I. Az anyagszerkezetről alkotott kép változása Ókori görög filozófusok régi kérdése: Miből vannak a testek? Meddig osztható az anyag?
Platón (i.e. 427-347), Arisztotelész (=i.e. 387- 322): Végtelenségig darabolhatók „Idealizált végső alkotó” = őselem + hozzájuk kapcsolódó tulajdonságok: Tűz- meleg, száraz; Víz – hideg, nedves; levegő – meleg, nedves; föld – hideg, száraz Ezek megfelelő arányú keverékeként bármely anyag előállítható. (Megj: ezek megjelenése a horoszkópokban, jellemrajzban)
Van tovább már nem osztható alkotórész mindenféle anyaghoz. Mozgásuk, alakjuk, anyaguk meghatározó. ATOM = oszthatatlan rész (Demokritosz i.e. 460 -370.)
Alkímia feladata a megfelelő keverési arányok kiderítése, alkalmazása. (pl. aranycsinálás) Eredmény: sokféle új anyag, vegyület és reakció, vegyülési szabály megismerése Kémiailag tiszta anyagok előállítása, megismerése Lehet, hogy mégis van legkisebb alkotórész? (XVIII. század)
Az atom fogalmának felelevenítése, általánossá válása a XIX. sz. első felében (Dalton, Avogadro) A kinetikus elmélet alapjainak lerakása, a kémia gyors fejlődése. A periódusos rendszer – Dimitrij I. Mengyelejev (1834 – 1907) Jelenségek melyek arra utalnak, hogy az atom nem lehet oszthatatlan: Kémiai reakciók – mi a vegyérték? Fény és anyag viszonya (elnyelés és kibocsátás) – színkép, hőmérsékleti sugárzás, elektromágneses hullámok stb. Elektromosság, töltés és anyag viszonya (galvánelem, elektrolízis) – az elektron felfedezése (J. J. Thomson 1897) Radioaktivitás (Becquerel 1896) stb.
Atommodellek 1. Oszthatatlan részecske 2. Thomson- modell az elektron felfedezése után („ mazsolás puding”): + töltésű masszában elszórt elektronok 3. Rutherford modell: (híres szórási kísérlete után- 1911) – „naprendszer- atom” 4. Bohr- modell: Rutherford modell módosítása a kvantum hipotézis felhasználásával 5. Kvantummechanikai modell (elektronhullám)
II.
Az atommag szerkezete
Rutherford szórási kísérlete (1911.) eredményeként vált nyilvánvalóvá az atommag létezése, s hogy mérete az atom méretének kb. százezred része, viszont tömege lényegében az atoméval megegyező. Az atommag protonokból és neutronokból áll. Ezek tömege közel azonos, kb. 1840-szer nagyobb, mint az elektron tömege; a proton pozitív (p+), a neutron semleges (no) elektromos töltésű részecske. Nukleon = magot alkotó részecskék együttes neve. Protonok száma = elektronok száma a héjban = elem rendszáma (Z) A neutronok száma (N) adott kémiai elem estén is változó lehet, így beszélünk adott elem izotópjairól. Tömegszám (A) = protonok száma + neutronok száma A=Z+N 1 2 03 a hidrogén három izotópja: 1 H 1 p H 1 p 2n 0 1 H 1 p 1n 1 12 6C szén két izotópja 14 6C
6 p 6n 0
6 p 8n
0
Gyakorlatilag minden elemnek van izotópja, emiatt nem egészszám az elemek atomtömege a periódusos rendszerben, mivel izotópok keverékéről van szó. Az atomok elektronszerkezete csak a rendszámtól függ, ezért az izotópatomok kémiai viselkedése teljesen egyforma.
Kis rendszámú atommagok esetén a protonok és a neutronok száma nagyjából megegyezik ( 4 6 12 2 He, 3 Li, 6 C ,... ). A nagyobb rendszámú atommagokban a neutron-proton arány egyre jobban eltér a 210 238 neutronok javára ( 143 56 Ba , 82 Pb, 92 U ,... ):
III.
Az atommag energiája, magátalakulások
Az atommagok földi körülmények között nehezen megbontható, rendkívül stabil képződmények. Az atommag alkotórészei között ható erős kölcsönhatást nukleáris kölcsönhatásnak nevezzük: A nukleáris kölcsönhatás tulajdonságai: - az elektromos töltéstől függetlenül vonzó: a proton-proton, neutron-neutron és a proton-neutron párok nukleáris kölcsönhatása ugyanolyan - nagyon erős (erősebb, mint az elektromos kölcsönhatás, hiszen legyőzi az egymáshoz igen közeli protonok közti taszítóerőt) - rövid hatótávolságú (kb. 10-15 m; egy nukleonra csak a szomszédos nukleonok hatnak) Az atommagot összetartó nukleáris kölcsönhatást magerőnek is nevezik. Kötési energia: Stabil atommag akkor keletkezhet, ha a protonok és neutronok (röviden: nukleonok) energiája az atommagban kisebb, mint amikor egymástól távol vannak. Az atommagnak alkotórészeiből történő összeállása során energia szabadul fel. A felszabaduló energia általában sugárzás formájában távozik. Ezt a felszabaduló energiát nevezzük kötési energiának. (Mivel a folyamat során az energia csökken, a kötési energia negatív.) Megfordítva: abszolút értékben ekkora energiát kell befektetnünk, ha az atommagot alkotórészeire szedjük. A tömegdefektus Albert Einstein 1905-ben, a speciális relativitáselméletben mondta ki a híres tömeg-energia ekvivalencia elvet: E = m∙c2. E kapcsolat szerint minden energiához tömeg, és minden tömeghez energia tartozik: - az energianövekedésnek tömeggyarapodás felel meg, az energia csökkenésének pedig a tömegcsökkenés - az energia tömeggé alakulhat át, a tömeg pedig energiává
Minden atommagra igaz, hogy Z db proton és A-Z db neutron együttes tömege nagyobb, mint a belőlük létrejövő A tömegszámú és Z rendszámú atommag M tömege! A tömeghiány: M M A Z mn Z m p (negatív szám)
E M c 2 M A Z mn Z m p c 2 Ekkora tömeghiány Einstein szerint energia felszabadulással jár együtt. A kötési energiára e képletből számolt és a kísérletileg mért értékek igen jól megegyeznek. Fajlagos kötési energia (egy nukleonra jutó energia): a kötési energia és a tömegszám hányadosa: E/A Ha a fajlagos kötési energiát ábrázoljuk a tömegszám függvényében, akkor fontos megállapításokat tehetünk: D
Elemek tömegszáma
56 Fúzió
radioaktivitás
He U, Pu hasadás
Atommag
„Vastó”
energiatartalma (egy nukleonra )
Az energia-görbe a vasnál a legmélyebb (A = 56). A vas a legstabilabb elem. Ha nagy tömegszámú atommagok kisebbekre hasadnak szét, akkor ez egy mélyebb energiájú állapotot jelent, azaz energia szabadul fel. Hasonlóképpen: ha kis tömegszámú atommagok nagyobbakká egyesülnek, akkor ez szintén mélyebb energiájú állapotot jelent és energia-felszabadulással jár. 1. Magfúzió: könnyű atommagok összeolvadása, melynek létrehozásához a magok pozitív töltése miatt (elektromosan taszítják egymást) gyorsan mozgó (nagy hőmérsékletű) részecskékre van szükség. Ekkora hőmérséklet (10 – 100 millió fok) a természetben csak a csillagok belsejében jön létre, tehát azok energiatermelésének alapja a fúzió. A hidrogénbombában (USA-Eniwetok, 1952 Teller Ede, SZU 1953 Kurcsatov) ezt a hőmérsékletet hasadásos atombomba robbanással hozzák létre. Kísérletek folynak fúziós reaktorokkal is világszerte. Jelenleg Franciaországban tervezési szakaszban van egy üzemi méretű kísérleti erőmű megépítése nemzetközi összefogással. (TOKAMAK) Extrém nagy hőmérsékleteken, illetve a részecske gyorsítókban bármilyen magok egyesülése létrehozható, óriási energia befektetés árán. (transzurán elemek előállítása) 2. Radioaktivitás: felfedezője Henri Becquerel (1896). Bizonyos elemek (izotópok) sugárzás kibocsátása közben más elemekké alakulnak át (elbomlanak). mindenféle külső behatás nélkül következik be, az atomok véletlenszerűen bomlanak el. a bomlásra jellemző, hogy a kiindulási anyag mennyisége bizonyos időközönként feleződik (felezési idő), ez az adott izotópra jellemző érték. a sugárzás erőssége csak a radioaktív elem mennyiségétől függ három féle bomlás és hozzá kapcsolódó sugárzás létezik
- bomlás csökken 2 -vel csökken 4 -gyel
-bomlás növekszik 1-gyel változatlan
sugárzás összetétele
He++ atommagok
sugárzás ionizáló hatása
erős
e- elektronok (n p+ + e- ) közepes
- bomlás előző két folyamatot kíséri, gerjesztett mag alapállapotba kerül nagy energiájú elektromágneses hullámok gyenge
Közepes
nagy
bekövetkező változás
rendszám tömegszám
sugárzás áthatolóképessége kicsi
Gyakorlati alkalmazás: radioaktív kormeghatározás a régészetben Leginkább a 14-es tömegszámú szénizotópot használják kormeghatározásra. Ez a szénizotóp nitrogénből keletkezik, amikor az atommag a kozmikus sugárzásból érkező neutronokkal ütközik: 147 N n146C p A C-14 izotóp felezési ideje 5568 év, ami könnyűvé teszi a számolást az emberi történelem múltjában. Az élőlények a levegőben lévő C-14 atomokat beépítik szervezetükbe a stabil C-12-vel együtt. Az élőlény elpusztulása után a C-14 atomok magjai az idők során elbomlanak béta-bomlással nitrogénné, míg a stabil szénatomok száma az elhalt maradványban nem változik. Így megváltozik az elhalt maradványban a C-14 és a C-12 atomok számának aránya. Feltéve, hogy az utóbbi pár ezer évben a levegőbeli arányuk állandó volt, következtetni lehet az egykori élőlény (pl. múmia) korára. Az eljárás lényege: megállapítható, hogy az élő szervezetben lévő szén minden egyes grammjában percenként 16 béta-bomlás következik be. Ha a vizsgált (elhalt) anyag grammnyi szénmintája - percenként 8 béta-részecskét bocsát ki, akkor a kora 5568 év - percenként 4 béta-részecskét bocsát ki, akkor a kora 2∙5568 = 11136 év - percenként 2 béta-részecskét bocsát ki, akkor a kora 3∙5568 = 16704 év A radioaktivitás alkalmazásai közül említést érdemel Hevesy György (1885 – 1966) magyar Nobeldíjas kémikus (1943), az izotópos nyomjelzés kidolgozója. (Marie Curie, Pierre Curie, Irene Curie, Fréderic Joliot-Curie) 3. Maghasadás és láncreakció: A maghasadásos láncreakció alapötletének elvi lehetőségét 1933-ban, az akkor Angliában dolgozó Szilárd Leó vetette fel. (Anglia – szabadalom 1934) Otto Hahn és Fritz Strassman német fizikusok fedezték fel 1939-ben, hogy az urán neutron-besugárzás hatására kisebb atommagokra hasad. (bárium, kripton, ón, molibdén,..) Ezt követően világszerte lázas kutatás indult a maghasadás természetének megismeréséért. Hamarosan kiderült, hogy 1.) a hasadás csak az U-235-ös izotópban megy végbe 2.) a hasadás során neutronok is keletkeznek, melyek újabb hasadást idézhetnek elő. Ezzel megszületett a magenergia folyamatos felszabadításának, a láncreakciónak a megvalósítási lehetősége. lassú neutron
235 92
U
2 kisebb mag + 2-3 db gyors neutron + hőenergia
Láncreakció: lassított neutronok újabb
Neutron lassítás
hasadásra képes magokkal találkozhatnak
Láncreakció akkor alakul ki, ha a hasadás során keletkező neutronok többsége új hasadást okoz.
A láncreakció feltétele, hogy megfelelő sűrűségben legyenek jelen a hasadó képes magok, ezt szokták kritikus mennyiségnek nevezni az adott %-os összetételű anyag esetén. (tiszta 235-ös urán esetén ez kb. 10 kg, ami öklömnyi méretű csak!) Bombában a kritikus mennyiség alatti tömböket összerobbantják, így indul be a láncreakció, szabályozatlanul, robbanásszerűen. (Urán; plutónium) Atomerőműben szétosztva (rudakban) fűtőelemekben helyezik el a 235-ös uránt, s a keletkező neutronok számának szabályozásával (kadmium rudak ki-be mozgatásával) érik el szabályozottságot. A neutronlassító (moderátor) és a hőt elvezető anyag többnyire a víz. (Paks). Az urán hasadásának energiamérlege: Egyetlen urán-atommag hasadásakor kb. 30 pJ energia szabadul fel. Ennek legnagyobb része, mintegy 85 %-a a hasadási termékek kinetikus energiájaként (hő) jelenik meg. 1 kg urán (4,26 mol) teljes hasadásakor felszabadul 7,67∙1013 J energia. Ennyi energia 2,2∙106 kg ( 2,2 millió kg) jó minőségű szén elégetésekor szabadulna fel. Az U-235 hasadása többféleképpen mehet végbe, egy példa:
A hasadványok (Ba, Kr, Ce, Sr) erősen radioaktívak: általában -bomlással bomlanak tovább. A hasadványokat és utódaikat nevezzük hasadási terméknek. Az atomreaktorok működtetése során környezetvédelmi szempontból a legnagyobb problémát a kiégett fűtőelemekben felhalmozódott hasadási termékek biztonságos tárolása jelenti. A láncreakció gyakorlati megvalósításához sok nehézséget kellett leküzdeni: 1.) a természetes uránban a hasadásra képes U-235-ös izotóp mindössze 0,7 %-ban van jelen. Megoldás: a.) A természetes uránból ki kell vonni az U-235-ös izotópot, ami igen költséges eljárás. Az atombomba tiszta U-235-tel működik. b.) A természetes urán dúsítják, hogy az U-235 tartalma 3-5 % legyen. A legtöbb atomreaktor dúsított uránnal működik. 2.) a hasadás során keletkező neutronoknak igen nagy az energiájuk. Ezek a neutronok könnyen megszöknek, vagy az U-238-as izotóp befogja őket hasadás nélkül. Megoldás: A neutronok megszökését a reaktor méretének növelésével csökkenteni lehet. Bár az U-238 nem hasad, ha befog egy neutront, ugyanis ekkor a következő folyamat játszódik le: A 238-as urán-izotóp neutron-besugárzás hatására több lépésben plutóniummá, illetve uránná alakul: 238 239 239 235 4 92U n 93 Np e 94 Pu e 92 U 2 He A plutónium 24 000 éves felezési idővel 235-ös uránizotóppá bomlik (-bomlással): Mint kiderült, a plutónium ugyanolyan jó hasadási tulajdonságokkal rendelkezik, mint az U-235.
3.) a neutronokat le kell lassítani, mert a lassú neutronok hasítják könnyen az U-235-öt. Lassító közegnek (moderátornak) olyan anyagok alkalmasak, melyeknek kis tömegű az atommagja, és lehetőleg minél kevesebb neutront nyelnek el. Lassító közegként vizet, vagy grafitot használnak általában. A víz hidrogénje elnyeli ugyan a neutronok egy részét (miközben nehézvízzé alakul), de a tapasztalat szerint még így is marad elég neutron a láncreakció fenntartásához. Vannak olyan reaktorok, melyek természetes uránnal működnek. Ezekben már csak a nehézvíz alkalmazható moderátorként. A nehézvíz előállítása ugyancsak igen bonyolult és költséges eljárás. Atombomba: Tiszta U-235-öt használnak (vagy tiszta plutóniumot), amit ki kell vonni a természetes uránból. Amennyiben ennek mérete meghalad egy kritikus méretet, akkor magától beindulhat a láncreakció, hiszen a spontán bekövetkező hasadások miatt mindig keletkeznek neutronok. Az atombombában két tiszta U-235-ös urántömb van, melyek mérete külön-külön kisebb a kritikus méretnél, együttesen azonban meghaladják azt. Ezt a két tömböt hagyományos töltettel összerobbantják. A „biztos” működés érdekében a bomba tartalmaz egy neutronforrást is. (A kritikus méret U-235-ösnél kb. 17 cm átmérőjű gömb.) Atomreaktor: Dúsított uránt alkalmaznak, ebben az U-235 kb. 3 - 5 % -ban van jelen. Ilyen arány már elég ahhoz, hogy a lassú neutronok láncreakciót hozzanak létre. A neutronok lassítását grafittal vagy vízzel oldják meg. A továbbiakban csak azzal az esettel foglalkozunk, amikor a lassító közeg magas nyomású víz. Ez az ún. nyomottvizes reaktor, ilyen működik Pakson is 1982 óta. A nyomottvizes a legelterjedtebb reaktortípus: a világon jelenleg üzemelő atomreaktorok összteljesítményének mintegy 65 %-át adják. A nyomottvizes atomreaktor lassító közege és hűtőközege egyaránt könnyűvíz (H2O). A víz két zárt, egymástól teljesen elválasztott körben kering. A paksi nyomottvizes reaktor egy egységének vázlatos felépítése:
A reaktortartályban (R) fűtőelemként 42 tonna dúsított urán-oxid van elhelyezve hárommillió hengeres kapszulában (F). A fűtőelemek között áramlik a primer köri víz kb. 120 légköri nyomáson és 300-330 °C hőmérsékleten. A primer köri víz a gőzfejlesztőben (G) átadja hőjét a szekunder kör vizének, lehűl, majd alacsonyabb hőmérsékleten jut vissza a reaktorba. A szekunder körben levő víz (nyomása kb. 50 légköri nyomás) a gőzfejlesztőben (G) felforr. Ez a gőz hajtja a turbinát (T), a turbina pedig a generátort (G). A turbinából kilépő gőz a kondenzátorban cseppfolyósodik, ahonnan újra a gőzfejlesztőbe kerül. (Lényegében ez is egy hőerőmű!) A primer és a szekunder kör vize nem keveredik egymással! Ezért a hűtőközegbe került radioaktív anyagok a primer körben maradnak.
Szabályozó-rudak (Sz): Olyan anyagból készülnek, melyek igen hatékonyan nyelik el a neutronokat. Ilyen a kadmium és a bór. Az ilyen anyagból készült rudakat a reaktor belsejébe mélyebben vagy kevésbé mélyebben betolva, a láncreakció tetszés szerint szabályozható, vagy szükség esetén igen rövid idő alatt leállítható. A radioaktív bomlás és a maghasadás összehasonlítása: A radioaktív bomlás sebességét a felezési idő határozza meg, ami nem változtatható, az adott izotópra jellemző. A maghasadásban résztvevő atommagok számát szabályozhatjuk. A bomlás is energiafelszabadulással jár, de egy bomlás során jóval kevesebb (tized-század része) energia szabadul fel, mint egy hasadás során. Radioaktív energiaforrásokat ezért például az űrkutatásban alkalmaznak. 5. Néhány dátum: 1939. júliusában Einstein (Fermi és Szilárd Leó ösztönzésének hatására) levelet írt Roosevelt elnöknek: az atombomba kifejlesztésében feltétlenül meg kell előzni Németországot. (Manhattan-terv - Los Alamos: Oppenheimer, Fermi, Szilárd, Teller, Wigner, Neumann ) 1942. december 2-án elkészült az első reaktor (Chicago). Tervezői között volt Wigner Jenő és Szilárd Leó. A teljesítménye mindössze 200 W, de nem is energiatermelés volt megépítésének célja: a fontos az, hogy a szabályozott láncreakció megvalósítható. 1945. július 16-án kísérleti célból felrobbantották az első atombombát. (Alamogordo) 1945. augusztus 6-án Hirosimára ledobták az első U-235-el működő atombombát. (Enola Gay – Little Boy) 1945. augusztus 9-én Nagaszakira ledobták az első plutóniummal működő atombombát. (Fat Man) Rajz az elsõ atomreaktor indításáról, amely a chicagói reaktor grafitjával készült. A négy fej: Szilárd Leó, Arthur Compton, Enrico Fermi, Wigner Jenõ
Az atommáglya
