MGFIZIK z atomhéj (atommag körüli elektronok) fizikáját a kvantumfizika írja le teljes körűen. Z TOMMG SZERKEZETE, RDIOKTIVITÁS PTE ÁOK Biofizikai Intézet Futó Kinga magfizika azonban még nem lezárt tudomány, mert csupán a jelenségekkel foglalkozik, míg átfogó elméletet nem ad. RUTHERFORD-KÍSÉRLET RUTHERFORD-TOMMODELL pozitív -részek az atom pozitív töltésének taszítása következtében eltérülnek. Thomson-atommodell kicsiny eltérülést jósolt. kísérletben azonban nagy szögek alatt szóródó, sőt visszalökődő (180 alatt szóródó) -részeket is megfigyeltek. tommag felfedezése Elektronok körülötte keringenek. Neutron nincs! modell hiányossága: elvileg instabil. -részecskék R 0 = 1.4 10-15 m 1
BOHR-MODELL z elektronok körpályán keringenek a pozitív mag körül. Kvantált mennyiségek: energia, perdület, sugár Negatív töltésű elektron(ok) elektronfelhőben; az elektronok csak egy meghatározott térrészben lehetnek FRNK-HERTZ KÍSÉRLET Frank-Hertz kísérlet a Bohr-modell bizonyítéka. Frank és Hertz elektronoknak higanyatomokkal történő ütközését vizsgálták. (maximum ~10-10 m távolságra) Pozitívan töltött atommag protonról, neutronról szó sincs! mag tovább nem bontható! NUCLEUS = TOMMG z atommag szerkezete Összeállnak, nem esnek szét! proton neutron nukleon kémiai elemet a protonszám határozza meg. R R 1, fm fm 10 m z összes nukleon egy 100.000 szer kisebb térfogatba van bepakolva, mint az atom térfogat. R 0 0 1 15
PROTON o protont 1918-ban Ernest Rutherford fedezte fel. nitrogén gáz vizsgálatakor észrevette, hogy amikor alfa-részecske csapódott a gázba, akkor a szcintillátor hidrogént jelzett. o Kimutatta, hogy az csak a nitrogénből jöhet, tehát a nitrogénnek tartalmaznia kell a hidrogén atommagot, az egyes tömegszámú atomot. o protont a görög első (protos) szóról nevezte el. (19-ig nem volt ismert a neutron, és az atommag szerkezete sem. protont még sokáig elemi részecskének tartották.) NEUTRON 190 Walther Bothe és H. Becker: nagy energiájú alfa-részecskékkel bizonyos könnyű elemeket (berillium, bór, lítium) bombáznak rendkívüli áthatolóképességű sugárzás keletkezik. (röntgen-sugárzásnak gondolták, nagyobb áthatolóképessége, és az eredményeket nehéz értelmezni) 19 Irène Joliot-Curie és Frédéric Joliot publikálták. Ha a kijövő sugárzást paraffinra, vagy más hidrogéntartalmú anyagra bocsátották, akkor abból nagy energiájú protonok lökődtek ki. Ezt még nehezebb volt röntgen-sugárzással magyarázni. neutront végül James Chadwick fedezte fel, aki ezért Nobel-díjat kapott. zt feltételezte, hogy egy protonnal nagyjából egyező tömegű semleges részecske lökődik ki. lfa-részecskével (hélium-atommag) bombázott berilliumot, miközben neutron megjelenését tapasztalta. részecskét semleges volta miatt nevezték el neutronnak. (neutral=semleges) Elektron: m e = 9,10989 10-1 kg (Stoney- 1874/Thomson-1897) e e = -1,60177 10-19 C Proton: m p = 1,676 10-7 kg (Rutherford - 1919) e p = 1,60177 10-19 C Neutron: m n = 1,67498 10-7 kg (Chadwick - 19) e n = 0 m p /m e = 186 m n /m p = 1,0018 Z TOMMG Z: rendszám Z E : tömegszám Nukleonok száma Protonok száma
Nukleononkénti kötési energia (MeV) Z TOMMGOK CSOPORTOSÍTÁS MGERŐ - ERŐS KÖLCSÖNHTÁS NUKLEON KÖTÉSI ENERGIÁJ Felépítésük szerint: izotóp: azonos protonszám, eltérő neutronszám ( pl.: 1 1H és 1H) nuklid: azonos összetételű atommagok (egyféle izotóp) Z X z elektromos taszítást kompenzálja. nagy intenzitású (erős) rövid hatótávolságú (10-15 m) elektromos töltéstől független mindig (!) vonzó erőhatás a neutronokra is hat, sőt! p-p, p-n, n-n között egyenlő nagyságú erő alakul ki KÖTÉSI ENERGI TÖMEGDEFEKTUS EGY NUKLEON KÖTÉSI ENERGIÁJ RENDSZÁM FÜGGVÉNYÉBEN z atommagok tömege kisebb, mint az összetevő protonok és neutronok tömegeinek összege. z összetett magból látszólag hiányzó tömeg a mag kötési energiájával arányos. Energia szabadul fel, ha a mag szabad nukleonokból épül fel. m ( Z m N m ) m pr n mag legstabilabb nuklidok E m c Einstein-féle tömeg-energia ekvivalencia Rendszám (atomi tömegegység) 4
Nukleononkénti kötési energia (MeV) FOLYDÉKCSEPP MODELL (LDM) FOLYDÉKCSEPP MODELL nukleonok kötési energiája azonos. (E K neutron = E K proton!) mag teljes kötési energiája arányos a nukleonok számával (). z atommag térfogata arányos a nukleonszámmal. z atommag sűrűsége minden atommagra mindig ugyanakkora. méretfüggetlen sűrűség összenyomhatatlan, z atommag gömb alakú. nukleon csak a szomszédos részecskékkel hat kölcsön. E K E Z 1 Z K Etérfogati E felületi ECoulomb EPauli Eanti Hund! z α, β, γ, δ, és η paraméterek kísérletesen határozhatók meg félempirikus formula! ENERGITGOK MGYRÁZT nukleonok feles spinű részecskék. Kvantummechanika alapján: zonos kvantumszámú állapotok nem lehetségesek (Pauli elv): Pauli-energia zonos típusú, de ellentétes spinű nukleonok arra törekednek, hogy egy energiaszintre kerüljenek (anti-hund szabály): anti-hund energia MIRE NEM HSZNÁLHTÓ FOLYDÉKCSEPP MODELL? Mágikus számú atomok: N vagy Z =, 8, 0, 8, 50, 8 z elektronhéjaknál is vannak hasonló mágikus számok: nemesgázok stabilabb elektronszerkezetűek! Rendszám (atomi tömegegység) 5
TOMHÉJ MODELL (GÖMBSZIMMETRIKUS) z atom mikroszkópikus tulajdonságain alapul. kvantummechanika képes az elektronok elektronpályákon való viselkedését leírni. Elektronhéj atomhéj analógia! kvantált paraméterek: energia, perdület, mágneses momentum, spin kvantumszámok: atomhéjakat jellemzi (a spin csak ½ lehet, Pauli-elv érvényes) zárt atomhéjakkal rendelkező atomok stabilabbak! z elektronokkal ellentétben a nukleonok nem keringenek! 6