Tömegek mérése
A mikrovilágban a tömegeket nem kg-ban mérjük, mert olyan kicsi semmitmondó értékeket kapnánk, amelyek egyáltalán nem szemléletesek. A különböző kísérletekben a részecskéket gyorsítókban gyorsítják fel, hogy ütköztessék más részecskékkel. A felgyorsult részecskének mozgási energiája lesz, amely az 1/2*m*v2 képlettel fejezhető ki. Ha egy töltést felgyorsítunk, akkor azt tipikusan elektromos térrel tesszük, amely a részecskének eV ( a részecske töltése * feszültség vagy töltés*potenciál ) energiát ad át. Ha a két mennyiséget egymással egyenlővé tesszük és elosztjuk mind a két oldalt a fénysebesség négyzetével, akkor azt kapjuk, hogy
1/2 * m* v2/c2 = eV/c2.
A bal oldali képlet mértékegysége tömeg lesz! Ilyen módon a jobb oldali kifejezés is ekvivalens a tömeggel, ezért a magfizikában eV/c2 vagy inkább MeV/c2 mértékegységet használnak a részecskék tömegének a jelzésére.
Az elektron tömege ennek alapján: me = 0,508 MeV/c2
Az atommag alkotórészei
Az atommag mérete több nagyságrenddel kisebb az atomok méreténél, vagyis az atomokban az elektronok messze keringenek - ahogyan korábban leírtam - az atommagtól. Ugyanakkor az atomok tömegének 99,99% az atommagban található.
Az atommagot protonok és neutronok alkotják. Mivel a protonok +1 töltésűek és tudjuk, hogy az azonos töltésű részecskék taszítják egymást, ezért kell lenni egy másik olyan erőnek - van is - amely a taszító hatást ellensúlyozza és egyben tartja az atommagokat.
proton - tömege: mp= 938 MeV / c2
neutron - tömege: mn= 940 MeV / c2
Az atommagokban lévő részecskéket protonokat és neutronokat röviden nukleonoknak hívjuk.
Magerő vagy erős kölcsönhatás
Az atommagokban lévő nukleonok egyben tartásáért a magerő vagy más néven az erős kölcsönhatás felel. Az erős kölcsönhatás tulajdonságai olyanok, hogy
- a nukleonok között csak vonzás van,
- az erőssége nagyságrendekkel nagyobb, mint az elektromos kölcsönhatás,
- a hatótávolsága olyan kicsi, hogy szinte csak a szomszéd nukleonra hat.
A fentiek alapján az atommagokat úgy lehet elképzelni, hogy a nukleonok szorosan egymás mellett vannak, egymáson elgördülnek, mintha kis golyók lennének. A fenti hatások hasonlítanak a vízben lévő vízmolekulák közötti hatásokhoz (Van-der-waals erő), ezért bevezették a vízcsepp modell fogalmát. A vízcsepp esetén a fenti hatások nyugalmi esetben gömb alakot hoznak létre.
Az atommagok alakját a magerők által létrehozott "felületi feszültség" alakítja ki. Ennek alapján az atommagok a lehető legjobban közelítik meg a gömb alakot, mivel ennek a legkisebb a felülete a tömegéhez képest.
Ez egyúttal azt is jelenti, hogyha bármiféle külső vagy belső hatásra egy vagy több nukleon eltávolodik egymástól az atommagban, akkor a magerők kis hatótávolsága miatt az elektromos kölcsönhatás taszító hatása lép életbe és az atommag széthasadhat.
Ha a periódusos rendszerben a vasnál (Fe) nehezebb atom hasad szét (=maghasadás), akkor nagy valószínűséggel energia szabadul fel, hiszen az erős kölcsönhatás energiája ilyenkor felszabadul (eltávozik) gamma sugárzás és/vagy egyéb fotonok, neutrínók formájában (ezekről később) és a maradék atommagdarabok összes tömege kisebb lesz, mint az eredeti széthasadó atommag.
Az emberiség az Urán235 izotópját atomerőművekben pontosan ilyen célra hasogatja szét, az atombombákban pedig azért, hogy elpusztítson valamit. mind a két esetben energia szabadul fel...
Ha a vasnál kisebb rendszámú atommagokat ütköztetünk nagy hőmérsékleten és nyomáson, akkor összeépülnek magasabb rendszámú elemek és ilyen módon szabadul fel energia (=magfúzió). Ez működteti a Napban és más csillagokban az energiatermelést, olyan módon, hogy 4 H atommagból létrejön egy He atommag. A forrás hidrogén atommagok összes tömege nagyobb, mint az eredő hélium. A tömeghiány szintén a magerők következménye és felszabaduló energiát jelent.
Ahogyan a vashoz közelít bármelyik folyamat végeredménye egyre inkább csökken az energiafelszabadulás hatékonysága és amikor már az anyag túlnyomó része vassá vált, akkor leáll a hasadási vagy fúziós folyamat és az anyag nem változik tovább.
Ennek az oka az, hogy a vas atommag a magerők szempontjából fajlagosan a legalacsonyabb energiaszinten van, más szóval ha az anyag hasadással vagy felépüléssel változik vasból, akkor energiát kell befektetni.
Mi történik akkor, amikor atommagok széthasadnak vagy atommagok nagy energiájú ütközése jön létre?
Az atommaghasadás energiái és lendülete
Körülbelül a XX. század elején itt tartott a tudomány és elkezdtek olyan kísérleti berendezéseket építeni, amelyek segítségével He atommagokat fel lehetett gyorsítani és ütköztették más atomokkal. Ezeket az eszközöket gyorsítóknak hívják, mivel a fénysebességgel összehasonlítható sebességre gyorsították fel velük a részecskéket és az ütközés után az ütközés "törmelékeit" lehetett velük vizsgálni. Az ütközés utáni törmeléket buborékkamrával vizsgálták, amely alapján következtetéseket lehetett levonni az elszabaduló részecskék lendületéről, fajtájáról és egyéb fizikai tulajdonságairól.
Az 1960-as évekre felfedezték, hogyha a bejövő részecske energiáját, lendületét összehasonlítjuk az ütközés utáni részecskék lendületével, és mozgási energiáival, vizsgáljuk a spin-eket és a felszabaduló fotonokat is, akkor ütközés után olyan részecskék is létrejönnek, amelyek a buborékkamrával nem figyelhetők meg, azaz nincsen elektromos töltésük.
Az így detektált és hiányzó részecskék vizsgálatával telt el a XX. század második fele.
A továbbiakban nem történetet írok, hanem tényeket közlök.