Az atom felépítése Alapfogalmak

Átírás

1 Anyagszerkezeti vizsgálatok 2018/ félév Az atom felépítése Alapfogalmak Csordás Anita Tel:+36-88/ Pannon Egyetem Radiokémiai és Radioökológiai Intézet

2 Alapadatok Anyagszerkezeti vizsgálatok 4 alkalom (2 óra/alkalom) Diasor kiadása (tárgyfelelős-honlap) Laborgyakorlatok

3 Mi a sugárzás? A sugárzás az energia kibocsátás és átadás egy módja, hullám vagy részecske formájában.

4 Mi a sugárzás?

5 Sugárzások típusai Ionizáló Nemionizáló Elektromágneses hullámok Gamma-sugárzás Röntgen-sugárzás Mechanikai hullámok Hang Ultrahang Alfa Béta Részecske sugárzás Elektromágneses hullámok Rádió Infravörös Látható fény Ultraibolya

6 Atomok szerkezete Atomelméletek fejlődése

7 Az első atomelmélet Démokritosz Atom = atomos (jelentése: oszthatatlan) Matematikailag oszthatatlan Örök létezők Különböző méret és alak Édes: kicsi, kerekded Savanyú: nagy, sokszögletű Keserű: kicsi, kerek

8 Dalton-féle modell (1808) Démokritoszi továbbfejlesztése Az anyagok felépítése atomokból oszthatatlan, kicsi gömb Egymástól való távolságuk halmazállapot Fellépő vonzás, elhelyezkedés egyéb tulajdonságok Atomtömegek különbözősége

9 Thomson-féle atommodell (1906) mazsolás puding modell Pozitív töltésű atom Benne szétszórva negatív elektronok Minimális helyzeti energiára törekednek

10 Rutherford szórási kísérlete Alfa-részecskékkel bombázott aranylemez Mazsolás puding: alfa-részecskék eltérülés nélkül lassulnak Valóságban: néhány részecske jelentősen eltérült

11 Rutherford atommodellje (1911) Naprendszer-modell Létezik az atommag (pozitív töltés) Körülötte negatív töltésű elektronok Körpályán keringenek Kifelé semleges Probléma: A körpályán mozgó elektronnak gyorsulása van - mint gyorsuló töltésnek (elektron)sugároznia kellene még alapállapotban is. Azaz az alapállapotú atomnak sugároznia kellene - Energia veszteség következne be - a körpálya sugara egyre jobban csökkenne - Az elektron végül spirális pályán becsapódna a magba.

12 Bohr- féle atommodell (1915) Rutherford modell továbbfejlesztése Elektronok körpályán Adott energiaszinteken keringenek nincs energia kisugárzás Szintek közti átmenet elektromágneses sugárzás

13 Atomok hullámmodellje (Heisenberg és Schrödinger) Bohr-modell: nem vette figyelembe az elektron hullámtermészetét Elektron be van zárva állóhullám Elektronok mozgási energiája meghatározott érték Fotonok elnyelése szintek közötti energiakülönbséggel megegyező energiában

14 Állóhullámok leírása: kvantumszámok Főkvantumszám Mellékkvantumszám Mágneses kvantumszám Spinkvantumszám elektronra vonatkozik

15

16 Mit tudunk eddig? Pozitív töltésű atommagunk Összetétel nem ismert Elektronok Kötött pályákon Meghatározott energiával

17 Atommag szerkezete: Proton H legkönnyebb és legkisebb elem Rutherford igazolta, hogy H atommag van jelen más magokban Egy elemi egység, amiből 1 van a H magjában

18 Atommag szerkezete: Neutron Chadwick Korábban röntgen-sugárzásnak hitték Protonnal megegyező tömegű részecske Semleges (neutral)

19 Atommag Teljes tömeg: %-a Protonok és neutronok kvarkokból (magkémia) Rendszám: protonok száma (elemi minőség) Semleges: ugyanennyi elektron (töltések kiegyenlítődése) Tömegszám: protonok és neutronok száma Elhanyagolható elektron tömeg (~1840-ed része)

20 Fontos elnevezések Izotóp: azonos protonszám, eltérő neutronszám Ugyanaz az elem Eltérő tömegszám Izobár: azonos tömegszám, de eltérő protonszám Izotón: azonos neutronszám, de eltérő protonszám

21 Az atommagot összetartó erő Atommag: protonok és neutronok sokasága mi tartja össze? Egy, a töltésektől független erő jelenléte szükséges Proton pozitív töltés Neutron - semleges

22 Kölcsönhatások Erős Gyenge Elektromágneses Gravitációs Erőssége legerősebb elektromos töltések között hat Hatótávolsága atomi szinten hat leptonokra, kvarkokra hat Közvetítő részecske Hatása Alapvető kölcsönhatások Elemi részecskék között fellépő kölcsönhatások Kvarkok neutron, proton alkotói Leptonok - elektronok végtelen leggyengébb végtelen gluon bozon foton graviton atommag stabilitása béta-bomlás fémek, molekulák szerkezete galaxisok, bolygók kialakulása, kapcsolata

23

24 Nukleonok közötti vonzóerő : magerő Erős kölcsönhatások következménye Lényegesen kisebb hatótávolság, mint a Coulomb-erőké (10-15 m) Telítettség Egy nukleon adott számú kölcsönhatás Töltésfüggetlen Mindig vonzó!

25 Atommag stabilitása Atommag tömege kisebb, mint az őt alkotó nukleonok tömege A hiányzó tömeg arányos a kötési energiával Einstein-féle tömeg-energia ekvivalencia Kötési energia: megadja egy nukleonnak az atommagból való eltávolításához szükséges energiát [MeV]

26 Atommag stabilitása

27 Magmodellek Folyadékcsepp modell Folyadék összenyomhatatlansága Sok tulajdonságot magyaráz Néhányat nem Atomhéj modell Meghatározott energianívók Elektronhéjhoz hasonló szerkezet Kollektív modell Az egyes energiaszinteken lévő nukleonok együttes mozgásra képesek

28 A ma ismert 112 elemnek több, mint 2500 izotópja létezik. Ezek közül 249 stabil, az összes többi magától elbomlik, azaz radioaktív. A kis rendszámú (kb. a 20-as rendszámú Ca-ig) stabil atommagokban a protonok és neutronok száma megegyezik, a nagyobb rendszámú magokban viszont a neutronok vannak többségben.

29 Izotópeffektus Azok a fizikai és kémiai jellegű eltérések, melyek egy elem különböző izotópjai, illetve azok vegyületei között mutatkoznak. Magtömeg (vagy ritkábban magspinek) különbözőségén alapul

30 Eltérések Fizikai: sűrűség, viszkozitás, törésmutató, stb. He: 3 K alá hűtve szuperfluid állapot, kivéve a He-3 Szupravezetők hőmérsékleti tartományok elmozdulása Fázisegyensúlyi: eltérő megoszlások fázisok között Oldékonyság különbség a víz és nehézvíz esetében egyes szervetlen sók esetében Spektroszkópiai: atomi színképekben változás Izotópok felfedezése Reakciókinetikai: reakciósebességek víz elektrolízise gyorsabb, mint a nehézvízé Reakciómechanizmusok vizsgálata Kémiai egyensúlyi: azonos kémiai reakció eltérő egyensúlyi állandó Biokémiai folyamatok Víz-nehézvíz eltérő élettani hatás (deutérium sejtosztódás gátlása)

31 Radioaktivitás felfedezése Henry Becquerel ( ) Marie Curie ( ) Pierre Curie ( ) radioaktivitás felfedezése - urán fizikai Nobel-díj (Curie házaspár) Aktivitás SI mértékegysége Po és Ra felfedezése Becquerelel együtt fizikai Nobel-díj Marie Curie - kémiai Nobel-díj (Po, Ra felfedezése és az ezzel kapcsolatos kutatások) Ionizáló sugárzás káros hatásai okozták a halálát

32 Radioaktivitás Az elemek adott izotópjainak azon tulajdonsága, hogy spontán módon külső hatás nélkül egy vagy több tulajdonságuk az idő függvényében változik és energiát sugároznak ki. A radioaktív bomlás teljesen véletlen jelenség, egy adott atommagról nem lehet megállapítani, hogy mikor fog elbomlani, viszont az elbomlásának időbeni valószínűsége állandó. Aktivitás (A) Időegység alatt elbomló atommagok száma A = dn = λ N dt (N - aktív magok száma a t időpontban, λ bomlási állandó) Mértékegysége: 1/s = Bq (Régebben Curie)

33 Egyszerű bomlás kinetikája A = dn dt = λ N dn = λ N dt Bomlási állandó [m.e.: 1/sec]: A magok egységnyi idő alatt bekövetkező elbomlásának valószínűsége Értékét külső behatás (pl.: T, p,stb.) nem befolyásolja Független az eltelt időtől A t időpontban meglévő magok száma: N = N 0 e λ t És ebből az aktivitás: A = A 0 e λ t N 0 /A 0 magok száma/aktivitás a t=0 időpontban

34 Az aktivitás változása az időben λ helyett sokszor a felezési idő (az az időtartam, amíg a bomlásra képes magok száma a felére csökken) T 1/2 = ln(2) λ

35 Radioaktív bomlás kinetikája Összetett radioaktív bomlás: ahol A: anyaelem B 1 és B 2 : leányelemek 1, 2 : a bomlássebességi állandó Pl. 212 Pb 212 Po és 212 Tl; 64 Cu 64 Zn és 64 Ni, valamint 40 K 40 Ca és 40 Ar ahol N 0 : radionuklidok száma t=0 időpontban N: radionuklidok száma t időpontban 1, 2 : a bomlássebességi állandó Bármely időpillanatra elmondható, hogy a két leányelem mennyiségének összege megegyezik az elbomlott magok számával: B 1 + B 2 = N 0 - N

36 Radioaktív egyensúlyok 1. Kurrens vagy tranziens egyensúly 2. Szekuláris egyensúly 3. Anyaelem bomlása gyorsabb 4. Bomlási sebességük közel azonos

37 Tranziens egyensúly λ1<λ2 Az anyaelem lassabban bomlik, mint a lányelem Mo-99 -> Tc-99m

38 Szekuláris egyensúly Λ1 << λ2 Az anyaelem sokkal lassabban bomlik, mint a lányelem Ra-226 -> Rn-222

39 További esetek Λ1 > λ2 Az anyaelem gyorsabban bomlik, mint a lányelem 1 2 (anyaelem és leányelem bomlási sebessége megközelítőleg azonos) Az eddig felírt függvények nem értelmezhetők, mivel nevezőben nulla nem szerepelhet, ilyenkor határértéket vizsgálunk

40 Radioaktív bomlás típusai alfa-sugárzás béta-bomlások elektronbefogás gamma-sugárzás magizoméria spontán maghasadás

41 Alfa-sugárzás Jellemzően A>210, kivétel Sm, Nd Hélium atommag nagy kötési energia Új mag és alfa részecske együttes tömege kisebb - stabilabb

42 Alfa-részecske jellemzői nagy méret, pozitív töltés 3-9 MeV, diszkrét energia gyakori kölcsönhatás - erős roncsolás kis hatótávolság levegőben 3-9 cm szilárd anyagban mm

43 Geiger-Nuttall grafikon

44 Alagúteffektus

45 Alfa-bomlás energiája Tömeg-energia ekvivalencia Kiindulási és termékmagok tömegkülönbsége ENERGIA Alfa-részecske kinetikus energiája Maradékmag visszalökődés (Szilárd-Chalmer effektus) impulzusmegmaradás

46 Béta-sugárzás Elektronsugárzás

47 Béta-sugárzás Pozitronsugárzás

48 Ha az atommagban túl sok neutron van, negatív bétabomlás fog bekövetkezni Ha az atommagban túl kevés neutron van, pozitív bétabomlás fog bekövetkezni

49 Neutrínó és antineutrínó Béta-bomlásnál ezenkívül egy elektromos töltés nélküli, nagyon kis tömegű részecske is kilép: neutron keletkezésekor egy neutrínó, proton keletkezésekor egy antineutrínó.

50 Béta sugárzás Elektronbefogás Mindig EM sugárzás kíséri! karakterisztikus röntgensugárzás fékezési röntgensugárzás gamma-sugárzás Auger-elektronok

51 Béta-bomlás energiaspektruma

52 Gamma-sugárzás Általában a radioaktív bomlást, magátalakulást kísérő jelenség Atommagban különböző energiaszintek (elektronhéjhoz hasonlóan) Bomlást követően gerjesztett állapot Energiaminimumra való törekvés felesleges energia kibocsátása elektromágneses sugárzás formájában Sugárzás energiája nívók közti különbség

53 Magizoméria Bomlást követően mérhető ideig fennáll a gerjesztett (metastabilis) állapot. Magizoméria: az alapállapotba jutás folyamata Izomér magok: rendszám és tömegszám megegyezik, csak energiatartalomban különböznek

54 Rendszám- és tömegváltozások Sugárzás típusa Rendszámváltozás Tömegváltozás Alfa-sugárzás -2-4 Elektronsugárzás +1 0 Pozitronsugárzás -1 0 Elektronbefogás -1 0

55 Spontán hasadás nagyon nehéz magok hasadásra hajlamosak, energetikailag csak 230-as tömegszám felett valósul meg a spontán hasadás valószínűsége természetes elemek esetében kicsi

56 Hasznos oldalak

57