Atommag

Az atomok tömegének legnagyobb része egy, az atom térfogatához képest igen kis méretű, pozitív töltésű atommagban koncentrálódik. Az atommag átmérője néhányszor 10−15 m, ami az atom méretének tízezred része. A Rutherford-féle szórási kísérlet eredménye vezette végül Ernest Rutherfordot és Niels Bohrt egy olyan atommodellhez, amelyben a pozitív töltésű pici, de nehéz magot a negatívan töltött elektronok felhője veszi körül. A magban levő protonok száma adja az atom rendszámát, amely semleges atom esetén megegyezik a mag körül keringő elektronok számával. Mivel az elektronszám határozza meg a kémiai viselkedést, ezért az azonos protonszámú magok kémiai szempontból nagyon hasonlóan viselkednek, a protonszám határozza meg azt, hogy valami milyen kémiai elem (például hidrogén vagy vas). Az atommagban levő nukleonok (proton+neutron) teljes száma adja az atom tömegszámát.

Amikor a fizikusok az atommag szerkezetét kezdték vizsgálni, azzal a problémával találták magukat szemben, hogy bár a magban lévő protonok a Coulomb-erő miatt nagy erővel taszítják egymást, az atommag mégis stabil állapotban van. E problémának csak egy megoldása van, a természetben léteznie kell még egy igen rövid hatótávolságú, de nagyon intenzív erőhatásnak, amely az elektromos taszítást kompenzálja. Ez a magerő.

A fizikában általában akkor mondjuk egy rendszerre, hogy ismerjük, ha létezik egy többé-kevésbé minden tulajdonságát megmagyarázó modellünk. Az atommag esetében azonban a modellezés kivételesen nehéz:
 az atommagban jelenlevő részecskék száma 1 és 250 között mozog. Statisztikusan nem lehet tárgyalni, mert ahhoz nagyon kevés részecskénk van, az elméleti mechanika viszont már a háromtest-problémát sem tudja egzaktul megoldani.
 a magerők egzakt formája ismeretlen
Természetesen léteznek különböző modellek, amik jól magyarázzák a mag egyes tulajdonságait.

Atommagok tulajdonságai

Tömege 
Az atommag tömegét atomi tömegegységben (jele: U vagy ATE) a következő összefüggés adja meg:

Az atommag nukleonokból épül fel, melyeket a töltésfüggetlen erős nukleáris kölcsönhatás tart össze. Az összetett mag tömege mindig kisebb, mint az azt alkotó részecskék tömege külön-külön. Az előálló tömegdefektus vagy tömeghiány:
Δm = Z·Mp + (A−Z)Mn − M(X) 
A tömeghiánynak (tömegdefektusnak) megfelelő (kötési) energia tartja össze az atommagot. Értéke a Weizsäcker-féle empirikus összefüggésből állapítható meg.

Sűrűsége 
Az atommagok sűrűsége állandó, kémiai elemektől és izotópoktól függetlenül. Az atommag sűrűsége magas érték, , ami megfelel -nek. Mivel az atommag sűrűsége állandó, ezért a térfogata a tömegszámmal egyenesen arányosan, míg sugara annak köbgyökével arányosan változik.

Magerő 
Földi viszonyok között állandó struktúra az atommag, amelyet a nukleáris kölcsönhatás alakít ki. Két m tömegű nukleon között fellépő magerő hatótávolsága:   b = h/2πmc

Mérete 
A nukleon (proton vagy neutron) átmérője kb. 1 fm (= 10−15 m). Az atommag alakja közelíthető gömbbel, így az atommagok méretének számítására tapasztalati összefüggést alkalmazunk:

ahol
 R a mag sugara
 A a tömegszám,
 és  1,2 fm.

A mag sugara 0,005%-a (1/20 000) az atom sugarának. A mag sűrűsége olyan nagy, hogy egy liternyi maganyag tömege körülbelül 200 000 000 000 tonnát nyomna. A kompakt neutroncsillagokat teljes egészében nukleonok alkotják, sűrűségük tehát megegyezik az atommagéval.

Atommagok csoportosítása

Felépítésük szerint 
 izotóp: azonos protonszám, eltérő neutronszám (például:  és )
 izotón: azonos neutronszám, eltérő protonszám (például:  és )
 izobár atommagok: azonos nukleonszám, eltérő protonszám (például:  és )
 izomer magok: a rendszám és a tömegszám is azonos, csak a mag energiaállapotában van különbség

Stabilitás szerint 
 stabil magok (1)
 olyan atommagok, amelyeknél radioaktivitást nem tapasztaltak
 kb. 271 ilyen atommagot ismerünk
 például: 12C, 14N, 16O

 elsődleges természetes radionuklidok (2)
 olyan természetes radioaktív magok, amelyek megtalálhatóak a Naprendszer keletkezése óta
 felezési idejük nagyon hosszú
 26 ilyen mag ismert
 Például: 238U (T=4,47 év), 40K (T=1,28 év), 87Rb (T=4,8 év)

 másodlagos természetes radionuklidok
 Olyan magok, amelyek (2) keletkezése révén bomlanak
 Felezési idejük nagyon rövid, a Naprendszer keletkezése óta nem találhatóak meg
 38 ilyen mag ismert
 Például: 226Ra (T=1600 év), 234Th (T=24,1 nap)

 Indukált természetes radionuklidok
 állandóan keletkeznek a kozmikus sugárzás hatására
 10 ilyen mag ismert
 Például:  ³H (T=12,3 év), 14C (T=5730 év)

 mesterséges radionuklidok
 emberi tevékenység során keletkeztek, a természetben nincsenek számottevően jelen
 2000 ilyen mag ismert
 Például: 60Co, 137Cs, 24Na

További információk 
 Horváth Ákos: Egzotikus atommagok szerkezete, PDF
 Az atommag szerkezete

 Bódizs Dénes: Atommagsugárzások méréstechnikái. Typotex Kiadó, 2006. 

Magfizika
Kémiai alapfogalmak
Anyagok