Az atomfizika tárgyalása során már láttuk, hogy a tudósok figyelme a XX.század elsı
évtizedeiben elsısorban az atom külsı tartományára, az elektronburok leírására irányult. Bár
az atom magjával kapcsolatos jelenségek már 1896-tól, a radioaktivitás felfedezésétıl kezdve
jelen voltak a kutatási témákban, a külsı burok és a mag vizsgálata csak Rutherford kísérleti
eredményeinek következtében válhatott ketté.
A magfizikai kutatások során le kellett gyızni az elemek egyforma atomjaiba vetett
hitet, valamint az egyes elemek atomjai sem bizonyultak mindig egyformának például
tömegük, radioaktivitásuk alapján, s megjelentek a spontán elemátalakulások, ahogyan azt az alkimisták elképzelték. Emellett kiderült, hogy a magban lezajló folyamatok sok
nagyságrenddel nagyobb energiafelszabadulással játnak, mint a kémiai folyamatok. Ez
elvezetett a tömegmegmaradás és az energiamegmaradás törvényeinek egyesítéséhez, a
tömeg-energia ekvivalencia felismeréséhez.
4.2.2. Az atommag felépítése
2008.01.10. 20:21 :: peiszisz
A proton felfedezése
Már Rutherford is feltételezte a kísérleti tapasztalatok alapján, hogy léteznie kell egy
olyan részecskének, amelynek az elektron töltésével egyezı abszolút értékő, pozitív töltése
van. Tömegét az atommagok osztályozásával lehetett megbecsülni, ha az elemek atomjainak
tömegét a hidrogénatom tömegével összehasonlították. A becsült érték az elektron tömegénél kb. 1840-szer nagyobbnak adódott.
Az elem rendszáma (Z) megadja a semleges atom külsı burkában lévı elektronok
számát, ill. a mag ezzel egyenlı pozitív töltéseinek számát.
Az elem relatív tömegszáma (A) azt fejezi ki, hányszor nagyobb tömegő az illetı elem
egy atomja a hidrogénatom tömegénél, ill. mai megfogalmazás szerint a 12-es szénizotópatom tömegének 12-ed része.
A proton feltételezése természetes volt, de a bizonyítékra 1925-ig várni kellett. A
kísérleti kimutatás P. Brackett nevéhez főzıdik, aki atommagok ütközéseit vizsgálta. Sikerült
rögzítenie azt az eseményt, amikor a nitrogénmag elnyelte az ütközı részecskét, s
protonkibocsátás mellett oxigénmaggá alakul át.
A neutron felfedezése
Rutherford a kísérleti tapasztalatok alapján elıször úgy képzelte (1910), hogy a Z
rendszámú magban A db proton és A-Z db elektron található, így válik kívülrıl semlegessé az atom és ezeket a Coulomb erı tartja össze. A Heisenberg-féle határozatlansági elv szerint azonban, ha az elektron a mag méretének megfelelı kis helyen tartózkodna, akkora
impulzussal rendelkezne, hogy azt a Coulomb-erı nem lenne képes felvenni, így felvetıdött
egy semleges részecske gondolata.
1930-ban berilliumot héliummagokkal bombáztak, és ennek hatására olyan sugarat
kaptak, amely vastag ólomlemezen is áthatol és nem ionizál, vagyis töltéssel nem rendelkezik. A sugárzás hatására a hidrogéntartalmú anyagból hihetetlen energiájú protonok léptek ki. A jelenséget Chadwick értelmezte 1932-ben, neutronok kilépésével, a következı reakció szerint:
2He4 + 4Be9 = 6C12 + 0n1.
A hélium- és berilliumatom találkozásakor tehát szén, és az eddig ismeretlen sugárzást
alkotó részecske, neutron keletkezett. Ez a felismerés tekinthetı a neutron felfedezésének.
A neutron ismeretében módosul az atom szerkezetérıl alkotott kép. A mag Z db protont
és A-Z db neutront tartalmaz, az atomburokban pedig Z db elektron kap helyet.
A nukleonok
A proton és a neutron, azaz a mag alkotói, közös neve a nukleonok.
A nukleonok sokkal nagyobb tömegőek, mint az elektron. A neutron kicsit nagyobb
tömegő a protonnál:mp = 1,672648 · 10-27 kg, mn = 1,674953 · 10-27 kg,
me = 9,10953 · 10-31 kg.
Eszerint az anyag igen szellıs felépítéső. Tömegének 99,98 %-a az atomok magjában,
nagyon kis helyen van összesőrősödve. A mag 16 nagyságrenddel sőrőbb, mint az
elektronburok.
Kiderült, hogy adott elem magjában, azonos protonszám mellett, különbözı számú
neutron lehet. A többféle elıfordulás miatt átlagos értékként kapjuk a törtszámmal kifejezett atomsúly értékét.
Egy adott elem különbözı tömegszámú atomjai, az illetı elem izotópjai.
A különbözı izotópok tehát kémiailag egyformán, de más szempontból (például
stabilitásukat tekintve) különbözıképpen viselkednek. Éppen ezért van jelentıségük a
magfizikai folyamatokban.
Erıs kölcsönhatás
Az atommagot összetartó erıhatás természetének teljes megértése az elméleti fizikusok
számára a mai napig sem lezárt problémakört képez. A gravitáció nem elég erıs. Az
elektromos vonzás nem jöhet szóba, hiszen a neutron semleges részecske, míg az egymáshoz
rendkívül közel elhelyezkedı protonok óriási erıvel taszítják egymást. Egy új típusú
kölcsönhatás jelenik meg tehát a nukleonok között, amelynek általános jellemzıi a
következıkben foglalhatók össze: - a kölcsönhatás elektromos töltéstıl független,
- bármely két nukleon között vonzás jellegő,
- erısebb, mint az elektromos,
- igen kis hatótávolságú, csak a közvetlenül szomszédos néhány nukleon között van.
Az atommag sőrősége
Hofstadter szórási kísérlete megerısítette Rutherford kísérletét és az atommag
nagyságrendje is egyezı volt. Azonban felfedezte, hogy egy átlagos nukleon sugara:
r0 = 1,2 · 10-15 m,
és a mag sugara, és térfogata evvel és a tömegszámmal kifejezhetı:
Tehát az atommag térfogata a tömegszámmal arányosnak bizonyult. Ez azt jelenti, hogy
a mag sőrősége nem nı a tömegszám növekedésével, mint az elektronburok sőrősége. Mint
látni fogjuk, ez a tapasztalat sugallta az energetikai leíráshoz az egyik lehetséges magmodellt, amely az atommagot az állandó sőrőségő, összenyomhatatlan folyadékcsepphez hasonlítja.
Már Rutherford is feltételezte a kísérleti tapasztalatok alapján, hogy léteznie kell egy
olyan részecskének, amelynek az elektron töltésével egyezı abszolút értékő, pozitív töltése
van. Tömegét az atommagok osztályozásával lehetett megbecsülni, ha az elemek atomjainak
tömegét a hidrogénatom tömegével összehasonlították. A becsült érték az elektron tömegénél kb. 1840-szer nagyobbnak adódott.
Az elem rendszáma (Z) megadja a semleges atom külsı burkában lévı elektronok
számát, ill. a mag ezzel egyenlı pozitív töltéseinek számát.
Az elem relatív tömegszáma (A) azt fejezi ki, hányszor nagyobb tömegő az illetı elem
egy atomja a hidrogénatom tömegénél, ill. mai megfogalmazás szerint a 12-es szénizotópatom tömegének 12-ed része.
A proton feltételezése természetes volt, de a bizonyítékra 1925-ig várni kellett. A
kísérleti kimutatás P. Brackett nevéhez főzıdik, aki atommagok ütközéseit vizsgálta. Sikerült
rögzítenie azt az eseményt, amikor a nitrogénmag elnyelte az ütközı részecskét, s
protonkibocsátás mellett oxigénmaggá alakul át.
A neutron felfedezése
Rutherford a kísérleti tapasztalatok alapján elıször úgy képzelte (1910), hogy a Z
rendszámú magban A db proton és A-Z db elektron található, így válik kívülrıl semlegessé az atom és ezeket a Coulomb erı tartja össze. A Heisenberg-féle határozatlansági elv szerint azonban, ha az elektron a mag méretének megfelelı kis helyen tartózkodna, akkora
impulzussal rendelkezne, hogy azt a Coulomb-erı nem lenne képes felvenni, így felvetıdött
egy semleges részecske gondolata.
1930-ban berilliumot héliummagokkal bombáztak, és ennek hatására olyan sugarat
kaptak, amely vastag ólomlemezen is áthatol és nem ionizál, vagyis töltéssel nem rendelkezik. A sugárzás hatására a hidrogéntartalmú anyagból hihetetlen energiájú protonok léptek ki. A jelenséget Chadwick értelmezte 1932-ben, neutronok kilépésével, a következı reakció szerint:
2He4 + 4Be9 = 6C12 + 0n1.
A hélium- és berilliumatom találkozásakor tehát szén, és az eddig ismeretlen sugárzást
alkotó részecske, neutron keletkezett. Ez a felismerés tekinthetı a neutron felfedezésének.
A neutron ismeretében módosul az atom szerkezetérıl alkotott kép. A mag Z db protont
és A-Z db neutront tartalmaz, az atomburokban pedig Z db elektron kap helyet.
A nukleonok
A proton és a neutron, azaz a mag alkotói, közös neve a nukleonok.
A nukleonok sokkal nagyobb tömegőek, mint az elektron. A neutron kicsit nagyobb
tömegő a protonnál:mp = 1,672648 · 10-27 kg, mn = 1,674953 · 10-27 kg,
me = 9,10953 · 10-31 kg.
Eszerint az anyag igen szellıs felépítéső. Tömegének 99,98 %-a az atomok magjában,
nagyon kis helyen van összesőrősödve. A mag 16 nagyságrenddel sőrőbb, mint az
elektronburok.
Kiderült, hogy adott elem magjában, azonos protonszám mellett, különbözı számú
neutron lehet. A többféle elıfordulás miatt átlagos értékként kapjuk a törtszámmal kifejezett atomsúly értékét.
Egy adott elem különbözı tömegszámú atomjai, az illetı elem izotópjai.
A különbözı izotópok tehát kémiailag egyformán, de más szempontból (például
stabilitásukat tekintve) különbözıképpen viselkednek. Éppen ezért van jelentıségük a
magfizikai folyamatokban.
Erıs kölcsönhatás
Az atommagot összetartó erıhatás természetének teljes megértése az elméleti fizikusok
számára a mai napig sem lezárt problémakört képez. A gravitáció nem elég erıs. Az
elektromos vonzás nem jöhet szóba, hiszen a neutron semleges részecske, míg az egymáshoz
rendkívül közel elhelyezkedı protonok óriási erıvel taszítják egymást. Egy új típusú
kölcsönhatás jelenik meg tehát a nukleonok között, amelynek általános jellemzıi a
következıkben foglalhatók össze: - a kölcsönhatás elektromos töltéstıl független,
- bármely két nukleon között vonzás jellegő,
- erısebb, mint az elektromos,
- igen kis hatótávolságú, csak a közvetlenül szomszédos néhány nukleon között van.
Az atommag sőrősége
Hofstadter szórási kísérlete megerısítette Rutherford kísérletét és az atommag
nagyságrendje is egyezı volt. Azonban felfedezte, hogy egy átlagos nukleon sugara:
r0 = 1,2 · 10-15 m,
és a mag sugara, és térfogata evvel és a tömegszámmal kifejezhetı:
Tehát az atommag térfogata a tömegszámmal arányosnak bizonyult. Ez azt jelenti, hogy
a mag sőrősége nem nı a tömegszám növekedésével, mint az elektronburok sőrősége. Mint
látni fogjuk, ez a tapasztalat sugallta az energetikai leíráshoz az egyik lehetséges magmodellt, amely az atommagot az állandó sőrőségő, összenyomhatatlan folyadékcsepphez hasonlítja.
3 komment
4.3. Energiaviszonyok a magban
2008.01.10. 20:17 :: peiszisz
Az atom és magfizikában használatos energia-mértékegység az elektronvolt (eV):
1 eV annak az elektronnak a mozgási energiája, amely álló helyzetbıl 1 V feszültség
hatására gyorsult fel, tehát 1eV = 1,602 · 10-19 J.
1 eV annak az elektronnak a mozgási energiája, amely álló helyzetbıl 1 V feszültség
hatására gyorsult fel, tehát 1eV = 1,602 · 10-19 J.
Szólj hozzá!
4.3.1. A tömegdefektus
2008.01.10. 20:16 :: peiszisz
Ha a magot alkotó nukleonok saját tömegét összeadjuk, akkor nagyobb értéket kapunk,
mint a mag tömege. Ez a jelenség a tömegdefektus (tömeghiány). Képlettel:
Z · mp + (A-Z) · mn > M
E tényhez tarozik még egy kísérleti tapasztalat. Például, amikor egy deutériummag
létrejön, ami egy protonból és egy neutronból áll, azaz a nukleonok kölcsönhatásba kerülnek,
egy igen nagy energiájú elektromágnes foton távozik el, tehát a folyamat energiafelszabadulással jár.
Összetett magoknál a nukleonok beépülése természetesen több lépcsıben
zajlik. A folyamatot megfordíthatjuk. Ha a nukleonokat újra szét akarjuk szakítani, azaz
kötéseket felbontani, akkor ehhez az elektromágneses sugárzás által elvitt energiát kell
befektetnünk. A magyarázat a relativitás-elméletben megfogalmazott tömeg-energia kapcsolat segítségével adható meg. A hiányzó tömegnek megfelelı energiát a keletkezı és eltávozó fotonok viszik magukkal.
A tömeghiánynak megfelelı energia a kötési energia: M · c2 = Eköt.
Az tömeg-energia ekvivalenciájának elve alapján tehát a folyamatok tömeg és energia
egységekben is leírhatók.
mint a mag tömege. Ez a jelenség a tömegdefektus (tömeghiány). Képlettel:
Z · mp + (A-Z) · mn > M
E tényhez tarozik még egy kísérleti tapasztalat. Például, amikor egy deutériummag
létrejön, ami egy protonból és egy neutronból áll, azaz a nukleonok kölcsönhatásba kerülnek,
egy igen nagy energiájú elektromágnes foton távozik el, tehát a folyamat energiafelszabadulással jár.
Összetett magoknál a nukleonok beépülése természetesen több lépcsıben
zajlik. A folyamatot megfordíthatjuk. Ha a nukleonokat újra szét akarjuk szakítani, azaz
kötéseket felbontani, akkor ehhez az elektromágneses sugárzás által elvitt energiát kell
befektetnünk. A magyarázat a relativitás-elméletben megfogalmazott tömeg-energia kapcsolat segítségével adható meg. A hiányzó tömegnek megfelelı energiát a keletkezı és eltávozó fotonok viszik magukkal.
A tömeghiánynak megfelelı energia a kötési energia: M · c2 = Eköt.
Az tömeg-energia ekvivalenciájának elve alapján tehát a folyamatok tömeg és energia
egységekben is leírhatók.
Szólj hozzá!
4.3.2. A héjmodell (1934)
2008.01.10. 20:16 :: peiszisz
Ennél a magmodellnél az az elgondolás, hogy a nukleonok csak a közvetlen
szomszédjukhoz kapcsolódnak erıs kölcsönhatással. Az összes nukleontól származó közepes
potenciáltér alakul ki, amelyben minden egyes nukleon a többitıl független, önálló mozgást
végez. A nukleonok állapotaihoz ugyanakkor hasonló módon rendelhetünk kvantumszámokat,
mint az elektron esetében.
Itt is érvényes a Pauli-elv, azzal a különbséggel, hogy itt mindig az azonos spinő helyzetet veszik fel elıször (Hund-szabály). Ezen kívül a Pauli-elv külön
érvényes a protonokra és a neutronokra.
A modell érdeme többek között az, hogy indoklást ad az atommag belsejében diszkrét energiaszintek létezésére. Segítségével értelmezhetjük a
fotonkibocsátást, mint egy újonnan keletkezett, vagy megkötött nukleon alapállapotba
kerülésének következményét, hasonlóan az elektron fotonkibocsátásához.
szomszédjukhoz kapcsolódnak erıs kölcsönhatással. Az összes nukleontól származó közepes
potenciáltér alakul ki, amelyben minden egyes nukleon a többitıl független, önálló mozgást
végez. A nukleonok állapotaihoz ugyanakkor hasonló módon rendelhetünk kvantumszámokat,
mint az elektron esetében.
Itt is érvényes a Pauli-elv, azzal a különbséggel, hogy itt mindig az azonos spinő helyzetet veszik fel elıször (Hund-szabály). Ezen kívül a Pauli-elv külön
érvényes a protonokra és a neutronokra.
A modell érdeme többek között az, hogy indoklást ad az atommag belsejében diszkrét energiaszintek létezésére. Segítségével értelmezhetjük a
fotonkibocsátást, mint egy újonnan keletkezett, vagy megkötött nukleon alapállapotba
kerülésének következményét, hasonlóan az elektron fotonkibocsátásához.
