Vaikutusala

Kohteesta Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Vaikutusala (σ) ilmaisee ydin- ja hiukkasfysiikassa hiukkasten välisen vuorovaikutuksen todennäköisyyden. Tavallisesti viitataan kuitenkin nuklidin suuruusluokan vuorovaikutuksista, eikä niinkään esim. atomien tai fotonin ja atomin välisiin vuorovaikutuksiin (kemialliset vuorovaikutukset). Vuorovaikutuksen todennäköisyys riippuu hiukkasen/nuklidin tyypistä, koosta, hiukkasten välisestä etäisyydestä, kulkusuunnasta, liike-energiasta, varauksesta sekä hiukkasten määrästä per tilavuusyksikkö. Vaikutusala on tärkeä suure mm. ydinreaktoreissa ja hiukkaskiihdyttimissä.

Hiukkasen tai sähkömagneettisen säteilyn absorboituessa puhutaan absorptiovaikutusalasta ja vastaavasti sirotessa sirontavaikutusalasta. Ydinfysiikassa vaikutusalalla voidaan tarkoittaa myös ydinreaktion todennäköisyyttä. Kaikki vaikutusalat yhdessä muodostavat kokonaisvaikutusalan, joka kertoo vuorovaikutuksen todennäköisyyden ottaen huomioon kaikki mahdolliset vuorovaikutustavat.

Vuorovaikutustodennäköisyys määritellään klassisesti törmäävien kappaleiden poikkipinta-alojen suhteena. Vaikka vaikutusala kuvaa vuorovaikutuksen todennäköisyyttä, ilmaistaan se kuitenkin yleensä efektiivisenä pinta-alana. Ydinfysiikassa sirontavaikutusalan yksikkö on yleensä barni (10-28 m2)[1], joka on samaa suuruusluokkaa kuin ytimen pinta-ala.[2] Sähkömagneettisen säteilyn ja neutronien sirontavaikutusala ilmaistaan yleensä yksiköissä cm2.

Sirontavaikutusalan käsitettä voi tarkastella esimerkiksi Rutherfordin sirontakokeessa, jossa sironnan todennäköisyys eli sirontavaikutusala kertoo millä todennäköisyydellä alfahiukkanen siroaa tiettyyn sirontakulmaan kultakalvosta.[3]

Differentiaalinen sirontavaikutusala kertoo millä todennäköisyydellä hiukkanen tai säteilykvantti siroaa johonkin tiettyyn avaruuskulmaan (Ω). Jos differentiaalinen vaikutusala jaetaan eli normalisoidaan sirottavan aineen tilavuudella, saadaan uusi differentiaalinen vaikutusala , jonka yksikkö on cm-1. Se ei riipu sirottavan aineen määrästä, ja eri materiaalien differentiaalisia sirontavaikutusaloja voidaan suoraan verrata toisiinsa.

Hiukkasten välisten vuorovaikutuksen tyypit todennäköisyysjärjestyksessä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Ei vuorovaikutusta
    • Koska nuklidin koko verrattuna atomin kokoon on suuruusluokkaa 1:100 000 vuorovaikutuksen todennäköisyys kahden yksittäisen nuklidin välillä on erittäin pieni. Nuklidi tai hiukkanen läpäisee atomin ilman huomattavaa vuorovaikutusta. Lähestyvän hiukkasen energialla, ja niiden määrällä voidaan kuitenkin nostaa vuorovaikutuksen todennäköisyyttä.
  • Siroaminen
    • Jos atomin nuklidia lähestyy positiivisesti varautunut hiukkanen tai toinen nuklidi riittävän pienellä etäisyydellä ja nopeudella, siihen vaikuttaa merkittävä sähkömagneettinen poistovoima. Sähköinen poistovoima pakottaa hiukkasen tai nuklidin siroamaan eli muuttamaan kulkusuuntaansa radiaalisesti poispäin kohdenuklidista. Siroaminen voi tapahtua kaikkiin suuntiin, eli hiukkanen voi myös pysähyä ja lähteä taaksepäin sähköisen poistovoiman vaikutuksen seurauksena.
  • Täysin elastinen törmäys
    • Jos lähestyvän hiukkasen tai nuklidin liike-energia on sopiva ja liikesuunta kulkee riittävän lähellä ts. kohti kohdenuklidia niin, että se riittää kumoamaan sähkömagneettisen poistovaikutuksen, mutta ei kuitenkaan vahvan voiman poistovaikutusta voi tapahtua ns. täysin elastinen törmäys.
      • Täysin elastisessa törmäyksessä, molempien hiukkasten tai nuklidien liike-energiat säilyvät niin, että lähestyvän hiukkasen liikesuunta kuitenkin muuttuu 180 astetta eli se "kimpoaa" kohdenuklidista.
  • Täysin epäelastisenen törmäys
    • Täysin epäelastisessa törmäyksessä lähestyvän hiukkasen/nuklidin liike-energia riittää kumoamaan sekä sähköisen- että vahvan voiman poistovaikutuksen. Näin ollen lähestyvä hiukkanen siirtyy vahvan voiman vetovaikutksen puolelle ja hiukkanen/nuklidi fuusioituu kohdenuklidiin. Hiukkasten liike-energiat säilyy niin, että näin syntyneen uuden nuklidin liike-energia ja liikemäärä on lähestyvän hiukkasen/nuklidin ja kohdenuklidin liike-energioiden- ja määrien summa. Tätä kutsutaan myös absorptioksi, jos lähestyvä hiukkanen on neutron (tai fotoni). Fuusion seurauksena syntyt nuklidi voi olla sekä stabiili (esim. He-4) tai epästabiili (esim U-236).
      • Epästabiili nuklidi
        • Voi hajota kahdeksi tai useammaksi tytärnuklidiksi (fissio)
        • Voi emittoida ylimääräiset neutronit ja protonit alfa-hajoamalla (kts alfa-hajoaminen).
        • Voi emittoida beta- tai + -hiukkasen eli elektronin tai positronin (kts. beta hajoaminen) saavuttaakseen stabiilin energiatilan.
        • Voi emittoida gamma-hiukkasen eli fotonin (kts gamma-hajoaminen) niin, että energiatila stabiloituu (viritystila purkautuu)
  • Gammahiukkasen absorptio
    • Teoreettisesti nuklidi voi plasmatilassa (ioni) absorboida myös gammahiukkasen eli fotonin, ja sen energiatila voi muuttua. Tätä ei kuitenkaan normaalisti tapahdu atomissa, sillä elektroni absorboi fotonin ennen kuin se vaikuttaa nuklidiin.

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Valtioneuvoston asetus mittayksiköistä (1015/2014), 9 § Finlex. Viitattu 4.6.2015.
  2. Nuclear cross section Hyperphysics. (englanniksi)
  3. Scattering cross section Hyperphysics. (englanniksi)
Tämä fysiikkaan liittyvä artikkeli on tynkä. Voit auttaa Wikipediaa laajentamalla artikkelia.