TESZERAKT SCI-FI KLUB

 

Bepillantás egy lehetséges mikrokozmoszba
1993 VII.22

Az a tény, hogy az anyag oszthatatlan kis részekből, atomokból áll, először Leukipposz állította i.e. V. században. Úgy gondolta, hogy minden atomanyag ugyanaz, de méreteik és alakjuk különböző. Késöbb,1867-ben, ezt mint rugalmas golyócskáknak képzelték el.
Az atom oszthatatlanságán az első rést az elektron felfedezése ütötte. Ez 1898-ban történt, és az ki ezt a felfedezést tette, készítette el az atommodellek egyikét. J.J.Thompsonnak hívták. A Thompson féle atommodellben a negatív töltésű elektronok egy pozitív töltésű gömbben helyezkednek el, mint a mazsolaszemek a pudingban. Az egyik legcsodálatosabb felfedezést az atomfizikában egy rendkívül egyszerű, szinte primitívnek mondható berendezéssel tették. Egy sugárzó rádium elé egy aranylapocskát helyeztek. A rádiumból kisugárzó hélium magok(Alfa-sugárzás) áthatoltak az aranylapocskán, mintha ott se lett volna. Mások viszont eltértek az egyenes pályájuktól és különböző szögekben szétszóródtak. Ezeket az Alfa-sugarakat egy fluoreszkáló ernyőn lehetett láthatóvá tenni villanások formájában. Ernest Rutheford legnagyobb meglepetésére megfigyelte, hogy az ernyő akkor is néha felvillan, ha a sugárzás pontosan az ellentétes oldalán helyezkedik el. Ez megmagyarázhatatlan volt! Azt, hogy a hélium magok, melyek az Alfa-sugárzást képezik áthatolnak az aranylemezen eltérés nélkül, azzal lehet megmagyarázni, hogy nem találkoztak utjukban az aranylemez részecskéivel. Azok az Alfa-sugarak, amelyek eltértek, azok biztos összeütköztek valamelyik ilyen részecskével. De mi történt azokkal az Alfa-sugarakkal, melyek teljesen visszaverődtek?


 

Ennek csak egy magyarázata lehetett: az, hogy az atomban van egy nagy tömegű mag, melynek az Alfa-részek nekiütköznek, vagy ugyanolyan elektrosztatikus töltéssel rendelkeznek (+) és eltaszítják egymást. Így alakult ki 1911-ben a Rutheford-féle atommodell: a negatív elektronok a pozitív mag körül keringenek (bolygómodell).
Ez a modell viszont ellentmondott a klasszikus fizika törvényeinek, melyek szerint egy töltéssel rendelkező test nem tudja megváltoztatni sebességét, energia vesztesség nélkül, sem  nagyság sem irány szerint. Ha viszont az elektronok forognak a mag körül, tehát egyfolytában változtatják irányukat, ez energia vesztességgel kell járjon, tehát az elektronnak sugároznia kellene, energiája csökken és végül, egy spirális úton haladva nekiütközne az atommagnak. Az atom megszűnne létezni!
Bohr volt az aki megmentette a Rutheford féle atommodellt. Véleménye szerint addig míg az elektronok bizonyos „kiválasztott” pályákon haladnak, mentesítve vannak az energia veszteségtől. Ha elhagyják viszont ezeket az ideális pályákat, energiát fognak kisugározni. Niels Bohr még állított valamit ezen kívül, éspedig azt, hogy az egyik ilyen ideális pályáról az átmenet egy másik ideális pályára ugrásképpen történik, energia veszteséggel, vagy energia elnyeléssel! Más szavakkal mondva, az elektron a pálya változtatásokhoz szükséges energiát egyszerre adja le vagy veszi fel. Bohr minden egyes állítása beigazolódót a színképek felfedezésével. A színképeken ugyanis, egy bizonyos anyagnak nem csak egyetlen rá jellemző csík jelenik meg, hanem egy egész csík sorozat, aszerint hogy az elektronok milyen pályán keringenek. Egy elektron mely távolabb kering az atommagtól, több energiával rendelkezik mint egy másik, amely az atommag közelében kering.
Abból a tényből, hogy a színképek több különálló vonalakból tevődnek össze, Sommerfeld azt a következtetést vonta le, hogy a két pálya közötti átmenet nem egyértelmű, vagyis, például a 3-as pályáról a 2-re valló átmenet többféleképpen is végbemehet, azaz egyazon elektronpályának, kisebb eltéréssel különböző energiák felelnek meg. Sommerfield megállapítása szerint, minden megengedett elektronpálya bizonyos számú alappályából tevődik össze. Ez abból adódik, hogy az elektronok pályája nem csak kör alakú, hanem különböző lapitottságú ellipszis is lehet. Az ellipszis alakú pályának alakját az „l” mellékkvantum szám jellemzi. A különböző formájú ellipszisek lehetséges számát az „n” főkvantumszám határozza meg. Az l mellékvantumszám lehetséges értékei :
l = 0, 1, 2, 3….. n-1
Így az n=1 első elektronhéj esetében csak egy pályaforma (l = 0) lehetséges, ami körpályát jelent. Az  n=2, második elektronhéj setében, az l=0 és l=1 alakú pályaváltozatok lehetségesek: az egyik körpálya, a másik az elözöhőz közel álló energiájú ellipszis.


Nyilvánvalóan, az n=2 héj l=0 alhéjáről való átmenet az n=1 héjra valamelyest különbözik az n=2 héj l=1 alhéjáról való átmenettől. Az energia különbség eltérő értékének megfelelően két, egymáshoz közelálló, színképvonal jelenik meg.
Megfigyelték, hogy gyenge mágneses térben a színképvonalak további különálló vonalakra bomlanak (Zeeman-effektus).
Tehát az eddigiekben felvázolt energiakombinációkon kívül, az elektronhéjak mágneses térben tovább tagozódnak. A pályák orientációjának lehetséges változatait az „m” mágneses kvantumszám adja meg. Az „m”, a –„l” és a +”l” közötti egész értékeket vehet fel. Például az l=1 esetében az m lehetséges értékei : m= -1, m=0, m=1.
Az elektronok meg ezeken kívül végeznek egy saját tengelyük körüli forgást. Ezt spin-nek nevezik és ez a negyedik kvantumszám. Ez két értéket vehet fel az elektronok esetében : s = -1/2 és s = +1/2


Térjünk most vissza egy kicsit Rutheford atommodelljéhez. Itt, mint említettem, van egy pozitív atommag. Ezt az atommagot protonnak nevezték el, ami görögül „a legszimplább”-at jelenti.
A legszimplább atom a hidrogén, mely egy elektronból és egy protonból áll. A következő mag a hélium, de ez, bár két protont tartalmaz, mégis négyszer nehezebb! Mi az ami ezt a tömeg különbséget adja, és mi az ami összetartja az ugyanolyan töltésű pozitronokat az atommagban?
A megoldás Németországban kezdődött, ahol Heinrich Böthe és Hans Beckes gyenge Alfa sugarakkal bombáztak egy könnyű kémiai anyagot : a berilliumot.
Minden természetes radioaktív forrás három típusú sugárzást bocsát ki magából : Alfa sugarakat, ami nem egyebek mint hélium atommagok, Beta sugarakat melyek elektronok és Gama sugarakat, amik nagy energiájú elektromágneses hullámok.
Az Alfa sugárzás következtében a berillium egy különös sugárzást bocsátott ki, amely nehézség nélkül áthatolt akár vastag ólom falakon is.
Ezek után a francia tudósokra jutott a sor. Frederic Joliot és Iréne Joliot-Curie, 1931-ben, megismételték a két német kísérletét. A sugárzás áthatolt 10 centiméteres vastag ólom falon is. Ők viszont feltették maguknak a kérdést vajon ez az új sugárzás, hogyan hat más anyagokra, az ólmon kívül? Az ólom az egyik legnehezebb anyag. Vettek tehát egy könnyű anyagot : a parafint. És csoda történt ! A parafinből az új sugárzás hatására protonok szálltak ki.
A kemény Gama sugárzás is képes volt elektronokat kitépni egy atomból, de még soha semmi nem tudott kiszakítani egy protont.
Ismerve ezeket a kísérleteket, az angol Chadwick, azt az elméletet állítja fel, miszerint ez a különleges sugárzás, egy semleges sugárzás (vagyis nincs töltése) és amelyik tömege a protonéhoz hasonló nagyságú.
A dolgok megértéséért, képzeljünk el két golyó összeütközését. Az egyik golyó melynek nagyobb a tömege (esetünkbe az ólom) helyben áll, ennek ütközik neki egy kisebb tömegű golyó (a különleges sugárzás). Az ütközés következtében a nehéz golyó a helyén marad a könnyű golyó pedig lepattan róla és elrepül a másik irányba. A parafin esetében a dolgok másképp alakulnak. Két egyforma méretű golyó ütközik össze, aminek következtében az a golyó amelyik üt helyben marad, és átadva energiáját a megütött golyónak, amaz messze repül (a mi esetünkbe a proton). Az ismeretlen sugárzásban levő részecskét elnevezték neutronnak.
Most már meglehetett magyarázni a tömeg különbségeket ( a neutronnak akkora tömege mint a protonnak, de nincs töltése).és azt is mi tartja össze a protonokat az atommagban. Nem más az mint a neutronok és protonok közötti anyagcsere ! Ezt később kísérletileg is bebizonyítottak és a proton meg neutron között kicserélt részecske a mezon nevet kapta (Yukawa,1934).
Ha egy proton átad egy mezon a neutronnak az protonná válik míg a proton neutronná, és fordítva.
Már nagyon rég megfigyelték az elemek vegyi tulajdonságait, de nem sikerült magyarázatott adni ezekre. 1885-ben, volt például egy olyan elmélet mely például a hidrogén atomot majdnem gömb alakúnak tartotta, míg a szódát és a potásziumót elnyújtott ellipszoidnak. Ez az elképzelés szerint az oxigénnek olyan úszógumi kinézése volt, melynek középső lyukja majdnem be volt zárodva, a vízmolekulához (H2O) ezek szerint csak két kerek hidrogén atomot kellett behelyezni az oxigén úszógumi két gömbnyílásába.
A molekulában levő hidrogén atom kicserélődését szódával vagy potásziummal úgy magyarázták, hogy az ellipszoid alakú atomok jobban tudnak kötődni az oxigén úszógumi nyílásaiban.
Hogyan magyarázzuk meg ma ezeket a dolgokat? Miért egyesül pl. a nátrium a klórral ahhoz, hogy konyhasót alkosson?


A válasz az, hogy a klórnak kell még egy elektron, hogy kitöltse a harmadik pályán üresen maradt helyet, míg a nátrium atomnak a két telt elektronpályáján kívül még van egy szabad elektronja. Ennek a szabadon maradt elektronnak hajlama van, hogy átvándoroljon a klór atomban, kipótolva a szabadon maradt helyet. Egy elektron elvesztése következtében a nátrium pozitív töltésű lesz, míg a klór, egy elektront kapva, negatív. Az elektrosztatikus vonzó erő következtében a két atom egymáshoz tapad és konyhasót alkot.
Ugyanez a mechanizmus szerint, egy oxigén atom (amelyiknek hiányzik két elektron) „elcsalja” két hidrogén atomtól az elektronokat és vizet alkot.
Az olyan atomok, mint például az oxigén, klór vagy nátrium és hidrogén, nem mutatnak semmi hajlandóságot arra, hogy egymással keveredjenek, mert arra törekszenek, hogy vegyenek, az elsők esetében, vagy adjanak, a másikok esetében, elektront.
Az olyan atomok melyeknek teljes az elektron héjúk, mint pl. az hélium, argon, neon, xeon, stb., semlegesek kémiailag.
De mik ezek az elektron héjak? Miért nem halmozódnak fel egy atom elektronjai a legalacsonyabb energetikai pályán?
Kísérletileg megállapították, hogy az atomok átmérője, a mag töltésszámától függetlenül, majdnem azonos. Ezek szerint az oxigén atom átmérője (8 elektron, 8 proton), majdnem akkora mint a vas atom átmérője (26 proton, 26 elektron.
Mindezekre a választ, Wolfgang Pauli, egy osztrák fizikus, adta meg a kizárási elvvel. Ez kimondja, hogy nem létezhet egy atomban két elektron melynek mind a négy kvantumszáma egyforma legyen !!

A táblázaton az első három lehetséges elektronhéj tagozódása van ábrázolva.
n = főkvantumszám 
l = lehetséges elektronpályák formája
m = mágneses térben levő pályák orientációja
s = spin
A periódusos rendszer elemei, a hidrogénnel kezdődően, az elektronhéjak fokozatosan egészítődnek ki, ha egy héj minden lehetséges pályája betelt, akkor új héj kezd betöltődni.
Noha a nehezebb elemeknél a pályák átmérője a mag fokozottabb vonzóereje miatt kisebb, ezeknél több elektronhéj van betöltve, és ez kiegyenlíti a pályaátmérők csökkenését. Így érthetővé válik miért, szinte azonos nagyságú, különböző atomok átmérője.
Amikor az orosz Mendeleev elkészítette, ma a nevét viselő táblázatott (periódusos rendszer), ő semmit sem tudott a fentiekben leírtakról, csupán az elemek kémiai tulajdonságait vette figyelembe. Döbbenetes mennyire egybevág azzal amit aztán az atom fizikusok felfedeztek.
A Mendeleev táblázatban is, az első csoportban nincs csak két elem : hidrogén és hélium. Ezt követi egy 8 elemes csoport, majd a tulajdonságok megismétlődnek mindegyik 18-ik elemnél.
Ez azt jelenti, hogy az első elektronhéj ahhoz, hogy teljes legyen kell rajta legyen két elektron, a következő elektronhéjon 8 elektron, majd mindegyik következőn héjon 18 elektron.
A Mendeleev táblázatban is, az atommagok nehézségük szerint következnek : hidrogén 1, hélium 4, stb. A neutron felfedezése itt is előrelátható, hiszen pl. az oxigénnek van 8 elektronja, miből következik, hogy a magjában 8 proton található, viszont 16-szór nehezebb mint a hidrogén!
A mezonok felfedezésével kezdték már gyanítani, hogy nem az atomok az utolsó legkisebb építő kövei a természetnek.
A mag gyorsíttok működésbe lépése után, az elmei részecskék nagyon hamar elharapóztak (lambda, szigma, xi, stb. részecskék), míg végül egy több kötetes dolgozat kellett megjelenjen ahhoz, hogy minden felfedezett részecskét nyilván tartsanak.
A dolgok azért is voltak kellemetlenek, mert megmagyarázatlan dolgok is történtek. Így például a lambda-nulla részecske különös módon viselkedett : 100.000 milliárdszor hosszabb életű volt mint ahogy az elmélet megjósolta. A xi részecskék, kétszer is furcsábbak voltak („duplán küllőnős”), mert sokkal hosszabb ideig léteztek mint kellett volna, közben szétbomlottak egy pion és egy lambda részecskére, amely magában is furcsa volt mert jóval hosszabb ideig létezet mint azt elvárták volna, mielőtt szétbomlik egy pion és egy protonra.
A fizikusok ezért bevezettek az atomfizikában egy törvényt, mely szerint az eredő részecskék „különlegessége” egyenlő kell legyen annak a részecskének a különlegességével amelyikből erednek. Ezek szerint a proton és a neutron, meg ezek antirészecskéi „furcsasága” egyenlő a nullával, a lambda részecske „furcsasága” egyenlő –1, míg az antilambdájé +1.
A régebb elemi részecskéknek hit neutron, elektron, stb. részek szétbomlanak, de vajon mi gátolja meg a proton hasadását pozitronra és fotonra? Ezt még soha nem figyelték meg.
E.P. Wigner ezt azzal magyarázta, hogy van egy törvény, a barionikus töltés törvénye, mely szerint az eredő részek barionikus értékeinek összege egyenlő kell legyen annak a részecske barionikus töltésével, amelyből erednek. Ha a proton barionikus töltése 1, a pozitroné és a fotoné nulla. Tehát 0 + 0 nem egyenlő 1, vagyis a proton nem bomolhat szét. Ez nem magyarázza meg a dolgokat, de legalább nevet ad neki.
Murray Gell-Man volt az aki rendet teremtett az atomfizika dzsungelében.1963-ban azzal az elmélettel állt elő, hogy minden részecske „kvarkokból” épül fel.
Kezdeti elképzelése szerint, három kvark létezett :

és természetesen a megfelelő atikvarkok : 
A protont az uud kvark kombináció adta (+2/3 +2/3 –1/3 = 1), a neutront pedig az udd (+2/3 –1/3 –1/3 = 0)
Minden részecske három kvarkból tevődik össze, de a mezonok, az új elmélet szerint, kvark és antikvark keverékek, vagyis csak két kvarkból állnak :  
Gell-Man készített két, tömeg szerinti, szisztematizálási grafikont, mely két külön szisztematizáló szimmetria !

 

A rajzon megjelenő egyik legfurcsább részecske a delta-plusz , melynek töltése = +1, spinje = 3/3 (vagyis egyirányú mindhárom alkotó kvark spinje), barionikus töltése = +1 (tehát nincs benne egy antikvark sem), és furcsasága = 0. Ezeket a tulajdonságokat csak a uud kvark kombináció adja, viszont ezt már egyszer a protonnak utaltuk oda! Hol a baj?
Feltételezhetni lehetett volna, hogy rossz az egész kvark elmélet, ám 1964-ben felfedezték az addig ismeretlen omega-minusz-egy részecskét!
Egy másik lehetőség az volt, hogy feltételezzük, a kvarkok spinje eltérő.

Ez megmagyarázza a jelenséget. A protonban levő d kvark spinje ellenkező irányú, mint a Delta+ részecske d kvarkjának spinje, vagyis +1/2 +1/2 –1/2 = +1/2.
A fizikus gyanítottak, hogy a kvarkoknál is érvénybe van egy Pauli-féle kizárási elv.
Mint a rajzon látható több részecske is van mely három teljesen egyforma kvarkból tevődik össze, mint pl. delta-plusz-plusz (Delta ++ = uuu), vagy omega-minusz-egy (Omega-1 = sss)!

Hogy kiküszöböljék a nehézségeket, a fizikusok bevezették a színerő fogalmát. A kvantikus kromodinamika szerint, mindegyik kvarknak három színe lehet (és azok ellenszíne): píros, sárga és kék, melyek az optikai színkeverés törvényei szerint fehéret kell adjanak !

A mezonok ebben az esetben egy színes kvark és egy ellenszínes antikvarkból állnak.
Azt a részecskét mely a kvarkokat egybe tartja „gluonnak” nevezték el, és ezek szintén színesek, pontosabban olyan két színkombinációból tevődnek össze ami nem add fehéret :
piros-ibolya / piros-narancssárga / sárga-zöld / sárga-narancssárga / kék-piros / kék-ibolya.
Azt az erőt mely összetartja a kvarkokat színerőnek hívják, tulajdonsága az, hogy kis távolságon gyenge, de mihelyt a távolság növekedni kezd a színerő is nő.
Valószínűleg soha nem fogunk egy szabad kvarkot látni, mert ahogy energiát fektetünk be a kvark szétszakítására, úgy azt az energiát arra használja fel, hogy további gluonokat termeljen, vagyis nő az összetartó színerő.
Az idő elteltével a dolgok egy kicsit bonyolódtak, így most hat kvarkról beszélünk. Tudni kell viszont, hogy a természetben megtalálható részecskék összesét modellezni lehet Gel-Man három kvarkjával, a többi három kvark a maggyorsítókban megjelenő rövid életű (10—10 másodperc) részecskék magyarázatára szükséges.