Az abszorpció. Az anyag a rajta áthaladt sugárzás, amely lehet röntgen-, gamma- vagy korpuszkuláris sugárzás, energiájának egy részét, vagy az egészet magában visszatartja és rendszerint más energiává alakítja át. Ezt a visszatartott energiát nevezzük elnyelt, ill. abszorbeált energiának, a jelenséget pedig abszorpciónak.
Ha az atom által elnyelt energia, pl. egy röntgen- vagy gamma-foton energiája, elég nagy ahhoz, hogy valamelyik kötött elektront kiemelje, úgy az elhagyja pályáját és valamelyik külső energianívón köt ki, vagy mint szabad elektron teljesen kilép az atom kötelékéből. Az utóbbi jelenséget az illető energiaforma tiszta elnyelésének nevezzük. Az ionizált atom nem stabil, mindig a legrövidebb időn belül igyekszik visszajutni eredeti semleges állapotába.
Tegyük fel, hogy egy röntgenfoton egy atom K-pályájáról kiemel egy elektront. Az elnyelt foton energiája akkora, hogy az elektront az atom kötelékéből teljesen kiragadja. Az atom ebben az új, nem stabil állapotában a hiányt a legrövidebb időn belül (kb. 10-8 másodperc) pótolni igyekszik, ami abban áll, hogy valamelyik külső energianívóról egy elektron a K-pályára esik. Az így szabaddá váló helyre újból valamelyik külsőbb pályán keringő elektron kerül stb. Minden alkalommal, amikor valamelyik elektron ily módon pályát cserél, a két pálya energiakülönbsége meghatározott frekvenciájú energiakvantumként, ill. foton alakjában hagyja el az atomot.
Esetünkben pl. EK-EL1=h×v. Ezt a jelenséget jellemző vagy karakterisztikus sugárzásnak nevezzük, mert a kisugárzó fotonok hullámhosszából pontosan megállapítható, milyen kémiai elemtől származnak.
A K-pályára jutó elektronok ún. K-sugárzást, az L-pályára esők L-sugárzást stb. eredményeznek. A hiányos energianívóra bármely külső energianívóról eshet elektron és ennek megfelelően különböző energiájú lehet a K-, L-, M- stb. sugárzás.
Az L1-pályáról a K-pályára eső elektron kisugárzó energia különbségét Ka1-gyel, az L2 pályáról a K-pályára esőt Ka1-vel, az M-pályáról esőét Kb1-gyel és az N-pályáról a K-pályára esőét Kb2-vel szokás jelölni stb.
Minél távolabbi pályáról esik az elektron, annál nagyobb lesz a kisugárzó energiakülönbség.
Azt a munkát, amely ahhoz szükséges, hogy az elektron az atomból éppen hogy kiszabaduljon, kilépési munkának nevezzük. Ha az atom által elnyelt energia nagyobb ennél, akkor a maradék energia az atom kötelékéből kiszabadított elektron sebességét fokozza. Az energiaelnyelés következtében az atomból kilépő elektronokat fotoelektronoknak nevezzük.
Az anyagok abszorpciója annál nagyobb, minél nagyobb az őket alkotó atomok Z rendszáma.
A szórás. Az anyag és a sugarak kölcsönhatásából nemcsak az előbbi fejezetben tárgyalt karakterisztikus és fotoelektron-sugarak keletkeznek.
Az anyagon áthaladó fotonok egy része szóródik és eredeti irányától eltér. A szórás hullámhosszváltozással vagy anélkül megy végbe.
Azt a jelenséget, amikor a szórt sugarak hullámhossza nagyobb, mint a primer sugaraké és a szórással szoros kapcsolatban elektronok is kiszabadulnak, Compton-effektusnak nevezzük.
A Compton-szórás ábrázolása,
felül a szórt fotonokat és alul a visszalökő elektronokat nyilak ábrázolják.
Az egyező számozású nyilak az összetartozó szórt fotonok és visszalökő
elektronok irányát, valamint energiájuk nagyságát mutatják.
Planck és Einstein feltételezi, hogy ha a primer sugár fotonja egy lazábban kötött elektronnal ütközik és ezáltal eredeti haladási irányától eltér, úgy a foton az ütközés alkalmával energiájának egy részét az elektronnak átadja. Az irányát változtató foton tehát kisebb energiával halad tovább, és így a hullámhossza csak nagyobb lehet a primer fotonénál. A primer és szórt foton közötti energiakülönbség az ütköző elektront csak gyorsítja.
ahol h×v a primer foton energiája; h×v a szórt foton energiája; Ek az energiakülönbség, amely az ütköző elektront v sebességre gyorsítja.
A szórási jelenségek annál valószínűbbek, minél több a primer sugarakat gyengítő anyagban a lazán kötött elektronok száma. Tehát a kis rendszámú (Z) anyagok jobban szórnak. A primer sugárzás energiájának növekedésével a szórási jelenségek szintén szaporodnak.
A szórás másik igen fontos jelensége az elektronkibocsátás (az elektronemisszió). A fotoelektronokkal ellentétben azonban az ún. Compton, vagy visszalökő elektronok sebessége kisebb.
A Compton-effektus gyakorlati vizsgálatánál feltűnt, különösen nagy tömegek besugárzásánál, hogy a szórt sugarak között a számítottnál hosszabb hullámhosszúságúak is vannak. Ez részben a Compton-elektronok lefékezéséből származó fotonokkal magyarázható, főleg azzal, hogy ugyanaz a foton több ízben is szóródik. Minden egyes laza elektronnal való ütközésnél a tovahaladó foton veszít energiájából és így hullámhossza mind nagyobb lesz, míg végül vagy távozik a besugárzott tömegből, vagy benne hőenergiává alakul.
A párképzés. Az eddigiek alapján arra kellene következtetnünk, hogy az anyagon áthaladó röntgensugárzás gyengítése, az elnyelődés és szóródás következtében, a fotonok energiájának növekedésével, egyenletesen csökken.
Ezzel szemben a nagy energiájú röntgen- és gamma-sugaraknál azt tapasztaljuk, hogy pl. ólomnál összgyengítésük kb. 3,5 MeV-ig csökken, azután pedig fokozatosan nő. Ebből arra következtetünk, hogy egy bizonyos energianagyságtól kezdve a röntgensugarak és gamma-sugarak fokozottabb kölcsönhatásba lépnek az anyaggal.
1928-ban P. A. M. Dirac, a cambridge-i egyetem elméleti fizikusa számításaiból arra következtetett, hogy léteznie kell a negatív elektronokon kívül pozitív elektronoknak is. Dirac számításai szerint valamilyen elemi részecske, pl. az elektron összenergiája
Ebben a kifejezésben, amely két egymásra merőleges vektor eredője, p a részecske impulzusa (tömegének és sebességének szorzata), c a fény sebessége vákuumban, és m0 a részecske nyugalmi tömege. A négyzetgyöknek értéke, mint tudjuk, lehet pozitív és negatív is. A Dirac-féle képlet alapján tehát az elektron energiájának értéke lehet negatív is és pozitív is. Ebben nincs okunk kételkedni, mert a képletbe helyettesítve az elektron töltését és tömegét pontosan a hidrogénatom elektronjának mágneses nyomatékát (spínjét) és minden egyéb tulajdonságát kapjuk. Dirac elméleti megfontolásából következik, hogy a pozitív és negatív
elektronok csak ellenkező irányú mágneses nyomatékukban és ennek következtében ellenkező előjelű elektromos töltésükben különböznek.
Néhány év múlva, 1932-ben Anderson megtalálta a pozitív elektront a kozmikus sugarak által a ködkamrában láthatóvá vált részecskék sokasága között (a ködkamrában a gyors kiterjedés következtében túltelítetté vált gőz elsősorban az ionokra csapódik le, így az ionizáló sugárzás láthatóvá válik a ködkamrában és lefényképezhető). A ködkamrafelvételen ugyanis felfedezett a mágneses mezőben ellenkező irányban haladó nyomokat, amelyek csak egyforma pozitív és negatív töltésű elemi részecskéktől származhatnak. További pontos vizsgálatok kiderítették, hogy ezek a részecskék csak elektronok lehettek. A pozitív elektront pozitronnak nevezték el. Azóta ez az antianyag-részecske már ismert az atomfizikában. Jellemző rá, hogy nagyon rövid életű és mindig hamarosan egyesül egy negatív elektronnal, átalakulva sugárzó energiává (fotonná). Íme, eljutottunk annak felismeréséhez, hogy az anyag átalakulhat tiszta, tömeggel nem rendelkező elektromágneses energiává és fordítva, mint ezt a továbbiakban látni fogjuk.
Megfigyelték ugyanis, hogy igen nagy energiájú röntgen- és gammafotonok anyagon áthaladásuk közben átalakulhatnak anyagi részecskékké, úgy mondjuk materializálódnak. Az elegendő nagyságú h×v energiájú
foton ugyanis anyagi részecskékbe ütközve két ellenkező töltésű, és v1 és v2 sebességű elektronná változik át. A primer sugár gyengítését ezen jelenség által párképzésnek nevezzük. A párképzésnél a foton h×v energiája részben a materializáláshoz szükséges, részben pedig az elektronpár mozgási energiájává alakul át.
Az elektron nyugalmi energiája Einstein szerint
Az elektronpár nyugalmi energiája tehát ennek kétszerese, vagyis 1022 keV. Ebből következik, hogy a párképzésnél
Ek1 és Ek2 az elektronpár mozgási energiája. A párképzés tehát csak olyan sugárzásnál lehetséges, amelynek a fotonenergiája legalább 1022 keV.
Mivel a párképzésnél is mozgó elektronok keletkeznek, akárcsak az abszorpciónál a fotoelektronok és a szórásnál a Compton-elektronok, ezért a nagy energiájú sugarak ionizáló hatása a kisebb energiájúaktól lényegesen nem különbözik.
A sugárzás gyengítése 5 MeV energiájú fotonok esetében a párképzés folytán kb. egyenlő nagy a Compton-effektussal. 30 MeV-nál a sugárzás gyengítése a párképzés révén már kb. tízszer nagyobb.
A magfotoffektus. Az igen nagy energiájú fotonok magával az atommaggal is kölcsönhatásra léphetnek. Ezt nevezhetjük a negyedik kölcsönhatásnak a fotonok és atomok között. Az atommag részecskéit, a protonokat és neutronokat kb. 8 MeV köti egymáshoz. Az atommaggal ütköző foton kedvező körülmények között is csak akkor lesz képes az atommag valamelyik építőkövét kiragadni, ha energiája nagyobb a mag részecskéit összetartó energiánál.
Dirac antielektron elméletének kísérleti igazolása után a fizikusok nagy érdeklődéssel kezdték keresni az antiprotonokat, amelyek proton tömegű, de negatív töltésű részecskék, azaz negatív protonok lennének. Minthogy a proton 1836-szor nagyobb, mint az elektron, létrejöttéhez ennek megfelelően sokkal nagyobb energia bevetésére van szükség. Az várható volt, hogy egy negatív és pozitív protonpár csak akkor képződik, ha az anyagot olyan atomi lövedékekkel bombázzák, amelyeknek energiája nem kisebb, mint 4,4 GeV. Ezt a feladatot tartva szem előtt építeni kezdték Berkeley-ben, a kaliforniai egyetem sugárzási laboratóriumában és New Yorkban a brookhaveni National Laboratoryban két nagy részecskegyorsítót, amelyekkel az atomi lövedékeket olyan sebességre kívánták felgyorsítani, hogy energiájuk elegendő legyen a protonpár képződéséhez. 1955 októberében a kaliforniaiak jelentették, hogy 6,2 GeV-os atomi lövedékekkel bombázott céltárgyból negatív töltésű protonok kirepülését figyelték meg.
Ahogyan a pozitronok az elektronokkal érintkezve megsemmisülnek, ugyanúgy várni lehetett, hogy a negatív protonok is megsemmisülnek, ha az atommag pozitív protonjaival ütköznek. A proton-antiproton megsemmisülési folyamattal járó energia kb. 2000-szeresen múlja felül az elektron-pozitron ütközést kísérő energiát.
Az antiprotonok felfedezését 1956-ban követte az antineutron felfedezése, vagyis azé a részecskéé, amely éppen olyan viszonyban van a rendes neutronnal, mint a negatív proton a pozitív protonnal. Minthogy ez esetben elektromos töltés nincs, a neutron és az antineutron közötti különbséget kizárólag a kölcsönös megsemmisítóképességük alapján lehet definiálni.
Az atom magját alkotó protonokon és neutronokon, valamint az atom külső burkának alkotóelemein, az elektronokon túl, a fizikusok egymás után fedeztek fel egész sor más részecskét, amelyek, bár nem állandó részei a magnak, de sajátságaikkal fontos szerepet játszanak.
A radioaktív béta-bomlás kezdeti vizsgálataiból tudjuk, hogy valami nem volt egészen rendben az ehhez tartozó energiamérleggel. Minthogy egy atommagnak másféle atommaggá alakulásakor elvárható, hogy egy bizonyos fajta mag valamennyi tagjánál ugyanannyi legyen a felszabaduló összes energia, feltételezték, hogy kell lennie valamilyen más részecskének is, amely a magból az elektronnal együtt távozik és amely magával viszi az energiamérleg hiányzó mennyiségét. Minthogy a béta-bomlás elektromostöltés-mérlegével semmi baj sincsen, a feltételezett részecskének elektromosan semlegesnek kell lennie; más megfontolásból pedig, hogy nyugalmi tömege a fotonéhoz hasonlóan zérus. Fermi ennek a részecskének a neutrinó nevet adta. Minthogy nincs töltése, sem tömege, a neutrinó a legnagyobb könnyedséggel hatol át mindenféle anyagon. Ezért a neutrinók a különböző magreakciókban észrevétlenül szöknek meg impulzusukkal és energiájukkal együtt.
A neutrinóhipotézis teljes bizonyítására megpróbálták pályájukon magukat a neutrinókat elfogni. A neutrinó szinte hihetetlen kibúvóképességének ellenére a fizikusoknak mégis sikerült 1955-ben közülük néhányat foglyul ejteni és ezzel vitán felül igazolták létezésüket. F. Reines és C. Cowan a Los Alamos-i kutató laboratóriumban azt a neutrinók és protonok közötti ütközést használta fel, amelynél a neutrinónak szerepe van abban, hogy pozitív elektron képződik és a proton neutronná alakul át:
Az elemi részecskék egyre növekvő családjának következő tagja ugyancsak tisztán elméleti megfontolások alapján született. 1935-ben Yukawa japán elméleti fizikus megfontolások alapján egy új részecske feltételezését javasolta, amely felelős lenne a magban levő protonok és neutronok közötti nagy kötőerőkért.
A kozmikus részecskéknek a ködkamrában erős mágneses pólusok között kialakult pályáit vizsgálva Anderson észrevette, hogy néhány - mind pozitív, mind negatív töltésű - részecskének a pályáját a mágnes jobban elhajlította, mint az a gyors protonok esetében várható lett volna, viszont lényegesen kevésbé, mint az elektronokét. Ennek a mágneses eltérítésnek kiértékelésével Anderson megállapította, hogy az újfajta részecske körülbelül 200-szor nehezebb, mint az elektron, s ez jól egyezett Yukawa elméleti jóslásával. Ezt mezonnak nevezték el.
Tíz évvel később C. F. Powell angol fizikus igazolta, hogy kétféle mezon létezik: p-mezon (vagy pion), amely a légkör felső határán a primer kozmikus sugarak hatására jön létre és a m-mezon (vagy müon), amely a pionból körülbelül 10-8 sec. alatt spontán keletkezik a következőképpen:
Ezenkívül vannak még semleges pionok is (m0). A semleges pion élettartama nagyon kicsi, körülbelül 10-16 s, és nagy sebessége ellenére két gamma-kvantumra esik szét:
A pozitív és negatív, valamint a semleges pionok nagyon erős kölcsönhatásban vannak az atommagokkal, ezért úgy vélik, hogy ezek azok a részecskék, amelyeket Yukawa a nukleáris erők magyarázatára feltételesen bevezetett.
Nagyobb energiájú gyorsítók (Bevatron és Cosmatron) lehetővé tették a pionok előállítását és ezzel meggyorsult a mezonok tanulmányozása.
Müonokat elég nagy számban lehet észlelni a Föld felszínén. A vizsgálatok szerint a felezési idejük kb.10-6 s. A müon elektronra és két neutrinóra bomlik:
A pionok és müonok felfedezése után újabb részecskék bukkantak elő, egyrészt a kozmikus sugarak tanulmányozásával, másrészt az új, nagy energiájú részecskegyorsítók kísérleteivel kapcsolatosan. E részecskék közül a K-mezonok tömege az elektron és a nukleonok tömege közé esik, mások, mint a D-, S-, X- és W-részecskék nagyobb tömegűek, mint a nukleonok, ezek az úgynevezett hiperonok. Utóbb mindinkább kérdéses lett, hogy ezen az egyre növekvő listán valóban elemi-e minden részecske? Az alábbi táblázatban találjuk a fontosabb elemi részecskék jelét, töltését, nyugalmi tömegét és energiáját, a felezési idejüket, valamint bomlástermékeit.
A fontosabb elemi részecskék néhány jellemzője.
Neve |
Jele |
Töltése |
Nyugalmi tömege, kg×10-27 |
Nyugalmi energiája (E=m0×c2), MeV |
Felezési idő T1/2 |
Bomlás- termékei |
|
mo |
mo/meo |
||||||
Leptonok |
|
||||||
foton |
g |
0 |
0 |
0 |
0 |
Stabil |
- |
neutrinó |
n |
0 |
0 |
0 |
0 |
Stabil |
- |
elektron |
e-, b- |
-1 |
0,00091 |
1 |
0,511 |
Stabil |
- |
pozitron |
e+, b+ |
+1 |
0,00091 |
1 |
0,511 |
Stabil |
b+ + b-®2®g |
müon |
m+, m- |
+1, -1 |
0,1884 |
206,78 |
105,66 |
1,525.10-6 s |
b± + 2n |
Mezonok
|
|
||||||
pion |
p0 |
0 |
0,2407 2 |
264,2 |
135,0 |
6×10-17 s |
2g |
p-mezon |
p+, p- |
+1, -1 |
0,2487 |
273,2 |
139,6 |
18·10-9 s |
m±+n |
K-mezon |
K+ |
+1 |
0,8805 |
966,6 |
493,8 |
6·10-7 s |
2p vagy 3p |
K0-mezon |
K0 |
0 |
0,8874 |
974,2 |
497,9 |
6×10-7 s |
2p |
Nukleonok
|
|
||||||
proton |
p |
+1 |
1,6725 |
1836,1 |
938,26 |
Stabil |
- |
neutron |
n |
0 |
1,6748 |
1838,6 |
939,55 |
700 s |
p+b- + n |
deuteron |
d |
+1 |
3,3443 |
3670 |
1875,5 |
Stabil |
- |
triton |
t |
+1 |
5,0070 |
5497 |
2808,8 |
12,3 a |
3He+b- + n |
a-részecske |
a |
+2 |
6,640 |
7294 |
3727,2 |
Stabil |
- |
Megjegyzés: Buborékkamra-felvételeken eddig több száz rövid éltű (~10-10...10-23 s felezési idejű) nehéz részecskét fedeztek fel, amelyek igen nagy (több GeVos) energia materializálódásakor jönnek létre (pl. gyorsítóban megközelítően fénysebességgel ütköző elektron és pozitron anihilálásakor) és mindaddig bomlanak, míg stabil részecskékké alakulnak. A kölcsönhatást fotonok és neutrinok közvetítik.
Nagyobb energiájú gyorsítók (Bevatron és Cosmatron) lehetővé tették a pionok
előállítását és ezzel meggyorsult a mezonok tanulmányozása.
Müonokat elég nagy számban lehet észlelni a Föld felszínén. A vizsgálatok szerint a felezési idejük kb. 10-e s* A müon elektronra és két neutrinóra bomlik:
A pionok és müonok felfedezése után újabb részecskék bukkantak elő, egyrészt a kozmikus sugarak tanulmányozásával, másrészt az új, nagy energiájú részecskegyorsítók kísérleteivel kapcsolatosan. E részecskék közül a K-mezonok tömege az elektron és a nukleonok tömege közé esik, mások, mint
nagyobb tömegűek, mint a nukleonok, ezek az úgynevezett hiperonok. Útóbb mindinkább kérdéses lett, hogy ezen az egyre növekvő listán valóban elemi-e minden részecske? A táblázaton megadtuk a fontosabb elemi részecskék jelét, töltését, nyugalmi tömegét és energiáját, a felezési idejüket, valamint bomlástermékeit.