Az atom felépítése
Az atom felépítése
Két évezreden keresztül az atom nem volt több, mint néhány régi görög gondolkodó (pl. Démokritosz, Epikurosz) által megalkotott fogalom, amelynek realitását a tapasztalat sem nem cáfolta, sem nem igazolta. A kémia szolgáltatta az első olyan tapasztalatokat, amelyek könnyebben voltak értelmezhetők, ha feltételezték, hogy az anyag nem kontinuum, hanem atomokból épül fel (John Dalton, 19. sz. eleje). Az atomokat oszthatatlannak, változtathatatlannak tekintették. Minden kémiai elemnek (hidrogén, oxigén, vas, ólom, stb.) egy atom felel meg – gondolták -, a vegyületek pedig az őket alkotó elemek atomjainak az összekapcsolódása révén létrejövő molekulákból állnak; a vegyüléskor megfigyelt tömegarányok megfelelnek az atomok tömegei közötti arányoknak. Atomi tömegegységül a legkönnyebb elem, a hidrogén atomjának tömegét választották, és így minden elemhez atomsúlyt, minden vegyülethez pedig molekulasúlyt tudtak rendelni. (A mai tudományos szóhasználat szerint relatív atomtömegről, ill. relatív molekulatömegről is beszélünk, továbbá az atomi tömegegység a szénatom tömegének az 1/12-e, ami kissé eltér a hidrogénatom tömegétől).
Hogy az atomoknak szerkezetük lehet (tehát néhány egyszerűbb alkotórészből épülnek fel), arra először a periódusos rendszer felfedezése utalt (Dmitrij Mengyelejev és Lothar Meyer, 1869 – egymástól függetlenül). A 19. sz. végén szinte évente születtek nagy jelentőségű felfedezések, amelyek végül elvezettek az atom szerkezetének megértéséhez. 1895-ben Conrad Röntgen felfedezte a róla elnevezett sugarakat, 1897-ben pedig J. J. Thompson az elektront. Megfigyeltek nemcsak elektronokból, hanem elektromosan töltött atomokból (ionokból) álló sugarakat is, amelyeknek mágneses térben való elhajlásából következtetni tudtak töltésük és tömegük arányára.
A század vége még két jelentős felfedezést hozott: 1896-ban Becquerel felfedezte a radioaktivitást, majd 1898-ban Pierre és Marie Curie a rádiumot. Ugyancsak ők derítették ki, hogy a radioaktív sugárzásnak három összetevője van, amelyeket alfa-, béta- és gammasugaraknak neveztek el. Később kiderült, hogy az alfasugárzás hélium-ionokból, a bétasugárzás elektronokból áll, a gammasugárzás pedig a röntgensugárzáshoz hasonló, nagyon rövid hullámhosszúságú elektromágneses sugárzás.
Ernest Rutherford 1911-ben felfedezte az atommagot: alfasugaraknak aranyatomokon való szóródását vizsgálta, és kimutatta, hogy a pozitív töltések az atom belsejében, az atommagban koncentrálódnak, és körülöttük helyezkednek el az elektronok. A röntgensugárzás tanulmányozása alapján Moseley 1913-ban megállapította, hogy az atommag pozitív töltéseinek száma megegyezik az elem rendszámával (a rendszám adja meg az elemnek a periódusos rendszerben elfoglalt helyét.)
Rutherford és Soddy 1903-ban kimutatta, hogy a radioaktivitás elemátalakulással jár: megfigyelték, hogy a tórium bomlásakor radioaktív gáz keletkezik, amelyet ők tóriumemanációnak neveztek el. Ezzel megdőlt egy évszázados „dogma”, az elemek megváltoztathatatlanságának tétele. Hasonlót figyelt meg a Curie házaspár is: a rádium bomlásakor az általuk rádiumemanációnak nevezett és szintén radioaktív gáz keletkezik. Mivel ezek kémiailag azonos módon, nemesgázként viselkednek, de fizikailag egymástól eltérő radioaktivitást mutatnak, Frederick Soddy bevezette az izotóp fogalmát: a kémiailag azonos tulajdonságú elemeket fizikai viselkedésüktől függetlenül a periódusos rendszernek ugyanarra a helyére kell helyezni. (A görög eredetű elnevezés is erre utal). A fenti esetben a radon nevű nemesgázról volt szó. Az egyes izotópok megkülönböztetésére a kémiai elem neve vagy jele mellé még a tömegszámot is megadjuk. (Izotópok esetében atomsúly helyett inkább tömegszámról beszélünk). Pl. Ne-20 vagy neon-20, a neon 20-as tömegszámú izotópját jelöli. A magátalakulásokat kifejező összefüggések (lásd alább) áttekinthetőbbek, ha a rendszámot is feltüntetjük:
| 20 |
| Ne |
| 10 |
bár nyilvánvaló, hogy az elem jele (Ne) és a rendszám (10) ugyanazt jelenti.
Rutherford 1900-ban fogalmazta meg a radioaktív bomlás exponenciális törvényét: az időegység alatt elbomló magok száma arányos a pillanatnyilag meglevő magok számával. Az arányossági tényezőt bomlási állandónak (λ) nevezzük. A gyakorlatban inkább a felezési időt használjuk: T1/2 = 0,693/λ – ez azt az időt adja meg, amely alatt a radioaktív magoknak (átlagosan) a fele elbomlik. Az exponenciális csökkenés olyan gyors, hogy a felezési idő néhányszorosa alatt gyakorlatilag minden radioaktív mag elbomlik.
Elegendően nagy energiával ütköző atommagok – a köztük ható elektrosztatikus taszítás ellenére is – behatolhatnak egymásba, és magreakciók jöhetnek létre. Az első ilyen magátalakulást Rutherford figyelte meg 1923-ban:
| 4 | 14 | 17 | 1 |
| He + | N–> | O + | H |
| 2 | 7 | 8 | 1 |
Az itt szereplő alfarészecskék radioaktív bomlásból származtak. Rutherford azt is észrevette, hogy az a keletkező proton energiája nagyobb, mint az eredeti alfarészecskéé, tehát a magreakció energia-felszabadulással jár. (Ő nevezte el a hidrogén atommagját protonnak).
Az újabb nagy felfedezések éve 1932. James Chadwick fedezte fel a protonnal megközelítőleg megegyező tömegű, de elektromosan semleges részecskét, a neutront. Chadwick berilliumot bombázott alfarészecskékkel, és nagy áthatolóképességű sugárzást észlelt, amelyről kiderült, hogy az általa már korábban is sejtett semleges részecskékből áll. Ezzel a magreakció így írható fel:
| 4 | 9 | 12 | 1 |
| He + | Be–> | C + | n |
| 2 | 4 | 6 | 0 |
Megjegyezzük, hogy a neutronforrásokban a mai napig ezzel a reakcióval „termelik” a neutronokat. Ugyancsak 1932-ben dolgozta ki Enrico Fermi a bétabomlás elméletét, amely szerint bétabomláskor az atommagban egy neutron protonná alakul át, miközben az atommagból egy elektron sugárzódik ki.
Ezzel alakult ki az atommagra vonatkozó – máig érvényes – képünk. Egy Z rendszámú, A tömegszámú atommagban Z számú proton és (A-Z) számú neutron van. (A protont és a neutront közös néven nukleonnak is nevezzük, mivel az atommag – lat. nucleus – alkotórésze). Egy elem izotópjaiban a protonok száma azonos, de a neutronok száma különböző. Bétabomláskor a rendszer 1-gyel nő, de a tömegszám nem változik, viszont alfabomláskor a rendszám 2-vel, a tömegszám pedig 4-gyel csökken. Ezt a két ún. eltolódási szabályt Fajans és Soddy már a század elején felismerte. A természetben előforduló 90 elemnek 325 természetes izotópja van. (Ezekhez járul még közel 1200 mesterségesen előállított izotóp). A nukleonok között az elektromos töltéstől függetlenül vonzó magerők hatnak, amelyek a protonok elektrosztatikus taszítása ellenére is összetartják az atommagot. Hatótávolságuk nagyon rövid: csak az atommagnál kisebb távolságon belül hatnak, de minden egyéb ismert kölcsönhatásnál erősebbek. (Ezért is nevezzük erős kölcsönhatásnak). Az atomot alkotó három alapvető elemi részecske tömegének és elektromos töltésének ma ismert pontos értékét táblázatban foglaltuk össze.
A természetben található stabil (nem radioaktív) izotópokban a protonok és a neutronok aránya annál nagyobb, minél nagyobb a rendszám. Pl. a szén-12, nitrogén-14, oxigén-16 izotópokban rendre 6-6, 7-7, 8-8 proton, ill. neutron van. Ugyanakkor az urán-235-ben 92 protonra már 143 neutron jut. Minden rendszámhoz tartozik egy egyensúlyi proton-neutron arány. Ha egy atommagban ehhez képest lényegesen több neutron van, akkor egy (vagy több) bétabomlás útján áll be az egyensúly.
Mivel nincs elektromos töltésük, a neutronok könnyen képesek az atommagba hatolni, és ott átalakulást idézhetnek elő. A neutron felfedezése után rögtön megindultak a kutatások ebbe az irányba. Iréne Curie és Frédéric Joliot 1934-ben felfedezték a mesterséges radioaktivitást. Amikor az atommagban egy neutron elnyelődik, akkor 1-gyel nagyobb tömegszámú izotóp keletkezik. Kimutatták, hogy bizonyos esetekben ez bétabomlás révén 1-gyel nagyobb rendszámú izotóppá, tehát új elemmé alakul át. Fermi és munkatársai pedig e módon próbálták a természetben elő nem forduló, az uránnál nehezebb, ún. transzurán elemeket előállítani: az uránt neutronokkal besugározva erős bétasugárzást észleltek, és ezt annak a bizonyítékául fogták fel, hogy 92-nél nagyobb rendszámú elemet hoztak létre. Az általuk feltételezett magátalakulásokat a mai tudásunk szerinti pontos felezési idők feltüntetésével adjunk meg:
| 1 | 238 | 239 | 23,5 | 239 | 2,35 | 239 |
| n + | U –> | U –> | Np –> | Pu |
| 0 | 92 | 92 | perc | 93 | nap | 94 |
1939-ben Otto Hahn és Fritz Strassmann kimutatták, hogy a neutronokkal besugárzott uránban az 56-os rendszámú bárium jelenik meg. A jelenséget ugyanabban az évben Lise Meitner és Otto Frisch úgy értelmezték, hogy a neutronok hatására az urán atommagja két részre hasad, és így jelenhetett meg a sokkal kisebb rendszámú bárium. Az észlelt bétasugárzás a hasadásban keletkező két atommagból, az ún. hasadási termékektől származtatták. Később tisztázódott, hogy mind a maghasadás, mint a Fermi által feltételezett magátalakulás végbemegy.
Az urán magja sokféleképpen hasadhat kétfelé. Példaképpen az alábbi reakciót írjuk fel:
| 1 | 235 | 94 | 140 | 1 | 1 |
| n + | U–> | Sr + | Xe + n + n |
| 0 | 92 | 38 | 54 | 0 | 0 |
A hasadási termékek jelentős neutrontöbblettel keletkeznek, így erősen radioaktívak. Ismételt bétabomláson keresztül végül stabil izotóppá alakulnak át. A fenti példában:
| 140 | 140 | 140 | 140 | 140 |
| Xe16/sec | Cs66/sec | Ba12,8/nap | La40,3/óra | Ce. |
| 54 | 55 | 56 | 57 | 58 |
A maghasadásnak még két fontos kísérője van: néhány neutron és nagy mennyiségű energia (hasadékonként 200 MeV) válik szabaddá, amiből kereken 180 MeV a hasadási termékek mozgási energiája, 20 MeV pedig a hasadási termékek radioaktív bomlása során (tehát késleltetve) szabadul fel. Ennek a reaktorok biztonsága szempontjából lesznek következményei. Végső soron a teljes 200 MeV energia hővé alakul. (Az eV – elektronvolt – az energiának az atom- és magfizikában használatos egysége: 1 eV = 1,60219 x 10-19 joule. Ekkora energiára tesz szert egy elektron, amikor 1 volt feszültség-különbség gyorsítja. 1 MeV = 106 eV).
Vannak olyan hasadási termékek, amelyek nem bétabomlással, hanem egy neutron kilökésével csökkentik neutrontöbbletüket. Így keletkeznek a későneutronok, amelyek a hasadást követően néhány sec. ill. néhányszor 10 sec késéssel jelennek meg. Számuk a hasadás pillanatában megjelenő ún. prompt neutronokéhoz képest kicsi (0,65%), jelentőségük annál nagyobb: lehetővé teszik a reaktorok szabályozását.
Weizsäcker vetette ki, majd 1938-ban Hans Bethe és Charles Crithfield számában sokkal mutatta meg, hogy a Nap belsejében uralkodó 15 millió °C-os hőmérséklet és nagy sűrűség mellett a protonok energiája elegendő arra, hogy az elektrosztatikus taszítást legyőzve héliummá egyesüljenek. A felszabaduló energia pedig képes a Nap által kisugárzott energiát fedezni. Az ilyen magreakciókat fúziónak nevezzük. Példaképpen a földi alkalmazások szempontjából jelentős fúziós reakciót írjuk fel:
| 2 | 3 | 4 | 1 |
| H + | H –> | He + | n |
| 1 | 1 | 2 | 0 |
Ebben tehát a hidrogén két izotópja, a 2-es tömegszámú deutérium (D) és a 3-as tömegszámú trícium (T) héliummá egyesül, miközben 17,6 MeV energia szabadul fel. A fúzióban tehát azonos tömegből kereken 4-szer annyi energiát lehet nyerni, mint a hasadásban. Arra való tekintettel, hogy létrejöttéhez 10-100 millió °C-os hőmérséklet szükséges, a fúziót termonukleáris reakciónak is nevezzük.
A maghasadás felfedezése megváltoztatta a történelem menetét. Az atommagból kereken milliószor annyi energiát lehet nyerni, mint a kémiai reakciókból. (Pl. a kőszén égésekor szén-atomonként mindössze 7 eV energia szabadul fel). A felfedezést követően hamar rájöttek, hogy a hasadásban szabaddá váló neutronok – megfelelő körülmények között – láncreakciót hozhatnak létre, amelynek során addig soha nem látott mennyiségű energia szabadul fel. A világ számára súlyos következményekkel járt, hogy mindez a II. világháború előestéjén derült ki. Emiatt az atomenergiának elsőként nem békés célú, hanem háborús alkalmazása valósult meg: a világháború 6 éve alatt létrehozták és 1945-ben bevetették az első atombombát. Létrehozásában magyar tudósok (Wigner Jenő, Szilárd Leó, Teller Ede) is számottevő szerepet játszottak. A békés célú alkalmazásra még évekig kellett várni: reaktor először 1951-ben termelt villamos energiát az Egyesült Államokban, atomerőművet pedig először 1954-ben kapcsoltak villamos hálózatra a Szovjetunióban.
