Vaikutusala

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), joka on samaa suuruusluokkaa kuin ytimen pinta-ala. 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.

Differentiaalinen sirontavaikutusala ${\frac {d\sigma }{d\Omega }}$ kertoo millä todennäköisyydellä hiukkanen tai säteilykvantti siroaa johonkin tiettyyn avaruuskulmaan (Ω). Jos differentiaalinen vaikutusala jaetaan eli normalisoidaan sirottavan aineen tilavuudella, saadaan uusi differentiaalinen vaikutusala ${\frac {d\Sigma }{d\Omega }}$, 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

• 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 pysähtyä ja lähteä taaksepäin sähköisen poistovoiman vaikutuksen seurauksena.
• Absorptio /neutronikaappaus
  • Jos lähestyvä hiukkanen on neutroni (n⁰) ja sen liike-energia ja suunta on sopiva ja riittää ylittämään kohdenuklidin vahvan voiman poistovaikutuksen, neutroni absorboituu kohdenuklidiin. Näin syntynyt uusi nuklidi voi olla sekä stabiili (esim. He-3 + n⁰ = He-4) tai epästabiili (esim. U-235 + n⁰ = U-236*).
    • Epästabiili nuklidi
      • Voi hajota kahdeksi tai useammaksi tytärnuklidiksi (fissio)
      • Voi emittoida ylimääräiset neutronit ja protonit alfa-hajoamalla (kts alfahajoaminen).
      • Voi emittoida negatiivisen tai positiivisen beetahiukkasen eli elektronin tai positronin (kts. beetahajoaminen) saavuttaakseen stabiilin energiatilan.
      • Voi emittoida gammahiukkasen eli fotonin (kts gammahajoaminen) niin, että energiatila stabiloituu (viritystila purkautuu)
• Fuusio
  • Jos lähestyvä hiukkanen on positiivisesti varautunut nuklidi (esim. H⁺ tai α²⁺ ) ja sen liike-energia ja suunta on sopiva ja riittää ylittämään kohdenuklidin sekä sähköisen, että vahvan voiman poistovaikutukset, nuklidit fuusioituvat yhteen. Näin syntynyt uusi nuklidi on tavallisesti stabiili (esim. ³H + ²H = ⁴He), mutta raskaimpien ytimien fuusioista ei ole tutkimustietoa. Fuusio on jopa epätodennäköisempää kuin absorptio, koska sekä sähköinen että vahvan voiman poistovaikutukset on kyettävä kumoamaan nuklidien liike-energialla. Fuusio on siis todennäköinen vain hyvin energiatiheässä tilassa, kuten auringossa.

• Gammahiukkasen absorptio (teoreettinen)
  • 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.