Már a Rutherford-féle szórási kísérletből is kiderült, hogy az atom nem tömör felépítésű. Feltételezték, hogy az atom igen kisméretű, pozitív töltésű magból és az elektronok alkotta burokból áll.
A mag méretére öt nagyságrenddel kisebb értéket kaptak a mérések során, mint maga az atom mérete. Így érthetővé válik, hogy a mag pontszerű, pozitív töltésnek felel meg, tehát a kémiai folyamatokban az atommag nem is játszik szerepet.
A tudósok figyelme a XX. század első évtizedeiben elsősorban az atom külső tartományára, az elektronburok leírására irányult, de ennek ellenére gyarapodtak az atom magjára vonatkozó ismeretek is.
Az atom magjával kapcsolatos jelenségek már 1896-tól, a radioaktivitás felfedezésétől kezdve jelen voltak a kutatási témákban.
Mesterséges atommag átalakításról akkor beszélünk, ha nem spontán módon, hanem laboratóriumi körülmények között, egy atom magját egy másik atommaggá alakítjuk át.
Ilyen mesterséges atommag átalakítás során fedezték fel a protont és a neutront.
Már Rutherford feltételezte a kísérleti tapasztalatok alapján, hogy léteznie kell egy olyan részecskének, amelynek az elektron töltésével megegyező nagyságú, de pozitív töltése van.
A feltételezett részecske gondolata annyira természetes volt, s egyéb paramétereit is olyan pontosan meg lehetett határozni, hogy létezésében senki sem kételkedett. A proton elnevezést Rutherford adta.
A kísérleti bizonyítással azonban 1925-ig kellett várni.
A kísérleti kimutatás P. Brackett (1897-1974) nevéhez fűződik, aki atommagok ütközéseit vizsgálta.
Sikerült rögzítenie azt az eseményt, amikor a nitrogénmag elnyelte az ütköző részecskét, s protonkibocsátás mellett oxigénmaggá alakult át.
Ezzel vált bizonyítottá a proton létezése.
1930-ban különös jelenségeket észleltek a kísérletezők, amikor berilliumot héliummagokkal bombáztak.
A bombázás hatására olyan áthatoló sugarat kaptak, amely vastag ólomlemezen is áthatol, és nem ionozál, vagyis töltéssel nem rendelkezik.
A jelenséget Chadwik (1891-1974) értelmezte 1932-ben, neutronok kilépésével, a következő reakció szerint:
A hélium- és berilliumatom ütközésekor tehát szén és az eddig ismeretlen sugárzást alkotó részecske, neutron keletkezett. Ez a felismerés tekinthető a neutron felfedezésének.
A tömegszám az atommagban lévő protonok és neutronok együttes száma.
A protonokat és a neutronokat másképpen nukleonoknak is nevezzük. Tehát a tömegszám az atommagban lévő nukleonok számával egyezik meg.
Jele: A
Rendszám és tömegszám jelölése
Izotópoknak nevezzük az olyan atomokat, amelyek magjában a protonok száma megegyezik, de a neutronok száma különböző.
Ebből következik, hogy az izotópok kémiai minősége megegyezik, mivel a protonok száma azonos.
Az elektronok számának azonosságából következik, hogy az izotópok kémiai tulajdonsága, reakcióképessége is azonos.
A neutronszám különbségből adódóan az izotópatomok tömege más. Ez az oka, hogy fizikai tulajdonságuk különböző.
Izotópok szétválasztása történhet:
Számos szórási kísérlet alapján végzett számítás azt mutatta, hogy a gömb alakúnak képzelt atommagok sugara egyenesen arányos a tömegszám köbgyökével. Az arányossági tényező az , ami minden magra jó közelítéssel azonos kísérleti állandó.
Az atommagot összetartó erőhatás természetének teljes megértése az elméleti fizikusok számára a mai napig sem lezárt problémakör.
Egy új típusú kölcsönhatás jelenik meg tehát a nukleonok között, amelynek általános jellemzői a következőkben foglalhatók össze:
Az atom és a magfizikában használatos energia-mértékegység az elektronvolt (eV):
1 eV annak az elektronnak a mozgási energiája, amely álló helyzetből 1 V feszültség hatására gyorsult fel, tehát
Az atommag kötési energiáján azt az energiát értjük, melynek befektetésével az atommag egymástól távol lévő, szabad nukleonokra bontható fel.
A kötési energia jele: Ek
Az energiamegmaradás elve szerint a szabad nukleonok atommaggá való egyesítésekor a kötési energiának megfelelő nagyságú nukleáris energia szabadul fel.
Kísérleti tapasztalat, ha a magot alkotó nukleonok saját tömegét összeadjuk, akkor nagyobb értéket kapunk, mint a mag tömege. Ez a jelenség a tömegdefektus (tömeghiány). Képlettel:
Például, amikor egy deutériummag () létrejön, ami egy protonból és egy neutronból áll, azaz a nukleonok kölcsönhatásba kerülnek, egy igen nagy energiájú elektromágneses foton távozik el, tehát a folyamat energiafelszabadulással jár. A deutériummag tömege kisebb lesz, mint a proton és a neutron együttes tömege.
A magyarázat az Einstein relativitáselméletben megfogalmazott tömeg-energia ekvivalencia segítségével adható meg.
A tömeg és az energia egymással ekvivalens mennyiségek, amelyet a következő összefüggés fejez ki: |
A kötési energia meghatározása egyben a speciális relativitáselmélet egyik döntő kísérleti bizonyítéka is. A hiányzó tömegnek megfelelő energiát a keletkező és eltávozó fotonok viszik magukkal.
A tömeghiánynak megfelelő energia a kötési energia. |
A kötési energiát elosztva a tömegszámmal, megkapjuk az egy nukleonra jutó átlagos kötési energiát, a fajlagos kötési energiát. ().
Az atommag energiáját az előzőek alapján általában a következő módon jellemezzük.
Minél nagyobb az egy nukleonra jutó kötési energia, annál mélyebb az egy nukleonra jutó teljes energia, vagyis annál kötöttebbek a nukleonok. Ezt a szemléletet fejezi, ha a fajlagos kötési energiát a nukleonszám függvényében ábrázoljuk.
Az atommaggal kapcsolatos tapasztalatok:
E két dolog a magban lévő energiákat jelentősen meghatározza.
Most lehet rátérni a fajlagos kötési energia-tömegszám grafikon elemzésére:
A fajlagos kötési energia növekedése egészen az 56-os tömegszámig tart. A vas fajlagos kötési energiája a legnagyobb, mérések szerint 8,81 MeV.
A radioaktív sugárzás elektromos és mágneses téren átvezetve három sugárnyalábra bomlik.
Az eltérülés mértékéből a sugárzásban részt vevő részecskék töltése és tömege határozható meg.
A radioaktív sugárzás részei:
α-sugárzás
β-sugárzás
γ-sugárzás
α-sugárzás
β-sugárzás
γ-sugárzás
Legyen:
Az atommagok kezdeti száma: | N0 |
A felezési idő: | T |
A megfigyelés kezdete óta eltelt idő: | t |
t idő múlva az atommagok száma: | N |
T idő múlva igaz: | ![]() |
Tetszőleges idő elteltével: | ![]() |
|
Minden radioaktív anyag esetén a felezési idő állandó. A bomlás miatt viszont fogy a radioaktív magok száma. Ennek következtében nyilvánvaló, hogy azonos idő alatt kevesebb bomlás következik be. Azt mondjuk, hogy az adott anyag radioaktivitása csökken.
Ennek számszerű kifejezésére használjuk az aktivitást.
Egy adott radioaktív anyag aktivitásán az időegység alatt bekövetkezett bomlások számát értjük.
Jele: a
Mértékegysége: bomlás/s=Bq, amelyet Becquerel emlékére becquerelnek neveznek.
A negatív előjel arra utal, hogy a magok száma csökken.
Az aktivitás időbeli változására a felezési időhöz hasonló függvény adható meg:
, ahol a a t időpontban az anyag aktivitása, a0 a kezdeti aktivitás, T a felezési idő.
Az aktivitás (a) arányos a meglévő magok számával (N), ahol az arányossági tényező a bomlásállandó (γ).
Az instabil izotópmag nemcsak α-átalakulás során eshet szét.
Előfordulhat kis valószínűséggel, hogy a nagy tömegszámú atommag két nála kisebb, de a héliummagnál nagyobb atommagra bomlik szét. Ez az esemény a hasadás, amely általában a már ismert radioaktív sugárzásokkal jár együtt.
A sor elnevezése | Kezdő elem | Végső stabil izotóp |
A=4n Tórium-sor | ![]() |
![]() |
A= 4n+1 Neptúnium sor | ![]() |
![]() |
A= 4n+2 Urán-sor | ![]() |
![]() |
A= 4n+3 Aktínium-sor | ![]() |
![]() |
A viszonylag nagy felezési idők miatt (106-109 év) spontán hasadás ritkán következik be a természetben.
Valamilyen külső gerjesztés azonban jelentősen megnövelheti a bekövetkezés valószínűségét.Ilyen külső gerjesztés lehet például egy lassú neutron befogása.
Szabad neutronokat viszont a nagy tömegszámú elemek maguk szolgáltatnak bomlásuk során. Ennek okát könnyű belátni, hiszen tudjuk, hogy a neutronok száma ezen elemeknél egyre nagyobb a protonokéhoz képest.
Hasadás közben azonban kisebb tömegszámú elemek keletkeznek, amelyekben fölösleges neutronok lesznek, és ezek eltávoznak az újonnan keletkezett magokból.
Szilárd Leótól (1934) származik az ötlet, hogy hasznosítani kellene ezeket a neutronokat újabb hasadások indukálásához.
Hahn (1879-1968) és Strassmann (1902-1981) mutattak ki először olyan hasadási folyamatot kísérletileg 1938-ban, amikor egy nagy tömegszámú elem, az urán neutronokkal való bombázásakor két közepes tömegszámú elem és két-három szabad neutron keletkezett. Ezek megjelenése adja a lehetőséget, hogy újabb hasadást okozva, a hasadások láncszerűen kövessék egymást, és a folyamat önmagát tartsa fenn.
A láncreakciót először 1942-ben Fermi (1901-1954) csoportjának sikerült a gyakorlatban megvalósítani.
A sugárzás élettani hatása függ:
A sugárzás hatásának mennyiségi jellemzésére két mennyiséget használnak:
Az élő szervezet által elnyelt sugárzási energiát osztjuk az anyag tömegével.
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
Minőségi tényező értéke különböző sugárzások esetén
Sugárzás fajtája |
Q (minőségi tényező) |
Röntgen-, gamma- és béta-sugárzás |
1 |
Alfa-sugárzás |
20 |
Neutron-sugárzás |
2-3 |
Gyors neutronok, protonok |
10 |
A testet ért sugárzás hatása
Ha H < 250 mSv, akkor a sugárzásnak nincs kimutatható élettani hatása.
Ha H > 6 000 mSv, akkor a dózis halálos.
Környezetünkben mindenhol megtalálható a radioaktív sugárzás
Ezt nevezzük természetes háttérsugárzásnak.
A természetes háttérsugárzás
Napjainkban gyógyászati célra számos izotópot állítanak elő. Az előállítás leggyakoribb módja neutron besugárzással történik.
A semleges neutron könnyen bejuthat az atommagba, azokat gyakran radioaktív bomlóvá teszi. Ez a folyamat a neutronaktiválás.
Először Hevessy György állított elő neutron besugárzással radioaktív nyomjelzésre alkalmas izotópokat. Munkásságáért 1943-ban kapott Nobel-díjat.
A neutronaktiválást kisteljesítményű atomreaktorokban végzik. Ilyen működik, és erre a célra is használják a KFKI-ban lévő reaktort, és a BME tanreaktorát.
A radioaktív izotópokat a gyógyászatban használják:
Nyomjelzés
Terápiás kezelés
A radioaktív sugárzás ionizáló hatása alapján lehet a sugárdózist a legkönnyebben mérni. Erre több lehetőség is van.
Egy ködkamrában adiabatikus tágulás következtében telített gőzt hoznak létre. Ha ebbe a ködkamrába radioaktív sugárzás jut, akkor a sugárzás hatására a molekulák egy része ionizálódik. A sugárzás pályáján létrejövő kondenzációs magokra a telített gőz kicsapódik, és így rövid időre kirajzolódik a sugárzás nyomvonala.
Az első ködkamrát Wilson fejlesztette ki, amiért 1950-ben Nobel-díjat kapott.
Hasonlóan működik a buborékkamra, mint a ködkamra csak telített gőz helyett túlhevített folyadék van a tartályban. Az ionizáló radioaktív sugárzás apró gőzbuborékokat hoz létre, ami jelzi a sugárzás pályáját.
Ez az eszköz elektronikus úton detektálja a radioaktív sugárzást. A készülék csövében csökkentett nyomású gáz van. Az ionizáló radioaktív sugárzás hatására nő az ionok száma, változik a vezetőképesség. Ezt a változást alakítja elektromos jellé a készülék.
Az élő szervezetekben 12-es és 14-es (12C, 14C) tömegszámú szénizotópok aránya állandó. Az elhalt szervezetekben ez az arány változik, mert a 14C izotóp bomlik. Az arány változásából a lelet kora határozható meg.
Láncreakció során atommaghasadások sorozata játszódik le.
A maghasadás az energiaminimumra való törekvés következménye. Egy instabil atommag úgy próbál stabilizálódni, hogy két kisebb, közel azonos tömegszámú atommagra hasad szét. Erre következtethetünk a fajlagos kötési energia-tömegszám grafikonból is.
A láncreakció lehet:
Az atombombák működés szempontjából kétfélék lehetnek:
Fissziós bomba
Az atombomba energiáját urán vagy plutónium hasadása szolgáltatja.
Egy neutron által előidézett hasadás során átlagosan 2-3 neutron szabadul fel, és ezek a neutronok újabb hasadásokat idézhetnek elő.
Annak a feltétele, hogy egy láncreakció önállóan fennmaradjon az, hogy a reakcióban keltett neutronok átlagosan legalább egy újabb hasadást idézzenek elő.
A hasadás során felszabaduló neutronok
Ez a három folyamat meghatároz egy kritikus tömeget, mely alatt a kilépő és elnyelődő neutronok miatt nem tud önfenntartó láncreakció kialakulni. Mekkora ez a kritikus tömeg?
Az 235U kritikus tömege körülbelül 7 kg.
A rajz az uránbomba vázlatát mutatja.
Bár mind az atombomba, mind az atomreaktor hasadásos láncreakción alapul, hangsúlyozni kell, hogy működésük között több alapvetõ különbség is van.
A csernobili atomreaktor robbanása is inkább egy túlfűtött kazán robbanásához hasonlítható, semmint egy atombombáéhoz. A csernobili robbanáskor kialakult legnagyobb hőmérséklet - ami a grafit meggyulladása miatt alakult ki 2500 °C volt.
Fúziós bomba