Ядро моделі

Ядро модельдерінің ішінен тамшылы және қабықшалы екі түрін қарастырайық. Бұл модель бойынша ядро – зарядталған сығылмайтын аса жоғары тығыздықтағы ядролық сұйықтан тұратын сфералық тамшы болып табылады. Тамшылы модель – сұйық тамшысындағы молекула табиғаты мен ядродағы нуклондардың табиғатының ұқсастығындағы байланыстылыққа негізделген. Ядродағы протондар мен нуклондар арасындағы өзара күштер қысқа қашықтықта әсер етеді, оларға қанығу қасиеті тән. Сыртқы шарттар өзгермеген кезде сұйықтағы тамшы тұрақты тығыздықты қабылдайды. Сонымен бірге, ядро да тұрақты тығыздыққа ие болады, ядродағы нуклондар санына тәуелсіз. Ядроның көлемі де және сұйық тамшысының көлемі де, бөлшектер санына пропорционал болады. Тамшы моделі бойынша, ядро − сығылмайтын сұйықтың электрлік зарядталған тамшысы, кванттық механика заңдарына бағынады. Бұл модель бір қатар ядролық құбылыстарды (ядролық реакция механизмін, ядролық бөліну реакциясын және т.б.) түсіндіруге мүмкіндік берді.

Қабықшалы модель бойынша ядродағы нуклондар дискретті энергиялық деңгейлер бойынша орналасқан, деңгейлер (қабықшалар) Паули принципі бойынша толтырылады. Ядроның тұрақтылығын − модель, деңгейлерді толтыру сипатымен байланыстырады. Егер де қабықшалар толық түрде толтырылған болса, онда ядро өте орнықты деп есептеледі. Одан әрі, шындығында ядроның ерекше орнықты (магикалық) болатындығы дәлелденді. Қабықшалы модель көмегімен ядроның магнит моменті мен спині, атом ядросының әртүрлі орнықтылығы, олардың қасиеттерінің периодты өзгерістерін түсіндіруге мүмкіндік берді. Әсіресе, қабықшалы модель жеңіл және орташа ядроларды сипаттаумен қатар, қозбайтын (негізгі) күйдегі ядроны жақсы түсіндіре алады.

13.5 Байланыс энергиясы. Масса ақауы

Бұдан әрі атом ядроларының қасиеттерін тәжірбие жүзінде алудағы сипаттамалары үшін ядроның басқа жаңа модельдері ұсынылды. Атом ядросының негізгі сипаттамаларының ішінен әртүрлі алмасуларға қатысты олардың бірқалыпты тұрақтылығын алуға болады. Атом ядроларының орнықтылығы – ядродағы нуклондардың ядролық күштермен байланыстылығынан болады. Ядродағы байланысқан нуклондардың энергетикалық күші еркін күйде тұрған бұл бөлшектердің күйлерінен бөлек болады. Ядро энергиясы ядроны құрайтын еркін нуклондардың энергиясынан едәуір аз болады. Бұл бөлшектердің әрбірін ядродан қашықтату үшін энергия жұмсау қажет. Бұл атом ядросын еркін протондар мен нейтрондардан құрау негізінде энергия жұмсалады деген сөз.

Ядроның байланыс энергиясы деп ядроны нуклондарға ажырату үшін қажет болатын энергияны айтады. Байланыс энергиясы ядроның беріктігін анықтайтын сипаттамалардың бірі болып табылады

, (13.2)

мұндағы - протонның, нейтронның және ядроның сәйкес массалары.

Байланыс энергиясы – ядроны құраушы нуклондарға бөлуді қамтамасыз ету үшін қажет болатын ең минимал энергия мөлшері. Масса ақауы деп мына шаманы айтады:

. (13.3)

яғни, дербес протондар мен нейтрондардан ядроны құрған кезде барлық нуклондар массаға азаяды. Атом ядросына кірген бөлшектер көп болған сайын, оның толық байланыс энергиясы соншалықты артады. Бірақ, ядро орнықтылығының объективті сипаттмасы ретінде толық байланыс энергиясы емес, бір бөлшекке келетін байланыс энергиясын ескереді. Бұл шама меншікті байланыс энергиясы деп аталады:

. (13.4)

Бұл – ядроның орнықтылығын тек, оның еркін бөлшектерге толық ажыратылуына қатысты емес, сонымен бірге ядроны оған кіретін барлық нуклондардың өзгеруіне қатысты алмасуына байланыстылығын сипаттайды. Барлық ядролар үшін шамамен орташа байланыс энергиясы 8 МэВ. Бұл, ядродан бір нуклонды шығару үшін шамамен 8 МэВ энергия жұмсау қажет деген сөз. Керісінше, ядроның бір нуклонды қармап қалуы үшін бұл энергия босатылады, ядрода артық энергия пайда болып қозған күйге көшеді. 13.1-суретте ядролардың меншікті байланыс энергиясының нуклондар санына тәуелділігінің тәжірибеден алынған нүктелері көрсетілген.

Ядрода нуклондар тартылыс күштері әсерінен ұсталады, тартылыс күштері протондардың тебетін нуклондық күштерінен артық болу керек.

13.1-сурет. Меншікті байланыс энергиясының ε нуклондар санына А тәулділігі.

13.1-суреттен ядродағы нуклондар санының артуына байланысты меншікті байланыс энергиясы бастапқыда артады, содан кейін A>80 аймағында А-ның артуына байланысты біртіндеп кемиді. Жеңіл және ауыр ядроның орнықтылығы аз болады. Массалық саны 80-ге жақындағанда ядролық тұрақтылық артады.

13.6 Радиоактивті сәулелену (сәуле шығару) және оның түрлері

Табиғатта кездесетін бірқатар атомдық ядролар (радий, уран, торий және т.б.) өз бетінше -бөлшектерін, электрондарды және -кванттарын шығару мүмкіншіліктері бар екендігі қазіргі кезде белгілі болды. Мұндай ядролар радиоактивті, ал құбылыстың өзі табиғи радиоактивтілік деп аталады.

Элементтердің радиоактивті қасиеттері олардың ядроларының құрылымы арқылы білінеді, өйткені радиоактивті ыдырау процесіне әсер етуі көлем, температура өзгеруіне, не химиялық қосылыс түріндегі агрегатты күйлердің өзгеруіне әсер етпейді. Одан әрі көптеген жасанды радиоактивті ядролар алынды. Табиғи және жасанды радиоактивтілік бір ғана радиоактивті алмасу заңына бағынады.

Жоғарыда айтылғандай, ядроның өздігінен ыдырауы кезінде сәулелері шығарылады. Қысқаша осы сәулелерді сипатталық. сәулелері − гелий атом ядросының () ағыны; сәулелері – жылдам электрондар ағыны; сәулелері – қысқа толқынды электромагнитті сәулелену (м) болып табылады. сәулелерінің және сәулелерінен айырмашылығы, ол не электр өрісінде, не магнит өрісінде ауытқымайды.

13.7 Радиоактивті ыдырау заңы

Атом ядроларының өздігінен өзгеруі радиоактивті ыдырау заңы бойынша жүреді, бұл кезде уақыт бірлігі ішіндегі ыдыраған (ыдырау жылдамдығы) ядролар саны осы мезеттегі ыдырамаған ядроның мөлшеріне пропорционал болады, яғни

, (13.5)

мұндағы − ыдырау жылдамдығын сипаттайтын ыдырау тұрақтысы. Әрбір ыдыраудың түрі қатаң түрде тұрақтысын анықтайды. (13.5) өрнектегі «минус» таңбасы радиоактивті ядроның жалпы саны радиоактивті ыдырау процесінде кемитіндігін көрсетеді. (13.5) теңдеудегі айнымалы шамаларды бөліп және оны интегралдасақ, онда

, ,

осыдан мынаны аламыз:

, (13.6)

мұндағы − ыдырамаған ядролардың бастапқы саны (мезетіндегі), − t уақыты өткен мезеттегі ыдырымай қалған ядролар саны, − радиоактивті ыдырау тұрақтысы, е − натурал логарифмнің негізі (экспонента: е =2,71). (13.6) теңдеуі радиоактивті ыдырау заңының негізгі өрнегі болып табылады.

Әдетте практикада орнына жартылай ыдырау периоды Т_1/2 ұғымын пайдаланады. Т_1/2 – бастапқы кеэдегі ядроның жартысы ыдырауға кететін уақыт. Мұны жартылай ыдырау периоды Т_1/2 деп атайды. Шындығында, болғанда, онда

,

осыдан

. (13.7)

Радиоактивті ыдырау заңын және де мынадай түрде жазуға болады:

. (13.8)

Өрнектің мұндай түріндегі жазылуы әлі де ыдырамаған радиоактивті заттың мөлшерін тез бағалау үшін ыңғайлы. Радиоактивті ыдырау процесінің интенсивтігін сипаттауды радиоактивті ыдыраудың орташа өмір сүру уақыты арқылы да жүргізуге болады. Орташа өмір сүру уақыты – ыдырамаған ядролар саны е есе кемігендегі уақыт аралығы (е – натурал логарифмнің негізі)

(13.9)

болатындығын көрсетуге болады.

13.2-суретте радиоактивті ыдырау қисығы көрсетілген (N-ның -ға қатысты тәуелділігі 4 жартылай период аралығы үшін көрсетілген).

13.2-сурет. Радиоактивті ыдырау қисығы.

Радиоактивті изотоптың А активтігі (химиялық элементтің массалық санымен шатастырмаңыз!) деп ядроның ыдыраған санының ыдырауға кеткен уақытына dt қатынасына тең шаманы айтады, яғни

немесе

, (13.10)

мұндағы – изотоптың бастапқы активтігі (t=0 кезіндегі).

СИ жүйесіндегі активтіктің өлшем бірлігі ретінде – «Беккерель» (Бк) алынады. 1 Бк – 1 с уақыт ішінде 1 акт ыдырау болған кездегі нуклидтің активтігі. Нуклид деген протондар және нейтрондар сандарымен анықталатын атом ядросының жалпы аты. Активтіктің жүйе сыртындағы өлшеміне кюри (Ки) алынады.

Бк

Радиоактивті изотопты құрайтын ядролар саны

, (13.11)

мұндағы − изотоп массасы, М − молярлық масса, − Авогадро саны.

Барлық радиоактивті өзгеру кезінде энергияның, импульстың, импульс моментінің, зарядтың сақталу заңдары орындалады.

13.8 Ығысу ережесі

Ығысу ережесі берілген бастапқы ядроның ыдырау нәтижесінде қандай туынды ядроның пайда болатындығын анықтауға мүмкіндік береді. Бұл ереже, уран, торий және актиний радиоактивті топтарындағы болатын барлық радиоактивті алмасулардың сипаттамаларын зерттеуut тағайындалған. Ығысу ережесі радиоактивті ыдырау нәтижесінде заттың химиялық қасиеттірінің өзгерісін сипаттайды. Сонымен, -ыдырау мына сұлба бойынша жүргізіледі:

, (13.12)

мұндағы − бастапқы ядро, − туынды (пайда болған) ядроның символы, − гелий ядросы (- бөлшек).

(13.12) теңдік -ыдырау үшін ығысу ережесін өрнектейді: -ыдырау жағдайында Менделеев кестесінде бастапқы ядродан 2 клетка кейін тұрған туынды ядро пайда болады; туынды ядроның массалық саны бастапқы ядроның массалық санынан 4 өлшемге кем болады. ^- -ыдырау:

. (13.13)

^- -ыдырау жағдайында туынды ядро Менделеев кестесінде бастапқы ядродан 1 клетка оңға қарай орналасады; туынды ядро массасы бастапқы ядро массасындай болып өзгермейді.

-, - және - атом ядроларының сәулеленулерін толығырақ қарастырайық.

13.9 Ядролық реакция

Ядролық реакция – атомдық ядроның басқа ядролармен немесе элементар бөлшектермен өзара әсерлесуі кезінде атомдық ядролардың басқа ядроларға айналуы. Ядролық реакция символдық түрде былай жазылады:

немесе , (13.14)

мұндағы X және Y – бастапқы және соңғы ядроның символы, және – ядролық реакциядағы атқылаушы және шығарылған (пайда болған) бөлшектер. Мысалы,

немесе қысқаша .

Ядролық реакциялар кезінде өзара әсерлесуші атом ядроларының ішкі қасиеттері мен құрамы өзгереді және элементар бөлшектердің алмасуы өтеді. Бірінші ядролық реакцияны 1919 жылы Э. Резерфорд азот ядросын a-бөлшектермен атқылау кезінде іске асырды. Осы реакцияның нәтижесінде үлкен энергиялы протон пайда болады.

немесе таңбалы түрде . (13.15)

Ядролық реакция өзі ие болатын бөлшектерге қарай жіктеледі: мысалы, нейтрондардың, протондардың, дейтрондардың және т.б. бөлшектердің әсерінен болатын ядролық реакциялар -сәулелердің әсерінен болатын ядролық реакциялар (фотоядролық реакциялар). Ядролық реакциялардың бірінші класы – шығарылатын бөлшектердің түрі бойынша топтарға бөлінеді: мысалы, нейтронды ядролық реакциялар a-бөлшектерін, протондарды, дейтрондарды реакциялары), -реакциялары (-квантын шығарумен байланысты нейтронды радиациялық қармау) шығарумен байланысты пайда болуы мүмкін.

Нейтрондардың, әсіресе, баяу нейтрондар әсерінен пайда болатын ядролық реакциялар басқа барлық ядролық реакциялар ішінде практикада ең көп қолданым тапты. Ең жеңіл ядролардың баяу нейтрондарды қармауы кезінде ылғи да зарядталған протондар мен α-бөлшектер шығады. Мысалы, . Баяу нейтрондарды жеңіл ядролармен қармау кезінде экзотермиялық реакция болады, мысалы

.

Ядролық реакция энергияның бөлінуі бойынша да (экзотермиялық реакция), сонымен бірге сырттан алынған энергияны жұтумен де (термиялық реакция) өтуі мүмкін. Ядролық реакциялардағы бөлінетін және жұтылатын энергия химиялық реакцияның энергиясын мың есе арттырады. Сондықтан, ядролық физикада өзара әсерлесуші ядролардың массаларының өзгерісін байқауға мүмкіндік болады. Эйнштейн заңы (с – вакуумдағы жарық жылдамдығы) масса мен энергия өзгерісінің байланысын береді. Экзотермиялық реакцияның мысалы ретінде литийді протондармен атқылау кезінде пайда болатын реакцияны атауға болады:

.

Берілген реакцияның энергиялық эффектісі келесі өрнек бойынша есептелінеді:

.

Масса туралы мәліметтерден -ді анықтауға болады. Барлық ядролық реакциялар электр зарядтары мен массалық сандардың сақталу заңдарына сәйкес өтеді: реакцияға қатысатын ядролардың және бөлшектердің (массалық сандардың) электр зарядтарының қосындысы ядролардың және бөлшектердің реакциясы нәтижесінде пайда болатын зарядтардың (массалық сандардың) қосындысына тең болады. Ядролық реакциялар кезінде сонымен бірге энергияның, импульстың және импульс моментінің сақталу заңдары орындалады.

Көптеген ауыр ядролар (баяу нейтрондардың әсерінен бөлінуге ұшырайды, бұл ядролық реакторларда пайдаланылады. Баяу нейтрондардың әсерінен болатын ядролық реакцияның ең көп тараған түрі радиациялық қармау болып табылады, бұл реакторлар жұмысы кезінде кадмий таяқшаларының көмегімен нейтрондар санын өзгерту үшін және реакторларда барлық мүмкін болатын радиоактивті изотоптарды алу үшін қодданылады. Протондардың әсерінен болатын ядролық реакциялар әртүрлі радиоактивті изотоптарды (әдетте бұлар изотоптары) алу үшін жиі қолданылады. Мысалы, . a-бөлшектердің әсерінен болатын ядролық реакциялар көп жағдайда протондар әсерінен болатын ядролық реакцияларға ұқсас келеді.

Нег. 2[316-346], 8[304-316]

Бақылау сұрақтар:

1. Атом ядросының құрылысы.

2. Күшті өзара әсерлесу – ядролық күштер.

3. Ядроның модельдері.

4. Изотоптар, изотондар, изобарлар.

14-дәріс

14.1 Ядроның бөліну реакциясы

Ядроның бөліну реакциясы деп нейтрондардың (немесе басқа бөлшектердің) әсерінен ауыр ядро бірнеше жеңіл ядроларға (көп жағдайда бар болғаны екіге) бөлінуін айтады. Пайда болған ядролар сынықтар деп аталады. Ядроның мұндай бөлінуі б өліну нейтрондары деп аталатын екі-үш нейтрондарды шығарумен байланысты өтеді. Бөлінген сынықтар радиоактивті болады. Сынықтардың радиоактивті болу себебін қарастырайық. Уранның нейтрондар санының протондар санына қатынасы . Оларда сынықтардың пайда болу кезінде де сондай қатынас болуы мүмкін. Бірақ, массалық саны 100-140 (бөлінген сынықтар да осы интервал шамасында массалық сандарға ие болады) болатын қалыпты ядролардың қатынасы болады, яғни сынықтар нейтрондардың артық санын құрайды. _қал болатын ядролар радиоактивті болатындығы белгілі. Сондықтан, сынықтар бірқатар -алмасуына кезігуі мүмкін (бұл кезде нейтрондар протондарға ауысады), нәтижесінде сынықтардағы қатынасы қалыпты изотоптардағы сияқты болады. бөліну реакциясын жазайық:

. (14.1)

Ксенонның қалыпты изотопы 124-тен 136-ға дейінгі массалық санға ие болады, яғни бұл сынықта ең кемінде үш артық нейтрон құралады, сондықтан радиоактивті болып табылдады. Үш ыдырау нәтижесінде лантанның қалыпты изотопына ауысады. алмасуының толық тізбегі

.

Бөліну сынықтары әртүрлі болуы мүмкін, мынадай реакция болуы да мүмкін

.

Шығарылып жіберілген нейтрондар кең энергетикалық спектрлерге (0-ден 7 МэВ-қа дейін) ие болады. Бір нейтронға шамамен 2 МэВ энергия келеді. Ядролардың бөлінуі үлкен энергия мөлшерінің бөлінуімен сипатталады – мәселен, әрбір бөлінген ядроға 200 МэВ энергия келеді. 1 г изотопы (2,56·10²³ ядро) бөліну кезінде 8,1∙10^-10 Дж энергия беріледі. Энергия бөлінуінің негізгі бөлігі сынықтардың кинетикалық энергия түрінде бөлінуі арқылы өтеді. Сынықтарды тоқтату кезінде заттың өте жұқа қабатында бұл энергияның бөлігі жылуға тез айналады, ол бөліну аймағындағы заттың қабатын қыздырады. Ядролардың бөліну ықтималдығы нейтрондардың энергиясымен анықталады. Энергиясы жоғары болатын нейтрондар (Е >10⁸÷10¹⁰ эВ) практикалық түрде барлық ядролардың бөлінуіне келтіреді, ал энергиясы бірнеше мегаэлектронвольт болатын нейтрондар массалық сандары А > 210 болатын ядроларды, яғни ауыр ядроларды, бөліп шығарады. ядроларды бөлу, энергиясы 1 МэВ-тан артық (активизация энергиясы) болатын нейтрондардың әсерінен болады. Жылулық нейтрондардың әсерінен ядро изотоптары бөлінеді.

14.2 Бөлінудің тізбекті реакциясы

Ауыр атом ядроларының бөлінуі кезінде өте үлкен энергия (шамамен 200 МэВ) бөлінетіндігі және екінші нейтрондар ұшып шығатындығы белгілі. Бір ядроның бөліну кезіндегі нейтрондардың саны (2-3 нейтрондар) бірден үлкен болады. Мұндай жағдай бөлінудің тізбекті реакциясын іске асыруға, яғни практикалық жағдайда ядролық энергияны пайдалануға мүмкіндік берді. Тізбекті ядролық реакцияның идеалды сұлбасы былай болады: ядроның бөлінуі кезінде айталық 2 нейтрон бөлінсін, оның әрқайсысы келесі бір уран ядросына еніп, бұл ядроның да бөлінуін тудырады. Ядро бөлінеді, бұл кезде екі жаңа нейтрон пайда болады. Олар уран ядроларымен қармаланады, нәтижесінде 4 нейтрон бөлініп шығады. Келесі сатысында 8 нейтрон, одан 16 нейтрон және т.с.с. Сонымен, нейтрондардың мөлшері және бөлінетін ядролардың мөлшері үздіксіз өседі. Тізбекті ядролық реакция шығады. Мұнда, біз идеалды сұлбаны қарастырдық. Практика жүзінде екінші ретті нейтрондардың барлығы бөлінетін заттың ядросына түсе бермейді және бөлінетін заттың ядросына енген барлық нейтрондар бөлуді тудыра бермейді. Неге? Активті зона (бөлінетін зат тұрған және тізбекті реакция өтетін кеңістік) шекті мөлшерге ие болады және өте үлкен өтімділігі бар нейтрондар активті зонаны тастап кетеді, ядролармен жұтылмайды. Активті зонада бөлінуші заттан басқа бөлінбейтін қоспалар (баяулатқыштар, жылу тасымалдаушылар, қорғаушы қабаттар және т.б.) болады. Бұл заттың ядросына ене отырып, нейтрондар олардың бөлінуін шығармайды. Сонымен бірге нейтронның бөлінуіне байланысты ядроны қармауы кезінде рационалдық қармау және серпімсіз шашырау процестері орын алады.

Бөлінудің тізбекті реакциясын сипаттау үшін нейтрондардың көбею коэффициенті деп аталатын түсінік енгізіледі. Көбею коэффициенті осы буындағы нейтрондар санының бұдан алдыңғы буындағы нейтрондар санына қатынасына тең. көбею коэффициенті тізбекті реакция дамуының шапшаңдығымен анықталады. Тізбекті реакция дамуы үшін k1 болуы керек.

Нейтрондардың көбею коэффициенті бөлінетін заттың табиғатына, берілген изотоптың мөлшері, активті зонаның мөлшері мен пішініне байланысты. Активті зонаның кризистік өлшемі деп тізбекті реакцияны тудыруға мүмкіншілігі бар активті зонаның минималь өлшемін айтады. Берілген активті зонаны құрайтын, бөлінетін заттың массасын кризистік масса деп атайды.

Тізбекті реакцияның жылдамдығын анықтайық. Айталық бөліну кезінен ядролармен бөлетін заттардың екінші ретті нейтрондармен қармалатын кезеңге дейін аралықтағы орташа уақыт аралығы Т болсын (бір буынның орташа өмір сүру уақыты), ал – берілген буындағы нейтрондар саны. Келесі буындағы нейтрондар саны k. Бір буын кезіндегі нейтрондардың өсімі . Тізбекті реакцияның өсу жылдамдығы (уақыт бірлігі ішіндегі нейтрондар санының өсімі)

.

Берілген өрнекті интегралдап мынаны аламыз:

(14.2)

мұндағы – бастапқы уақыт мезетіндегі нейтрондар саны, ал N – t уақыт мезетіндегі бар нейтрондар саны. N-нің мәні (k-1) таңбасымен анықталады.

Егер немесе болса, онда уақыт өткен сайын нейтрондар саны өзгермейді, бұл реакция өзін қолдаушы деп аталады. Егер немесе болса, онда нейтрондардың уақыт бойынша бөліну саны кемиді. Реакция өшетін реакция деп аталады.

Тізбекті реакция басқарылатын және басқарылмайтын болып бөлінеді. Атом бомбасының жарылуы – басқарылмайтын реакция. Басқарылатын тізбекті реакция ядролық реакторларда іске асады.

14.3 Атом ядроларының синтез реакциясы

Әртүрлі ядролық алмасулар арасынан термоядролық синтез деп аталатын реакция өте үлкен қызығушылықты туғызады. Жеңіл ядролардан орташа ядроларға көшкен кезде, яғни екі жеңіл ядролардың бірігуінен ауыр ядроның пайда болу реакциясында энергия бөлінеді. Осы түрдегі реакцияның мүмкін болатын үлкен санына қатысты жиынтығын келесі үш синтез реакциясы арқылы беруге болады:

(14.3)

мұндағы – бөліну энергиясы.

Синтез реакциясы кезінде бір нуклонға бөлінетін энергия ауыр ядроның бөліну кезіндегі ядродан едәуір артық болады. Мысалы, уран ядросының бөлінуі кезінде 1 нуклонға бөлінетін энергия шамамен 0,84 МэВ-қа тең болады, ал синтез реакциясында бұл шама 2,5 МэВ-ті құрайды. Бірақ бұл реакцияларды іске асыру үшін байқағыш ядролардың бір-біріне қатысты жылдамдықтары олардың өзара электростатикалық тебуін жеңу үшін өте жоғары болу керек. Осыған сәйкес есептеулер газ тәріздес сутегінде бұл процесс басталып, берілген процесс өзін-өзі бөлетін энергиямен қамтамасыз ету үшін газ 10⁷ К температураға дейін қызуы қажет және одан жоғары. Жеңіл атом ядроларында өте жоғары температураларда (10⁷ К және одан да жоғары) өтетін ауыр ядролардағы синтез реакциясы термоядролық реакция деп аталады. Күннің және жұлдыздардың энергия көздері термоядролық реакциялар болып табылады деп ұйғарылады. Термоядролық реакцияны басқаруды іске асыру адам баласын энергияның таусылмас көзімен қамтамасыз етуі мүмкін. Бұл бағыттағы жұмыстар көптеген ғылыми зертханаларда жүргізілуде.

14.4 a-ыдыраудың заңдылығы

Қазіргі кезде –активті ыдыраудың 200 астам түрі белгілі, негізінен олар ауыр ядролар (). Радиоактивті ядроның -ыдырау процесі кезінде гелий ядросы шығады (немесе -бөлшек), ол екі протоннан және екі нейтроннан құралады. -ыдырау мүмкін болады, өйткені -радиоактивті ядроның массасы (тыныштық энергиясы) -бөлшегінің массасы мен -ыдырау кезінде пайда болатын туынды ядро массасының қосындысынан артық болады. Бастапқы ядроның артық энергиясы - туынды ядро мен -бөлшегі – кинетикалық энергия түрінде босатылады. -бөлшегінің кинетикалық энергиясы 4 тен 8,8 МэВ қа дейін шамада болады; ұшып шыққан -бөлшегінің жылдамдығы 1,4·10⁷ ден 2·10⁷м/с ке дейін жетеді, яғни бұл өте үлкен шама. Ал -бөлшегінің белгілі бір ядро шығаратын кинетикалық энергиясы қатаң түрдегі белгілі шама болады. Яғни -бөлшегінің дискретті спектрінің болуы – атомдық ядроның дискретті энергиялық деңгейлерге ие болатындығын көрсетеді.

-бөлшегі екі еселік оң зарядқа ие болатындықтан, әртүрлі орталарда қозғалған кезде, жолдың белгілі бір қысқа аралығында кинетикалық энергиясын жоғалта отырып, күшті ионизация жасайды. Бірнеше МэВ кинетикалық энергиясы бар -бөлшегі ауада бірнеше сантиметр жол жүреді. -сәулеленудің жартылай ыдырау периоды кең интервалда (с тен жылға дейін) өзгереді. -ыдырауы үшін жартылай ыдырау период пен ұшып шыққан бөлшек энергиясы арасында өте үлкен тәуелділік сипаты бар. Бұл тәуелділік Гегер-Нэттолланың эпмириялық заңымен анықталады:

, (14.4)

мұндағы А және В – эмпириялық тұрақты шамалар, – ыдырау тұрақтысы, – -бөлшегінің ауадағы жүрісі.

(14.4) өрнек бойынша, радиоактивті элементтің жартылай ыдырау периоды неғұрлым аз болса, соғұрлым жүріс үлкен болады, сондықтан да бөлінетін -бөлшегінің энергиясы да үлкен болады. Ауада -бөлшегі бірнеше сантиметр жүреді, ал тығыз орталарда мм-дің бөлігін жүреді, яғни -бөлшегі бір жапырақ қағазбен толық жұтылады. Резерфорд 8,8 МэВ энергиясы бар -бөлшектерінің шашырауы бойынша ядролық күштердің әсеріне дейінгі аймаққа бармай ядролық кулондық күштер әсері жағдайында тәжірибелер жүргізген. Сонда ядроның потенциалдық энергиясы мен ара қашықтыққа байланысты оң зарядталған бөлшектің тәуелділік функциясы потенциалдық тосқауыл өрнегіне сәйкес келген.-бөлшегінің потенциалдық тосқауыл арқылы өту ықтималдығы Шредингер теңдеуі арқылы есептеледі.

14.5 -ыдырауы кезіндегі ядродағы өтетін процестер

-сәулелері – электрондар ағыны, бірақ ядрода протондар мен нейтрондардың болатындығын, ал электрондардың жоқ екендігін білеміз. -бөлшегі ядроның электронды қабыршағының электроны бола алмайды, өйткені электронның қабықшадан қашықтауы (атомның ионизациясы) атомдардың химиялық табиғатын өзгертпейді.

Сонымен қатар, электронның электронды қабықшадан шығуы оптикалық және рентгендік сәулелену арқылы іске асады, бұл -ыдырау кезінде байқалмаған. -ыдырау кезінде массалық сан өзгермейді, ал ядро заряды бірге артады. -ыдырау нәтижесінде нуклондардың жалпы саны тұрақты болады, протондар саны бірге артады, ал нейтрондар саны бірге кемиді, яғни ядрода нейтрон протонға ауысады, осы ауысу кезінде энергия бөліну нәтижесінде, ядро сыртында -бөлшегі (электрон) пайда болады. Бірақ мұндай ретті түсіндіру кезінде -ыдырауда қиыншылықтар туды: өйткені шығарылған электрондардың энергетикалық спектрлерінің үздіксіздігінің себебін түсіндіру қажет және ядро спинінің сақталмауын меншікті механикалық моментті білу керек болды.

1931 жылы В. Паули мынадай болжам (гипотез) ұсынды: -ыдырау процесі кезінде электронмен бірге, тағы бір нейтраль бөлшек – нейтрино шығарылады деді. Ол былай белгіленеді: , . Нейтриноның заряды жоқ, оның спині , өте кіші (ықтималдығы нолге тең) тыныштық массасы нолге тең болады. Бұдан әрі -ыдырау процесі кезінде антинейтрино (нейтриноға қарағандаға антибөлшек) шығарылады. Нейтриноның электр заряды мен тыныштық массасының болмағандығы себепті оны анықтау өте қиын. Нейтриноның бар болуы туралы тәжірибелі дәлелдеме тек 1956 жылы ғана алынды.

-ыдырауының теориясын 1934 жылы Э. Ферми жасады. Бұл теория шығарылған электрондардың энергиялық спектрінің үздіксіздігін оңай түсіндірді: -ыдырауы кезінде бөлінетін энергия электрон мен антинейтрино арасында таралады, және энергияның таралуы ықтималдық сипатта болады. Екі бөлшектің энергияларының қосындысы тұрақты және -ға тең. Егер антинейтрино энергиясы нолге тең болса, онда электрон энергиясы -ға тең. 14.1-суретте -бөлшегінің энергиясы бойынша таралу қисығы кескінделген.

Нейтриноны (антинейтриноны) енгізумен спиннің сақталмайтындығы да түсіндірілді. 1959 жылы еркін нейтрондардың радиоактивті ыдырауы байқалды. Ядролық реакторларда интенсивтігі үлкен нейтрондар болатындығы анықталды.

14.1-сурет. -бөлшегінің энергия бойынша таралу қисығы.

14.6 Гамма-сәулеленуі және оның қасиеттері

-сәулеленуі өте қысқатолқынды электромагнитті сәулелену болып табылады. Ол әрқашан - және -ыдыраулармен өтеді. -сәулеленуі атом ядролары ыдыраған кезде пайда болады. Ол пайда болар мезетінде қозған күйде болатын туынды ядродан шығады. Әртүрлі энергияларға сәйкес келетін -кванттарының ядро қозған күйден негізгі күйге қайта көшкенде бірқатар аралық күйлерден өтеді, әрі спектрі сызықты спектр болып табылады. Ондай атом ядросының энергиялық күйлері дискреттікпен түсіндіріледі. -сәулесі қысқатолқындық болғандықтан, ол толқындық қасиетті нашар көрсетеді. Сондықтан, -сәулесі -кванттардың ағыны ретінде қарастырылады. -кванттарының энергиясы 10 кэВ-тан 5 МэВ-қа дейінгі аралықтағы мәндерді қабылдайды.

-кванттары орта арқылы өткенде, өзара әсерлесудің негізгі үш түрін (барлығы да электромагниттік) береді; олар: фотоэффект, Комптон эффектісі және қос электрон-позитронды құрылым процесі. Фотоэффект мынадай жағдайда жүреді: жұмсақ -кванттары (КэВ) ауыр заттардың атомдарымен жұтылған болса, бұл кезде -кванттың барлық энергиясын () алған атомның ішкі қабықшасынан бір электрон шығарады. Бұл энергияның үлкен емес бөлігі (атомдағы электронның байланыс энергиясына тең) электронды бөлуге, ал қалған бөлігі оның кинетикалық энергиясына айналдыруға кетеді:

.

Атомнан ыршып шыққан фотоэлектронның энергиясын өлшеу -квантының энергиясын бағалауға мүмкіндік береді. Ыршып шыққан фотоэлектронның орны жоғарыдағы қабықшалардағы электрондармен толтырылады, бұл кезде рентгендік сәулелену пайда болады. Комптон эффектісі – бос электрондарда -кванттарының шашырау процесі. -кванттары шашырау процесінде өзінің қозғалыс бағытын өзгертеді және энергияның бір бөлігін жоғалтады. -кванттарының артық энергиясы комптондық электронға беріледі.

-кванттарының энергиясы комптондық электрондарды зерттеу кезінде анықталуы мүмкін. Комптондық шашырау ~0,5 МэВ энергиялар кезінде пайда болады. Электронды-позитронды қосақтың пайда болу процесі > 1,02 МэВ кезінде болуы мүмкін. Бұл кездегі процесте позитрон мен электрон бір мезгілде пайда болуы мүмкін. Процесс кестелік түрде былай жазылады:

. (14.5)

Позитрон – позитрон – электронның антибөлшегі, бұл бөлшек тек өте үлкен кинетикалық энергияға ие болғанда ғана өмір сүруі мүмкін. Затта, позитрондар энергиясын жоғалта отырып, атомның электронды қабықшасындағы электрондармен өзара әсерлеседі. Осындай «тежелген» позитрон, заттағы қозғалыста болатын электрондардың бірімен қосылып, жоғалып кетеді. -кванттары мен ядролардың өзара әсерлері кезінде ядро қозған күйге ауысуы мүмкін. Егер -кванттарының энергиясы бірнеше мегаэлектронвольтқа артса, онда олар ядродан протондарды, нейтрондарды, -бөлшектерді жұлып алып ядролық реакцияны тудыруы мүмкін.

Нег. 3[231-265], 7[532-546], 8[466-496].

Қос. 48[426-496].

Бақылау сұрақтары:

1. Ядроның құрамында электрондардың болмайтындығын көрсететін аргументтерді келтіріңіз.

2. Ядролық күштердің зарядтық тәуелсіздігін қалай дәлелдеуге болады?

3. Термоядролық реакция кезіндегі бөлінетін энергия, ауыр ядроның бөліну реакциялары кезіндегі бөлінетін энергиядан түпкілікті үлкен болатындығы неліктен?

15-дәріс

ЭЛЕМЕНТАР БӨЛШЕКТЕР

15.1 Лептондар, адрондар. Кварктер. Күшті, электромагниттік, әлсіз гравитациялық өзара әсерлер. Өзара әсерлерді тасымалдаушылар. Қазіргі физиканың және астрофизиканың негізгі мәселелері туралы түсінік.

Элементар бөлшектер деп қажалмайтын, басқа элементар объектілерге бөлінбейтін және мәңгі өмір сүре алатын элементар объектілер болып түсіндіріледі. Белгілі микробөлшектерді элементар бөлшектер деп есептеуге бола ма? Жалпы түрде айтсақ, бөлшектердің элементарлық түсінігінің өзі жемісті болып табыла ма? Бұл сұрақ қазіргі физиканың негізгі мәселелерінің бірі болып табылады.

ХХ ғасырдың басында электронның ашылуы және атомның ядролық моделінің шығуы элементар бөлшектердің алғашқы (бірінші) тізімін құрады; олар: электрон, фотон, протон. 1932 жылы Чадвик нейтронды ашты, бұл барлық белгілі атом ядроларының моделдерін құруға мүмкіндік берді. Бірақ нейтрон еркін күйінде ұзақ өмір сүре алмайды (нейтронның өмір сүру уақыты шамамен 15 минуттай). Бұл кезде нейтрон протонға, электрон нейтриноға айналады. 1933 жылы элементар бөлшектердің саны алтыға шейін жетті. Бұл кезде әрбір элементар бөлшек тек соған ғана қатысты белгілі сапаларға ие болды (мысалы, заряд, масса, спин және тағы басқа қасиеттер). Бұл элементар бөлшектерді пайдалана отырып, сол кезде белгілі физикалық құбылыстардың сапалық түрдегі бейнесін құруға мүмкіндік болды. Мұның негізінде протон мен нейтронды элементар объектісі ретінде қарастырылып отырған сияқты болып көрінеді. Бірақ, егер энергиялары жоғары екі протонның соқтығысуы кезінде протонның ыдырау процесіне қарасақ, онда протонның өзі басқа элементар объектілерден құрылған күрделі объекті болып табылады деп ұғынуға болады.

Отызыншы жылдардан кейін элементар бөлшектердің жасалған және ашылған саны өте кең түрде өсті (қазіргі кезде осындай бөлшектердің саны жүзден асып отыр). Әрине бұл ашылған бөлшектердің элементарлық түсінігі шын мәнінде күмән келтіріп отыр. Бұл микрообъектілер бұрынғысынша «элементар бөлшектер» деген атпен аталады. Бірақ, бұл бөлшектердің барлығы жайлы талдау жасап білу үшін және олардан күрделі материалды объектілерді құру үшін белгілі элементар бөлшектердің қандай бір классификациясының қажеттілігі туады. Элементар бөлшектердің жүйелілігіне негізгі әдіс болып типтер бойынша қатысатын өзара әсерлердің классификациясы жатады. Қазіргі уақытта өзара әсерлердің түбегейлі 4 түрі бар екендігі белгілі; олар: гравитациялық, әлсіз, электромагниттік, күшті – бұлар өзара әсерлердің интенсивтігінің артуы бойынша орналасқан.

Ең әлсіз – гравитациялық өзара әсерлер әмбебап болып табылады және барлық денелердің өзара әсерлері кезінде білінеді. Бірақ микродүние процестерін сипаттау кезінде гравитациялық өзара әсерлер маңызды орын алмайды. Гравитациялық өзара әсерлер білінетін қашықтық шектеусіз. Әлсіз өзара әсер b ыдырауының барлық түрлері кезінде білінеді, сонымен қатар нейтрино мен заттың өзара әсерлесулерінің барлық процестері кезінде де білінеді. Әлсіз өзара әсер қысқа аралықта ғана әсер етеді және шамамен 10^{-15 м қашықтықта ғана білінеді. Электромагниттік өзара әсер – зарядталған бөлшектердің арасындағы өзара әсер болып табылады. Электромагниттік күштердің әсер ету радиусы шектеусіз. Күшті өзара әсер (ядролық өзара әсер) ядродағы нуклондардың байланысын қамтамасыз етеді. Күшті өзара әсер қысқа мерзімге әсер етеді, яғни шамамен 10-15 м қашықтықта білінеді.}

Көрсетілген қасиеттерге байланысты элементар бөлшектердің түбегейлі өзара әсері 4 негізгі топқа бөлінеді. Бірінші топқа бір ғана фотон бөлшегі, яғни электромагниттік өрістің g кванты жатады. Фотондар электромагниттік өзара әсерлесуге қатысады. Келесі топқа күшті өзара әсерлесуге қатысатын жеңіл бөлшектер – лептондар жатады. Бұл топқа электрондар (е^-, е⁺), электронды нейтрино (n_е, ), мюондар (m^-, m⁺) және мюонды нейтрино (n_m, ) жатады. Зарядталған лептондар сонымен қатар электромагниттік өзара әсерлесуге де қатысады.

Үшінші топ мезондарды құрайды – олар, күшті өзара әсерлерге қатысушы тұрақсыз бөлшектер. Оларға p-мезондар немесе пиондар (p⁺, p^-, p^о), k-мезондар немесе каондар (k⁺, k^-, k^о,) және эта-мезон (h) жатады. Барлық мезондар үшін спин нөлге тең. Мезондар массасы 1000 -ға тең өте ірі бөлшектер болып табылады.

Төртінші топқа өзіне нуклондарды (р, n) және массалары нуклондардың массасынан артық болатын массасы тұрақсыз болатын гиперондарды (L, S⁺, S^-, S^о, q^о, q^-, W^-) қосатын бариондар болып табылады. Барлық бариондар күшті өзара әсерлерге қатысады. Барлық бариондардың спині 1/2 -ге тең - бариондардың ыдырауы кезінде міндетті түрде жаңа барион пайда болады, яғни бариондар зарядының сақталу заңының білінуі болып табылады. Көп жағдайда барлық мезондар және бариондар − адрондар деп аталады, олар өте үлкен, күшті өзара әсерлесуші бөлшектер болып табылады.

1928 жылы ағылшын ғалымы П. Дирак, Шредингердің релятивистік теңдеулерін талдауларына сүйене отырып, электронның антибөлшегі (массалары тең, бірақ таңбалары әртүрлі) позитрон болып табылады деп болжам айтты. 1932 жылы позитрон космостық сәулелердің құрамында болатындығы анықталды. Бөлшек-антибөлшек қосарлануының ашылуы (электрон-позитрон) зарядтық-түйіндестік принципі деп аталатын элементар бөлшектердің симметриясын көрсетті. Бұл принцип бойынша, барлық зарядталған бөлшектер антибөлшектерге ие болуы мүмкін. Нейтрал бөлшектерге келетін зарядтық-түйіндестік принципті қорыту, нейтрондардағы және нейтриноларды антибөлшектердің болуын көрсетті. Бөлшектер мен антибөлшектердің қосылуы кезінде бұл бөлшектердің екі еселенген тыныштық энергиясына тең болатын энергиясымен бөлінетін олардың аннигиляциясы болады. Мысалы, аннигиляция − электрон-позитрон қосағының тууы . 1964 жылы Гелл-Манн кварктер туралы болжам ұсынды; бұл болжам бойынша барлық элементар бөлшектер, кварк

Дата добавления: 2014-01-20