Ydinjätteet: 1.1 Isotoopit

 Olen kirjoittamassa yleistajuiseksi tarkoitettuja tekstejä ydinjätteiden loppusijoituspaikan todennäköisistä ja vähemmän todennäköisistä tapahtumista. Jaan osan tekstinpätkistä blogissani, toivoen kommentteja ja kritiikkiä ymmärrettävyydestä. Ja mikä ettei korjaukset myös väärinkäsityksistä, joita sattuu vuosienkin opiskelun ja työn jälkeen.

Ongelma

Ydinjätteiden ongelma on niiden sisältämät radionuklidit eli radioaktiiviset atomin ytimet, jotka ovat sillä tavoin epätasapainotilassa, että hajoavat toisinaan muiksi atomeiksi. Niiden syntymekanismeista ja hajoamistavoista lisää seuraavissa teksteissäni. Mutta aloitetaan atomeista ja niiden isotoopeista.

Atomi koostuu raskaasta ytimestä ja sen ympärillä olevasta elektronien parvesta. Yksikertaisin atomi on vety, jonka ytimessä on yksi protoni ja sen ympärillä yksi elektroni. Niillä on sama varaus, protonilla positiivinen ja elektronilla negatiivinen, mutta protonin massa on 1836-kertainen elektroniin verrattuna. Muissa atomeissa on enemmän protoneja ja sama määrä enemmän elektroneja, joten atomi on aina sähköisesti neutraali.

Elektroni on siinä mielessä aito alkeishiukkanen, että sen ei tiedetä koostuvan mistään sitä vielä pienemmästä alkeishiukkasesta. Protonin tiedetään koostuvan sitä vielä pienimmistä alkeishiukkasista kvarkeista, joita siinä on kolme kappaletta: kahdesta ylös-kvarkista ja yhdestä alas-kvarkkeja. Protonilla on sähköisesti neutraali kumppani neutroni, joka koostuu yhdestä ylös-kvarkista ja kahdesta alas-kvarkista. Neutronin massa on 1839 elektronin massaa, joten se on hiukan protonia raskaampi.

Protonia ja neutronia pitää koossa eli sitoo niiden kvarkit toisiinsa vahva vuorovaikutus, jonka välittäjänä, liimana toimii gluoni. Sama vahva vuorovaikutus sitoo toisiinsa myös protonit ja neutronit isommissa atomiytimissä. Vahva vuorovaikutus on todella vahva, koska se kykenee pitämään kahta tai useampaa protonia hyvin lähellä toisiaan. Neutroneita on yleensä atomiytimessä suunnilleen saman verran kuin protoneita, ja niistä on tietenkin apua koossa pitämisessä, koska vahva vuorovaikutus tapahtuu protonin ja neutronin kvarkkien välillä. Protonin halkaisija on noin 1,6 fm, noin sadastuhannesosa vetyatomin halkaisijasta, 0,11 nm. Tämän tekstin pisteen halkaisija on noin 0,4 mm, oikein ohuen hiuksen halkaisija voi olla 0,02 mm, joka on kaksisataatuhatta kertaa vetyatomin halkaisija, joka siis puolestaan on 70 000 kertaa protonin halkaisija.

Elektroni, joka välittää sähköistä vuorovaikutusta kuten gluoni vahvaa, on kinkkisempi olento, jonka fyysisestä koosta ei ole tarkkaa tietoa, mutta se on vääjäämättä paljon protonia pienempi. Elektroni on kuitenkin varsin kvanttimekaaninen olento, joka on sekä hiukkanen että aalto, ja sen ”aallonpituus” on vetyatomissa atomin halkaisijan verran. Se vaatii siis varsin suuren tilan protoniin verrattuna. Maan etäisyys Auringosta on noin 150 miljoona kilometriä, tätä etäisyyttä kutsutaan astronomiksesi yksiköksi (AU). Jos vetyatomin protoni olisi Auringon kokoinen, ja elektroni sen planeetta, niin tämä planeetta vaatisi tilaa 50 00 miljoona kilometriä eli 320 AU. Pluton etäisyys Auringosta on enimmillään noin 70 AU. Suurimpien atomien olisivat näillä mittayksiköillä lähes 1000 AU etäisyydellä, sitä kauempana majailevat vain pitkäjaksoiset pyrstötähdet, komeetat.

Kemian alkuperä

Elektroni on siis aalto, jonka paikkaa ei atomissa voi tarkkaan määrittää, vaan se ympäröi ydintä jonkinlaisena ”sumupilvenä”, joka siellä täällä tihentyy. Elektronin voi laittaa pienempään tilaan, mutta silloin se haraa vastaan ja purkittaminen vaatii enenevässä määrin energia tilan pienetessä.

Elektroni on muutenkin varsin introvertti kaveri, joka ei toisista elektroneista tykkää. Sillä kaksi pyörimissuuntaa eli spiniä, ja kaksi eri suuntaan pyörivää mahtuu samaan tilaan. Niinpä atomien kasvaessa eli ytimen protonien ja neutronien lukumäärän lisääntyessä, elektronit asettuvat aina uusiin kvanttimekaanisiin tiloihin, koska eivät voi samassa tilassa olla. Tämän ilmiön vaikutus näkyy meidän makromaailmassamme kemiallisten ja fysikaalisten ominaisuuksien vaihteluna. Vetyatomia seuraavaksi suurempi atomi on helium, jolla on kaksi protonia ja kaksi neutronia ytimessään (alfahiukkanen säteilyssä), ja kaksi elektronia niiden ympärillä. Helium on selvästi vetyä pienempi atomi (0,06 nm), ja se on tunnettu jalokaasu eli hyvin huonosti kemiallisesti reagoiva. Vety sen sijaan on ilmassa jopa molekyylinä (kahden vetyatomin kimppana) räjähdyskaasu melkein kaikilla mahdollisilla vety-ilma-suhteilla.

Lisääntyvä määrä protoneja ja elektroneja tuottaa sitten kaikki tuntemamme alkuaineet, ja niiden moninaisen kemiallisen koostumuksen. Arkielämässä elektronit vaikuttavat lähes kaikkeen, mutta atomiytimet lähinnä materiaalien tiheyteen, painavuuteen. Uraaniydin ja sen vielä painavammat keinotekoiset serkut ovat yli 200 kertaa vetyatomia painavampia. Atomiytimen halkaisija on uraanilla noin 12 fm, eli noin 8 kertaa protonia suurempi. Ytimessä protonit ja neutronit pakkautuvat lähestulkoon kuin pallot eli ne eivät kykene puristamaan toisiaan kasaan. Pikemminkin koossapito vaatii aina vaan enemmän neutroneita, joita uraanin neutraalissa isotoopissa on 146, kun protoneita on 92. Atomiydin kasvaa sen massan kasvaessa.

Elektronien tilanne on erilainen, koska kvanttimekaanisia tiloja, joihin ne voivat sijoittua on paljon. Siten atomin koko ei ole verrannollinen elektronien määrään vaan vaihtelee pienestä heliumista sitä kymmenen kertaa isompaan cesiumiin, joka on vasta keskimassainen atomi.

Mittakaavasta lisää

Vetyatomin massa on varsin pieni ja yhteen milligrammaan vetyä tarvitaan 6x10²⁰ atomia. Se on vaikeasti hahmotettava luku: karkeasti jokainen nyt elävä ihminen voisi antaa 10 vetyatomia kaikille muille nyt eläville ihmisille, tai meidän kaikkien pitäisi kätellä toisiamme 20 kertaa.

Edellä jo mainittiin sana isotooppi, jonka voi määritellä näin: Kunkin alkuaineen protonien määrä on vakio, mutta neutronien lukumäärä ytimessä voi vaihdella, näitä kutsutaan alkuaineen isotoopeiksi. Osa isotoopeista on stabiileja eli vakaita, mutta iso osa epävakaita eli radioaktiivisia. Isotooppi määrää radioaktiivisuuden luonteen ja haitallisuuden säteilyn osalta. Epävakaita atomin isotooppeja kutsutaan radionuklideiksi – niiden ydin voi hajota usealla eri tavalla. Radionuklidit ovat tärkein osa ydinjätteen haitallisuutta, joskin muita pienempiä haittoja voi myös olla.

PS Edellä mainittujen sähköisen ja vahvan vuorovaikutuksen lisäksi on vielä heikko vuorovaikutus, joka kuitenkin kykenee rikkomaan atomiytimiä, ja meidän parhaiten tuntema painovoima. Sähköisen vuorovaikutuksen voiman näemme kaikissa kemiallisissa koneissa ja laitteissa, tai suoraan sähköä käyttävissä moottoreissa. Koneet voittavat helposti painovoiman, jopa meidän oman kehomme kemiallinen koneisto. Ympäristömme on kuitenkin yleensä sähköisesti neutraali, joten painovoima hallitsee. Samalla tavoin kuin sähköinen vuorovaikutus kumoaa tarvittaessa painovoiman, myös vahva vuorovaikutus kumoaa sähköisen vuorovaikutuksen protonien välillä atomien ytimessä. Kvanttimekaniikalla ja suppeammalla suhteellisteorialla voidaan ymmärtää kaikki muut paitsi painovoima, jota kuvaa yleinen suhteellisuusteoria. Fyysikot ponnistelevat voidakseen luoda kvanttipainovoiman teorian, toistaiseksi tuloksetta.