Az atommag szerkezete

Átírás

1 z aommag szerkezee Biofizika előadások szepember Elekron mikroszkóp Orbán József Elekron - J. J. Thomson (897) Proon - E. Goldsein (9) ommag - E. Ruherford (9) Neuron - James Cheidwick (9) Kvarkok - Leon Lederman (977) Lehe-e plainából aranya csinálni? z aommag megismerésének hajnala, az alkímia bukása egyben... Melyek a legsabilabb elekron- szerkezeű kémiai elemek? Miér? Nemesgázok, elíe elekronhéjúak Melyik a legsabilabb aommagú kémiai elem? Vas ( 5 Fe), elíe nukleonhéjak kémiai elemek örénee (angol): hp://homepage.mac.com/drapp/elemens/alchemical.hml Periódusos rendszer: hp:// Filozófusok / udósok Törénelem risoeles Dalon J.J.Thomson Bohr Schrödinger Pauli ommodellek az aommag szemponjából Curie házaspár Teller Fermi Einsein és Szilárd Yukawa Frank-Herz kísérle, fooelekromos jelenség, Compon szórás, eeman-effekus, Sern-Gerlach kísérle hp:// ne/omictimeline.hm hp://library.hinkques.org/79/exs/imeline/imeline.hml 5

2 Démokriosz Tapaszalai aommodellek: z aom szó eredee: aomos (), görög szó, jelenése oszhaalan. Minden anyag aomokból áll, melyek az anyag alkoóegységei és láhaalanul parányok. Ezek az aomok ovább nem oszhaók! ommag nincs! Thomson aom modellje (9) z elekron felfedezése. mazsolás puding modell. ommag nincs, a poziív ölés egyenleesen oszlik el az anyagban. elekron 7 Ruherford modell (9) mérési elrendezés -részecskék z aommag felfedezése. poziívan ölö magok körül alálhaók az elekronok. Neuron nincs! Bohr modell (hidrogén aom; 9) Bohr-Sommerfeld modell; 95 z elekronok körpályán keringenek a poziív mag körül. Kvanál mennyiségek: energia, perdüle, sugár R = -5. m 8 Miből áll az aom? Bohr-Sommerfeld modellnek (95) megfelelően: Negaív ölésű elekron(ok) elekronfelhőben; az elekronok csak egy meghaározo érrészben lehenek (maximum ~ - m ávolságra) Poziívan ölö aommag proonról, neuronról szó sincs! mag ovább nem bonhaó! ommag szerkezeének megismerése. z aommag valóban oszhaalan?. Van más részecske az aommagban?. Ha igen, akkor mi a feladaa?.??ez a legkisebb elemei részecske?? 9 neuron felfedezése Ruherford magáalakíási kísérlee (97.) α-sugaraka bocsáo á nirogénnel ölö gázedényen: 7 7 N He 8 O H ommagok közöi reakció jászódo le, ehá elemáalakulás nem csak radioakív bomlás során kövekezhe be. Miér nem 8 9 jelenik meg? Bohe és Becker kísérlee (9.) Berilliumo bombázak α-részecskékkel, nagy áhaolóképességű sugárzás észlelek, amely elekromos és mágneses érben nem érül el. F Mi ez a részecske? Ernes Ruherford Walher Bohe (Nobel-díj,95) Chadwick érelmezése (9) Be és az α-részecske üközésekor a proonnal megegyező ömegű, elekromos ölés nélküli részecske lépe ki. 9 BeHe Cn z új részecské neuronnak neveze el. neuros: görög, semleges Heisenberg és Tamm (9) Kidolgozzák az aommag neuron IS aralmazó magmodelljé. Új érelme nyer a rendszám! C ömegszám () N = -; proonszám () neuronszám vagy rendszám (ölés) Mire jó ez a részecske? James Chadwick (fizikai Nobel-díj, 95.)

3 legegyszerűbből kiindulva: Hidrogén aom aomervezés p Mére? proon, semmi más! H R H aom - m; R H aommag -5 m Bonyolulabb aom: He (rendszám = ) z azonosan ölö részecskék aszíják egymás a Coulomb erő mia. Kell legyen egy ragaszó haás! Erősebb, min az elekromos aszíás! valós He aom: rendszám =, ömegszám = p és n He neuronok jelenlée elekromos szemponból még mindig nem magyarázza az aommag sabiliásá! Mégis kimuahaó az aommag sabilizációja. Ez az jeleni, hogy a neuronok (is) olyan erő lérejöében vesznek rész, ahol nem az elekromos ölés számí! Mi ez az erő? Tömegdefekus köési energia Magerő -Erős kölcsönhaás nukleon köési energiája z aommagok ömege kisebb, min az összeevő proonok és neuronok ömegeinek összege. z összee magból lászólag hiányzó ömeg a mag köési energiájával arányos. Energia szabadul fel, ha a mag szabad nukleonokból épül fel. m ( m N m ) m E m c pr n mag Einsein-féle ömeg-energia ekvivalencia z elekromos aszíás kompenzálja. nagy inenziású (erős) rövid haóávolságú ( -5 m) mindig (!) vonzó erőhaás elekromos ölésől függelen a neuronokra is ha, ső! p-p, p-n, n-n közö egyenlő nagyságú erő alakul ki (nukleon) köési energia: megadja egy nukleonnak az aommagból való elávolíásához szükséges energiá (MeV). 5 Kölcsönhaások és ulajdonságaik erős kölcsönhaás elekromágneses m ölés Mire ha? színölés (r,g,b) elekromos ölés Relaív erősség haó áv (m) proon, neuron 8-5 elekromosan ölö részecskékre 5 graviáció ömeg mindenre (anyag) M a g m o d e l l e k 7 8

4 Nukleonszám növekedés haásai Növekszik: nukleonszám ömeg (-szám: ) aom sugár aom érfoga aom felszíne r ~ ; N V ~ r ~ felüle ~ r ~. Folyadékcsepp modell Liquid drop model (LDM) Összenyomhaalan, folyékony aommag Bohr: az aommag sok ulajdonsága, különösen a nehéz aommagoknál, egy folyadékcsepp ulajdonságaira emlékeze.. magban minden nukleon nagyjából azonos energiával köö. (E neuron =E B proon B!). mag eljes köési energiája arányos a nukleonok számával ().. z aommag érfogaa arányos a nukleonszámmal. Hofsaeder folyadékcseppeknél apaszal jelenségekkel azonos haások! E B Nem lineáris! 9. Ebből kövekezik, hogy az aommag sűrűsége minden aommagra mindig ugyanakkora. Folyadékcsepp modell (LDM) 5. mérefüggelen sűrűség összenyomhaalan,. gömb alak, 7. a nukleon csak a szomszédos részecskékkel ha kölcsön. Makroszkópikus ulajdonságokon alapul (kísérleek). Megmagyarázza: köési energiá, ömege, aommag sabiliásá. E K Modell (95): Carl von Weizsäcker készíee Hans Behe számíásai alapján. E K Eérfogai E felülei ECoulomb EPauli EaniHund! köési energia a folyadékcsepp-modell szerin öbbféle energiából áll össze. Klasszikus fizika alapján magyarázhaó energiaagok: magban lévő nukleonok a szomszéd nukleonok erőerében mozognak: érfogai energia felüleen lévőknek kevesebb a szomszédja felülei energia Proonok elekromos ölése elekroszaikus energia ag Coulomb-energia ez meg mi jelen??? hp://en.wikipedia.org/wiki/liquid_drop_model hp://en.wikipedia.org/wiki/behe-weizs%c%cker_formula Egy nukleon köési energiája a rendszám függvényében öbbi ago a kvanummechanika adja: Pauli-energia (fermionok, Pauli-elv) Pauli elv: p és n feles spinű részecskék, min az e -. zonos kvanumszámú E p E n állapook nem leheségesek. ani-hund energia ni-hund szabály: zonos ípusú, de ellenées spinű nukleonok szerenek egy energiaszinre kerülni. z paraméerek kísérleesen haározhaók meg félempirikus formula! onkéni köési energia (MeV) Nukleono Maximum: 55- közö! felülei és érfogai energiák aránya válozik! (r /r = /r) C Coulomb erő ő haása növekszik! Rendszám (aomi ömegegység) modell: - jósol! z illeszés majdnem ökélees! De...!

5 onkéni köési energia (MeV) Nukleono Miér nem ökélees az LDM? Finomszerkeze elér a könnyű és a mágikus számú aomoknál: N vagy =, 8,, 8, 5, 8, Ezeknél a köésenergia az LDM álal jósolnál nagyobb! z elekronfelhőnél is vannak hasonló mágikus számok: nemesgázok sabilabb elekronszerkezeűek!. omhéj modell (gömbszimmerikus) omic shell model (SM) z aomhéj modell az aommag mikroszkópikus ulajdonságain (energia szinek) alapul. z aommag bizonyos ulajdonságai periodiciás muanak. kvanummechanika (QM) képes az elekronok elekronpályákon való viselkedésé leírni Képes-e a QM a nukleonok viselkedésé leírni? Rendszám (aomi ömegegység) Ok: Ezek az aomok lezár (elíe) nukleonhéjaka aralmaznak. Ez a jelenség nincs benne az LDM-ben! kkor mos mi eheünk? Van-e jobb modell? 5 Elekronhéj aomhéj analógia! omhéj modell (SM) Barle, Elsasser, 9: függelen részecske modell Jensen és Göpper-Mayer, 99: héjmodell z összes nukleon közös erőere hoz lére, melyben a nukleonok egymásól függelenül mozoghanak. nukleonra felír Schrödinger egyenle megoldása kvanál paraméerekkel: energia, perdüle, mágneses momenum, spin kvanumszámok: aomhéjaka jellemzi (a spin csak ½ lehe, Pauli-elv érvényes) zár aomhéjakkal rendelkező aomok sabilabbak! 7 SM H hidrogén H deuérium H ricium He hélium E p E n ev legalacsonyabb energiaszin 8O oxigén Ez De: az számos elméle kísérlees megmagyarázza eredmény az nem első igazol! három (,8,) mágikus Természeesen számo! léeznek komolyabb és modernebb aommag modellek 8 Radioakiviás Sugárzások Sugárzások kölcsönhaása az anyaggal Radioakiviás Milyen deekorokkal lehe az egyes radioakív részecskéke deekálni? ködkamra Geiger Müller számláló Szcinillációs deekor Miér van szükség ennyiféle deekorra? Elérő az anyaggal való kölcsönhaásuk méréke. 5

6 Egy nukleon köési energiája a rendszám függvényében z aommag insabiliása radioakiviás alapja sabiliása ommag s köési energia ev) Nukleononkéni (Me 5 Fe Rendszám (aomi ömegegység) Álalános örvényszerűségek - -bomlás N= maghasadás Neuron - proon arány növekszik ~,5! Sabiliás elérésének módjai Maghasadás magfúzió neu uronok fúzió -bomlás proonok z aommagok a legsabilabb szerkezere örekednek! 5 Fe Vas-völgy omreakor, aombomba csillagok hp://oureach.anf.csiro.au/educaion/senior/cosmicengine/sun_nuclear.hml hp:// -bomlás» -sugárzás -bomlás» -sugárzás X X X X He : ömegszám (aomszám) : proonok száma 88 Ra 8Rn Kilépési sebességük elérhei a 5 m/s-o (,5 c) Vonalas spekrum (karakeriszikus) Negaív -bomlás Kísérle: Curie 9 Elméle: Enrico Fermi, 9 n p X e X e ν ν e e 7 55 Cs 7 5 Ba e ν e 8 9 U, 95m, 88Ra, 8Rn, 8 Po Kilépési sebességük elérhei a 8 m/s-o (, c) Folyonos spekrum (anineurino)

7 -bomlás» -sugárzás -sugárzás Kísérőjelenség! Poziív -bomlás p n X - izoópok e X e ν e e Na 7 H, C, 55Cs, 5I, Ne e 9 K ν e Elekromágneses sugárzás (-foon) f> 9 Hz, illeve E> kev a gerjesze aommagok alacsonyabb energiaállapoba örénő ámeneekor kelekezik Fénysebességgel erjednek Vonalas spekrum (karakeriszikus) Ba Ba 7m m: measabil állapo izoópok C Na, 7 Na, 9K, 55Cs, I 5 Sugárzások - összehasonlíás Összehasonlíás külső haás nélkül kelekezik fizikai és kémiai válozások nem befolyásolják ionizáló haása van (fizika) kémiai, biológiai haása van Fizikai jellemzők: kiviás Élearam Spekrum Áhaolóképesség és LET (lineáris energia ranszfer) - Álagos élearam 8 Rn, 88Ra, 8Po, 5 I, H, C, K 8 9 U s; nap; 8 nap;,5 9 év 9 8 nap; év; 558 év;, 9 év; 7, - s C, Na m; 5 h 7 Na, 9K, 55Cs, 5I, év;, 9 év; év; 8 nap Összehasonlíás Összehasonlíás Spekrum LET (ionizáció/mm) Áhaolóképesség, haóávolság Vonalas (karakeriszikus) magas 8- Kicsi Levegő: cm Plexi: mm Folyonos (neurino mia) közepes -8 Közepes Levegő: m Plexi: cm Ólom: mm Vonalas (karakeriszikus) alacsony,- Nagy Ólom: cm 7

8 kiviás () radioakív bomlás vélelenszerűen bekövekező esemény! z másodperc ala bekövekező magáalakulások száma. magáalakulás = bomlás Mérékegysége: Becquerel Bq = bomlás/másodperc. Figyelem! radioakív bomlás nem jeleni az aomok elűnésé! Sabil izoóp Radioakív izoóp Leánymag Régebben használ mérékegysége a Curie. ( Ci =,7 Bq) N () : kezdei bomlalan aommagok száma N () :a időpillanaban jelenlévő bomlalan aommagok száma Bomlási állandó (): Jellemzi a bomlási sebessége. Megadja aommag áalakulási valószínűségé. N () Álagos élearam (): bomlási állandó reciproka. Bomlásörvény Bomlalan magok száma N () N () / N () /e T / N N ( ) N () ( ) N () e T idő Felezési idő álagos élearam N ( ) N () N ( ) N() e T T e ln T,T 8