Anyagszerkezeti vizsgálatok 2017/2018. 1. félév Az atom felépítése Alapfogalmak Csordás Anita E-mail: csordasani@almos.uni-pannon.hu Tel:+36-88/624-924 Pannon Egyetem Radiokémiai és Radioökológiai Intézet
Alapadatok Anyagszerkezeti vizsgálatok 4 alkalom (2 óra/alkalom) Diasor kiadása Laborgyakorlatok
Mi a sugárzás? A sugárzás az energia kibocsátás és átadás egy módja, hullám vagy részecske formájában.
Mi a sugárzás?
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
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
Thomson-féle atommodell (1906) mazsolás puding modell Pozitív töltésű atom Benne szétszórva negatív elektronok Minimális helyzeti energiára törekednek
Rutherford szórási kísérlete Alfa-részecskékkel bombázott aranylemez Mazsolás puding: alfa-részecskék eltérülés nélkül lassulnak Valóságban: néhány részecske jelentősen eltérült
Rutherford atommodellje (1911) Naprendszer-modell Létezik az atommag (pozitív töltés) Körülötte negatív töltésű elektronok Körpályán keringenek Kifelé semleges Probléma: folyamatosan gyorsuló elektronok folyamatos sugárzás energiaveszteség elektronok bezuhannának a magba a modell nem magyarázza az állandóságot
Bohr- féle atommodell (1915) Rutherford modell továbbfejlesztése Elektronok körpályán Adott energiaszinteken keringenek nincs energia kisugárzás Szintek közti átmenet elektromágneses sugárzás
Atomok hullámmodellje Bohr-modell: nem vette figyelembe az elektron hullámtermészetét Elektron be van zárva állóhullám Elektronok mozgási energiája meghatározott érték Fotonok elnyelése szintek közötti energiakülönbség
Kvantumszámok Főkvantumszám: atommagtól való távolság Mellékkvantumszám: elektronpálya térbeli alakja Mágneses kvantumszám: mágneses momentum Spin kvantumszám: elektronok impulzusmomentuma Állóhullám leírása: 3 kvantumszámmal 1 állóhullámban két elektron mozog (eltérő spin kvantumszámmal)
Mit tudunk eddig? Pozitív töltésű atommagunk Összetétel nem ismert Elektronok Kötött pályákon Meghatározott energiával
Atommag szerkezete PROTON 1917. Rutherford H atommag más elemekben is Magreakciók proton kilépés mérés Proton = első (görög) NEUTRON 1932. Chadwick Neutron = semleges (görög) Nukleonok
Atommag tulajdonságai Teljes tömeg: 99.99 %-a Rendszám: protonok száma (elemi minőség) Semleges: ugyanennyi elektron (töltések kiegyenlítődése) Tömegszám: protonok és neutronok száma Elhanyagolható elektron tömeg (~1840-ed része)
Fontos elnevezések Izotóp: azonos protonszám, eltérő neutronszám Ugyanaz az elem Eltérő tömegszám Izobár: azonos tömegszám, de eltérő protonszám Izotón: azonos neutronszám, de eltérő protonszám
Az atommagot összetartó erő Atommag: protonok és neutronok sokasága mi tartja össze? Egy, a töltésektől független erő jelenléte szükséges Proton pozitív töltés Neutron - semleges
Tömegdefektus kötési energia 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]
Magerők Lényegesen kisebb hatótávolság, mint a Coulomb-erőké (10-15 m) Telítettség Egy nukleon adott számú kölcsönhatás Töltésfüggetlen Mindig vonzó!
Magok stabilitása Atommag szétszedése energia befektetésével Nem tud magától szétesni, vagyis stabil Radioaktív magok átalakulásai (részletek később)
Magok stabilitása
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
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.
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.
Néhány alapfogalom Aktivitás Időegység alatt elbomló atommagok száma Mértékegysége: 1/s = Bq Felezési idő Az az időtartam, amely alatt a bomló magok száma a felére csökken Bomlási állandó A bomlási állandó az adott radioaktív anyagra jellemző konstans, amely az anyag egyetlen bomlásra képes atommagjának 1 s-ra vonatkoztatott bomlási valószínűségét adja meg
Természetes radioaktív sugárzások Ha megváltozik az anyag rendszáma Új elem jön létre Ha megváltozik az anyag tömegszáma A kiindulási elem másik izotópja jön létre
Alfa-sugárzás Jellemzően A>210, kivétel Sm, Nd Hélium atommag nagy kötési energia Új mag és alfa részecske együttes tömege kisebb - stabilabb
Alfa-sugárzás jellemzői nagy méret, pozitív töltés 3-9 MeV, diszkrét energia gyakori kölcsönhatás - erős roncsolás kis hatótávolság levegőben 3-9 cm szilárd anyagban mm
Geiger-Nuttall grafikon
Alagúteffektus
Alfa-bomlás energiája Tömeg-energia ekvivalencia Kiindulási és termékmagok tömegkülönbsége ENERGIA Alfa-részecske kinetikus energiája Maradékmag visszalökődés (Szilárd-Chalmer effektus) impulzusmegmaradás
Béta-sugárzás Elektronsugárzás
Béta-sugárzás Pozitronsugárzás
Ha az atommagban túl sok neutron van, negatív bétabomlás fog bekövetkezni Ha az atommagban túl kevés neutron van, pozitív bétabomlás fog bekövetkezni
Neutrínó és antineutrínó Béta-bomlásnál ezenkívül egy elektromos töltés nélküli, nagyon kis tömegű részecske is kilép: neutron keletkezésekor egy neutrínó, proton keletkezésekor egy antineutrínó.
Béta sugárzás Elektronbefogás Mindig EM sugárzás kíséri! karakterisztikus röntgensugárzás fékezési röntgensugárzás gamma-sugárzás Auger-elektronok
Béta-bomlás energiaspektruma
Protonbomlás Elméleti jelentőség Ilyen bomlást még nem figyeltek meg Részecskefizikai elméletek jósolták meg
Neutronbomlás Szabad neutron bomlása A bomlási energia megoszlik a keletkező részecskék között
Spontán hasadás nagyon nehéz magok hasadásra hajlamosak, energetikailag csak 230-as tömegszám felett valósul meg a spontán hasadás valószínűsége természetes elemek esetében kicsi
Magizoméria Bomlást követően mérhető ideig fennáll a gerjesztett (metastabilis) állapot. Magizoméria: az alapállapotba jutás folyamata Izomér magok: rendszám és tömegszám megegyezik, csak energiatartalomban különböznek
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
Rendszám- és tömegváltozások Sugárzás típusa Rendszámváltozás Tömegváltozás Alfa-sugárzás -2-4 Elektronsugárzás +1 0 Pozitronsugárzás -1 0 Elektronbefogás -1 0