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. E_K-E_L1=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 K_a1-gyel, az L₂ pályáról a K-pályára esőt K_a1-vel, az M-pályáról esőét K_b1-gyel és az N-pályáról a K-pályára esőét K_b2-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; E_k 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

E_k1  és E_k2 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.