Atommag – definíció, méret, szerkezet és az erős magerő

Az atommagot protonok és neutronok (kétféle bariontípus) alkotják, amelyeket a magerő kapcsol össze. Ezek a barionok továbbá kvarkok néven ismert szubatomi alaprészecskékből állnak, amelyeket az erős kölcsönhatás köt össze. Az atommag többé-kevésbé gömb alakú, és lehet kissé prolatív (hosszúkás) vagy oblatív (lapos), vagy egyébként nem teljesen kerek.

Izotópok és nuklidok

Az atom izotópja az atommagban lévő neutronok száma alapján kerül meghatározásra. Ugyanazon elem különböző izotópjai nagyon hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek. Egy vegyi anyag mintájában lévő különböző izotópokat centrifugával vagy tömegspektrométerrel lehet elkülöníteni. Az első módszert a dúsított uránnak a normál uránból történő előállításánál, a másodikat pedig a széndioxid kormeghatározásánál használják.

A protonok és neutronok száma együttesen határozza meg a nuklidot (az atommag típusát). A protonok és a neutronok tömege közel azonos, és együttes tömegszámuk, a tömegszám, nagyjából megegyezik az atom tömegével. Az elektronok együttes tömege nagyon kicsi az atommag tömegéhez képest; a protonok és a neutronok tömege körülbelül 2000-szer nagyobb, mint az elektronoké.

Az elektron J. J. Thomson általi felfedezése volt az első jele annak, hogy az atomnak belső szerkezete van. A 20. század fordulóján az atom elfogadott modellje J. J. Thomson "szilvapuding" modellje volt, amelyben az atom egy nagy, pozitív töltésű gömb volt, amelybe kis negatív töltésű elektronok voltak beágyazva. A századfordulóra a fizikusok felfedezték az atomokból származó háromféle sugárzást is, amelyeket alfa-, béta- és gamma-sugárzásnak neveztek el. Lise Meitner és Otto Hahn 1911-ben, valamint James Chadwick 1914-ben végzett kísérletei felfedezték, hogy a béta-bomlás spektruma nem diszkrét, hanem folytonos. Vagyis az elektronok az atomból különböző energiájú elektronokat löknek ki, nem pedig a gamma- és alfa-bomlásoknál megfigyelt diszkrét energiamennyiségeket. Ez akkoriban problémát jelentett az atomfizika számára, mert azt jelezte, hogy az energia nem marad meg ezekben a bomlásokban. Ez a probléma később a neutrínó felfedezéséhez vezetett (lásd alább).

1906-ban Ernest Rutherford publikálta "Az α-részecske sugárzása a rádiumból az anyagon áthaladó α-részecskének" című tanulmányát. Geiger ezt a munkát a Royal Society-hez intézett közleményében kibővítette az általa és Rutherford által végzett kísérletekkel, amelyekben α-részecskéket engedett át levegőn, alumíniumfólián és aranyfólián. További munkákat publikáltak 1909-ben Geiger és Marsden, majd 1910-ben Geiger további, jelentősen kibővített munkát tett közzé. 1911-2-ben Rutherford a Royal Society elé ment, hogy megmagyarázza a kísérleteket és megalapozza az atommag új elméletét, ahogyan azt ma értjük.

Ezzel nagyjából egy időben (1909-ben) Ernest Rutherford egy figyelemre méltó kísérletet hajtott végre, amelyben Hans Geiger és Ernest Marsden az ő felügyelete alatt alfa-részecskéket (hélium atommagokat) lőtt ki egy vékony aranyfóliára. A szilvapuding modell azt jósolta, hogy az alfa-részecskéknek úgy kell kilépniük a fóliából, hogy pályájuk legfeljebb enyhén elhajlott. Megdöbbenve tapasztalta, hogy néhány részecske nagy szögben szóródott, sőt egyes esetekben teljesen visszafelé. A felfedezés, amely Rutherford 1911-es adatelemzésével kezdődött, végül az atom Rutherford-féle modelljéhez vezetett, amelyben az atomnak egy nagyon kicsi, nagyon sűrű atommagja van, amely nehéz, pozitív töltésű részecskékből áll, amelyekbe beágyazott elektronok egyensúlyozzák ki a töltést. Példaként a nitrogén-14 ebben a modellben 14 protonból és 7 elektronból álló magból állt, és az atommagot további 7 keringő elektron vette körül.

A Rutherford-modell elég jól működött egészen addig, amíg Franco Rasetti 1929-ben a KaliforniaiTechnológiai Intézetben el nem kezdte a nukleáris spin vizsgálatát. 1925-re már ismert volt, hogy a protonok és az elektronok spinje 1/2, és a Rutherford-féle 14-es nitrogén-modellben a 14 proton és hat elektron párosodásának ki kellett volna egyenlítenie egymás spinjét, és az utolsó elektronnak 1/2-es spinnel kellett volna elhagynia az atommagot. Rasetti azonban felfedezte, hogy a nitrogén-14 spinje egy.

1930-ban Wolfgang Pauli nem tudott részt venni egy tübingeni találkozón, és ehelyett egy híres levelet küldött a klasszikus bevezetővel: "Tisztelt Radioaktív Hölgyeim és Uraim". Levelében Pauli felvetette, hogy talán létezik egy harmadik részecske is az atommagban, amelyet "neutronnak" nevezett el. Azt állította, hogy ez a részecske nagyon könnyű (könnyebb, mint az elektron), nincs töltése, és nem lép kölcsönhatásba az anyaggal (ezért nem sikerült még kimutatni). Ez a kétségbeesett kiút megoldotta mind az energia megőrzésének problémáját, mind a nitrogén-14 spinjét, az elsőt azért, mert Pauli "neutronja" elvitte a felesleges energiát, a másodikat pedig azért, mert egy extra "neutron" párosult a nitrogén-14 magban lévő elektronnal, így annak spinje egyes lett. Pauli "neutronját" Enrico Fermi 1931-ben átnevezte neutrínónak (olaszul kis semlegeset jelent), és mintegy harminc év elteltével végül bebizonyosodott, hogy a béta-bomlás során valóban neutrínó bocsátódik ki.

1932-ben Chadwick rájött, hogy a Walther Bothe, Herbert L. Becker, Irène és Frédéric Joliot-Curie által megfigyelt sugárzás valójában egy hatalmas részecskének köszönhető, amelyet neutronnak nevezett el. Ugyanebben az évben Dmitri Ivanenko felvetette, hogy a neutronok valójában spin 1/2 részecskék, és hogy az atommag neutronokat tartalmaz, elektronok pedig nincsenek benne, Francis Perrin pedig azt állította, hogy a neutrínók nem mag részecskék, hanem a béta-bomlás során keletkeznek. Az év megkoronázásaként Fermi benyújtotta a Nature-nek a neutrínó elméletét (amelyet a szerkesztők elutasítottak, mert "túlságosan távol állt a valóságtól"). Fermi tovább dolgozott elméletén, és 1934-ben publikált egy tanulmányt, amely szilárd elméleti alapokra helyezte a neutrínót. Ugyanebben az évben Hideki Yukawa javasolta az erős erő első jelentős elméletét, amely megmagyarázza, hogyan tartja össze az atommagot.

Fermi és Yukawa dolgozataival az atom modern modellje teljessé vált. Az atom középpontjában egy neutronokból és protonokból álló szoros gömb található, amelyet az erős magerő tart össze. Az instabil atommagok alfa-bomláson mehetnek keresztül, amelynek során egy energikus héliummagot bocsátanak ki, vagy béta-bomláson, amelynek során egy elektront (vagy pozitront) löknek ki. E bomlások valamelyike után a keletkező atommag gerjesztett állapotban maradhat, és ebben az esetben nagy energiájú fotonok kibocsátásával alapállapotba bomlik (gamma-bomlás).

Az erős és gyenge magerő tanulmányozása arra késztette a fizikusokat, hogy egyre nagyobb energiák mellett ütköztessék az atommagokat és az elektronokat. Ez a kutatás lett a részecskefizika tudománya, amelynek legfontosabb része a részecskefizika standard modellje, amely egyesíti az erős, gyenge és elektromágneses erőket.

Egy atommag több száz nukleont tartalmazhat, ami azt jelenti, hogy bizonyos közelítéssel inkább klasszikus, mint kvantummechanikai rendszerként kezelhető. Az így kapott folyadékcsepp-modellben az atommagnak olyan energiája van, amely részben a felületi feszültségből, részben pedig a protonok elektromos taszításából származik. A folyadékcsepp-modell képes reprodukálni az atommagok számos jellemzőjét, beleértve a kötési energia általános tendenciáját a tömegszám függvényében, valamint a maghasadás jelenségét.

Ezt a klasszikus képet azonban kvantummechanikai hatások egészítik ki, amelyek a nagyrészt Maria Goeppert-Mayer által kifejlesztett maghéjmodell segítségével írhatók le. Bizonyos számú neutronnal és protonokkal rendelkező atommagok (a bűvös számok: 2, 8, 20, 50, 82, 126, ...) különösen stabilak, mert a héjuk tele van.

Az atomfizika jelenlegi kutatásainak nagy része az atommagok tanulmányozásával kapcsolatos olyan szélsőséges körülmények között, mint a magas spin és gerjesztési energia. Az atommagok extrém alakúak is lehetnek (az amerikai futball-labdához hasonlóan) vagy extrém neutron-proton arányúak. A kísérletezők mesterségesen előidézett fúziós vagy nukleontranszfer-reakciókkal, gyorsítóból származó ionnyalábok alkalmazásával hozhatnak létre ilyen atommagokat. Még nagyobb energiájú sugarakkal nagyon magas hőmérsékleten is létrehozhatók atommagok, és vannak arra utaló jelek, hogy ezek a kísérletek fázisátmenetet hoztak létre a normál maganyagból egy új állapotba, a kvark-gluon plazmába, amelyben a kvarkok keverednek egymással, ahelyett, hogy hármasokba rendeződnének, mint a neutronokban és a protonokban.

Nukleáris bomlás

Ha egy atommagnak túl kevés vagy túl sok neutronja van, akkor instabil lehet, és egy bizonyos idő után bomlani fog. Például a nitrogén-16 atomok (7 proton, 9 neutron) béta-bomlása oxigén-16 atomra (8 proton, 8 neutron) a keletkezéstől számított néhány másodpercen belül. Ebben a bomlásban a nitrogénmagban lévő neutron a gyenge magerő hatására protonra és elektronra változik. Az atom eleme megváltozik, mert míg korábban hét protonja volt (ami a nitrogént jelenti), most nyolc (ami az oxigént jelenti). Sok elemnek több izotópja van, amelyek hetekig, évekig vagy akár évmilliárdokig stabilak.

Nukleáris fúzió

Amikor két könnyű atommag nagyon közel kerül egymáshoz, az erős erő képes a kettőt összeolvasztani. Ahhoz, hogy az atommagok elég közel kerüljenek egymáshoz ahhoz, hogy az erős erő kifejthesse hatását, nagy energiára van szükség, ezért a magfúzió folyamata csak nagyon magas hőmérsékleten vagy nagy sűrűségnél játszódhat le. Amint az atommagok elég közel kerülnek egymáshoz, az erős erő legyőzi elektromágneses taszításukat, és új atommaggá préseli őket. A könnyű atommagok összeolvadásakor igen nagy mennyiségű energia szabadul fel, mivel a nukleononkénti kötési energia a tömegszámmal együtt nő, egészen a nikkel-62-ig. A Napunkhoz hasonló csillagok négy proton héliummaggá, két pozitron és két neutrínó fúziója révén kapnak energiát. A hidrogén héliummá történő ellenőrizetlen fúzióját termonukleáris elszabadulásnak nevezik. A szabályozott fúziós reakcióból származó energia felhasználásának gazdaságilag életképes módszerét jelenleg különböző kutatóintézetek kutatják (lásd JET és ITER).

Atommaghasadás

A nikkel-62-nél nehezebb atommagok esetében a nukleononkénti kötési energia a tömegszámmal együtt csökken. Ezért lehetséges, hogy energia szabadul fel, ha egy nehéz atommag két könnyebbre esik szét. Ezt az atomhasadást nevezzük maghasadásnak.

Az alfa-bomlás folyamatát a spontán maghasadás egy speciális típusának tekinthetjük. Ez a folyamat rendkívül aszimmetrikus hasadást eredményez, mivel az alfa-részecskét alkotó négy részecske különösen szorosan kötődik egymáshoz, így ennek az atommagnak a keletkezése a hasadás során különösen valószínű.

Bizonyos legnehezebb atommagok esetében, amelyek a hasadáskor neutronokat termelnek, és amelyek a hasadás megindításához könnyen elnyelik a neutronokat, a neutronok által indított hasadás öngyulladó típusa érhető el, úgynevezett láncreakcióban. [A láncreakciókat már a fizika előtt ismerték a kémiában, és valójában sok ismert folyamat, mint például a tűz és a kémiai robbanás, kémiai láncreakció.]. A maghasadás vagy "nukleáris" láncreakció, amely a maghasadással keletkező neutronokat használja, az atomerőművek és a maghasadásos típusú atombombák energiaforrása, mint például az a kettő, amelyet az Egyesült Államok Hirosima és Nagaszaki ellen használt a második világháború végén. Az olyan nehéz atommagok, mint az urán és a tórium, spontán hasadáson is áteshetnek, de sokkal valószínűbb, hogy alfa-bomlással bomlanak.

Ahhoz, hogy neutronok által indított láncreakció jöjjön létre, az elemnek egy bizonyos térben, bizonyos feltételek mellett kritikus tömegűnek kell lennie (ezek a feltételek lassítják és megőrzik a neutronokat a reakciókhoz). Egy természetes maghasadási reaktorra van ismert példa, amely több mint 1,5 milliárd évvel ezelőtt az afrikai Gabonban, Oklo két régiójában volt aktív. A természetes neutrínó-kibocsátás mérései kimutatták, hogy a Föld magjából származó hőnek körülbelül a fele radioaktív bomlásból származik. Nem ismert azonban, hogy ez a mennyiség származik-e a hasadási láncreakciókból.

Nehéz elemek előállítása

Ahogy az ősrobbanás után az Univerzum lehűlt, végül lehetővé vált, hogy az általunk ismert részecskék létezzenek. Az ősrobbanás során létrejött leggyakoribb részecskék, amelyek ma is könnyen megfigyelhetők, a protonok (hidrogén) és az elektronok (egyenlő számban) voltak. Néhány nehezebb elem a protonok egymásnak ütközésekor jött létre, de a ma látható nehéz elemek többsége a csillagok belsejében keletkezett egy sor fúziós fázis során, mint például a proton-proton lánc, a CNO-ciklus és a hármas-alfa folyamat. A csillagok fejlődése során fokozatosan egyre nehezebb elemek keletkeznek.

Mivel a nukleononkénti kötési energia a vas körül éri el a csúcspontját, csak az e pont alatt lejátszódó fúziós folyamatokban szabadul fel energia. Mivel a nehezebb atommagok fúzióval történő létrehozása energiába kerül, a természet a neutronbefogás folyamatához folyamodik. A neutronokat (töltésük hiánya miatt) könnyen elnyeli egy atommag. A nehéz elemek vagy a lassú neutronbefogási folyamat (az úgynevezett s folyamat), vagy a gyors, vagy r folyamat révén jönnek létre. Az s folyamat a termikusan pulzáló csillagokban (az úgynevezett AGB, azaz aszimptotikus óriás ágú csillagokban) zajlik, és több száz vagy ezer évbe telik, amíg a legnehezebb elemek, az ólom és a bizmut keletkeznek. Az r-folyamatot a szupernóva-robbanásokban feltételezik, mivel ott a magas hőmérséklet, a nagy neutronáram és a kilökött anyag feltételei adottak. Ezek a csillagászati körülmények az egymást követő neutronbefogásokat nagyon gyorsakká teszik, és nagyon neutronban gazdag fajokat vonnak be, amelyek aztán béta-bomlanak nehezebb elemekké, különösen az úgynevezett várakozási pontokon, amelyek a zárt neutronhéjjal rendelkező stabilabb nuklidoknak (mágikus számok) felelnek meg. A r folyamat időtartama jellemzően néhány másodperc.