Magfizika

Rutherford: He²⁺ ionokkal aranyfüstlemezt bombázott. A He²⁺ ionok nagy része háborítatlanul haladt át a lemezen. Az atom pozitív töltésű, nagy tömegű, kis átmérőjű alkotórészét atommagnak nevezte el. Az atommag tömegének mérése a megfelelő atom vagy ion tömegének mérésével oldható meg. Kísérleti tapasztalat szerint az atommagok tömege közelítőleg egyenlő a hidrogénatommag tömegének egész számszorosával. MA~= A×MP. Az 'A' a tömegszám.
Az atommag elektromos töltését legegyeszerűbben az atomi elektronok vizsgálatával megoldani. Ha egy nagy energiával haladó elektron vagy foton az n=1 főkvantumszámú állapotból kilöki az egyik ott lévő elektront, akkor a megüresedett állapotba a magasabb energiaszintek valamelyikéről egy atomi elektron hamarosan lezuhan fotonkisugárzás közben. Ahhoz, hogy az elektron tatósan benn legyen az atommagban, az E_m=10^-10 J-nál jóval mélyebb elektromos energiára lenne szükség. Az elektron bezártságból való mozgását az elektromos vonzás nem képes féken tartani.

Tömegspektroszkópia: Az atomok ionjai elektromos és mágneses mezővel kölcsönhatásba lépnek. E mezőkön áthaladva eltérülnek az eredeti mozgásirányuktól. Az eltérülés mértékéből kiszámíthatjuk az ion tömegét. Az ion így mért tömegéből levonva az elektronok tömegét, megkapjuk az atommag tömegét. A q töltésű m tömegű ion U gyorsító feszültségen áthaladva v sebességre tesz szert: qU=mv²/2. A v sebességű ionokat homogén mágneses mezőbe vezetik, az indukcióvonalakra merőleges síkban. Ekkor az ionok a Lorentz-erő hatására R sugarú körpályán állnak.

Tömegdefektus: (Tömeghiány) Az atommagot alkotó nukleonok tömegösszegének és az atommag tömegének a különbsége. A tapasztalat szerint az atommag tömege kisebb, mint a magot alkotó részecskék tömegének összege. A tömegdefektus az atom stabilitása métrékének tekinthető, ugyanis a tömeg energia ekvivalencia törvény értelmében a tömegdefektusnak megfelelő energiamennyiséget kell közölniük a maggal, hogy alkotórészeire bomoljék. A tömegdefektus egyenértékű a magnak nukleonokból való keletkezése alkalmával felszabadult energiával. Az atomenergia hasznosítása a atommagátalakításnál a kiindulási és végtermékek tömegkülönbségének megfelelő magenergia hasznosítását jelenti.

Könnyű magok: 2H, a deuteron egy protonból és egy neutronból összeállt atommag. A 2He, azaz két proton már nem marad egyedül. A protonok között fellépő elektromos taszítás és a szűk tartományra bezárt protonok mozgása fölött nem képes úrrá lenni a két proton nukleáris kölcsönhatása. 2He atommag nem létezik. A 3H, 3He, 4He atommagok léteznek. Egy-egy nukleon mind több másik nukleon erős vonzását érzi: rohamosan mélyül az egy nukleonra jutó kölcsönhatási energia. Mégis, a 2 protont és 3 neutront tartalmazó 5He izotóp, vagy a 3 protont és 2 neutront tartalmazó 5Li izotóp nem létezik a természetben.

Nehéz magok: A nagyobb atommagokban egy-egy nukleon csak szomszédainak nukleáris vonzását érzi, a távolabb lévőket nem, hiszen a nukleáris kölcsönhatás hatótávolsága kisebb a mag átmérőjénél. Így az atommag belsejében egy-egy nukleon nukleáris energiája független a mag összes nukleonlainak a számától. Az atommag felületének közelében egy-egy nukleont nem szimmetrikusan vesznek körül társai. A felületi nukleon b sugarú környezete részbe üres. Ezért a felületen lévő nukleonoknak nem olyan mély a nukleáris energiájuk, mint a belül lévőknek.

Energiavölgy: Egyetlen nukleonra átlagosan jutó energia. A térfogati energiából egy-egy nukleonra minden atommagban ugyanannyi jut.: Ezt megemeli a felületi energia, mégpedig elsősorban a kisebb magoknál, mert ezeknél a nukleonok nagyobb hányada kerül a felületre. Sok proton a Coulomb-energiatagot növeli. Ha a protonok és a neutronok száma nagyon különbözik, akkor pedig a Pauli-tag nagy. Mivel a nagyobb tömegszámú atommagokban szükségszerűen több a proton is, a Coulomb- és a Pauli-tag járuléka a tömegszám növekedtével emelkedik. Az energiavölgy legmélyebb pontját az A=56, Z=26, azaz az ⁵⁶Fe tájékán találjuk. A kisebb magok felé a völgy meredeken emelkedik, mert viszonylag nagy a felületi energiajárulék. A nagyobb magok irányában a völgy lankásan fut felfelé: a növekvő protonszám emeli a Coulomb-energiát. Ez a proton-neutron-arány eltolásával kissé mérsékeli a Pauli-energia, ezért a völgy elkanyarodik az A tengely irányába, a nagyobb tömegszámú magok legmélyebb energiájú állapotát jelentős neutrontúlsúly jellemzi.

Nukleáris kölcsönhatás: Az atomag alkotórészeit összetartó erő. Rövid hatótávolságúak, s más erőtípusokkal nem azonosíthatók. A hatótávolságon belül levő nukleonok igen nagy erővel vonzzák egymást, ezért a mag stabilitása nagy. A magok kötési energiája nem a tömegszám négyzetével (A2), hanem csak A-val arányos. Jellegzetes tulajdonsága még, hogy függetlenek a nukleonok töltési állapotától.

Rádioaktivitás: Egyes elemek azon tulajdonsága, hogy minden külső beavatkozás nélkül, radióaktív sugárzás kibocsátása közben elbomlanak, és más elemekké alakulnak. A természetes rádióaktivítás a természetben előforduló néhány elemnek és izotópjainak tulajdonsága. A 80-nál nagyobb elemek rendszámú elemek és néhány könnyebb elem izotópjai rádioaktívak. Mesterségesen rádioaktívak azok az elemek és elemek izotópjai, amelyek a természetben nem fordulnak elő, és mesterségesen, atommáglyában, gyorsító berendezésekben atom robbanásakor, rádioaktív besugárzás hatására lezajló magreakciókban keletkeznek. A rádióaktív bomlás sebességét a felezési idővel, illetve a bomlási állandóval jellemezzük. A bomlás sebessége független a külső tényezőktől.
A rádióaktív bomlásnál fellépő rádióaktív sugárzás 3 fajtáját ismerjük: alfa-béta-gamma sugarakat. Az 'a' sugarak kétszeresen ionizált héliumatomok, a bomlás után kettővel kisebb rendszámú, néggyel kisebb atomsúlyú elemet kapunk. A 'b' bomlásnál a neutrino is kilép az anyagból. A mag atomsúlya az elektron kis tömege miatt nem változik, rendszáma viszont növekszik. A neutron protonná vagy a proton neutronná alakul át elektron kibocsátása vagy elnyelése révén. A 'g' sugárzás igen rövid hullámhosszú, nagy energiájú, nagy áthatolóképességű elektromágneses sugárzás, amely mindig csak 'a' vagy 'b' sugárzással fordul elő. A rádióaktiv bomlás által keletkezett új elem gyakran ismét rádioaktív. Az aktivitás mértékegysége az 1 becquerel (bomlás/s).

Maghasadás: Az atommagok energia-felszabadulással járó széthasadása. Hahn és Strassmann fedezte fel, hogy a nehéz atommagok neutronok, nagy sebességű elektromos töltéssel bíró részecskék vagy gamma sugarak hatására könnyebb atommagokká hasadhatnak szét. A maghasadáskor keletkezett részecskék összes tömege kisebb, mint a hasadó mag tömege. E tömegkülönbség alakul át energiává. A felszabaduló energia legnagyobb részét a hasadási ternékek mozgási energiája teszi ki; kisebb része rádioaktiv sugárzás formájában jelentkezik. A hasadási termékek a másodperc törtrészétől több ezer évig terjedő idő alatt stabilis magokká alakulnak át. Minden egyes mag hasadásakor átlagban két vagy több neutron keletkezik, s ezek újabb maghasadásokat hozhatnak létre. Ha a hasadó anyag mennyisége elég nagy, akkor elérhető az az állapot, melynél a neutronok s ezzel együtt a maghasadások száma állandó marad, vagy rohamosan nő (láncreakció). Ha pl. urániumból a kritikus tömegnél több kerül együvé, akkor a nagy sebességgel lefolyó láncreakció következtében hirtelen nagy mennyiségű energia szabadul fel, robbanás jön létre.

Láncreakció: Olyan egymás után következő, nagy sebességű reakciók sorozata, amelyek mindegyikében keletkezik egy, a következő lánctag gyors lefolyását okozó termék. Maghasadási láncreakció megy végbe az atommáglyában és az atombombában. A láncreakciót egy vagy néhány neutron indítja meg. A neutron hasít pl. egy U²³⁵ magot. A hasadáskor felszabaduló neutronok további uránmagokat hasítanak. Itt újabb neutronok termelődnek, ezek ismét hasítanak. Önfenntartó hasadási láncreakciók csak akkor tudnak létrejönni, ha időegység alatt a hasadáskor termelődött neutronok száma meghaladja a hasadóanyagból eltávozott és különféle szennyeződéseken hasadás nélkül elnyelődött neutronok számát. A hasadóanyagoknak ezért egyrészt nagymértékben mentesnek kell lenniük, nehogy túl sok neutron távozzék belőlük hasítás nélkül. Azt a hasadóanyag-méretet vagy tömeget, ahol már létrejöhet önfenntartó láncreakció, kritikus méretnek, vagy kritikus tömegnek nevezzük.

Atomreaktor: Az atommag energiáját gyakorlatilag hasznosítható méretekben felszabadító berendezés, melyben a magreakciók lefolyása szabályozható. Megkülönböztetünk a könnyű atommagok egyesülésén alapuló fúziós reaktort és a magok hasadásakor felszabaduló energiát hasznosító hasadási reaktort. Az atomreaktor energiatermelő anyagai a hasadó kémiai elemek. A hasadó anyagok atommagjai kis energiájú, lassú neutronok hatására két középnehéz magra hasadnak szét, miközben néhány gyors neutron szabadul fel. Ezeket felszabadítva újabb maghasadások jöhetnek létre, és így a folyamat láncreakció alakjában folytatódik. A nagy sebességgel szétrepülő középnehéz atommagok kinetikus energiája súrlódással hővé alakul, így jelentkezik hasznosítható formában az atomenergia. A neutronok lassítására moderátorokat használnak (grafit, nehézvíz, víz). A gyors neutronok a moderátor atomjaival többször ütközve, fokozatosan lefékeződnek. A neutronfölösleget, amelynek növekedése robbanáshoz vezetne, kadmium vagy bórkarbid rudakkal nyeletik el, ezeket automatikus szabályozó berendezések vezérlik.

Magfúzió: Atommagok energiafelszabadulással járó egyesülése. Könnyű atommagok igen nagy hőmérsékleten nehezebb magokká egyesülhetnek. Az egyesüléskor keletkezett mag tömege kisebb az egyesülő magok tömegének összegénél. Az így fellépő tömegkülönbségnek megfelelő energia a keletkező új részek mozgási energiájává alakul át. Az elemek atomjai több millió fokos hőmérsékleten sokszorosan ionizált atommagokká és elektronokká bomlanak szét (plazmaállapot). A nagy hőmérséklet következtében a plazmát alkotó atommagok között az ütközések igen gyakoriakká válnak, s a magok sebessége is megnövekszik. Ez lehetővé teszi, hogy egyes magok a közöttük ható elektromos taszító erőt legyőzve elég nagy valószínűséggel egyesüljenek. A magfúzió sebessége adott hőmérséklet és nyomás mellett az egyesülő magok anyagi minőségétől függ.