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 -osake ja järele jääb tooriumi tuum, mis on samuti radioaktiivne ja laguneb edasi:
Tuumafüüsika ajaloos on -osakestel tähtis koht. Aatomituum avastati kulla aatomeid vaakumis -osakestega pommitades ja nende hajumist mõõtes (ptk Aatomituum). Rutherfordi hajumist kasutati hiljem palju tuumauuringutes. Esimesed avastused tuumareaktsioonide alal tehti samuti aineid -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 -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 -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 -osake. Henry Becquerel tegi juba 1900. aastal kindlaks -osakese massi ja laengu suhte, mis näitas, et tegemist on elektroniga (). 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 -lagunemisel tekkinud tuum on perioodtabelis lähtetuumast järgmine.
Tuumast eralduvate -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 -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.
Beetalagunemisel tekivad koos kiirete elektronidega ka neutriinod, mille jälile jõutigi -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):
Positron kohtub kohe mõne elektroniga ja annihileerub, andes kaks -kvanti. Saamaks kindlalt äratuntavat signaali, oli vees lahustatud kaadmiumkloriidi. Kaadmiumi tuumad neelavad neutroni, tekib ergastatud tuum, mis kiirgab viie mikrosekundi pärast ühe -kvandi:
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.