A múlt század közepe egy új korszak születését jelentette az emberiség történetében. A kőkorszakot egykor a bronzkor váltotta fel, majd a vas, a gőz és az elektromosság uralkodásának időszakai következtek egymás után. Jelenleg az atom korszakának legelején járunk. Még a legfelszínesebb ismeretek is az atommag felépítésével kapcsolatban soha nem látott távlatokat nyitnak meg az emberiség előtt.
Mit tudunk az atommagról? Az a tény, hogy a teljes atom tömegének 99,99%-át teszi ki, és részecskékből áll, amelyeket általában nukleonoknak neveznek. Mik azok a nukleonok, hányan vannak belőlük, mik azok, ma már minden középiskolás, akinek fizikából szilárd négyes van, tudja.
Hogyan képzeljük el az atom szerkezetét
Jaj, nem fog hamarosan megjelenni egy olyan technika, amely lehetővé teszi az atomot, az atommagot alkotó részecskék megtekintését. Több ezer kérdés merül fel az anyag elrendezésével kapcsolatban, és sok elmélet létezik az elemi részecskék szerkezetéről is. A mai napig az elmélet, hogyválaszol a legtöbb kérdésre, az atom szerkezetének bolygómodellje.
Eszerint a negatív töltésű elektronok egy pozitív töltésű atommag körül keringenek, amelyet elektromos vonzás tartja. Mik azok a nukleonok? Az a tény, hogy az atommag nem monolitikus, pozitív töltésű protonokból és neutronokból áll - nulla töltésű részecskékből. Ezek azok a részecskék, amelyekből az atommag épül, és ezeket szokás nukleonoknak nevezni.
Honnan jött ez az elmélet, ha ilyen kicsik a részecskék? A tudósok arra a következtetésre jutottak az atom bolygószerkezetére vonatkozóan, hogy különféle mikrorészecskék sugarait irányították a legvékonyabb fémlemezekre.
Mik a méretei
Az atom szerkezetére vonatkozó ismeretek nem lesznek teljesek, ha nem képzeli el elemeit egy skálán. Az atommag rendkívül kicsi, még magához az atomhoz képest is. Ha elképzel egy atomot, például aranyat, egy hatalmas, 200 méter átmérőjű léggömb formájában, akkor a magja csak … egy mogyoró lesz. De mik is azok a nukleonok, és miért játszanak olyan fontos szerepet? Igen, már csak azért is, mert az atom teljes tömege bennük koncentrálódik.
A kristályrács fészkeiben az aranyatomok meglehetősen sűrűn helyezkednek el, így a szomszédos "diófélék" távolsága az általunk elfogadott skála szerint körülbelül 250-300 méter lesz.
Proton
A tudósok régóta gyanítják, hogy az atommag nem valamiféle monolit anyag. Fájdalmasan feltűnő volt a tömeg és a töltés nagysága, amely „lépésenként” nőtt egyik kémiai elemről a másikra. Logikus volt feltételeznihogy vannak bizonyos fix pozitív töltésű részecskék, amelyekből „összegyűjtik” az összes atom magját. Hány pozitív töltésű nukleon van az atommagban, ez lesz a töltése.
Az atommag összetett szerkezetére vonatkozó feltevések még Mengyelejev elemeinek periódusos rendszerének felépítésének időszakában születtek. Abban az időben azonban nem léteztek technikai lehetőségek a sejtések kísérleti megerősítésére. Ernest Rutherford csak a 20. század elején végzett egy kísérletet, amely megerősítette a proton létezését.
A radioaktív fémek sugárzása által az anyagnak való kitettség eredményeként időről időre megjelent egy részecske - egy hidrogénatom magjának másolata. Súlya azonos volt (1,67 ∙ 10-27 kg) és atomi töltése +1.
Neutron
Gyorsan levonták a következtetést, hogy egy másik részecskét kell keresni, távollétében neutronnak nevezett. Mivel az a kérdés, hogy hány nukleon van az atommagban és mik ezek, a tömeg és a töltés egyenetlen növekedésében rejlik az elem sorszámának változásával. Rutherford feltételezte, hogy létezik egy nulla töltésű proton iker, de nem sikerült megerősítenie sejtését.
Általában a nukleáris tudósoknak már volt jó elképzelésük arról, hogy mik is azok a nukleonok, és az atommagok mennyiségi összetétele. És a megfoghatatlan részecske, amelyet kísérletileg még senki sem fedezett fel, a szárnyakban várakozott. James Chadwicket a felfedezőjének tartják, akinek sikerült elkülönítenie a "láthatatlant" az anyagtól,ultranagy sebességre gyorsított héliummagokkal (α-részecskék) történő bombázásnak vetve alá. A részecske tömege a várakozásoknak megfelelően megegyezett a korábban felfedezett proton tömegével. A modern kutatások szerint a neutron valamivel nehezebb.
Egy kicsit bővebben az atommag "téglájáról"
Könnyű kiszámítani, hogy egy kémiai elem vagy izotópjának magjában hány nukleon van. Ehhez két dologra van szükség: periódusos rendszerre és számológépre, bár fejben is lehet számolni. Példa erre az urán két közös izotópja: a 235 és a 238. Ezek a számok az atomtömeget jelentik. Az urán sorszáma 92, mindig az atommag töltését jelöli.
Mint tudod, az atommagban lévő nukleonok lehetnek pozitív töltésű protonok vagy azonos tömegű, de töltés nélküli neutronok. A 92-es sorszám a protonmagban lévő számot jelöli. A neutronok számát egyszerű kivonással számítjuk ki:
- - urán 235, neutronok száma=235 – 92=143;
- - urán 238, neutronok száma=238 – 92=146.
És hány nukleont lehet egyszerre összehozni? Úgy tartják, hogy a kellõ tömegû csillagok életének egy bizonyos szakaszában, amikor a termonukleáris reakció már nem képes visszatartani a gravitációs erõt, a csillag beleiben a nyomás annyira megnõ, hogy az elektronokat „megragad” protonok. Ennek eredményeként a töltés nullává válik, és a proton-elektron párból neutron lesz. A keletkező anyag, amely "préselt" neutronokból áll, rendkívül sűrű.
A Napunkban súlyzó csillag golyóvá változiktöbb tíz kilométer átmérőjű. Egy teáskanál ilyen „neutronkása” több száz tonnát is nyomhat a Földön.
