Bemutatkozó Kamera
Út az atommaghoz

Tartalom




„Már az ókori görögök is…” – út az atommaghoz

Az ókori filozófus, Démokritosz közel 2500 évvel ezelőtt feltételezte, hogy a világ tovább már nem bontható, apró részecskékből áll. Ezeket a görög „oszthatatlan” szó alapján atomoknak nevezte el.

Démokrítosz
Démokrítosz

A megfigyelések és a kísérleti bizonyítékok alapján körülbelül 1900-ra fogadták el a tudományos életben az atomok létezését. Ez azért volt lassú folyamat, mert az atomok rendkívül kicsik: nem kézzelfoghatóak, de még mikroszkóppal sem láthatjuk őket. 100 homokszemben körülbelül annyi atom van, mint amennyi homokszem a Szaharában…

Az atomokat kémiai szempontok szerint csoportosíthatjuk. Ezek a csoportok az elemek. Az egyes elemek önálló kémiai tulajdonsággal rendelkeznek, de kémiai módszerekkel tovább már nem bonthatók (nem úgy, mint a vegyületek, vagyis a molekulák). A természetben kisebb-nagyobb mennyiségben 90-92-féle elemet találhatunk (a hidrogéntől a uránig).

Az atomok tehát az Univerzum építőkövei: ezekből állnak az élőlények, a körülöttünk lévő tárgyak, de a távoli csillagok is. Maga a csoda, hogy 92-féle építőelemből ilyen színes, érdekes világ alakulhatott ki!

1897-ben J. J. Thomson felfedezte az elektront.

J. J. Thomson
J. J. Thomson

Ez a parányi, negatív töltésű részecske az atom belsejéből származik.

Ha többet szeretnél tudni a felfedezésekről, KATTINTS IDE!

Az atom rejtelmei

E. Rutherford 1909-11 közötti zseniális kísérleteiből kiderült, hogy az atom közepén egy sűrű, csaknem az atom teljes tömegével rendelkező atommag található.

E. Rutherford
E. Rutherford

Az atom méretének néhány százezred részét képező mag körül mozognak az elektronok. Ha az atomot szobányi méretű gömbbé nagyítanánk, akkor az atommag egy porszem lenne a középpontjában…

Két évtizeden belül az is kiderült, hogy az atommag kétféle részecskéből: a pozitív töltésű protonból és a semleges neutronból áll. 1940 óta több mint 20 új elemet fedeztek fel, ill. állítottak elő a tudósok (transzurán elemek).

Az elemek kémiai tulajdonságait az atommagban található protonok száma határozza meg. Ez az elem Z-vel jelölt rendszáma. A protonokat és a velük közel azonos tömegű neutronokat közösen nukleonoknak nevezzük. A nukleonok számát az atommag tömegszámának hívjuk, és A-val jelöljük.

Az atomok szokásos jelölése: \( _{rendszám}^{tömegszám}Vegyjel\) – általánosan: \(_Z^AX\) – az urán esetén: \(_{92}^{238}U\)

Egy-egy elem atomjai azonban nem feltétlenül egyformák: az adott protonszám mellett a magon belül eltérhet a neutronok száma \(N = (A - Z)\). Az azonos protonszámú, de eltérő neutronszámú atommagokat izotópoknak nevezzük.

Például: a szén néhány izotópja:
\(_{6}^{11}C:\) 6 db proton és 11 6 = 5 db neutron
\(_{6}^{12}C:\) 6 db proton és 12 6 = 6 db neutron
\(_{6}^{13}C:\) 6 db proton és 13 6 = 7 db neutron
\(_{6}^{14}C:\) 6 db proton és 14 6 = 8 db neutron

Ezek nem egyenlő gyakorisággal fordulnak elő a természetben (98,9 %-ával a \(_6^{12}\)C a leggyakoribb szénizotóp), de ugyanúgy épülnek be a CO2 molekulába, a DNS-ünkbe és minden más szénvegyületbe is. – Tehát az izotóp magokkal rendelkező atomok kémiailag megkülönböztethetetlenek, egyformán képeznek vegyületeket más elemek atomjaival. Fizikailag mégis van köztük néhány eltérés: például más a tömegük. Ez nagyon hasonló a megegyező alakú és nagyságú, de eltérő színű LEGO-elemekhez, amik az építés során felcserélhetőek:

Lego elemek

Utazások az energiavölgyben: magátalkulások

A \(\beta^{-}\)-bomlás során az egyik neutron protonná alakul át a magban, miközben egy elektron (\(\beta^{-}\) részecske) és egy antineutrínó (\(\bar v\)) távozik.

\(_Z^AX \to _{Z+1}^AY+\beta^{-}+\bar{v}\)

Az átalakulás ezen formája azoknál az izotópoknál figyelhető meg, melyekben a velük megegyező tömegszámú, stabil magokra jellemző proton-neutron arányhoz képest neutrontöbblet van. Így a rendszám 1-gyel nő.

Tekintsünk meg néhány példát! 137-es tömegszámú izotópok

A \(\beta^{+}\)-bomlás során az egyik proton neutronná alakul át a magban, miközben egy pozitron (\(\beta^{+}\) részecske) és egy neutrínó (ν) távozik.

\(_Z^AX \to _{Z-1}^AY+\beta^{+}+v\)

Az átalakulás ezen formája azoknál az izotópoknál figyelhető meg, melyekben a velük megegyező tömegszámú, stabil magokra jellemző proton-neutron arányhoz képest protontöbblet van. Így a rendszám 1-gyel csökken.

Tekintsünk meg néhány példát!

A következő négy izotópot a pozitron emissziós tomográfiában (PET) alkalmazzák. Ez egy nagyon precíz orvosi diagnosztikai módszer. Ezek az anyagok lehetővé teszik a daganatok méretének és helyének pontos meghatározását, ill. az anyagcsere folyamatok nyomon követését

56-os tömegszámú izotópok

A \(\alpha\)-bomlás során két protonból és két neutronból álló részecske (\(alpha\) részecske, azaz egy He atommag) távozik a magból.

\(_Z^AX \to _{Z-2}^{A-4}Y+\alpha\)

Az átalakulás ezen formája az összetettebb, nagyobb tömegszámú magokra jellemző. Így a rendszám 2-vel, a tömegszám pedig 4-gyel csökken.

Tekintsünk meg néhány példát!

Az itt felsorolt izotópok a természetben megtalálható "urán-rádium" bomlássorozat tagjai.

Az urán-rádium bomlási sor részlete Lakossági sugárterhelés 2006-ban

Egy-egy atommag bomlása (bármely bomlástípus esetén) véletlen jelenség, kívülről nem befolyásolható. Az átalakulás valószínűsége az adott izotópra jellemző. Vannak olyan izotópok, melyek nagyon rövid életidejűek, nagy valószínűséggel bomlanak (például a \(^{13}\)O). Másoknál (mint az \(^{238}\)U) azonban akár évmilliókat is várhatunk az átalakulásra. Nagyszámú magot vizsgálva van értelme bevezetni a felezési idő (\(T_{^1⁄_2}\)) fogalmát, mely megmutatja, hogy jó közelítéssel mennyi idő alatt bomlik el az atomok fele. Egy adott bomlástípus és tömegszám esetén az átalakulás esélye nagyobb, ha a kiindulási mag és a termék egy nukleonra jutó átlagos kötési energiája között nagy az eltérés (a 3D-s modellben nagy a szintkülönbség); ilyenkor a felezési idő rövidebb. Ezzel a mennyiséggel leírható az átalakulások időbeli lefolyása. A bomlástörvény megadja a kezdeti, \(N_{0}\) számú magból \(t\) idő múlva még meglévő (át nem alakult) részecskék számát:

\(N(t)=N_0*(\frac{1}{2})^\frac{t}{T_{^1/_2}}\)

A maghasadást L. Meitner, O. Hahn és F. Strassmann fedezte fel 1938-ban.

L. Meitner O. Hahn
L Meitner
O. Hahn

A folyamat csak néhány izotóp esetében figyelhető meg (pl. \(^{235}\)U, \(^{239}\)Pu). A mag lassú neutront fog be, s ennek hatására két magra hasad, s emellett két-három neutron keletkezik. A hasadás kimenetele nem egyértelmű, különböző valószínűséggel keletkezhetnek a végtermékpárok.

A \(^{235}\)U hasadásának egy tipikus eredménye:

\(_{92}^{235}U+n\to_{56}^{139}Ba+_{36}^{94}Kr+3n\)

Rajz

Léteznek spontán hasadó izotópok (pl. \(^{252}\)Cf, \(^{240}\)Pu), valamint olyanok, amelyeket valamilyen külső hatás – például neutronok befogódása – tud elhasítani. Itt külön figyelmet érdemelnek a lassú neutronok által is elhasítható izotópok (\(^{235}\)U, \(^{239}\)Pu), mivel ezekkel valósítható meg önfenntartó neutronos láncreakció. Az \(^{238}\)U izotóp viszont csak gyors neutronokkal hasítható.

A keletkező neutronok lassítását követően új hasadási folyamatok jöhetnek létre, ez a láncreakció.

A stabilitási testen jól látszik, hogy a hasadási termékek mélyebben találhatók az uránizotópnál (az „ideális” vashoz közelebb), ami azt jelenti, hogy az átalakulás során energia szabadul fel. A kiinduló magban „tárolt” nukleáris energia egy része a szétlökődő termékek mozgási energiájaként, maradéka pedig a keletkezett – általában radioaktív – atommagok bomlásai során kibocsátott sugárzásokban, valamint elektromágneses (gamma) sugárzásként jelenik meg. A mozgási energia hővé alakul, ami az anyag felmelegedését okozza. – Fontos megjegyeznünk, hogy ez milliószor annyi hőt jelent, mint ami hasonló tömegű szén elégetésével nyerhető.

1942-ben E. Fermi vezetésével megépítették az első kísérleti reaktort.

E. Fermi
E. Fermi

Ez a reaktor csak hőt termelt (és azt is keveset, max. 2 Watt teljesítménnyel). Ezt követően sokáig még a reaktorok nem termeltek villamos energiát, háborús célú plutónium-termelésre használták őket. Az első, elektromos hálózatra villamos energiát termelő reaktor a Szovjetunióban helyezték üzembe 1954-ben Obnyinszkban. Az Egyesült Államokban pedig a Shippingport erőmű termelt először kereskedelmi célokra használt villamos energiát (1957-ben) Jelenleg 30 országban összesen közel 440 villamos energiát termelő reaktor üzemel. Ezek fedezik a bolygónk teljes népessége által felhasznált villamos energia 10-12 %-át. Napjainkban 70-80 új blokk építése ill. tervezése van folyamatban. Az atomerőművek hatalmas előnye a szén/kőolaj/földgáz üzemű erőművekkel szemben, hogy nincs károsanyag-kibocsátásuk, nem járulnak hozzá a globális klímaváltozáshoz. A maghasadás hadászati célú alkalmazása az 1945-ben kifejlesztett atombomba lett. A szomorú igazság az, hogy az anyag szívéből származó energia hatalmas pusztításra is képes. A Japánra ledobott atombombák, a nukleáris fegyverkísérletek, a csernobili és fukusimai katasztrófák tanulságul kell, hogy szolgáljanak civilizációnk számára.

A magfúziót H. Bethe írta le 1939-ben.

H. Bethe
H. Bethe

A jelenség lényege, hogy az egészen kis tömegszámú magok egyesülnek, s eközben energia szabadul fel. A magyarázat a 3D-s modellünk alapján jól érthető: a hidrogén közelében lévő magok stabilabbá válhatnak az egyesüléssel. Így a kiemelkedően magas energiájú állapotból sokkal alacsonyabb energiájú helyzetbe, vagyis mélyebben lévő helyre kerülnek a részecskék. Ezzel a nukleonok kötöttebbek, a termékként keletkező atommag pedig stabilabb lesz. A stabilitási testen is látható „nagy zuhanás” következtében minden eddig leírtnál több energia szabadul fel.

Íme hat fúziós példa:
  1. \(_1^1H+_1^1H\to_1^2H\) (+1,44MeV, vagyis 0,23 pJ)
  2. \(_1^1H+_1^2H\to_2^3He\) (+5,49 MeV, vagyis 0,88 pJ)
  3. \(_2^3He+_2^3He\to_2^4He+2_1^1H\) (+12,86 MeV, vagyis 2,06 pJ)
  4. \(_1^2H+_1^2H\to_2^3He+n\) (+3,25 MeV, vagyis 0,52 pJ)
  5. \(_1^2H+_1^3H\to_2^4He+n\) (+17,6 MeV, vagyis 2,82 pJ)
  6. \(_1^2H+_2^3He\to_2^4He+n\) (+18,3 MeV, vagyis 2,93 pJ)

Összehasonlításként: a szénatom oxidációja, azaz a \(C + O_2 \to CO_2\) folyamat során felszabaduló energia 29,25 eV = 4,68 aJ. Tehát megegyező kezdeti tömegű anyagok esetén a fúzióból milliószor annyi energia szabadul fel, mint az égésből…

A világ energiatermelése 2001-ben

A fúzió létrejöttéhez magas (100 millió K nagyságrendű) hőmérsékletű, plazma állapotú anyag szükséges. A csillagok energiatermelését ez a folyamat biztosítja. Így ad éltető energiát a Nap is Földünk számára.

Megjegyezzük, hogy az 1. folyamat közvelten eredménye (0,42 MeV-nyi energia felszabadulása mellett) egy \(^2\)H- ion és egy pozitron e\(^+\). Ez utóbbi szinte azonnal annihilálódik egy elektronnal, s ennek következtében 1,02 MeV összenergiával két gamma-foton képződik. A csillagokban elsősorban a hidrogén legkönnyebb izotópjából (\(^1\)H) induló 1.-3. fúziós reakciólánc termeli az energiát. A 4.-6. folyamatok igen kis valószínűségűek, ezért a Földön megvalósíthatatlanok. A csillagokban a hatalmas anyagmennyiség és az azt magas hőmérsékleten is összetartó hatalmas gravitáció teszi lehetővé a 4.-6. reakcióláncnak a megvalósulását.

1952-ben robbantották fel az első hidrogénbombát, ami még a „hagyományos” atombombánál is pusztítóbb fegyver. (Épp 400 évvel korábban verték vissza Eger várának védői Szulejmán hadát. Döbbenetes haditechnikai fejlődés…)

A fúzió lehet a jövő energiaforrása. A XX. sz. közepétől foglalkoznak a fúziós reaktor kifejlesztésével. Ez abszolút környezetbarát megoldása lenne a gyarapodó lélekszámú népesség energiaigényének biztosítására úgy, hogy korlátlan mennyiségű alapanyag áll rendelkezésre. A működőképes megvalósítás akár egy évtizeden belül elkészülhet, a „sorozatgyártható” megoldásra azonban a tudósok jóslatai szerint 2050-ig várnunk kell. – Óriási felelősség az atommagban tárolt energia felszabadítása. Az igazi tudósok, mérnökök nem fegyvereket fejlesztenek, hanem az emberiség boldog jövőjét építik!

Építsünk atommagot!

A nukleonok között több kölcsönhatás is működik. A gyenge gravitációs vonzás nem képes kompenzálni a protonok közti elektrosztatikus taszítást. Ha csak ez a két kölcsönhatás érvényesülne, akkor nem létezhetnének atommagok, így a világmindenség is teljesen másképp „nézne ki”.

A protonok közti taszítást a nukleáris kölcsönhatásból származó magerők győzik le. Ezek bármely két, egymás közelében lévő nukleon között létrejönnek, és mindig erős vonzásban nyilvánulnak meg. Szerencsére a magerők hatótávolsága kicsi, ezért nem húzzák össze az Univerzum anyagát egyetlen hatalmas „atommaggá”…

Az említett kölcsönhatásokból származik az atommagban lévő nukleonok teljes energiája (jele: E). Erre az energiájára tekinthetünk úgy is, mint egy „ragacsra”, amit le kell küzdeni a mag nukleonokra történő szétbontásakor.

Rajz

Ennek megfelelően a nukleonok kötött állapotban vannak a magon belül. Ahhoz, hogy szétválasszuk és újra szabaddá tegyük őket, munkát kell végeznünk. - Úgy, mint amikor a golflabdát kiemeljük a lyukból, hogy újra játszhassunk vele. - A részecskék hasonló „energiagödörben” vannak. A kötött állapot miatt az atommagot alkotó nukleonok teljes energiája negatív. - Ha tehát a magot részecskéire akarjuk bontani, akkor ehhez munkát kell végeznünk!

Ha többet szeretnél tudni az energiáról, KATTINTS IDE!

Ha többet szeretnél tudni a nukleonok teljes energiájáról, KATTINTS IDE!

Most képzeljük el, hogy megmérjük az asztalunkon lévő LEGO darabok össztömegét! Ezután az összes darabot felhasználva rakjunk össze egy kisautót!

Kisautó szédszedve és összerakva A jármű tömege pontosan annyinak adódik, mint a darabok korábban megmért össztömege. - Csakhogy az atommag nem így működik! A mag tömege kisebb, mint az őt alkotó nukleonok össztömege. Nukleonok össztömege Albert Einstein

Ezt a jelenséget tömeghiánynak (tömegdefektusnak) nevezzük. Ez a furcsának tűnő jelenség az Einstein által felfedezett tömeg-energia ekvivalencia első bizonyítéka volt: az „elveszett” tömeg az atommag nukleonjainak teljes energiájával egyenlő:

\(E=\underbrace{(m_{mag}-Z*m_{proton}-(A-Z)*m_{neutron})}_{tömeghiány}*c^2\)

A fentiek alapján látszik, hogy ez az energia negatív: E < 0

Általában az összetettebb atommagok (pl. \(_{92}^{238}U\)) teljes energiája kisebb (abszolútértékben nagyobb), mint az egyszerűbb (pl. \(_7^{14}N\)) atommagoké (több nukleonból állnak, ezért nagyobb munkával jár a szétszedésük.) Ez nem is olyan meglepő. De az már igen, hogy az egyes izotópokban a nukleonok nem egyformán kötöttek. Mintha különböző minőségű „ragaccsal” rögzítették volna őket. Ez pedig azt jelenti, hogy a különféle izotópok nem egyformán stabilisak. Ennek az egyszerű ténynek olyan súlyos következményei vannak, melyek nem csak az elmúlt 80 év történelmét határozták meg, hanem a jövőnket is.

Nukleáris tájkép: az energiavölgy

A magok stabilitását az egy nukleonra jutó átlagos energiával, vagyis az E/A hányadossal jellemezhetjük.

A periódusos rendszer első 94 elemének 1416 izotópjánál vizsgáltuk meg az egy nukleonra jutó energiát. Ha ezt a mennyiséget háromdimenziós oszlopdiagramon ábrázoljuk a rendszám és a tömegszám függvényében, akkor egy folyóvölgyhöz hasonlító formát kapunk, amit „energiavölgynek” hívnak. Az általunk létrehozott, az energiavölgyet megvalósító (kézzelfogható) modellt „stabilitási testnek” neveztük el.

Kép a Nuki-ról

Ennek a képződménynek az alján a \(_{26}^{56}Fe\), a \(_{26}^{58}Fe\) és a \(_{28}^{62}Ni\) izotópok találhatók. Az egy nukleonra jutó energia ezeknél a magoknál kb. –1,37 pJ. A legmélyebb helyzet azt jelenti, hogy a nukleonok ezekben az izotópokban a legerősebben kötöttek. Ezek a legstabilabb atommagok.

Stabil izotópok nukleonjainak átlagos kötési energiája

A természeti folyamatok irányának egyik fő rendező elve az energiaminimumra való törekvés. (Gondoljunk csak a domboldalon leguruló labdára!) Az atomok világában is ez az elv érvényesül – néhány szigorú feltétel mellett. Az atommagok olyan átalakulásokon mehetnek át, amivel a \(_{26}^{56}Fe\) izotópéhoz közelít a nukleonjai átlagos energiája. Egyszerűen úgy is megfogalmazhatjuk, hogy minden atommag „vas szeretne lenni”.

Vas

Az energetikailag kedvezőbb állapot egyik fő következményeként a mag összetétele megváltozik, egy másik elemhez tartozó atommag, azaz új atom alakul ki – annak minden kémiai tulajdonságával együtt. Ez az „energiavölgyön” leegyszerűsítve úgy szemléltethető, hogy a mag - a domboldalon leguruló labdához hasonlatosan – „egy magasabb oszlop tetejéről egy alacsonyabb oszlop tetejére ugrik”. Az átalakulás közben természetesen energia nem „vész el”, hanem a nukleonok által leadott energia más formában jelenik meg: például az átalakulások során keletkezett részecskék mozgási energiája formájában, illetve úgy, hogy a magból nagy energiájú elektromágneses sugárzás is távozik.

A jelenséget 1896-ban M. Curie, P. Curie és H. Becquerel fedezte fel, s Curie asszony radioaktvitásnak nevezte el.

H. Becquerel M. Curie P. Curie
H. Becquerel
M. Curie
P. Curie

A magok átalakulása elsősorban amiatt vált nagyon fontossá, mert közben pJ-nyi (\(10^{-12}\)J) energia szabadul fel. Ezzel szemben az exoterm kémiai reakciókban (pl. oxidáció) „csupán” aJ-nyi (\(10^{-18}\)J) energia adódik át a környezetnek. (Ez utóbbiak az elektronhéjban lejátszódó folyamatok.)