Ugrás a tartalomhoz Lépj a menübe
 


AZ ANYAG MÉRHETETLEN ARÁNYAIRÓL

Ebben  a rövid  cikkben  egyedüli  célunk  az,  hogy  megéreztessük  az  olvasóval,  mennyivel  más  az  atomok  világa,  mint  a  számunkra  megszokott,  ,,nagy"  tárgyakból  álló  látható  világ,  amelyben  egy  hüvelyk  ,,kicsit",  egy  gyűszűnyi  ,,majdnem  semmit",  egy  millió  pedig  ,,rengeteget"  jelent. 

Az  atomok,  molekulák --  nem  is  beszélve  ezeknek  alkotóelemeiről  --  a  számunkra  ismert  ,,világhoz"  képest  oly  parányiak,  hogy  az  általunk  ismert  mértékegységek  nem  is  képesek  éreztetni  velünk  a  méreteiket.  Ezért  nehéz  elképzelni  a  mikrovilágban  közönségesnek  tekinthető  hihetetlen  kis  számokat,  amelyek  az  atomok  vagy  atomrészecskék  egyéni  tulajdonságait  jellemzik,  mint  ahogy  hihetetlenül  nagyoknak  tűnnek  azok  a  számok,  amelyek  akkor  bukkannak  fel,  amikor  ezeket  az  egyéni  tulajdonságokat  átvisszük  a  külső  ,,nagy"  világ  méreteire.  Ezért  a  legtöbbször  kénytelenek  leszünk  lemondani  a  számok  ,,megnevezéséről"  és  csak  a  matematikai  hasonlatokkal  fogunk  élni.  Mert  mit  érünk  az  atomfizikában  egy  olyan  szóval,  mint  ,,ezerbillió",  hiszen  ha  csak  az  egy  gombostűfejben  található  atomokat  szétosztanók  hazánk  20  millió  lakosa  között,  valamennyiünknek  ötször  ennyi  vasatom  ,,jutna".  Ezért  ezeket  a  számokat  megfelelő  hasonlatok  segítségével  át  fogjuk  alakítani  ,,nagy",  könnyebben  érthető  számokká. 

Az  atomfizikában  használt  szokatlanul  kis  és  nagy  számok  magyarázata  nem  kizárólag  magában  az  atomfizikában,  hanem  a...  mértanban  is  keresendő.  A  mértan  szerint  egy  test  köbtartalma  arányos  az  illető  test  síkméretének  harmadik  hatványával,  röviden :  köbével.  Ha  például  egy  kocka  éle  1 cm  hosszú,  akkor  köbtartalma  1×1×1 =  1 köbcentiméter,  de  a  20  centis  kocka  köbtartalma  már  8000  köbcenti. 

Vegyünk  egy  példát,  nem  is  az  atomfizikából,  hanem  a  számunkra  ismert,  megszokott  méretű  tárgyak  világából.  Számítsuk  ki,  hány  mákszem  férne  el  egy  szobában  a  fal  tövében  a  szoba  ,,élén"  --  és  hány  fér  el  az  egész  szobában.  Vegyük  a  mákszem  átmérőjét  kereken  fél  milliméternek  és  legyen  a  szoba  5 m  hosszú,  széles  és  magas.  1 m  egyenlő  1000  milliméterrel,  a  szoba  éle  mentén  5000 :  0,5 = 10 000  mákszem  férne  el  egymás  mellett,  ami  nem  is  olyan  sok,  3 - 4 óra  alatt  meg  lehet  számolni.  Az  egész  szobában  viszont  10000 × 10 000 × 10 000  mákszemet  lehet  tárolni,  azaz  pont  ezer  milliárdot.  Hogy  ennyi  mákszemet  megszámoljunk,  mintegy  negyvenezer  évre  lenne  szükségünk.  Mennyi  mákszem,  hihetetlen!  És  ezt  a  kereskedelemben  így  fejeznék  ki :  öt  vagon  mák.  Milyen  kevés ! 

De  folytassuk  a  számítást  fordított  irányban.  Számítsuk  ki,  milyen  hosszú  lenne  az  a  sor,  amelyet  ennyi  mákszemből  lehetne  alkotni.  Ha  egy  mákszem  ,,hossza"  0,5 mm,  akkor  egy  kilométerben  1000 × 1000 × 2 =  2000 000  mákszem  van.  Tehát  valamennyi  mákszem  egymás  mellé  téve  1 000 000 000 000 :  2 00 00 =  500 000  km  hosszú  sort  alkotna,  ami  tizenkétszer  hosszabb  az  egyenlítőnél ! 

Ez  a  szám  is  csekéllyé  lesz  mihelyt  hasonló  számítást  végzünk  az  atomokkal.  Igy,  egy  1 cm - es  aluminiumkocka  élén  30  millió  atom  helyezkedik  el.  Ha  az  egész  kockában  tartalmazott  atomokat  egymás  mellé  helyeznénk,  egy  192  billió  kilométer  hosszú  láncot  alkotnánk,  amelynek  végére  a  második  kozmikus  sebességgel  száguldó  rakéta  400  év  múlva  érne  el !  Mivel  egy  köbcentiméter  alumínium  súlya  --  2,6  gramm  --  valóban  kevés,  úgy  látszik,  hogy  a  rakéta  sebessége  kicsi. 

Valójában,  ugyanazt  a  távolságot  --  192  billió  km  --  egy  rádióaktiv  elem  által  kisugárzott  részecske  ( egy  elektronjaitól  megfosztott,  két - két  protonból  és  neutronból  álló  héliummag )  120  nap  alatt  tenné  meg,  adva  lévén  hatalmas,  másodpercenként  20 000 km - es  sebessége.  Hogy  ez  a  sebesség  mennyi  energiát  képvisel,  arról  a  következő  példa  ad  megközelítő  képet :  egy  10 g  súlyú,  20 000  km/mp  sebességű  puskagolyó  energiája  ugyanakkora  lenne  mint  egy  ezer,  jól  megterhelt  vagonból  álló  100  km/óra  sebességű  tehervonaté.  Ugyanaz  az  energia  feforralna  4600  tonna  vizet,  ha  mozgási  energiája  átalakulna  hőenergiává.  Igy  aztán  könnyebben  megérthetjük,  honnan  ered  az  atomreaktorban  felszabaduló  hatalmas  hőmennyiség.  Az  urán  235 - ös  ízotópja  egy - egy  atomjának  maghasadásakor  két  kisebb  magroncs  és  két - három  neutron  repül  szét  másodpercenként  15 000 - 20 000  km - es  sebességgel.  E  részecskéket  fokozatosan  lefékezi  az  uránrudakat  körülvevő  fékezőanyag,  és  a  részecskék  mozgási  energiáját  hővé  alakítja  át  ( hasonló  módon  forrósodik  fel  a  fékpofa,  mikor  a  gyorsan  száguldó  autót  hirtelenül  lefékezzük ).  A  maghasadásból  eredő  részecskék  azonban  nem  csak  az  atommágjákban  szabadulnak  fel.  A  közönséges  kőzetekben  található,  elenyészően  kis  mennyiségű  radióaktiv  anyagok  sugárzása  a  föld  kérgének  minden  köbkilométerében  évente  mintegy  4000  kg  szén  elégésének  megfelekő  hőt  gerjeszt.  Még  egy  olyan,,tehetetlen"  massza  is,  mint  az  agyag,  tartalmaz  radióaktiv  anyagokat ;>  egy  tégla  ,,energiája"  elegendő  volna  ahhoz,  hogy  egy  világító  óramutatót  kb.  négybillió  évig,  azaz  a  föld  keletkezésétől  napjainkig  müködtessen ! 

Mindezek  a  számok  ,,természetes"  sebességgel  kisugárzott  részecskékre  vonatkoznak,  amelyeknek  energiája  mintegy  8  millió  elektron-volt  (eV),sebességük  pedig  15 000 - 20 000  km/mp.  A  modern  részecskegyorsításban  már  30  giga-elektronvoltos  (30  Ge V)  energiát  is  el  lehet  érni ;  az  így  felgyorsított  részecskék  sebessége  megközelíti  a  fény  sebességét  (300 000  km/mp),  tömegük  pedig  az  einsteini  relativitáselméletének  megfelelően,  megsokszorozodik.  Egy  30  Ge V  energiájú  protonokból  alkotott  puskagolyó  energiája  70  millió  tonna  vizet  tudna  feforralni.  Ez  azonban  eltörpül  a  kozmikus  sugarak  energiájához  képest.  Az  eddig  megfigyelt  legnagyobb  energiájú  (100  billió  GeV)  kozmikus  részecske  energiája,  átszámítva  egy  puskagolyó  tömegére,  akkora  hőmennyiséget  adna,  amely  a  világ  mai  szénfogyasztását  két  millió  évig  potolni  tudná.  Az  is  igaz  azonban,  hogy  tízszer  ennyi  szén  sem  lenne  elegendő  ahhoz,  hogy  sajátkezüleg  felgyorsítsunk  egy  puskagolyót  erre  az  energianivóra...  Azonos  energiákat  kizárólag  a  világűrben,  ebben  a  gigászi  természetes  gyorsítóban,  a  fényévek  bilióival  mért  pályák  befutásakor  tudnak  elérni  a  kozmikus  részecskék ;  míg  a  jelenleg  működő  mesterséges  gyorsítókban  a  részecskék  csupán  nehány  másodpercig  ,,tartózkodnak". 

Eddigi  példáinkban  egy  puskagolyó  súlyának,  10  grammnak  megfelelő  tömegű  atomrészecskék  energiáját  számlálgattuk  külömböző  sebességeknél.  Ahhoz,  hogy  kiszámítsuk,  mekkora  lenne  egy  ekkora  súlyú  golyó,  amely  tömören  összepréselt  atommagokból  állna,  vissza  kell  térnünk  a  köbtartalomszámításokhoz.    Szerkezetében  az  atom  --  durva  hasonlattal  élve  --  egy  bolygórendszerre  emlékeztet,  amelynek  ,,napja"  az  atommag,  ,,bolygói"  pedig  az  elektronok.  Tehát  maga  az  atom  nem  tömör  test,  hanem  olyan  rendszer,  amelynek  csaknem  egész  tömege  a  magban  sűrűsödik  össze  (az  elektron  tömege  közel  2000-szer  kisebb,  mint  az  atommagot  alkotó  protonok  és  neutronok.)  Hasonlítsuk  most  össze  az  atomot  nem  csak  alakjában,  hanem  arányaiban  is  a  naprendszerrel.  A  föld  mintegy  150  millió  km  távolságra  van  a  naptól,  a  nap  átmérője  pedig  kereken  1  millió  km.  Tehát  a  föld  pályának  átmérője  mintegy  3000-szor  nagyobb  mint  a  ,,mag"  azaz  a  nap  átmérője.  Ugyanakkor  például  egy  hidrogénatomban  az  elektronpálya  átmérője  (0,6Á ;1  Ángström  =  egy  tízmilliomod  mm)  30 000-szer  nagyobb,  mint  a  magot  alkotó  protoné.  Másszóval  az  elektron  aránylag  mintegy  100-szor  távolabb  van  az  atommagtól,  mint  a  föld  a  naptól. 

Ha  az  atomokat  megfosztanók  elektronhéjuktól  és  az  egész  anyagot  úgy  összepréselnők,  hogy  az  atommagok  egymást  érintsék,  az  anyag  köbtartalma  30 000× 30 000× 30 000-szer  kisebb,  fajsúlya  pedig  ugyanannyiszor  --  azaz  kereken  harmincezerbilliószor  --  nagyobb  lenne.  Az  1970  májusában  országunkban  (Romániában)  tomboló  árvíz  teljes  vízmennyisége  (mintegy  két  billió  tonna)  hasonló  anyag  alakjában  ewgy  4 cm  élű  kockát  alkotna.  Ha  egy  ilyen  anyagból  ,,gyártott"  puskagolyót  akarnánk  kilőni  nem  is  az  atomvilágban  megszokott  20 000  km/mp,  hanem  a  puskagolyó  számára  normális  1 km/mp,  sebességgel,  ekkor  mintegy  1 000 000 000  tonna  puskaporra  lenne  szükség,  illetve,  modernebb  mértékegységet  használva,  kb.  tízezer  olyan  atombombára,  mint  amely  Hirosímát  letörölte  a  föld  színéről.

A  legmeghökkentőbb  az,  hogy  ezúttal  nem  egyezményes,  vagy  képzeletbeli  anyagról  és  sebességről  van  szó.  A  csillagászat  ismer  olyan  csillagokat  --  az  un.  ,,fehér  törpéket"  --,  amelyek  ilyen  összesűrített  gravitációs  kollapszus  állapotában  lévő  anyagból  állnak  és   amelynek  másodpercenkénti  sebessége  kilométerek  százaival  sőt  ezreivel  mérhető.   Rövid  cikkünkben  nem  egyszer  folyamodtzunk  megvalósíthatatlan,  ,,szellemi"  kisérletekhez.  Ez  a  módszer  --  amelyet  egyébként  a  tudományí  sűrűn  használ  --  néhány  olyan  számhoz  vezetett,  amelyek  kitünően  illusztrálja  az  anyag  kimeríthetetlen  bonyolultságát,  sokoldaluságá  és  az  atomfizika  szerepét  az  anyag  szerkezetének  és  tulajdonságainak  megismerésében.

                                 OLASZ  LAJOS