Mini-kurzus
Az atommag
Az atommag az atom rendkívül kicsi, mégis szinte teljes tömegét hordozó központi része. Protonokból és neutronokból áll; stabilitását nem az elektromos vonzás, hanem a rövid hatótávolságú erős kölcsönhatás és a nukleonok kvantummechanikai szerkezete határozza meg.
Miből áll az atommag?
A proton pozitív töltésű, a neutron elektromosan semleges. Egy elem rendszámát Z, vagyis a protonok száma határozza meg; a neutronok száma N változhat, ezért ugyanannak az elemnek több izotópja lehet. A tömegszám A=Z+N. Például a szén-12 magja 6 protont és 6 neutront, a szén-14 magja 6 protont és 8 neutront tartalmaz.
Mekkora a mag?
Az atommag tipikus sugara femtométeres nagyságrendű, közelítőleg R=r₀A1/3, ahol r₀≈1,2 fm. Ez azt jelenti, hogy a térfogat nagyjából arányos a nukleonok számával. Az atom teljes mérete ezzel szemben körülbelül 10⁻¹⁰ m, vagyis a mag sugara tízezres nagyságrenddel kisebb az atoménál.
Mi tartja össze?
A pozitív protonok Coulomb-taszítása önmagában szétfeszítené a magot. Rövid távolságon azonban az erős kölcsönhatás vonzó komponense dominál, és a protonokat-neutronokat kötött állapotba rendezheti. Az erős kölcsönhatás rövid hatótávolsága miatt a stabilitás nem nő korlátlanul a mag méretével.
Miért számít a neutron–proton arány?
Könnyű stabil magoknál N és Z gyakran hasonló. Nehezebb magokban több neutronra van szükség, mert a neutronok növelhetik az erős kölcsönhatásból származó kötést anélkül, hogy elektromos taszítást adnának hozzá. Ha az arány kedvezőtlen, a mag radioaktív átalakulással közelíthet stabilabb konfigurációhoz.
Tömeghiány és kötési energia
Egy kötött mag tömege kisebb, mint a különálló protonok és neutronok tömegének összege. A különbséget tömeghiánynak nevezzük, és E=Δmc² szerint kötési energiának felel meg. Ez nem „elveszett tömeg”: a kötött rendszer teljes energiája kisebb, ezért a nyugalmi tömege is kisebb.
Mit lehet ebből megérteni?
A mag szerkezete magyarázza az izotópok létezését, a radioaktív bomlást, a hasadást és a fúziót. A periódusos rendszer kémiai viselkedése elsősorban az elektronhéjtól függ, de az elem azonosságát a mag protonszáma rögzíti. A magfizika ezért közvetlenül összeköti az atomfizikát a kémiával.
Gyakori félreértés
Nem helyes úgy elképzelni a magot, mint klasszikus apró golyók merev csomóját. A protonok és neutronok kvantumállapotokat foglalnak el, és a mag kollektív rezgéseket, forgási állapotokat és héjszerkezetet is mutathat. A szemléltető „golyós” kép hasznos lehet a számláláshoz, de nem szó szerinti mikroszkopikus fénykép.
Próbáld ki
Egy mag rendszáma 17, tömegszáma 37. Hány proton és neutron van benne?
Megoldás
Z=17 miatt 17 proton van a magban. A neutronok száma N=A−Z=37−17=20. A 17-es rendszám alapján ez a klór egyik izotópja.