Atommag

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
A hélium-4 atom képi ábrázolása. A magban a két protont piros, a két neutront kék szín jelöli. Az ábra egymástól elkülönülten mutatja a részecskéket, a valóságban azonban a két proton a térben egymással átfedve, nagy valószínűséggel az atommag középpontjában található meg, és ugyanez igaz a neutronokra is, így mind a négy részecske pontosan ugyanazon a helyen fordul elő a legnagyobb valószínűséggel. A különálló részecskék klasszikus képe ezért nem tudja modellezni a nagyon kis atommagokban tapasztalt töltéseloszlást.

Az atomok tömegének legnagyobb része egy, az atom térfogatához képest igen kisméretű, pozitív töltésű atommagban koncentrálódik. Az atommag átmérője 10−15 m, ami az atom méretének tízezred része. A Rutherford-féle szórási kísérlet eredménye vezette végül Ernest Rutherfordot és Niels Bohrt egy olyan atommodellhez, amelyben a pozitív töltésű pici, de nehéz magot a negatívan töltött elektronok felhője veszi körül. A magban levő protonok száma adja az atom rendszámát, amely semleges atom esetén megegyezik a mag körül keringő elektronok számával. Mivel az elektronszám határozza meg a kémiai viselkedést, ezért az azonos protonszámú magok kémiai szempontból nagyon hasonlóan viselkednek, a protonszám határozza meg azt, hogy valami milyen kémiai elem (például hidrogén vagy vas). Az atommagban levő nukleonok (proton+neutron) teljes száma adja az atom tömegszámát.

Amikor a fizikusok az atommag szerkezetét kezdték vizsgálni, azzal a problémával találták magukat szemben, hogy bár a magban lévő protonok a Coulomb-erő miatt nagy erővel taszítják egymást, az atommag mégis stabil állapotban van. E problémának csak egy megoldása van, a természetben léteznie kell még egy igen rövid hatótávolságú, de nagyon intenzív erőhatásnak, amely az elektromos taszítást kompenzálja. Ez a magerő.

A fizikában általában akkor mondjuk egy rendszerre, hogy ismerjük, ha létezik egy többé-kevésbé minden tulajdonságát megmagyarázó modellünk. Az atommag esetében azonban a modellezés kivételesen nehéz:

  • az atommagban jelenlevő részecskék száma 1 és 250 között mozog. Statisztikusan nem lehet tárgyalni, mert ahhoz nagyon kevés részecskénk van, az elméleti mechanika viszont már a háromtest-problémát sem tudja egzaktul megoldani.
  • a magerők egzakt formája ismeretlen

Természetesen léteznek különböző modellek, amik jól magyarázzák a mag egyes tulajdonságait.

Atommagok tulajdonságai[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Tömege[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az atommag tömegét atomi tömegegységben (jele: U vagy ATE) a következő összefüggés adja meg:

Az atommag nukleonokból épül fel, melyeket a töltésfüggetlen erős nukleáris kölcsönhatás tart össze. Az összetett mag tömege mindig kisebb, mint az őt alkotó részecskék tömege külön-külön. Az előálló tömegdefektus vagy tömeghiány:

Δm = Z·Mp + (A−Z)Mn − M(AZX)

A tömeghiánynak (tömegdefektusnak) megfelelő (kötési) energia tartja össze az atommagot. Értéke a Weizsäcker-féle empirikus összefüggésből állapítható meg.

Sűrűsége[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az atommagok sűrűsége állandó, kémiai elemektől és izotópoktól függetlenül. Az atommag sűrűsége magas érték, 10^{14} \frac{g}{cm^3}, ami megfelel 10^8 \frac{tonna}{cm^3} -nek. Mivel az atommag sűrűsége állandó, ezért a térfogata, illetve a sugara a tömegszámmal arányosan változik.

Magerő[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Földi viszonyok között állandó struktúra az atommag, amelyet a nukleáris kölcsönhatás alakít ki. Két m tömegű nukleon között fellépő magerő hatótávolsága:   b = h/2πmc

Mérete[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A nukleon (proton vagy neutron) átmérője 1 fm = (10−15 m). Az atommag alakja közelíthető gömbbel, így az atommagok méretének számítására tapasztalati összefüggést alkalmazunk:

 R = R_0 A^{1/3} \

ahol

R a mag sugara
A a tömegszám,
és R_0 = \ 1,2 fm.

A mag sugara 0,005%-a (1/20 000) az atom sugarának. A mag sűrűsége olyan nagy, hogy egy liternyi maganyag tömege körülbelül 200 000 000 000 tonnát nyomna. A kompakt neutroncsillagokat teljes egészében nukleonok alkotják, sűrűségük tehát megegyezik az atommagéval.

Atommagok csoportosítása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Felépítésük szerint[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • izotóp: azonos protonszám, eltérő neutronszám (például: 11H és ²1H)
  • izotón: azonos neutronszám, eltérő protonszám (például: ²1H és ³2He)
  • izobár atommagok: azonos nukleonszám, eltérő protonszám (például: 146C és 147N)
  • izomer magok: a rendszám és a tömegszám is azonos, csak a mag energiaállapotában van különbség

Stabilitás szerint[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • stabil magok (1)
    • olyan atommagok, amelyeknél radioaktivitást nem tapasztaltak
    • kb. 271 ilyen atommagot ismerünk
    • például: 12C, 14N, 16O
  • elsődleges természetes radionuklidok (2)
    • olyan természetes radioaktív magok, amelyek megtalálhatóak a Naprendszer keletkezése óta
    • felezési idejük nagyon hosszú
    • 26 ilyen mag ismert
    • Például: 238U (T=4,47·109 év), 40K (T=1,28·109 év), 87Rb (T=4,8·1010 év)
  • másodlagos természetes radionuklidok
    • Olyan magok, amelyek (2) keletkezése révén bomlanak
    • Felezési idejük nagyon rövid, a Naprendszer keletkezése óta nem találhatóak meg
    • 38 ilyen mag ismert
    • Például: 226Ra (T=1600 év), 234Th (T=24,1 nap)
  • Indukált természetes radionuklidok
    • állandóan keletkeznek a kozmikus sugárzás hatására
    • 10 ilyen mag ismert
    • Például: ³H (T=12,3 év), 14C (T=5730 év)
  • mesterséges radionuklidok
    • emberi tevékenység során keletkeztek, a természetben nincsenek számottevően jelen
    • 2000 ilyen mag ismert
    • Például: 60Co, 137Cs, 24Na

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Bódizs Dénes: Atommagsugárzások méréstechnikái. Typotex Kiadó, 2006. ISBN 963-9664-31-6