Az atommag szerkezete

Hasonló dokumentumok
Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

ATOMFIZIKA, RADIOAKTIVITÁS

Az atomhéj (atommag körüli elektronok) fizikáját a kvantumfizika írja le teljes körűen.

8. AZ ATOMMAG FIZIKÁJA

Az atom felépítése Alapfogalmak


Radiokémia vegyész MSc radiokémia szakirány Kónya József, M. Nagy Noémi: Izotópia I és II. Debreceni Egyetemi Kiadó, 2007, 2008.

+ + Az atomhéj (atommag körüli elektronok) fizikáját a kvantumfizika írja le teljes körűen.

Atomfizika. Radioaktív sugárzások kölcsönhatásai Biofizika, Nyitrai Miklós

Mag- és neutronfizika

FIZIKA. Sugárzunk az elégedettségtől! (Atomfizika) Dr. Seres István

Az atom szerkezete. Az eltérülés ritka de nagymértékű. Thomson puding atom-modellje nem lehet helyes.

Az atom felépítése Alapfogalmak

Magfizika tesztek. 1. Melyik részecske nem tartozik a nukleonok közé? a) elektron b) proton c) neutron d) egyik sem

Az ionizáló sugárzások fajtái, forrásai

Az atommag összetétele, radioaktivitás

Magsugárzások, Radioaktív izotópok. Az atom alkotórészei. Az atom felépítése. A radioaktivitás : energia kibocsátása

Jegyzet. Kémia, BMEVEAAAMM1 Műszaki menedzser hallgatók számára Dr Csonka Gábor, egyetemi tanár Dr Madarász János, egyetemi docens.

ELEMI RÉSZECSKÉK ATOMMODELLEK

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

Általános Kémia, BMEVESAA101 Dr Csonka Gábor, egyetemi tanár. Az anyag Készítette: Dr. Csonka Gábor egyetemi tanár,

Izotóp geológia: Elemek izotópjainak használata geológiai folyamatok értelmezéséhez.

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Általános Kémia, BMEVESAA101

Atommodellek. Az atom szerkezete. Atommodellek. Atommodellek. Atommodellek, A Rutherford-kísérlet. Atommodellek

Atommagok alapvető tulajdonságai

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

FIZIKA. Radioaktív sugárzás

Bevezetés a magfizikába

I. Az anyagszerkezetről alkotott kép változása Ókori görög filozófusok régi kérdése: Miből vannak a testek? Meddig osztható az anyag?

MAGFIZIKA. a 11.B-nek

Hadronok, atommagok, kvarkok

Az atombomba története


Adatgyűjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb műszerei

Atommodellek. Ha nem tudod egy pincérnőnek elmagyarázni a fizikádat, az valószínűleg nem nagyon jó fizika. Rausch Péter kémia-környezettan tanár

Az atommag összetétele, radioaktivitás

A testek részecskéinek szerkezete

Úton az elemi részecskék felé. Atommag és részecskefizika 2. előadás február 16.

Stern Gerlach kísérlet. Készítette: Kiss Éva

FIZIKA. Atommag fizika

FELADATMEGOLDÁS. Tesztfeladat: Válaszd ki a helyes megoldást!

Bevezetés a részecske fizikába

Adatgyűjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb műszerei

Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A radioaktív sugárzások detektálása.

Sugárzások és anyag kölcsönhatása

61. Lecke Az anyagszerkezet alapjai

a Bohr-féle atommodell (1913) Niels Hendrik David Bohr ( )

Az atommagtól a konnektorig

Radioaktivitás. 9.2 fejezet

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

Fermi Dirac statisztika elemei

Radioaktivitás és mikrorészecskék felfedezése

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (e) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: december 3. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

PROMPT- ÉS KÉSŐ-GAMMA NEUTRONAKTIVÁCIÓS ANALÍZIS A GEOKÉMIÁBAN I. rész

A nukleáris fizika története, a nukleáris energetika születése

Jelöljük meg a kérdésnek megfelelő válaszokat! 1, Hullámokról általában: alapösszefüggések a harmonikus hullámra. A Doppler-effektus

Magszerkezet modellek. Folyadékcsepp modell

Modern fizika vegyes tesztek

Biofizika tesztkérdések

Atomfizika I. Az anyagszerkezetről alkotott kép változása Ókori görög filozófusok régi kérdése: Miből vannak a testek? Meddig osztható az anyag?

Radioaktivitás biológiai hatása

Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A radioaktív sugárzások detektálása.

A radioaktív bomlás típusai

Mit tanultunk kémiából?2.

FIZIKA KÖZÉPSZINTŐ SZÓBELI FIZIKA ÉRETTSÉGI TÉTELEK Premontrei Szent Norbert Gimnázium, Gödöllı, május-június

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal. Dr. Vincze Árpád

Fizika tételek. 11. osztály

JÁTSSZUNK RÉSZECSKEFIZIKÁT!

Az elektromágneses hullámok

Bővített fokozatú SUGÁRVÉDELMI TANFOLYAM

Atommodellek. Készítette: Sellei László

Maghasadás (fisszió)

Sugárvédelem kurzus fogorvostanhallgatók számra. Méretek. Az ionizáló sugárzások fajtái. 1. Atomfizika, Radioaktivitás és Röntgensugázás

Kémia I. Műszaki menedzser hallgatók számára

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

IDTÁLLÓ GONDOLATOK MOTTÓK NAGY TERMÉSZET TUDÓSOK BÖLCS GONDOLATAIBÓL A TUDOMÁNY ÉS A MINDEN NAPI ÉLET VONAKOZÁSÁBAN

Kémiai alapismeretek 2. hét

Elektronok, atomok. Általános Kémia - Elektronok, Atomok. Dia 1/61

Bevezetés a részecskefizikába

Az atommagot felépítő részecskék

A modern fizika születése

A sugárzások a rajz síkjára merőleges mágneses téren haladnak át γ α

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Thomson-modell (puding-modell)

Úton az elemi részecskék felé. Atommag és részecskefizika 2. előadás február 22.

Atomok, elektronok. Általános Kémia - Elektronok, Atomok. Dia 1/61

Atomfizikai összefoglaló: radioaktív bomlás. Varga József. Debreceni Egyetem OEC Nukleáris Medicina Intézet Kötési energia (MeV) Tömegszám

Az ionizáló sugárzások előállítása és alkalmazása

Atommodellek de Broglie hullámhossz Davisson-Germer-kísérlet

KOVÁCS ENDRe, PARIpÁS BÉLA, FIZIkA II.

ATOMMODELLEK, SZÍNKÉP, KVANTUMSZÁMOK. Kalocsai Angéla, Kozma Enikő

Kvarkok. Mag és részecskefizika 2. előadás Február 23. MRF2 Kvarkok, neutrínók

Röntgensugárzás. Röntgensugárzás

A Nukleáris Medicina alapjai

Részecske- és magfizika vizsgakérdések

A sugárzások és az anyag fizikai kölcsönhatásai

2, = 5221 K (7.2)

Átírás:

Az atommag szerkezete Biofizika előadások 2013 november Orbán József PTE ÁOK Biofzikai Intézet

Filozófusok / tudósok Történelem Aristoteles Dalton J.J.Thomson Bohr Schrödinger Pauli Curie házaspár Teller Fermi Einstein és Szilárd Yukawa Frank-Hertz kísérlet, fotoelektromos jelenség, Compton szórás, Zeeman-effektus, Stern-Gerlach kísérlet http://www.cartage.org.lb/en/themes/sciences/physics/atomicphysics/atomicstructure/atomictimeli ne/atomictimeline.htm http://library.thinkquest.org/17940/texts/timeline/timeline.html 3

Atommodellek az atommag szempontjából 4

Az atom szó eredete: atomos (atomos), görög szó, jelentése oszthatatlan. Atommag nincs! Thomson atom modellje (1906) Démokritosz Az elektron felfedezése. A mazsolás puding modell. Atommag nincs, a pozitív töltés egyenletesen oszlik el az anyagban. Rutherford modell (1911) R 0 = 1.4 10-15 m a-részecskék A pozitívan töltött magok körül találhatók az elektronok. Neutron nincs! + + + + elektron + _ + _ + + + a + + _ + _ + 5 mérési elrendezés

Miből áll az atom? A Bohr-Sommerfeld modell (1915): Negatív töltésű elektron(ok) elektronfelhőben; az elektronok csak egy meghatározott térrészben lehetnek (maximum ~10-10 m távolságra) Pozitívan töltött atommag protonról, neutronról szó sincs! A mag tovább nem bontható! 1. Az atommag valóban oszthatatlan? 2. Milyen részecske(k) van az atommagban? 3. Mi a feladata/tuk? 6

Atommag szerkezetének megismerése 7

Chadwick értelmezése (1932) A Be és az α-részecske ütközésekor a protonnal megegyező tömegű, elektromos töltés nélküli részecske lépett ki. 9 4 12 Be He C 4 2 6 Az új részecskét neutronnak nevezte el. neutros: görög, semleges Heisenberg és Tamm (1932) Kidolgozzák az atommag neutront IS tartalmazó magmodelljét. Új értelmet nyer a rendszám! 1 0 n James Chadwick 1891-1974. (fizikai Nobel-díj, 1935.) 12 6 C tömegszám (A) protonszám (Z) vagy rendszám (töltés) Mire jó ez a részecske? N = A-Z; neutronszám 8

A valós He atom: rendszám = 2, tömegszám = 4 4 2 He 2 p + és 2 n 0 0 + + 0 A neutronok jelenléte elektromos szempontból még mindig nem magyarázza az atommag stabilitását! Mégis kimutatható az atommag stabilizációja. Ez azt jelenti, hogy a neutronok (is) olyan erő létrejöttében vesznek részt, ahol nem az elektromos töltés számít! Mi ez az erő? 10

Tömegdefektus kötési energia Az atommagok tömege kisebb, mint az összetevő protonok és neutronok tömegeinek összege. Az 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 ) pr n m mag E m 2 c Einstein-féle tömeg-energia ekvivalencia A (nukleon) kötési energia: megadja egy nukleonnak az atommagból való eltávolításához szükséges energiát (MeV). 11

Magerő - Erős kölcsönhatás nukleon kötési energiája Az elektromos taszítást kompenzálja. nagy intenzitású (erős) rövid hatótávolságú (10-15 m) mindig (!) vonzó erőhatás elektromos töltéstől független a neutronokra is hat, sőt! p-p, p-n, n-n között egyenlő nagyságú erő alakul ki erős 0 kölcsönhatás elektromágneses m 0 töltés Mire hat? 0 színtöltés (r,g,b) elektromos töltés Relatív erősség ható táv (m) proton, neutron 10 38 10-15 elektromosan töltött részecskékre 10 25 gravitáció 0 tömeg mindenre (anyag) 1 12

M a g m o d e l l e k 14

Nukleonszám növekedés hatásai 0 + + 0 Növekszik: nukleonszám tömeg (-szám: A) atom sugár r 1 ~ A 3 ; A N Z atom térfogat V ~ r 3 ~ A atom felszíne felület 2 2 3 ~ r ~ A A folyadékcseppeknél tapasztalt jelenségekkel azonos hatások! E B 0 Nem lineáris! A 15

1. Folyadékcsepp modell Liquid drop model (LDM) Összenyomhatatlan, folyékony atommag Bohr: az atommag sok tulajdonsága, különösen a nehéz atommagoknál, egy folyadékcsepp tulajdonságaira emlékeztet. 1. A magban minden nukleon nagyjából azonos energiával kötött. (E neutron B = E proton B!) 2. A mag teljes kötési energiája arányos a nukleonok számával (A). 3. Az atommag térfogata arányos a nukleonszámmal. Hofstaedter 4. Ebből következik, hogy az atommag sűrűsége minden atommagra mindig ugyanakkora. 5. méretfüggetlen sűrűség összenyomhatatlan, 6. gömb alak, 7. a nukleon csak a szomszédos részecskékkel hat kölcsön. 16

Folyadékcsepp modell (LDM) Makroszkópikus tulajdonságokon alapul (kísérletek). Megmagyarázza: kötési energiát, tömeget, atommag stabilitását. Modell (1935): Carl von Weizsäcker készítette Hans Bethe számításai alapján. E K E K a A A E térfogati E 2 3 Z felületi A 2 1 3 E Coulomb 2 A 2Z 3 A E Pauli A E 2 anti Hund! ez meg mit jelent??? 17

A kötési energia a folyadékcsepp-modell szerint többféle energiából áll össze. Klasszikus fizika alapján magyarázható energiatagok: A magban lévő nukleonok a szomszéd nukleonok erőterében mozognak: térfogati energia A felületen lévőknek kevesebb a szomszédja felületi energia Protonok elektromos töltése elektrosztatikus energia tag Coulomb-energia http://en.wikipedia.org/wiki/liquid_drop_model http://en.wikipedia.org/wiki/bethe-weizs%c3%a4cker_formula 18

A többi tagot a kvantummechanika adja: Pauli-energia (fermionok, Pauli-elv) A p + és n 0 feles spinű részecskék, mint az e -. E p E n Pauli elv: Azonos kvantumszámú állapotok nem lehetségesek. anti-hund energia Anti-Hund szabály: Azonos típusú, de ellentétes spinű nukleonok szeretnek egy energiaszintre kerülni. Az a,,,, paraméterek kísérletesen határozhatók meg félempirikus formula! 19

Nukleononkénti kötési energia (MeV) Egy nukleon kötési energiája a rendszám függvényében A felületi és térfogati energiák aránya változik! (r 2 /r 3 = 1/r) A Coulomb erő hatása növekszik! Rendszám (atomi tömegegység) Maximum: 55-60 között! A modell: 62-t jósol! 62 Ni Az illesztés majdnem tökéletes! De...! 20

Nukleononkénti kötési energia (MeV) Miért nem tökéletes az LDM? Finomszerkezet eltér a könnyű és a mágikus számú atomoknál: N vagy Z = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 Ezeknél a kötésenergia az LDM által jósoltnál nagyobb! Az elektronfelhőnél is vannak hasonló mágikus számok: A nemesgázok stabilabb elektronszerkezetűek! Rendszám (atomi tömegegység) Ok: Ezek az atomok lezárt (telített) nukleonhéjakat tartalmaznak. Ez a jelenség nincs benne az LDM-ben! Akkor most mit tehetünk? Van-e jobb modell? 21

2. Atomhéj modell (gömbszimmetrikus) Atomic shell model (ASM) Az atomhéj modell az atommag mikroszkópikus tulajdonságain (energia szintek) alapul. Az atommag bizonyos tulajdonságai periodicitást mutatnak. A kvantummechanika (QM) képes az elektronok elektronpályákon való viselkedését leírni Képes-e a QM a nukleonok viselkedését leírni? Elektronhéj atomhéj analógia! 22

Atomhéj modell (ASM) Bartlet, Elsasser, 1934: független részecske modell Jensen és Göppert-Mayer, 1949: héjmodell Az összes nukleon közös erőteret hoz létre, melyben a nukleonok egymástól függetlenül mozoghatnak. A nukleonra felírt Schrödinger egyenlet megoldása kvantált paraméterekkel: energia, perdület, mágneses momentum, spin kvantumszámok: atomhéjakat jellemzi (a spin csak ½ lehet, Pauli-elv érvényes) A zárt atomhéjakkal rendelkező atomok stabilabbak! 23

ASM E p E n 0 ev 1 1H hidrogén 2 1H deutérium 3 1H tricium 4 2 Hehélium legalacsonyabb energiaszint 16 8Ooxigén De: Ez számos az elmélet kísérletes megmagyarázza eredményt az nem első igazol! három (2,8,20) mágikus számot! Természetesen léteznek komolyabb és modernebb atommag modellek melyek nem képezik az előadás részét. 24

Elektron - J. J. Thomson (1897) Proton - E. Goldstein (1900) Atommag - E. Rutherford (1911) Neutron - James Cheidwick (1932) Kvarkok - Leon Lederman (1977) 25

Sugárzások Radioaktivitás

Az atommag instabilitása a radioaktivitás alapja!

Atommag stabilitása Nukleononkénti kötési energia (MeV) Egy nukleon kötési energiája a rendszám függvényében 56 Fe 26 Rendszám (atomi tömegegység) Minden atom(mag) a legstabilabb állapot elérésére törekszik, akár nukleonszám növeléssel, vagy csökkentéssel.

neutronok Általános törvényszerűségek - -bomlás N=Z maghasadás Neutron - proton arány növekszik ~1,5! fúzió -bomlás protonok Az atommagok a legstabilabb szerkezetre törekednek! 56 26Fe Vas-völgy

Stabilitás elérésének módjai Maghasadás magfúzió Atomreaktor, atombomba csillagok http://outreach.atnf.csiro.au/education/senior/cosmicengine/sun_nuclear.html http://www.princeton.edu/~chm333/2002/spring/fusion/tour1/index.htm

A Z A Z a-bomlás» a-sugárzás A Z 4 X X 2 X A Z 4 2 4 2 X a He A: tömegszám (atomszám) Z: protonok száma 226 222 4 a 88Ra 86Rn2 Kilépési sebességük elérheti a 15 000 000 m/s-ot (0,05 c) Vonalas spektrum (karakterisztikus) 241 226 222 92 U, 95Am, 88Ra, 86Rn, 238 210 84 Po

-bomlás» -sugárzás Negatív -bomlás Kísérlet: Curie 1911 Elmélet: Enrico Fermi, 1934 n 0 p e ν e A Z X A Z 1 X e e 137 55 Cs 137 56 Ba e ν e Kilépési sebességük elérheti a 180 000 000 m/s-ot (0,6 c) Folytonos spektrum (antineutrino)

-bomlás» -sugárzás Pozitív -bomlás p n 0 e ν e A Z X A Z 1 X e e 22 11 Na 22 10 Ne e ν e - izotópok izotópok 3 14 137 132 1 H, 6C, 55Cs, 53I, C 22 Na 11 6, 11 40 19 K

-sugárzás Kísérőjelenség! Elektromágneses sugárzás (-foton) f>10 19 Hz, illetve E>100 kev a gerjesztett atommagok alacsonyabb energiaállapotba történő átmenetekor keletkezik Fénysebességgel terjednek Vonalas spektrum (karakterisztikus) Ba Ba 137m 137 56 56 m: metastabil állapot 22 40 137 11 Na, 19K, 55Cs, 132 53 I

Sugárzások - összehasonlítás külső hatás nélkül keletkezik fizikai és kémiai változások nem befolyásolják ionizáló hatása van (fizika) kémiai, biológiai hatása van Fizikai jellemzők: Aktivitás Élettartam Spektrum Áthatolóképesség és LET (lineáris energia transzfer)

a - + Összehasonlítás Átlagos élettartam 226 210 86 Rn, 88Ra, 84Po, 222 3 14 53 I, 1H, 6C, 132 C 22 Na 11 6, 11 40 19 K 238 92 U 4 s; 11 nap; 138 nap; 4,5 10 9 év 8 nap; 12 év; 5568 év; 1,2 10 9 év; 7,6 10-22 s 20 m; 15 h 22 40 137 11 Na, 19K, 55Cs, 132 53 2,6 év; 1,2 10 9 év; 26 év; 8 nap I

Összehasonlítás a Spektrum Vonalas (karakterisztikus) LET (ionizáció/mm) magas 8-10 000 Folytonos (neutrino miatt) közepes 6-8 Vonalas (karakterisztikus) alacsony 0,1-1

Összehasonlítás Áthatolóképesség, hatótávolság a Kicsi Levegő: cm Plexi: mm Közepes Levegő: m Plexi: cm Ólom: mm Nagy Ólom: cm

Aktivitás (A) A radioaktív bomlás véletlenszerűen bekövetkező esemény! Az 1 másodperc alatt bekövetkező magátalakulások száma. magátalakulás = bomlás Mértékegysége: Becquerel 1 Bq = 1 bomlás/másodperc. Figyelem! A radioaktív bomlás nem jelenti az atomok eltűnését! Stabil izotóp Radioaktív izotóp Leánymag Régebben használt mértékegysége a Curie. (1 Ci = 3,7 10 10 Bq)

Bomlástörvény N (0) : kezdeti bomlatlan atommagok száma N (t) :a t időpillanatban jelenlévő bomlatlan atommagok száma Bomlási állandó (): Jellemzi a bomlási sebességet. Megadja 1 atommag átalakulási valószínűségét. A N (t) Bomlatlan magok száma N (0) N (0) /2 N (0) /e T 1/2 N ( t) N (0) t 2 t T idő 1 2 Átlagos élettartam (t): A bomlási állandó reciproka. t 1 N ( t) N (0) e t t

Felezési idő átlagos élettartam t t t e N N ) (0 ) ( 2 1 2 1 1,443 ln 2 1 T T t 2 1 2 (0) ) ( T t N t N t t T t e 2 1 2