Atommag szerkezete

• Atommag felépítése: nukleonokból áll, melyek
  • protonok (\(p\)), pozitív töltésű részecskék,
  • neutronok (\(n\)), semleges részecskék.
• Rendszám (\(Z\)): a protonok száma az atomban (meghatározza az elem kémiai minőségét).
• Tömegszám (\(A\)): a protonok és a neutronok összesen (\(A = Z + N\)). Itt \(N\) a neutronszám.
• Izotópok: azonos rendszámú, de eltérő neutronszámú atomfajták (pl. \(_6^{12}\mathrm{C},\ _6^{13}\mathrm{C},\ _6^{14}\mathrm{C}\)).
• Nukleáris (magerő) kölcsönhatás:
  • Rendkívül erős, nagyon kis hatótáv (kb. \(10^{-15}\,\mathrm{m}\)).
  • Összetartja a nukleonokat a magban a protonok taszító Coulomb-erő ellenére.

• Magerő (erős kölcsönhatás) következménye: a nukleonok kötött állapotban kevesebb tömeggel rendelkeznek, mint szabadon. Ez a tömegdefektus (\(\Delta m\)). \[\Delta m = (Z m_p + N m_n) - m_\text{mag}.\]
• Kötési energia (\(E_k\)): az a munka (energia), amely ahhoz kell, hogy a magot szétszedjük nukleonokra. \[E_k = \Delta m \cdot c^2.\]
• Fajlagos kötési energia: \[\frac{E_k}{A},\] amely megmutatja, mennyi energia jut egy nukleonra a magban. A görbéje (\({}_{A}\) függvényében) a vas (Fe) környékén a legnagyobb.
• Maghasadás és magfúzió energiafelszabadulása is ebből adódik: ha a folyamat a fajlagos kötési energia növekedésével jár, energia szabadul fel.

• Radioaktív bomlás: instabil atommag spontán elbomlik, közben sugárzást bocsát ki.
• Alfa-sugárzás (\(\alpha\)): He-magot (\(^4_2\mathrm{He}\)) bocsát ki, legkisebb áthatolóképesség (vastag papír is elég).
• Béta-sugárzás (\(\beta^-\)): elektron kibocsátás (egy neutron alakul át protonná + elektron + antineutrínó), illetve béta+ (\(\beta^+\)) a pozitron-kibocsátás.
• Gamma-sugárzás (\(\gamma\)): nagyenergiájú foton, a legerősebb áthatolóképesség (ólom, vastag beton gyengíti).

• Bomlási törvény: az instabil atommagok száma (\(N\)) exponenciálisan csökken az idővel: \[N(t) = N_0 \, e^{-\lambda t},\] ahol \(\lambda\) a bomlási állandó.
• Felezési idő (\(T_{1/2}\)): az az idő, amely alatt a kezdeti magok fele elbomlik, \[T_{1/2} = \frac{\ln(2)}{\lambda}.\]
• Aktivitás (\(A\)): a bomlások száma egységnyi idő alatt (\(\mathrm{Bq}\), becquerel), \(A = \lambda N\).

• Maghasadás:
  • Nehéz mag (pl. \(_{92}^{235}\mathrm{U}\)) neutronbefogás után két (vagy több) közepes magra esik szét, felszabadítva nagy energiát ( \(\approx 200\,\mathrm{MeV}\) ).
  • További neutronok is felszabadulnak, így beindulhat láncreakció, ha elég sok hasadó mag van (kritikus tömeg).
• Atomerőműben a láncreakció szabályozott:
  • moderátor (pl. grafit, víz) lelassítja a neutronokat,
  • szabályozórudak (pl. kadmium) nyelik el a felesleges neutronokat,
  • a felszabaduló hő gőzt termel, ami turbinát hajt: áramtermelés.
• Atombomba (maghasadáson alapul): a láncreakció szabályozatlan, rövid idő alatt hatalmas energia szabadul fel.

• Magfúzió:
  • Könnyű atommagok (pl. hidrogén-izotópok) egyesülése (pl. deutérium + trícium \(\to\) hélium + neutron) szintén energia-felszabadulással jár (fajlagos kötési energia nő).
  • A Nap és a csillagok energiájának forrása.
• Fúziós reaktor kísérletek (Tokamak, ITER):
  • Rendkívül magas hőmérséklet (\(\approx 10^8\,\mathrm{K}\)) és sűrűség kell, mágneses összetartás.
  • Remélt tiszta, nagy mennyiségű energiaforrás a jövőben.

• Sugárterhelés: a szervezetben abszorbeált (elnyelt) dózis (Gray, Gy) és biológiai hatás (Sievert, Sv).
• Háttérsugárzás: kozmikus és földi eredetű (radon a talajból, stb.).
• Sugárvédelem:
  • Idő: minél rövidebb ideig tartózkodni sugárzó környezetben,
  • Távolság: forrástól távoli elhelyezkedés,
  • Árnyékolás: ólom, beton, víz stb. a különböző sugárzások ellen.

• Orvosi diagnosztika (PET, SPECT, nyomjelzés), terápia (sugárkezelés).
• Ipari alkalmazás: anyagvizsgálat, rétegvastagság-mérés, sterilizálás.
• Sugárzásmérés:
  • Geiger–Müller-cső (GM-cső),
  • Ködkamra (Wilson-kamra) – páralecsapódás részecskék nyomán,
  • Szcintillációs számláló, stb.

• Stabil és instabil részecskék: pl. elektron stabil, míg a neutron szabad állapotban bomlik.
• Antirészecske: minden részecskének létezik tükörképe, pl. pozitron az elektron antirészecskéje.
• Párkeltés: nagyenergiájú fotonból részecske–antirészecske pár keletkezik (pl. \(\gamma \to e^- + e^+\)).
• Annihiláció: részecske és antirészecske ütközése fotonokká alakítja a tömegüket.

Az atommag protons (Z) és neutrons (N) alkotóelemekből áll, melyeket a nukleáris kölcsönhatás (magerő) tart össze. A tömeghiány miatt a mag kötési energiája jelenik meg, aminek nagysága határozza meg a maghasadás és magfúzió során felszabaduló energiát. A radioaktív bomlás (alfa-, béta-, gamma-sugárzás) és a felezési idő fontos az atommagok stabilitásának leírásához. A szabályozott láncreakció (atomreaktor) vagy szabályozatlan (atombomba), valamint a magfúzió a nukleáris energiatermelés alapjai. A radioaktív sugárzás biológiai hatásai és alkalmazásai (orvosi, ipari) megkövetelik a sugárvédelem és a megfelelő mérések (GM-cső, ködkamra) ismeretét. Végezetül az elemi részecskék és antirészecskék világa tovább szélesíti a magfizika határait, összekötve a köznapi és a magfizikai jelenségeket.