Sugárzásmennyiségek a röntgennel kapcsolatban:

• a sugárzás teljes mennyisége
• a sugárzás egy adott pontban

A röntgensugárnak is van egy olyan tulajdonsága, hogy minél távolabb vizsgáljuk a sugárforrástól, annál nagyobb területet fed le.

Miért?

Mert a sugárnyaláb széttartóvá válik.

!Négyzetes sugárfogyás elve!

A lefedett terület a távval négyzetesen változik.

Magyarul:

2^{2 =}   4       (2 méter távon).

3²⁼    9        (3 méter távon).

Geometriai (négyzetes) sugárfogyás

A felületeken való áthaladás során megnézhetjük az összes energiát is. Az első felületen áthaladó összes sugármennyiség fogja elérni a második és harmadik felületet is.

Tehát az az energia, amit a sugárzás szállít változatlan lesz, hiába távolodunk.

Azonban:

1 méter távon a sugárzás 1 egységnyi felületen oszlik.

2 méter távon a sugárzás 4 egységnyi (2² ) felületen oszlik.

3 méter távon a sugárzás 9 egységnyi (3² ) felületen oszlik.       

Logikusan végigvezetve:

Ugyanaz a változatlan energia oszlik egyre nagyobb felületen.

Így a nagyobb felületre jutó intenzitás már egyre kisebb!

Összefoglalva:

A sugárzás mennyisége nem változik ugyan – de az intenzitása csökkenni fog. Egyszerűbben: a távolabbi felületre jutó teljesítmény.

A sugárzás intenzitás csökken:

• 1/1 (teljes)

     4     ¼

     9     1/9

A röntgensugár és a gammasugár is fotonokból áll.

Akár a fotonszámmal is kifejezhetőek lennének ezek az értékek, azonban nem használatosak. Azért érdemes tudni róla, mert érthetőbbé teszi a sugárzást.

Fotonkoncentráció

1 cm² területen megszámolva a fotonok számát: megkapjuk a sugárzás koncentrációját.

Vagyis a fotonkoncentráció: egységnyi felületen merőlegesen áthaladó fotonok száma.

Röntgencső keresztmetszete

Teljes fotonmennyiség

Ha teljes területen számolnánk meg a fotonokat, akkor megkapnánk a betegbe bevitt teljes sugárzási energiát.

Mennyisége függ a felület méretétől és a sugárzás intenzitásától.

Egyenletes sugárzáseloszláskor úgy is ki lehet számolni a fotonszámot, hogy összeszorozzuk a felület nagyságát a fotonkoncentrációval – a sugárnyaláb centrális részén.

fotonszám x fotonkoncentráció

Amikor csökken a felület – ezzel együtt csökken a szervezetbe belépő fotonok száma.

Expozíció

Ez egy mennyiség, ami megmutatja az adott helyre érkező sugármennyiséget.

Hagyományos mértékegysége a röntgen (R).

SI: C/kg (Coulomb/kg).

Az expozíció töltésmennyiség, ami a sugárzás hatására, ionizáció során keletkezik. Az expozíciót azért használják, mert könnyen mérhető.

A sugárzás és az anyag kölcsönhatásán alapul minden sugárzással kapcsolatos mérés.

Ez az expozíció során annyit jelent, hogy: a sugárzás és a levegő kölcsönhatása + az ebből származó ionizáció.

Kis térfogatnyi levegőben létrejövő ionizáció okán felszabaduló töltést kell meghatározni méréskor.

Eszköze: ionizációs kamra.

Elektromágneses sugárzások:

Az energiájukat közvetítik egyedi foton formájában. Ezért hívják a sugárzást kvantumtermészetűnek.

A foton abszorbeálódik – átadja az elektronnak az energiáját. Akkor a legnagyobb az esélye ennek az abszorpciónak, ha kb. egyforma a foton és az elektron energiája. Az elektron elmozdul egy másik energiaszintre – így különböző energiaállapotúak lesznek. Ennek következtében az elektronnak muszáj energiát leadni. Ez egy foton emissziójával történik meg.

Sugárzási fotonok keletkezése/abszorpciója=energiakicserélődés.

Elektromágneses sugárzás: fény. Fénysebesség: 299 792,452 km/s = 1 079 252 827,2 km/h

1 űrhajóév 299 789,5 km/s sebességnél  2200 földi év.

A foton „megállíthatatlan” (nem lehet térben megállítani, vagy tárolni). Tehát addig fog fénysebességgel terjedni, amíg nem tud valamilyen anyagban abszorbeálódni. Energiát szállít.

A sugárzást lehet jellemezni:

• Fotonenergiával
• Hullámhosszal
• Frekvenciával

Alkalmazástól függ az, hogy hogyan kell jellemezni.

Fotonenergia:

Mennyi energiát tartalmaz a foton?

eV-ban jellemezhető/annak többszörösével.

Elektromágneses spektrum: rajta van a frekvenciatartomány.

Az elnevezést megszabja: az egyedi fotonok energiája. (Fény, röntgensugár, rádióhullám).

A foton energiája azért is fontos, mert összefüggésben van a sugárzás áthatolóképességével. Lágy és kemény sugárzás, vagyis: alacsony és nagy energiájú sugárzás.

A nagy energiájú sugárzásnak nagyobb az áthatolóképessége is.

Hogyan jön létre az ionizáció?

A foton energiája meghaladja az elektron kötési energiáját – így kilöki az elektront a helyéről. (Ion képződik, tehát ionizáció jön létre). Élő szövetben ez az energia 5 és 20 eV. (Ezt kell meghaladni és akkor ionizáló sugárzásról beszélünk).

Fotonenergia használata:

Nagy energiájú sugárzásokat lehet vele jellemezni. (Röntgen, gamma, kozmikus).

Frekvencia:

Egységnyi idő alatt kialakult rezgések/hullámok száma. A foton energiája: egyenesen arányos a frekvenciával (f).

E=hxf

A h itt: Planck-állandó: 6,626*10^-34 Js.

A frekvenciával alacsony energiájú sugárzásokat jellemeznek. (Rádió, TV, MRI). A frekvenciát is lehetne használni a röntgensugár jellemzésére – de ezt nem szoktuk alkalmazni.

Hullámhossz:

A sugárzásoknak hullámtermészete is van. Hullámhossz: 2 egymást követő hullámcsúcs közötti táv.

A hullámhossz egyben kifejezi:

Egy periódus alatt a sugárzás mennyi utat tett meg a térben. Bármilyen hosszúsággal, mértékegységgel kifejezhető.

Rádió/TV jelek: Nagyobb hullámhossz, méter tartományról beszélünk.

Nagyobb energiájú fotonok: fény-röntgenfotonok: kisebb hullámhossz. Nanométer, Ångström.

Fotonenergia + hullámhossz összefüggése:

E (keV) = 1,24/l (nm)

Az energia és a hullámhossz fordítottan arányosak. A nagyobb energia kisebb hullámhosszal jár. Leggyakrabban a fény esetében alkalmazzuk a hullámhosszt. Rádiósugárzásoknál is használják: rövidhullám, középhullám, URH.

Az elektron azért lett a modern technológia alapja, mert borzasztó sok van belőle.

Kis tömegű és egy negatív elektromos töltéssel rendelkezik (1,6 × 10–^19 C). Ez az elemi töltés, egységnyinek tekintjük, akkor, amikor más részecske töltésekről van szó. Az elektron a töltése miatt tud kölcsönhatásba lépni más elektronokkal, vagy más részecskékkel.

Tömege és töltése is van: számos energiafajtára szert tehet.

Egy röntgenkészülékben: az elektron veszi fel/szállítja/adja le az energiát, ami lehetővé teszi a röntgensugár keletkezését.

Nyugalmi energia

Akkor is van energiája az elektronnak, amikor nyugalomban van. Bármilyen anyagnak, csupán a tömege miatt is energiája van. Bizonyos körülmények között: az elektron tömege energiává alakítható és vissza.

E = m × c^2

Megadja az energia mennyiségét, ha a teljes tömeget energiává konvertálnánk. c=fénysebesség.

Radioaktív anyagok pozitronjai: ha találkoznak elektronnal, megsemmisülnek, mint anyag. Ilyenkor az elektron és a pozitron teljes tömege átalakul energiává.

1 elektron 510 keV energia – fotonként jelenik meg.

A pozitronok és az elektronok közötti megsemmisülés a pozitronemissziós tomográfia alapja.

PET (pozitron annihiláció vizsgálata).

Kinetikus energia

Mozgással kapcsolatos /pl. autók/ - de ha egy elektron mozog, neki is van kinetikus energiája.

Egy tárgy kinetikus energiája:

A tömegével és a sebességével kapcsolatos. A tárgy tömegével és a sebességének négyzetével arányos.

(Valójában relativisztikus energia, ami tartalmazza a  relativisztikus tömegnövekedést).

A sebesség megduplázása tehát négyszeresére növeli a mozgó tárgy kinetikus energiáját.

Az elektron nagy sebességgel haladhat: ez megközelítheti a fénysebességet. (Ilyen sebességtartományban már nem érvényes a négyszeres összefüggés. Az a vákuumban terjedő fény sebességénél sokkal kisebb sebességgel haladó testekre vonatkozik).

Relativitás-elmélet értelmében: az elektron tömege nagy sebességnél megváltozik.

Ilyenkor az energia és a sebesség összefüggése sokkal bonyolultabb.

Egy röntgencsőben: 100 keV fölötti csőfeszültségnél az elektron sebessége elérheti a fénysebesség felét.

Potenciális energia

Tárgy helyéből/konfigurációjából következik. Adott helyen (egy másik helyhez viszonyítva) egy tárgynak lehet több, kevesebb a potenciális energiája.

Nem az abszolút nulla potenciális hely kijelölése a fontos, hanem a különböző helyekhez tartozó potenciálisenergiák. Így: relatív potenciális energiákkal kell számolni. Ez a konzervatív erőterekben hasznos mennyiség – elektrosztatikus, gravitációs kölcsönhatás.

Energiakicserélődés

Az elektronok ilyen folyamaton mennek keresztül, amikor a potenciális energiájuk átalakul kinetikus energiává. Amikor nagy sebességű elektronok ütköznek különféle anyagokkal – elvesztik az energiájukat. Ez átalakul: hővé és röntgensugárzássá.

Energiaátadás

Az elektron legfontosabb feladata – energiát szállítanak egy adott helyről másik helyre.

Egy egyedi elektron több energiaformával rendelkezhet.

Elektromos energiaszállítás:

Az elektronok energiát vesznek fel valahol, ezt elviszik egy másik helyre, ahol leadják a felvett energiájukat. Utána visszamennek az energiaforráshoz, újraindul a folyamat.

Ez a berendezés: áramkör.

Röntgen áramköre

Kisfeszültségű áramkör

Nagyfeszültségű áramkör

Nagyfeszültség: a röntgencsőbe bemenő nagyfeszültségű kábelek.

Legalább kétkomponensű minden áramkör.

Belőlük az egyik komponens az energiaforrás. Ilyenek pl. az akkumulátorok, mivel adott energiaformát átalakít, és azt átadja az elektronnak.

Másik komponens a fogyasztó. /Ellenkező funkció/.

Ha a fogyasztón áthaladnak az elektronok, elvesztik az energiát. Ez az „elvesztett” energia más formába alakul át. Izzónál: fénnyé és hővé.

Két vezetővel kötjük össze az energiaforrást és a fogyasztót.

Ideális vezeték ellenállása nulla.

Ha ellenállása van a vezetőnek, akkor az elektronok elvesztik az energiájuk egy részét. Ez hővé alakul.

Áramkörben: nem keletkezik, nem semmisül meg elektron, csak energiát adnak le és vesznek fel mozgásukkor.

Az áramkörön belül az elektronoknak csak potenciális energiájuk van, mivel a sebességük és a kinetikus energiájuk elhanyagolható.

A vezetőben elmozdulnak, a sebességük nem elég ahhoz, hogy kinetikus energiájuk legyen.

Áramkörben a vezető egyik szálában nagyobb az elektronok potenciális energiája, mint a másik szálban.

Az energiaforrás növeli az elektronok potenciális energiáját.

Az elektronnak addig van meg az energiája, amíg egy fogyasztónak le nem adja. (Izzó, villanymotor).

Ezután visszamennek az energiaforráshoz.

Csatlakozási pontok, amiket a vezető köt össze/a fogyasztó és az energiaforrás között: pozitív, negatív pólus.

A nagyobb potenciális energiájú elektronok az energiaforrás negatív pólusán lépnek ki, és a fogyasztó negatív pontján lépnek be.

Leadják az energiát, a fogyasztó pozitív pólusán lépnek ki és visszamennek az energiaforrás pozitív pólusához.

A negatív pólusok közti vezetőben mennek a nagyobb potenciális energiájú elektronok, a pozitív pólusok közti vezetőben pedig az alacsony energiájú elektronok.

(Pozitív pólus és anód, negatív pólus és katód).

Egyenáram: (DC)

A pozitív és negatív pólus nem változik.

Váltóáram: (AC)

Az áramkör polaritása megváltozik, periódusonként. (Vagyis az áram iránya).

Tápegység

 Elektromos mennyiségek

1 db elektron nagyon kevés energiát képes szállítani. Több elektron azonban már épp eleget – tehát az elektronszámtól és az energia nagyságától függ a szállított energia mennyisége, áramkörön belül.

Áramerősség

A zárt áramkörben folyamatosan mozognak az elektronok, vezetőben. 1 másodperc alatt a vezető keresztmetszetén áthaladó töltésmennyiséget – vagyis az elektronok számát – nevezzük áramerősségnek. Nagy az elektronok száma másodpercenként az áramkörben. Emiatt nem az áthaladó töltésmennyiséggel jellemezzük, hanem ettől használhatóbb mértékegységgel.

Amper (A)

Egy A másodpercenként 1 C töltés áthaladását jelenti = tehát 6,25x10^18 elektront. Röntgen esetében az A ezredrészével találkozunk: mA (milliamper). Ez 6,25x10^15 elektront jelent, másodpercenként.

Elektronmennyiség és töltés

Az elektronnak van negatív elektromos töltése. A mennyiségüket lehet jellemezni a teljes elektromos töltéssel is.

Ha feltételezzük, hogy x semleges töltéssel bír, akkor elektron hozzáadásával 1 plusz elektronja lesz (x-), ha x-ből elektront távolítunk el, akkor pozitív töltéssel fog rendelkezni /elveszített egy negatívat a semleges bármi/ (x+).

Általában:

Az elektronok mennyiségét lehet jellemezni a töltéssel. Mértékegység: Coulomb.

1 C=6,25x10^18 elektron töltése.

1 C=1000 mAs

Azon kívül, hogy mennyi elektron áramlik az áramkörben, szükséges arról is tudni, hogy bizonyos időtartam alatt mennyi töltés halad át.

Röntgen esetében: milliampersecundum (mAs) mértékegységgel lehet jelölni.

Adott ponton áthaladó töltésmennyiség: az áramerősség és az idő függvénye.

 Feszültség

Az elektronok különféle energiaszinteken lehetnek:

• atomon belül is
• áramköri lokalizációjuk tekintetében

Áramkörben: magasabb potenciális energiaszintjük van, ha a negatív pólusból kiinduló vezetőben vannak.

Feszültség = az a mennyiség, ami az áramkörben a magasabb és alacsonyabb energiaszintek közti különbséget jelöli. V (Volt).

(Valójában nem a potenciális energia, hanem a potenciál különbsége ! a feszültség).

Potenciál = egységnyi töltés potenciális energiája.

Áramkör két oldala közötti potenciális energiakülönbség: arányos lesz a feszültséggel.

Átlag röntgenben a tipikus feszültségérték: 1000 V (kV).

Teljesítmény:

Ezzel lehet jellemezni az energiaátadás sebességét. Watt (W).

1 W = 1 J/s sebességű energiaátadást jelent. Vagyis: 1 J energiaátadást jelent 1 mp alatt.

Arányos az elektronok által szállított energiával és az elektronok áramlásával.

W = V x A

teljesítmény = feszültség x áramerősség

 Teljes energia

Áramkör által átadott teljes energiamennyiség.

Meghatározza:

• feszültség
• áramerősség
• energiaátadás időtartama

J = V x A x s

energia = feszültség x áramkör x idő

Röntgen áramköre

A tápegység (vagyis az energiaforrás) átadja az energiát az elektronnak. Ezek elmozdulnak a röntgencső, vagyis a fogyasztó felé.

Vezetők közötti feszültségkülönbség: 30000-120000 V (ez 30-120 kV) tartományban van.

Ez állítható, szükség szerint.

Itt a röntgencső jelenti a fogyasztót. Az elektronok vesztik el az energiájukat. Ennek eredménye: hő és röntgensugár keletkezik.

Váltóáram, egyenáram

Egyenáramú áramkör

A feszültség és az áramerősség időben nem változik à ezért az elektronok egy irányban mozognak. (Elemes, akkumulátoros dolgok).

Váltóáram

Vannak olyan tápegységek, amik időben változó feszültséget hoznak létre.

Az áramkörben az elektronok mozgása arányos (kb.) a feszültséggel à így az áram is változtatja az értékét.

Egyenáram = lassan változó feszültségek esetén szigorúan arányos – váltóáram esetében ennek frekvenciájától függ a feszültség és az áramerősség.

Váltóáram esetében periodikusan változtatja a feszültség a polaritását. Ennek megfelelően az áram is változtatja az irányát. (A szolgáltatók is ilyet biztosítanak, transzformátorok és elektromotorok alapja).

A váltóáram szinuszhullámmal jellemezhető. Jellemzi a frekvencia, ami egy teljes feszültségperiódus időtartamának a reciproka. Európában: 50 periódus/mp.

frekvencia = 50 Hz (ciklus/sec)

A feszültségérték folyton változik a feszültségperiódus során.

Egy adott perióduson belül: 2 csúcsértéket ér el rövid időre a feszültség.

Ez azt is jelenti, hogy a feszültség effektív értéke = abszolútértékének átlaga, alacsonyabb, mint a csúcsfeszültség.

Energia – teljesítményszámítások esetén:

Az imént említettek miatt ennél alacsonyabb értékkel kell számolni. A szinuszos feszültséghullám esetén a csúcsfeszültség 70,7%-a. Ez az érték a hullámforma állandó.

Értéke a feszültséghullám alakjától függ.

Pauli-elv

Kimondja, hogy egy atomban nem lehet még két olyan elektron sem, aminek mind a négy kvantumszáma megegyezik. A kvantumszámok közül csak a fő-, a mellék és a mágneses kvantumszám vonatkozik a pályára. Ezért gyakran olvashatjuk úgy megfogalmazva a Pauli-elvet, hogy egy adott atompályán legfeljebb két, eltérő spinű elektron lehet.

Energiaminimum elve

Mindig a lehető legalacsonyabb energiájú pályára lép be az elektron. (Az elektronok lusták). Minél alacsonyabb energiájú a pálya, annál erősebben kötődik az elektron a maghoz.

Az atom alapállapotában az elektronok a legerősebben kötődnek a maghoz, leszakításukhoz a legnagyobb energia szükséges.

Az elektron gerjesztett állapotban van, ha az atommal energiát közlünk (nem mindegy, hogy mennyit, Schrödinger!) és az elektronok nagyobb energiájú állapotba kerülnek, de nem szakadnak még le az atomról.

Hund-szabály

Kimondja, hogy egy alhéjon az elektronok úgy helyezkednek el, hogy közülük minél több legyen a párosítatlan. (Az elektronok antiszociálisak). A párosítatlan elektronok azonos spinűek, a feltöltődés úgy történik, hogy egy alhéjon minél több azonos spinű elektron legyen.

Az atomok jellemző adatai

Atomméret

A legkülső héj átmérője, pm (pikométer) mértékegységben szokás megadni. 1 pm = 10^-12 m

Ionméret

Az anionok, vagy a kationok sugara. Pm-ben adjáj meg. A kationok sugara mindig kisebb, mint a megfelelő atom sugara. Az anionok sugara valamennyivel nagyobb, mint a megfelelő atom sugara.

Ionizációs energia

Az az energia, ami 1 mol alapállapotú szabad atomból a legkönnyebben leszakítható elektron eltávolításához kell. Mértékegység: kJ/mol

Második ionizációs energia

Az az energia, ami 1 mol egyszeresen pozitív töltésű szabad ionból a legkönnyebben leszakítható elektron eltávolításához kell. Mértékegység: kJ/mol

Elektronaffinitás

Az az energia, amely 1 mol gázhalmazállapotú negatív ionból a töltést okozó elektron eltávolításához kell. Mértékegység: kJ/mol

Elektronegativitás

A kötött atomok elektronvonzó képességét jellemzi. Ez mértékegység (dimenzió) nélküli, relatív érték.

Alfa-sugárzás

Pozitív töltésű, nehéz részecskékből álló radioaktív sugárzás.

Állapotfüggvény

Olyan tulajdonság, amelynek értéke kizárólag a rendszer jelenlegi állapotától függ és független attól, hogyan jutott abba az állapotba.

Béta-sugárzás

Nagy energiájú elektronokból álló radioaktív sugárzás.

Diffúzió

Az anyagok keveredése véletlenszerű molekuláris mozgások révén.

Effektív magtöltés

Egy adott elektronra ható tényleges pozitív töltés, a belső elektronok árnyékoló hatásának figyelembe vételével.

Elektrolízis

Nem spontán kémiai folyamat, amelyet elektromos áram vált ki.

Elektromotoros erő

Egy galvánelem maximális feszültsége, amely akkor mérhető, ha nem folyik át áram a rendszeren.

Elektronaffinitás

A gáz halmazállapotú atom elektronfelvételével járó energiaváltozás.

Elektronegativitás

Dimenziómentes szám (nincs mértékegysége), mely a kovalens kötésben lévő atomok elektronvonzó képességét jellemzi.

Elem (kémiai elem)

Olyan alapvető, egyszerű anyagfajta, amelyet egyszerűbb anyagokra már nem lehet bontani.

Energia megmaradás törvénye

Energiát nem lehet létrehozni, vagy megsemmisíteni, csak egyik formából a másikba átalakítani.

Féligáteresztő hártya

Olyan elválasztófal oldatok között, amely az oldószer molekulák számára átjárható, az oldott anyag molekuláinak viszont nem.

Feketetest sugárzás

Bármely test által kibocsátott, a test hőjétől függő színképű elektromágneses sugárzás.

 Főkvantumszám

Az atompálya energiáját és méretét megadó dimenziómentes szám.

Gamma sugárzás

Fotonokból álló, nagyon nagy energiájú elektromágneses sugárzás.

Galvánelem

Olyan eszköz, amelyben a spontán kémiai reakció elektromos energiát termel.

Heisenberg-féle határozatlansági reláció

Egy test sebessége és helye nem határozható meg tetszőleges pontossággal egyszerre.

Hund-szabály

Ha egynél több azonos energiájú atompálya tölthető fel, akkor mindegyik pályára először egy elektron kerül addig, amíg félig megtelik az alhéj. A félig feltöltött alhéjon minden elektron spinje azonos.

Izobár (melléknévként)

Állandó nyomáson lejátszódó.

Izoterm (melléknévként)

Állandó hőn lejátszódó.

Izotópok

Azonos rendszámú, de eltérő tömegszámú atomok.

Kolligatív sajátságok

Olyan anyagi sajátságok, amelyek csak a jelen lévő részecskék számától függenek, de azok minőségétől nem.

Le-Chatelier elv

Ha egy egyensúlyi rendszert külső hatás ér, akkor a rendszerben olyan változás indul be, amely a külső hatást csökkenti.

Magfúzió

Kisebb rendszámú atommagokból nehezebb atommagok képződése.

Maghasadás

Egy atommag két részre szakadása, általában neutron hatására (ritkábban spontán is megtörténik).

Mágneses kvantumszám

Az atompálya külső mágneses térhez viszonyított helyzetét megadó dimenziómentes szám.

Magreakció

Az atommagok egymásba alakulásával járó változás.

Mellékkvantumszám

Az atompálya háromdimenziós alakját és pálya-impulzusmomentumát megadó dimenziómentes szám.

Nyílt rendszer

A fizikai valóság olyan elhatárolt része, amelynek határain anyag-és energiaáramlás is lehetséges.

Oxidációs szám

Formális szám, amelyet egy elem, vagy vegyület minden egyes atomjához rendelünk és megmutatja, hogy az hány elektront veszített, vagy vett fel.

Ozmózis

Két oldalt közötti diffúzió speciális típusa: az oldószer molekulák áramlása kisebb koncentrációjú oldatból nagyobb koncentrációjú oldatba féligáteresztő hártyán keresztül.

Ozmózisnyomás

Az oldószer molekulák ozmózisos áramlásának megakadályozásához szükséges nyomás.

 Parciális nyomás

Az a hipotetikus nyomás, amit a gázkeverék egyetlen komponense fejtene ki, ha egymagában töltené be ugyanazt a teret azonos körülmények között.

Redoxipotenciál

Annak a galvánelemnek az elektromotoros ereje, amely a vizsgált elektródból és a standard hidrogénelektródból állítható össze.

Redoxireakció

Elektronátmenettel járó reakció.

Rendszám

Az atommagban lévő protonok száma.

Rezonancia-hibridek

Egy adott részecske (molekula, vagy ion) különböző lehetséges Lewis-szerkezetei.

Schrödinger-egyenlet

Az elektron mozgását leíró parciális differenciálegyenlet, melynek ismeretlenje a Y hullámfüggvény. Megjegyzés: Schrödinger úgy gondolta, az elektron egy elkent, felhőhöz hasonlítható dolog, aminek tényleges sűrűsége a |Y|² függvény.  Azonban, a kísérletek azt mutatják, hogy az elektront inkább úgy kell elképzelni, mint egy pontszerű részecskét, ami véletlenszerűen "ugrál ide-oda".

Spinkvantumszám

Egy elektron saját impulzusmomentumát megadó dimenziómentes szám.

Tömegszám

Az atommagban lévő protonok és neutronok számának összege.

Zárt rendszer

A fizikai valóság olyan elhatárolt része, amelynek határain energiaáramlás lehetséges, viszont anyagáramlás nem.

Schrödinger dolgozta ki az említett matematikai atommodellt. Az atompályát (is) jellemzik benne bizonyos kvantumszámok.

• főkvantumszám
• mellékkvantumszám
• mágneses kvantumszám

Ezek az atompályákat jellemzik. Van egy negyedik:

• spinkvantumszám

Ez szoros összefüggésben van a Pauli-elvvel, mely szerint egy atompályára maximálisan kettő, ellentétes spinű elektron kerülhet. A spin csak kétféle lehet, lefelé és felfelé mutathat. Ez a két irány azt jelzi, hogy hogyan helyezkednek el az elektronok a külső mágneses térhez viszonyítva.  Két állapot van tehát.

Az irányoknak természetesen jelentése is van – amikor fölfelé irányt vesz, akkor ugyanolyan irányú, mint a külső mágneses tér.

Ha lefelé irányt vesz fel, akkor ellentétes irányú a külső mágneses térhez viszonyítva az elektron elhelyezkedése.

Tulajdonképpen ez egy mágnestűként is elképzelhető, csak nagyon kicsiben és elektronokra vonatkoztatva.

A spinkvantumszám értéke nem egész szám – eltérően a többi kvantumszámtól. Csak két értéket vehet fel: +1/2;-1/2

Úgy is meg lehet fogalmazni, hogy a spinkvantumszám az elektron sajátperdületének kitüntetett irányú vetületét adja meg. (Ez a Z tengely iránya). Az elektron sajátperdülete mindig ugyanakkora, illetve az elektron teljes perdülete (J): a pályaperdület (L) és a sajátperdület (S) összege.

Néhány szó a fő-, mellék,- mágneses kvantumszámokról:

Főkvantumszám: (n)

Azok az atompályák tartoznak egy héjba, amelyeknek ugyanolyan a főkvantumszámuk.

K-tól kezdődik a jelölésük, nagybetűkkel. (K,L,M,N,O). Minél nagyobb a főkvantumszám értéke, annál nagyobb méretű pályáról beszélünk.

Mellékkvantumszám: (l)

Azok a pályák tartoznak egy alhéjba, melyeknek ugyanaz a mellékkvantumszámuk. s-től kezdődik a jelölésük, kisbetűkkel. (s,p,d,f). Minél nagyobb szám jelöli a mellékkvantumszámot, annál összetettebb az adott pálya szimmetriája.

A fő-és mellékkvantumszámtól függ a pályaenergia!

Mágneses kvantumszám: (m)

Megadja, hogy mágneses térbe helyezett atom atompályái hogyan helyezkednek el, a mágneses erővonalakhoz viszonyítva. Értékére hatással van a mellékkvantumszám értéke.

Hogyan?

-l, (-l+1), -l+2, … 0, … l-2, l-1, l

Ez nagyon rosszul hangzik, de nem annyira bonyolult:

Az l a mellékkvantumszám jele. s,p,d,f alhéjakról beszélünk mellékkvantumszám esetén.

A fent megadott számítás alapján:

s-alhéj: (itt l=0) tehát, a mágneses kvantumszám nem lehet csak nulla àm=0

p-alhéj: (itt l=1) tehát, a mágneses kvantumszám: -1,0,+1 (csak be kell helyettesíteni az 1-et a kiemelt képletbe)

d-alhéj: (itt l=2) tehát, a mágneses kvantumszám: -2,-1,0,1,2

f-alhéj: (itt l=3) tehát, a mágneses kvantumszám: -3,-2,-1,0,1,2,3

Mágneses kvantumszám alapján következtethető:

• egyféle s-pálya van
• háromféle p-pálya van
• ötféle d pálya-van
• hétféle f pálya-van

Miért?

A mágneses kvantumszám, a megbeszéltek szerint az atompályák külső mágneses térben való viselkedését befolyásolja, a mágneses kvantumszámra pedig a mellékkvantumszám hat – az pedig a pályaszimmetriát határozza meg. A főkvantumszám + mellékkvantumszám pedig a pályaenergiát határozzák meg.

Megjegyzés:

Láttuk, hogy a spin-, és mágneses kvantumszám is külső mágneses térhez megadott viszonyrendszert tisztáz. A különbség az, hogy a spinkvantumszámnál magukról az elektronokról beszéltünk, a mágneses kvantumszám esetében pedig az atompályákról, ebben a vonatkozásban.

Min alapszik a kvantummechanikai atommodell?

Alapjait azok a tapasztalatok képezik, miszerint egy adott atom elektronrendszerét nem lehet akármekkora energiával gerjeszteni. Mi kell hozzá? Meghatározott energiaadag = kvantum.

Így kell elképzelni számok tükrében az elektronszerkezet kiépülését.

A képen látható hidrogén-valószínűségi hullám egyenlettel (komplex hullámfüggvények) tényleg kiszámítható az elektron megtalálási valószínűsége, de a világos részek is jelölik, hogy hol fordul elő legnagyobbrészt az elektron.

Héjakra, alhéjakra való beépülés:

Az elektron az energiaminimum elve alapján fog beépülni ezekre (telített alhéj esetén: max. 2 db, ellentétes spinű elektron kerülhet az atompályára).

Telítetlen alhéj esetén tud érvényesülni a Hund-szabály: a lehető legtöbb elektron párosítatlanul, azonos spinnel szeretne beépülni. Ha megfordítjuk, akkor a Hund-szabály is értelmezhetővé válik az energiaminimum elve alapján. Miért?

Az elektronok azonos negatív töltése miatt – az azonos töltések taszítják egymást. Így sokkal előnyösebb, ha távol vannak egymástól.

A nyilakat követve a pályák felépítése követhetővé válik – az elektron mindig a lehető legkisebb energiaszintű pályára akar kerülni. Amikor egy héj eléri a 8 elektronos állapotot, új elektronhéjat kezdenek feltölteni. Ennek az s-alhéja után töltődik fel az előző héj d-alhéja (3p után 4s!).

Ha tudjuk a rendszámot, már tudjuk a felépítést is: (Oxigén: 8, Kén: 16).

 Mi az atom?

Elektromosan semleges részecske, azért, mert a protonok (pozitív töltés) és az elektronok (negatív töltés) száma megegyezik bennük. Fő részei: atommag, elektronfelhő. Elemi részecskékből áll. A vegyjel felső részéhez: a tömegszám kerül (A), alsó részéhez a rendszám (Z).

Mit határoz meg a tömegszám? (A)

Az atomok tömegét nem az elektronok száma fogja meghatározni, mivel az relatíve elhanyagolható. A tömeget a nukleonok (proton+neutron) határozzák meg. A két tömeg megközelítőleg azonos. Ennek köszönhető, hogy jól össze tudjuk hasonlítani az atomok tömegét. Tehát: tömegszám = ha összeadod a protonok+neutronok számának összegét:

A=Z+N, vagy A=P (proton) + N (neutron)

A=Z+N magyarázata:

Mit határoz meg a rendszám? (Z)

Megmutatja, hogy hol van periódusos rendszeren belül – tehát egy sorszám. (Az oxigén a 8. elem). Azt is, hogy hány db protont tartalmaz – vagyis az A=Z+N is helytálló (egyértelmű: A=Z vagy P + N), mivel a Z ugyanúgy a protonokat (is) jelöli <nem csak a lokalizációt>.

Mivel a protonok számát is mutatja a rendszám, az atom semlegességéből adódik még valami: megmutatja az elektronok számát. Ez azért logikus, mert a semlegességhez ugyanannyi pozitív töltésű részecske (proton+) kell, mint negatív töltésű részecske (elektron-).

(1.)

Mi az elem?

Az azonos protonszámú atomok az elemek. Eltérhet: a tömegszám (A) – mivel a neutronszámuk eltérhet (nagy szerep az atomtömegben).

Elektronszerkezet, atommodellek:

(Az 1. ábrán látható az atommodellek fejlődése, különböző elképzelések. A számunkra fontos részek magyarázata a továbbiakban olvasható. Legfőképp Schrödinger matematikai modelljével foglalkozunk első körben, érintőlegesen.) (1.) A ma használatos atommodell szerint az elektronok az atommag körüli térben mozognak.

Miről lehet információnk az elektronnal kapcsolatosan?

Megadható az elektron:

• energiája
• megtalálási valószínűsége
• mágneses jellege

Nem adható meg:

• mozgásának pályája

Mi az atompálya?

Adott térrész atomon belül, melyben az elektron megtalálási valószínűsége 90%, továbbá a olyan felület a határa, amelyen mindenhol azonos az elektronsűrűség. Mit jelent ez? Az elektron létezik az atomon belül, atompályákon, atompályák elektronsűrűsége azonos.

Különféle pályák léteznek. Ezeket szimmetria jellemzi – például az s és a p esetében:

s-pálya (Sharp)

• gömbszimmetrikus

p-pálya (Principle)

• tengelyszimmetrikus

d-pálya: (Diffuse)

• centrálszimmetrikus

f-pálya: (Fundamental)

Kvantummechanikai atommodell megértéséhez hasznos ábra: (2.)

Megtalálási valószínűség könnyebb érthetőségét szolgáló ábra: (3.)

A pályák (s,p,d,f) szimmetriája, bal oldalon felsorakoztatva a mellékkvantumszámok l=0, l=1, l=2, l=3. (A mellékkvantumszám azért ilyen fontos ezen az ábrán, mivel a pályaszimmetriát határozza meg – de ez már a kvantummechanikai atommodell anyagrészhez fog tartozni.) (2.)

Írtam az elektron megtalálási valószínűségéről – ezt a következő ábrán könnyebb lehet megérteni: megmutatja, hol magasabb az elektron megtalálási valószínűsége (pontosabban, milyen irányban lehet magasabb). Látható az is, hol/milyen irányban alacsony ez a valószínűség. (3.)

Elektronfelhő héjszerkezete:

Léteznek az elektronfelhőn belül héjak és alhéjak. A hasonló szimmetriával rendelkező pályák alkotják meg az alhéjakat. A hasonló méretű és energiájú alhéjak adják a héjakat.

Az atompályán tartózkodó elektronra nem csak az jellemző, hogy negatív elektromos töltése van – hanem az is, hogy kétféle mágneses töltéssel rendelkeznek = SPIN.

In medias res: radiográfus diplomával rendelkezem, vegyészmérnök hallgató (is) vagyok. Azért hoztam létre az oldalt, hogy segítsem a megértést. Annak, aki sötétben tapogatózik, fény lehet az alagút végén. De milyen megértést és minek? Előrebocsátom, nem vagyok önjelölt hős, (hiszen nem is léteznek), mártírhalált sem akarok, hogy mekkora áldozat ez tőlem. Dehogyis, a valós ok a megtapasztalt mindennapok és a tudás közti szakadék áthidalása. Továbbá, témavezetőm érdeklődését is felkeltette ez a kérdéskör, így szívesen lektorálja az írásokat.

Konkrétumok, melyeket megtapasztaltam:

A szak identitászavara: nem vagytok sem orvosok, sem mérnökök, de mindkét részhez kell értenetek. A legdurvább az, hogy gyakorlatban. Oda kell állni 4 év után és igenis megoldani a krízishelyzetet, nincs kifogás. Azt a krízishelyzetet, amire nem készít fel semmilyen ZH. Ez legalább akkora találmány az oktatási rendszer részéről, mint a kamatos kamat a matematikában. Nincs két egyforma helyzet, életbölcsességeket sem fogok durrogtatni, prédikációról szó sincs, nincs titkos recept – csak és kizárólag munkával lehet elérni a földi halandó számára a fejlődést.

Mire jó az, amit most csinálok? Ha ennyire hangsúlyozom a gyakorlat fontosságát, miért a fizikai, kémiai és matematikai alapok mellett teszem le a voksomat? A szakma identitászavara miatt könnyen támadható az, amiről diplomát kaptok. Mint már említettem, nem kategorizálható (sem orvos, sem mérnök, kicsit mindkettő hibrid verziója). Az én véleményem (tudom, hogyan kell kezelni a véleményeket – senki sem kérte, simán kikerülhető, vitatkozni is lehet vele, sőt!), hogy a gyakorlati részhez szükségeltetik egy kőkemény műszaki alap. Miért? Mert ha nem érted, hogy mitől megy a gőzgép, tulajdonképp egy ügyesebb csimpánzt is odaállíthatnánk, hogy x év alatt (képességekhez mérten) minden szituációra ráhúzzon egy sablont, benyomja a gombokat, majd kiégjen.

A kiégés katalizátorral (fejlődést gátló környezet, nem megfelelő eszközök, butaságból elkövetett „hatalomféltés”) még gyorsabb, aztán ott állsz majd magadra utalva, hogy mégis hogyan szabaduljak ki a végtelen ciklusból? Miért végtelen ciklus? Nevezhetjük ördögi körnek is. Azért, mert másféle diplomád nincs, papíralapú társadalmunk 26. állami intézményének alapjai is hasonlóak (nem ugyanolyanok) lesznek, mint az előzőé. Nem célom a világmegváltás, sem az, hogy változást reméljek, ugyanis az nem lesz. Mindenhez nem kell érteni, aki ezt mondja magáról, szimplán felült a magas lóra, vagy feltette rá valaki. Ez nem is érdekes. Sajna a reál tárgyak csak néhányunknak kedvencei, ennek is megvan az oka: matekból pont azokat a részeket tanulod, ami nem szép, de nem is hasznos. Fizikából rögtön le kell ülnöd egy idegen szavak kéziszótárral, hogy mégis mit szeretne tőled a könyv. Magyarázat nélküli képletek, egyenletek, összefüggések tömkelege már az első oldalakon – nézz utána otthon. Azt se érted, mire valóak, biztos sok kedved lesz utánanézni. Mindazonáltal, ha „megérthetően” tudom bemutatni az absztrakt gondolkodás szépségét, illetve azt, hogy többféle úton lehet eljutni ugyanahhoz az egzakt megoldáshoz, talán néhány hallgató kedvet kap ahhoz, hogy önállóan is utánanézzen bizonyos dolgoknak. De ez is csak egy lehetőség. Mivel „sem rokona, sem ismerőse nem vagyok senkinek”, kérlek a hibákat, javítanivalókat és észrevételeiteket bátran jelezzétek. Tematika szerint lesznek fent az oldalon az anyagok, a könnyebb átláthatóság érdekében. Szívesen fogadok ezzel kapcsolatban is észrevételeket. Igenis van olyan, hogy hülye kérdés – de azt is muszáj feltenni, mivel én is megszámlálhatatlan ilyet tettem fel és fogok is. Ha hülye a kérdés, az is lehet, hogy a magyarázat volt rossz, másik oldalról kell megközelíteni a témát.

Összefoglalva: kérés, kérdés, bővebb és/vagy más magyarázat irányában abszolút nyitott vagyok, kritikát is szívesen fogadok, hiszen így én is tudok fejlődni.