mrscanning.com

Forlaget Utopia

Atomets opbygning

• Atomets opbygning

Den mindste fraktion, hvori et stof kan opsplittes, når dets egenskaber ønskes bevaret, kaldes et atom. Alt stof er opbygget af atomer. De hyppigst forkomne atomer i menneskets krop er brint, kulstof og ilt. Stoffer som kun indeholder én type atomer kaldes grundstoffer. Man kender i dag 118 forskellige grundstoffer, hvoraf blot 92 kan siges at være naturligt forekomne.

Et atom består af en centralt placeret kerne (nukleus), omkring hvilken en eller flere elektroner (e) cirkulerer. Atomets kerne er opbygget af kernepartikler, de såkaldte nukleoner. En nukleon kan enten være en proton (p) eller en neutron (n).

Atomerne er indbyrdes organiseret i mere komplekse strukturer. Disse atomkomplekser, som består af to eller flere atomer, der indbyrdes er bundet til hinanden gennem såkaldte elektronparbindinger (eller ionbindinger), benævnes molekyler. De hyppigst forekomne molekyler i menneskets krop er vand (75-80 %) samt forskellige typer af fedt.

Et atom er karakteriseret ved henholdsvis et atomnummer (Z) og et massetal (A). Atomnummeret angiver antallet af protoner i kernen, mens massetallet angiver kernens samlede masse, hvilket i praksis svarer til summen af protoner og neutroner. Atomets masse opgives i universelle masseenheder (u). En universel masseenhed, som netop svarer til massen af en enkelt nukleon, udgør pr. definition1/12 af et kulstofatoms masse (1,66 x 10^-27kg).

Ofte vil antallet af protoner i en atomkerne være identisk med antallet af neutroner, hvilket medfører at massetallet antager en lige værdi. Imidlertid vil et og samme grundstof kunne optræde med et forskelligt antal neutroner. Grundstoffer med et forskelligt antal neutroner benævnes isotoper.

Atomer med et ulige atomnummer, samt atomer med et lige atomnummer og et ulige massetal, er specielt interessante i en MR-sammenhæng. Disse atomkerner er karakteriseret ved, at være i en form for atomar ubalance, som giver anledning til, at atomkernen udfører et karakteristisk kernespind (spin). Dette kernespind er en af flere forudsætninger for, at atomet besidder en særlig MR-egnethed - mere om dette senere.

• Nukleoner

Såvel protonen som neutronen er opbygget af den noget mindre og udelelige elementarpartikel, quarken. Quarken, som almindeligvis beskrives som værende et hurtigt bevægende energipunkt, optræder aldrig alene, men altid i større eller mindre klynger. Der findes i alt seks forskellige varianter af quarken: up, down, charm, strange, top (truth) og bottom (beauty).

Den moderne kvarkteori har forudset eksistensen af quarkvarianternes elektriske ladning. Down-quarken forventes således at besidde en elektrisk ladning på -⅓ elementarladning, mens up-quarkens elektrisk ladning er beregnet til +⅔ elementarladning.

Atomkernens nukleoner er alene opbygget af quarkvarianterne up og down, de såkaldte første generations quarks. Protonen består af to up-quarks og en enkelt down-quark. Denne quark-kombination giver protonen en positiv elektrisk ladning på +1. Protonens positive ladning betragtes i øvrigt som værende den mindst opnåelige ’stabile’ ladning. Protonens ladning kaldes, qua dette, for en ’elektriske elementarladning’.

Neutronen indeholder, til forskel fra protonen, en enkelt up-quark og to down-quarks, hvilket giver denne en resulterende netto-ladningen på 0.

• Elektronerne

Elektronerne cirkulerer omkring atomets kerne i en eller flere orbitaler (elektronskaller). Elektronen er som quarken en elementarpartikel. Den gruppe af elementarpartikler som elektronen tilhører, benævnes leptoner. Leptonerne er bl.a. karakteriseret ved, at deres ladning kun vil kunne antage værdierne -1, 0 og +1. Elektronerne, som er negativt ladet, fastholdes i deres skaller af tiltrækningskraften fra den positivt ladet atomkerne. Elektronernes placering i forhold til kernen er bestemt af den enkelte elektrons aktuelle energiniveau, som varierer over tid. Der findes i alt 7 elektronskaller. Disse benævnes fra kernen og udefter k, l, m, n, o, p og q eller 1, 2, 3, 4, 5, 6, og 7. Det maksimale antal elektroner en elektronskal kan besidde, kan beregnes ud fra formlen 2 x n², hvor n er elektronskallens nummer. Antallet af elektroner vil almindeligvis være identisk med antallet af protoner i atomkernen. Et atom siges således at være elektrisk stabilt, når antallet af negative ladet elektroner og antallet af positivt ladet protoner er identisk. Elektrisk ustabile atomer benævnes ioner. Elektronens masse udgør blot 1/1836 af en protonens masse.

• Tekst

Bo Haugaard Jørgensen

.