Atommag

Az atomok tömegének legnagyobb része egy, az atom térfogatához képest igen kis méretű, pozitív töltésű atommagban koncentrálódik. Az atommag átmérője néhányszor 10⁻¹⁵ m, ami az atom méretének tízezred része. A Rutherford-féle szórási kísérlet eredménye vezette végül Ernest Rutherfordot és Niels Bohrt egy olyan atommodellhez, amelyben a pozitív töltésű pici, de nehéz magot a negatívan töltött elektronok felhője veszi körül. A magban levő protonok száma adja az atom rendszámát, amely semleges atom esetén megegyezik a mag körül keringő elektronok számával. Mivel az elektronszám határozza meg a kémiai viselkedést, ezért az azonos protonszámú magok kémiai szempontból nagyon hasonlóan viselkednek, a protonszám határozza meg azt, hogy valami milyen kémiai elem (például hidrogén vagy vas). Az atommagban levő nukleonok (proton+neutron) teljes száma adja az atom tömegszámát.

A hélium-4 atom képi ábrázolása. A magban a két protont piros, a két neutront kék szín jelöli. Az ábra egymástól elkülönülten mutatja a részecskéket, a valóságban azonban a két proton a térben egymással átfedve, nagy valószínűséggel az atommag középpontjában található meg, és ugyanez igaz a neutronokra is, így mind a négy részecske pontosan ugyanazon a helyen fordul elő a legnagyobb valószínűséggel. A különálló részecskék klasszikus képe ezért nem tudja modellezni a nagyon kis atommagokban tapasztalt töltéseloszlást

Amikor a fizikusok az atommag szerkezetét kezdték vizsgálni, azzal a problémával találták magukat szemben, hogy bár a magban lévő protonok a Coulomb-erő miatt nagy erővel taszítják egymást, az atommag mégis stabil állapotban van. E problémának csak egy megoldása van, a természetben léteznie kell még egy igen rövid hatótávolságú, de nagyon intenzív erőhatásnak, amely az elektromos taszítást kompenzálja. Ez a magerő.

A fizikában általában akkor mondjuk egy rendszerre, hogy ismerjük, ha létezik egy többé-kevésbé minden tulajdonságát megmagyarázó modellünk. Az atommag esetében azonban a modellezés kivételesen nehéz:

• az atommagban jelenlevő részecskék száma 1 és 250 között mozog. Statisztikusan nem lehet tárgyalni, mert ahhoz nagyon kevés részecskénk van, az elméleti mechanika viszont már a háromtest-problémát sem tudja egzaktul megoldani.
• a magerők egzakt formája ismeretlen

Természetesen léteznek különböző modellek, amik jól magyarázzák a mag egyes tulajdonságait.

Atommagok tulajdonságai

Tömege

Az atommag tömegét atomi tömegegységben (jele: U vagy ATE) a következő összefüggés adja meg:

Az atommag nukleonokból épül fel, melyeket a töltésfüggetlen erős nukleáris kölcsönhatás tart össze. Az összetett mag tömege mindig kisebb, mint az azt alkotó részecskék tömege külön-külön. Az előálló tömegdefektus vagy tömeghiány:

Δm = Z·M_p + (A−Z)M_n − M(AZX)

A tömeghiánynak (tömegdefektusnak) megfelelő (kötési) energia tartja össze az atommagot. Értéke a Weizsäcker-féle empirikus összefüggésből állapítható meg.

Sűrűsége

Az atommagok sűrűsége állandó, kémiai elemektől és izotópoktól függetlenül. Az atommag sűrűsége magas érték, 10¹⁴ g/cm³, ami megfelel 10⁸ tonna/cm³-nek. Mivel az atommag sűrűsége állandó, ezért a térfogata a tömegszámmal egyenesen arányosan, míg sugara annak köbgyökével arányosan változik.

Magerő

Földi viszonyok között állandó struktúra az atommag, amelyet a nukleáris kölcsönhatás alakít ki. Két m tömegű nukleon között fellépő magerő hatótávolsága:   b = h/2πmc

Mérete

A nukleon (proton vagy neutron) átmérője kb. 1 fm (= 10⁻¹⁵ m). Az atommag alakja közelíthető gömbbel, így az atommagok méretének számítására tapasztalati összefüggést alkalmazunk:

$R=R_{0}A^{1/3}\$

ahol

R a mag sugara

A a tömegszám,

és $R_{0}=\$ 1,2 fm.

A mag sugara 0,005%-a (1/20 000) az atom sugarának. A mag sűrűsége olyan nagy, hogy egy liternyi maganyag tömege körülbelül 200 000 000 000 tonnát nyomna. A kompakt neutroncsillagokat teljes egészében nukleonok alkotják, sűrűségük tehát megegyezik az atommagéval.

Atommagok csoportosítása

Felépítésük szerint

• izotóp: azonos protonszám, eltérő neutronszám (például: 11H és 21H)
• izotón: azonos neutronszám, eltérő protonszám (például: 21H és 32He)
• izobár atommagok: azonos nukleonszám, eltérő protonszám (például: 146C és 147N)
• izomer magok: a rendszám és a tömegszám is azonos, csak a mag energiaállapotában van különbség

Stabilitás szerint

• stabil magok (1)
  • olyan atommagok, amelyeknél radioaktivitást nem tapasztaltak
  • kb. 271 ilyen atommagot ismerünk
  • például: ¹²C, ¹⁴N, ¹⁶O

• elsődleges természetes radionuklidok (2)
  • olyan természetes radioaktív magok, amelyek megtalálhatóak a Naprendszer keletkezése óta
  • felezési idejük nagyon hosszú
  • 26 ilyen mag ismert
  • Például: ²³⁸U (T=4,47·10⁹ év), ⁴⁰K (T=1,28·10⁹ év), ⁸⁷Rb (T=4,8·10¹⁰ év)

• másodlagos természetes radionuklidok
  • Olyan magok, amelyek (2) keletkezése révén bomlanak
  • Felezési idejük nagyon rövid, a Naprendszer keletkezése óta nem találhatóak meg
  • 38 ilyen mag ismert
  • Például: ²²⁶Ra (T=1600 év), ²³⁴Th (T=24,1 nap)

• Indukált természetes radionuklidok
  • állandóan keletkeznek a kozmikus sugárzás hatására
  • 10 ilyen mag ismert
  • Például: ³H (T=12,3 év), ¹⁴C (T=5730 év)

• mesterséges radionuklidok
  • emberi tevékenység során keletkeztek, a természetben nincsenek számottevően jelen
  • 2000 ilyen mag ismert
  • Például: ⁶⁰Co, ¹³⁷Cs, ²⁴Na

További információk

• Horváth Ákos: Egzotikus atommagok szerkezete, PDF
• Az atommag szerkezete

• Bódizs Dénes: Atommagsugárzások méréstechnikái. Typotex Kiadó, 2006. ISBN 963-9664-31-6