikoolidest üldiselt häirisid ja pahandasid teda, reisis ta päris palju. Ameerikas sai koos tütardega reisiv Madame Curie väga populaarseks. Teisel Ameerika sõidul õnnestus tal hankida raadiumi Poolas asutatava instituudi jaoks. Varssavi Raadiumi instituut avati 1932. aastal. Seda asus juhtima Marie õde Bronisława, seesama, kelle juurde Pariisi ta sõitis 1891. aastal.

Marie Curie suri 66. eluaastal kiirgusest põhjustatud haigustesse. Selleks ajaks teati ioniseerivate kiirguste mõjust organismidele juba päris palju, kahju tervisele oli sündinud pikkade aastate jooksul, kui põnev uurimisteema kaalus üles alles aimatavad ohud. Tänapäeva arusaamade järgi töötati röntgenseadmete ja radioaktiivsete ainetega väga hooletult. Tema laboripäevikud ja isiklikud esemed on praegugi sel määral radioaktiivsed, et neid hoitakse arhiivis pliikattega karpides ja võetakse välja kaitseriietust kandes.

Raadiumühendeist helenduv värv oli 20. sajandi algul populaarne, nagu ka paljud muud raadiumi nimega kaubad. Esialgu ei aimanud ohtu keegi. Üks Rutherfordi kaastöötajatest avastas, et kui ta on pikemat aega radioaktiivsete ainetega töötanud, suudab ta pealehingamisega elektroskoobi maha laadida. See lõbustas ja rõõmustas laboris kõiki, sest tõestas radioaktiivsete gaaside olemasolu. Pierre ja Marie Curie kandsid uuritavaid preparaate taskus, hoidsid lauasahtlis ja öökapil. Raadiumi- ja röntgenikaupade populaarsuse haripunktis oli kiirguse toimest juba üht-teist teada. Oli juhuslikke avastusi, aga ka katsetulemusi ja päris selget statistikat.

Raadiumivärvidega töötanud naistest pöördus tervisekahjude hüvitamise nõudega kohtusse ainult viis. Paljud olid selleks ajaks surnud või lootusetult haiged. Siiski oli ka neid, kes töötasid ohtliku värviga lühemat aega ja nende tervis pidas kuidagi vastu, aga suure ettevõtte vastu kohut käia kardeti või peeti lootusetuks. Ajakirjanduse tähelepanu saatel kulgenud protsess näitas, et US Radium Corporation ei kavatsenud tõesti kergelt alla anda.

1928. aastal kaevati lahti 25. eluaastal surnud Amelia Maggia haud. Neli aastat oli ta raadiumvärviga kelladele helendavaid numbreid maalinud. Viimasel aastal jäi ta väga kõhnaks, väsis kiiresti ja liigesed valutasid. Ta kurtis arstidele, et liikudes tunneb end nagu väsinud vanainimene. Hambaarst avastas, et mitte ainul hambad ei lange välja, vaid ka lõualuu on muutunud pudedaks ja suu limaskest veritseb, väga palju surnud luukudet tuli eemaldada. 1923. aastal naine suri.
Hauast võetud luud puhastati ja töödeldi. Luudest lõigatud tükke ja pehmete kudede tuhka uuriti fotograafilisel meetodil, väga sarnaselt sellele, kuidas Henri Becquerel üle kolmekümne aasta varem radioaktiivsuse avastas. Röntgenipiltide tegemiseks kasutatav film pakiti musta paberisse. Proovid (ja võrdlusproovid laipadest, mis kuidagi ei saanud raadiumiga kokku puutuda) asetati paberile ja hoiti pimedas kümme päeva. Ilmutatud filmidelt oli näha, et mitu aastat tagasi lahkunud neiu luud on ikka veel tugevalt radioaktiivsed. See tõestas, et US Radium Corporationi juristide argumendid, nagu oleks raadiumimürgituse juhtum aegunud, mürgitamist enam ei toimu ja naised ei töötagi juba mitu aastat sel mürgisel tööl, ei pea vett. Raadium jääb organismi püsima ja kahjustab ohvrit seestpoolt pikki aastaid, isegi sadu aastaid. Raadiumi-226 poolestusaeg on 1600 aastat. Kohtuvaidluse ajal suri veel kolmteist raadiumvärviga töötanud naist ja ka kõigi elusolevate tervis halvenes järjest.

Raadiumitüdrukute kohtuasi lõppes kokkuleppega. Ettevõte soostus maksma kõigile tervisekahjude eest kompensatsiooni, määras iga-aastase toetuse ja lubas maksta kõik tervise- ja õiguskulud. Seda oli vähem kui raadiumivärvi ohvrid lootsid. Kuigi sellega ei olnud vaidlused ja kohtuasjad veel läbi, tuleb tunnistada, et teadusuuringud kiirguse biotoime alal said hoogu ja töötervishoid ning tööõigus muutusid tasapisi terves maailmas.