Az atom és tulajdonságai

Általános és szerves kémia I.

Készítette: Király Boglárka EnikőNK: JC625B

Az atom• Az atom az anyagok legkisebb kémiai

módszerekkel tovább már nem bontható része• Az atomok átmérője rendkívül kicsi, átlagosan

kb. egy tízmilliomod milliméter. A rendszám növekedésével nő.

Szerkezete:

• Szerkezetét az atommag és az elektronok közötti vonzás, az elektronok közötti taszítás, az elektronok mozgása és az energiaminimumra való törekvés határozza meg.

• Elemi részecskékből áll. (Atommag, elektronfelhő)

• Atommag átmérője m

Rutherford szórási kisérlete• Vékony aranyfóliát pozitív töltésű részecskékkel bombázott. A párhuzamosan

érkező sugarak áthatoltak, néhány sugárnyaláb eltérült, néhány pedig visszapattant.

• Így megállapítható hogy a fématomokból álló fólia nagy része a p+ részecskék számára átjárható, tehát üres. Van egy kis térrész.

• Új elmélete: Az atom félig üres térből áll rendkívül piciny sűrű centruma, magja van , mely körül az elektronok különböző méretű körpályán keringenek.

Magfúzió• A magfúzió olyan magreakció, ami során

két kisebb atommag egyesül egy nagyobbat eredményezve. Ez a folyamat lehet exoterm vagy endoterm, a kiinduló magok atomtömegétől függően. Az elemek közül a vas és a nikkel a legstabilabb (ezek rendelkeznek a legnagyobb fajlagos kötési energiával). Ha a fúzióban részt vevő elemek könnyebbek a vasnál, akkor a folyamat energiafölszabadulással jár, ellenkező esetben energiát kell befektetni.• Ez a folyamat játszódik le a csillagokban és

a hidrogénbomba robbanásakor. A vasnál nehezebb elemek fúziója (endoterm voltukból kifolyólag) szélsőséges feltételeket követel, mint például a szupernóva-robbanás. A természetben található elemek mind csillagokban és szupernóva-robbanás közben jöttek létre.

MaghasadásMaghasadás mint a radioaktív bomlás egyik fajtája neutronbefogás nélkül is végbemehet. A hasadásnak ez a típusa (spontán hasadás) néhány nagyon nehéz nuklid kivételével ritkán fordul elő. A nukleáris eszközökben (atomreaktor, atombomba) az összes maghasadás indukált hasadás – egy fajta nukleáris reakció – eredményeként jön létre.

• A neutronindukált hasadás bevezető lépéseként az atommag elnyel egy neutront, miáltal az adott elem eggyel nagyobb tömegszámú izotópja jön létre erősen gerjesztett állapotban, mely két kisebb részre hasadva szabadul meg fölös energiájától, miközben néhány neutron is „elpárolog”. A neutronindukált hasadás sebessége a neutronok energiájától és elérhetőségétől függ, ellentétben a spontán hasadással, mely a radioaktív bomlásokra jellemző exponenciális törvény szerint zajlik, állandó felezési idővel.

• A neutronindukált hasadás jellemző vonása (más magreakciókkal szemben), hogy a nukleáris láncreakción keresztül gyorsítható és esetenként szabályozható. Egy ilyen reakcióban az egyes hasadási események során keletkezett szabad neutronok további maghasadást idézhetnek elő, ami több neutron keletkezését és ezáltal még több maghasadást okozhat.

• A kémiai elemek azon izotópjait, amelyek képesek fenntartani egy hasadási láncreakciót, hasadóanyagnak nevezzük. A leggyakoribb hasadóanyagok a 235U (az urán 235-ös tömegszámú izotópja, melyet pl. a paksihoz hasonló termikus reaktorokban is használnak) és a 239Pu (a plutónium 239-es tömegszámú izotópja). Ezek magja nem szimmetrikusan hasad, hanem jellemzően egy kisebb (95 körüli tömegszámú) és egy nagyobb (135 körüli tömegszámú) hasadványra esik szét. Ezért a hasadási termékek tömegeloszlásának két gyakoriságmaximuma van A = 95 és 135 körül (bimodális eloszlás). A legtöbb hasadóanyag csak nagyon ritkán bomlik spontán hasadással, ehelyett nagyrészt alfa- vagy béta-bomlások sorozatával bomlanak el. Az atomreaktorokban és a nukleáris fegyverekben a maghasadások túlnyomó részét egy neutronnal való ütközés okozza, mely maga is egy korábbi hasadás során keletkezett.

Energetika (Maghasadás)

• Minden egyes maghasadás során jellemzően mintegy 200 millió eV (200 MeV) energia szabadul fel. Ezzel szemben a legtöbb kémiai oxidációs reakció (mint például a szén vagy TNT égése) legfeljebb néhány eV energia felszabadulásával jár egy atomra vonatkoztatva, ezért a hasadóanyagokból tömegegységenként legalább tízmilliószor nagyobb mennyiségű energia nyerhető, mint a kémiai tüzelőanyagokból. A maghasadás során az energia a hasadási termékek és magtöredékek mozgási energiájaként valamint elektromágneses sugárzásként, gamma-sugárzás formájában szabadul fel. Az atomreaktorokban az energia hővé alakul, ahogy a részecskék és a gamma-sugarak a reaktor szerkezeti anyagának vagy hűtőközegének – amely általában víz, vagy ritkábban nehézvíz – atomjaival ütköznek.

Egy kis meglepi

• Amikor az urán magja két termékmaggá hasad, ~200 MeV energia szabadul fel. Az urán-235

esetén (teljes hasadási energia: 202,5 MeV) jellemzően ~169 MeV jut a termékmagok

mozgási energiájára, ezért azok a fénysebesség kb. 3%-ával repülnek szét. Ezen kívül

átlagosan 2,5 neutron szabadul fel, egyenként ~2 MeV mozgási energiával (összesen 4,8

MeV). A hasadás során ~7 MeV prompt gamma-foton is keletkezik. Ez azt jelenti, hogy

atomrobbanás vagy kritikussági baleset során a teljes energia mintegy 3,5%-a gamma-

sugárzás, és kevesebb mint 2,5%-a gyors neutronok formájában szabadul fel, míg a többi a

hasadási termékek mozgási energiájává („hővé”) alakul. Egy atombombában ez a hő a bomba

magjának hőmérsékletét akár 100 millió kelvinre is felemelheti, így másodlagos vagy lágy

röntgensugárzás léphet fel, amely ennek az energiának egy részét ionizáló sugárzássá alakítja.

Az atomreaktorokban azonban a hasadási termékek mozgási energiája nem hoz létre ilyen

magas hőmérsékletet, így nem vagy alig történik ionizáció.

• Az azonnal felszabaduló (prompt) hasadási energia mintegy 181 MeV, a teljes energiának

~89%-a. A fennmaradó ~11% béta-bomlások során, valamint az azt kísérő gamma-sugárzással

szabadul fel. Ezen bomlások felezési ideje nagyon eltérő lehet, de a folyamat azonnal

megkezdődik a hasadási termékek kialakulásakor. Az urán-235 esetén például a késleltetett

energia megoszlása: 6,5 MeV béta, 8,8 MeV antineutrínó (a béta-sugárzással egyidejűleg), és

további 6,3 MeV késleltetett gamma-sugárzás a gerjesztett állapotú béta-bomlástermékekből

(mindent összevetve így átlagosan ~10 gamma foton keletkezik minden egyes

maghasadáskor).

Radioaktív bomlás• A radioaktivitás a nem stabil (úgynevezett radioaktív) atommagok bomlásának

folyamata. Ez nagy energiájú ionizáló sugárzást kelt. Radioaktív sugárzás a természetben is előfordul. Mérésére részecskedetektorokat használnak.

• Három fontosabb fajtája van. Egyre nagyobb áthatolóképességgel:

• Alfa-bomlás során az atommagból• egy hélium atommag (erősen kötött 2

proton és 2 neutron) válik ki. Erősen ionizáló, viszont a hatótávolsága levegőben 1 cm alatti.

• Béta-bomlás során az atommagban neutronból lesz proton, elektron kibocsátása közben. Így a béta-sugárzás valójában elektronsugárzás. Közepesen ionizáló hatású, hatótávolsága levegőben pár tíz cm.

• Gamma-bomlás során energia távozik nagy energiájú fotonként. Az előbbiek kísérőjelensége szokott lenni. Hatótávolsága légüres térben praktikusan végtelen, a nagy tömegszámú elemek (általában ólom) gyengítik hatékonyan.

Jó Szerencsét!