Радиоактивті ыдырау 8 страница

58. Ядроның массасы жəне байланыс энергиясы. Масcалар ақауы. Ядролық күштер.

Ядродағы нуклондардың байланыс энергиясы
Байланыс энергиясы — байланысқан жүйені оны құрайтын бөлшектерге жіктеуге және оларды бір-бірінен арасында өзара әсер болмайтындай қашықтыққа алыстату үшін жұмсалатын энергия; біртұтас жүйе болып байланысқан бөлшектер жиынтығының сипаттамасы.

Байланыс энергиясының шамасы бөлшектер арасындағы өзара әсерге байланысты анықталады. Егер бөлшектер жиынтығы молекула құрайтын атомдар болса, онда Байланыс энергиясы ретінде химикалық байланыстың, ал бөлшектер жиынтығы ядро құрайтын нуклондар (протондар мен нейтрондар) болса, онда ядролық байланыстың энергиясы қарастырылады.

Байланыс энергиясы — теріс таңбалы шама. Өйткені байланысқан жүйенің түзілуі кезінде энергия бөлініп шығады. Байланыс энергиясының абсолют шамасы жүйе байланысының беріктілігін және жүйенің орнықтылығын сипаттайды. Басқаша айтқанда, Байланыс энергиясы артқан сайын жүйе берік болады, яғни жүйені оны құрайтын бөлшектерге жіктеу үшін жұмсалатын энергия да көп болады. Мысалы, молекулалардың химикалық Байланыс энергиясы бірнеше эВ болса, ядролық Байланыс энергиясы миллиондаған эВ-қа дейін жетеді. Сондықтан атом ядросы өте берік жүйе болып есептеледі.

Атом ядросының Байланыс энергиясы ядродағы нуклондардың күшті өзара әсеріне байланысты анықталады. Ядроның Байланыс энергиясы: толық, меншікті және жеке бөлшектіктің Байланыс энергиясы болып ажыратылады. Толық Байланыс энергиясы — ядроны жеке нуклондарға ыдырату үшін жұмсалатын энергияға немесе жеке нуклондардан ядро құралғанда бөлініп шығатын энергияға тең.

Меншікті Байланыс энергиясының шамасы өте жеңіл және аса ауыр ядролардан басқалары үшін тұрақты шама (жуық шамамен 8,6 МэВ) болады. Меншікті Байланыс энергиясы ауыр ядролар үшін біртіндеп кеми келе уран ядросында (²³⁸U) 7,5 МэВ-қа жуықтайды. Бұл байланыстың сипатынанэнергия алу үшін, ауыр ядролардың бөлінуі және жеңіл ядролардың бірігуі тиімді екендігі көрінеді. Ауыр ядроларды бөлу арқылы энергия алу ядролық реакторда жүзеге асырылады. Ал жеңіл ядролардың бірігуі кезіндегі энергияның бөлініп шығу процесі термоядролық реакцияда байқалады. Ядро құрамындағы жеке бөлшектің Байланыс энергиясы деп сол жеке бөлшекті ядродан бөліп алуға қажетті энергия мөлшерін айтады.

Атом не молекула электрондарының Байланыс энергиясы электр магниттік өзара әсер арқылы анықталады және ол әрбір электронның иондалу потенциалына пропорционал болады. Молекула мен кристалдардың Байланыс энергиясы да осындай әсерлерге байланысты болып келеді. Ал гравитациялық өзара әсердің Байланыс энергиясының шамасы өте аз және ол кейбір ғарыштық объектілерде ғана байқалады.

Ядролық күштер

Әлемдегі іргелі әрекеттесу күштерінің екі түрі гравитациялық және электромагниттік күштері бар. Атом ядросындағы аттас оң зарядталған протондардың арасында қуатты электростатикалық тебіліс күші бар екені белгілі. Ауыр элементтердің ядроларында, мысалы, уранда 92 протон бар, олардың бір-бірімен тебілу күші бірнеше мыңдаған ньютонға жетеді. Массаларына байланысты протондар мен нейтрондарды ұстап тұрған гравитациялық күш шығар деген пайымдау жасауға болар еді. Алайда, жүргізілген есептеулер, ядродағы екі протонның арасындағы гравитациялық тартылыс күші, олардың арасындағы электростатикалық кулондық тебіліс күшінен кіші екенін көрсетті: F_γ/F_эл = 10^-36.

Атом ядроларының тұрақтылығы ядролардың ішінде осы күнге дейін белгілі күштерден табиғаты мүлдем ерекше аса зор тартылыс күшінің бар екенін дәлелдейді.

Ядродағы нуклондарды ыдырап кетуден сақтап, оның берік байланысын қамтамасыз ететін күштер ядролық күштер деп аталады.

Қазіргі кезде тәжірибелер негізінде ядролық күштердің қасиеттері жақсы зерттелген. Олардың ішіндегі ең маңыздыларына назар аударайық.

· 1. Мысалы, протонның центрінен r = 10^-15 м қашықтықта ядролық күштер кулондық күштен 35 есе, ал гравитациялық күштен 1038 есе қуатты болады. Сол себепті ядролық күштер күшті әрекеттесу деп аталатын әлемдегі өзгеше іргелі өзара әрекеттесу күштері болып табылады.

· 2. Ядролық күштер қысқа қашықтықта ғана әрекет ететін күштер. Арақашықтықтың артуына байланысты ядролық күштер өте шапшаң кемиді. Әрекет ету аймағының шегі r > 3 · 10^-15 м -ден үлкен жағдайда ядролық күштің әрекетін ескермесе де болады. Нуклондардың арасындағы тартылыс күшінің ең үлкен мәні r=1,41 · 10^-15 м қашықтықта байқалады. Ал қашықтық r < 0,5 · 10^-15 м болғанда, нуклондардың арасында ғаламат тебіліс күші пайда болады. Сонымен, ядролық күштер тартылыс күштері болып табылады.

· 3. Тәжірибелерден протон-нейтрон, нейтрон-нейтрон және протон-протон жұптарының арасындағы ядролық тартылыс күштері барлық жағдайда да бірдей болатыны анықталды. Олай болса, ядролық күштер нуклондардың электр зарядының бар-жоғына тәуелсіз әрекет етеді.

· 4. Ядролық күштердің қаныққыштық қасиеті бар, ол нуклонның ядродағы барлық нуклондармен емес, тек өзіне жақын көршілерімен ғана әрекеттесетінін көрсетеді

· 5. Ядролық күштер кулондық сияқты центрлік күштер қатарына жатпайды. Ядролық күштер немесе күшті әсерлесу атом ядросындағы ең үлкен қарқынмен өтетін құбылыстарды басқаратын күштер. Олар элементар деп аталатын бөлшектер арасында күшті байланысты туғызады. Тек күшті әрекеттесу ғана атом ядросындағы протондар мен нейтрондарды біріктіріп, берік ұстап тұр. Жердегі барлық заттардың ядроларының тұрақтылығын қамтамасыз етеді. Ядролық әрекеттесу күштерінің осы және басқа қасиеттерін түсіндіру үшін оның теориясы қажет. Ядролық әрекеттесудің күрделілігінен осы кезге дейін ядролық күштердің тиянақты теориясы жасалмаған.

Нуклондардың ядродағы байланыс энергиясы

Ядроның заряды оның құрамына кіретін протондар зарядтарының қосындысына тең екені өлшеулер арқылы анықталған.

• Ядро да нейтрал атомның символымен белгіленеді:

мұндағы - химиялық элементтің символы; -атомдық нөмір (ядродағы протондар саны); - массалық (ядродағы нуклондар саны)); - ядродағы нейтрондар саны айырымына тең болады.

• Ядроның массасының ахауы:

мүндағы - зарядтық сан (ядродағы протондар саны); - массалық сан (ядродағы нуклондар саны); - ядродағы нейтрондар саны; - нейтронның массасы; - протонның массасы; ядроның массасы.

• Ядроның байланыс энергиясы:

мұндағы - ядроның массасының ахауы; - вакуумдегі жарық жылдамдығы.

Жүйеден тыс бірліктерде ядроның байланыс энергиясы болады, мұндағы - массаның ахауы, м.а.б.-мен (1м.а.б. 931 МэВ). Меншікті байланыс энергиясы максимал болатын элементтердің ядролары ең тұрақты ядролар болып келеді. Енді массалық сан А артқанымен меншікті байланыс энергиясы кеми береді.

Жеңіл элементтердің меншікті байланыс энергиясының кемуі беттік құбылыстармен байланысты. Ядроның бетіне жақын орналасқан нуклондардың ядроның ішіндегі нуклондарға қарағанда өзара әрекеттесетін көршілерінің саны азырақ болады. Өйткені ядролық күштер қысқа қашықтықта ғана әрекет етеді. Сондықтан ядроның ішіндегі нуклондармен салыстырғанда ядроның бетіндегі нуклондардың байланыс энергиясы аз. Ядро кіші болған сайын, нуклондардың көпшілігі ядро бетіне жақын орналасады. Сол себепті жеңіл ядролардың меншікті байланыс энергиясы аз.

59. α,β,γ − сəулеленулер.

Альфа-сәулелер — радиоактивті ядролардан зор жылдамдықтармен (шамамен 10 см/с) бөлініп шығатын бөлшектерден тұратын сәулелер. Альфа-сәуле шығару — ядролық реакторлардың жұмыс процесінде, ядролық жарылыста пайда болатын немесе ядролық зарядтардың құрамына кіретін радиоактивті изотоптардың ыдырау барысында ядролардың гелий атомдарын (альфа-бөлшектер) шығаруы. Альфа-сәуленің өткіш қабілеті аз болғандықтан, ол тек альфа — сәулеленгіш изотоптар организм ішіне түскенде ғана қауіпті.

Бета-сәуле шығару — радиоактивтік изотоптардың бета-ыдырау кезінде атомдық ядролармен шығарылатын электрондар немесе позитрондар (бета-бөлшектер) ағыны. Бета сәулеленген изотоптардың көп мөлшері ядролық жарылыс кезінде пайда болады. Бета-бөлшектердің ену қабілеттері бірнеше миллиметрден аспайды, сондықтан адамның сырткы сәулеленуі кезінде оның тек тері қабаттары зақымға ұшырайды.

Гамма-сәуле шығару — ядролық жарылыс кезінде түзілетін, кемінде 1010 метр ұзын толқынды электрмагниттік иондалған сәулелену, ядролык атомдардың энергиялық жағдайының өзгеруі, ядролықка айналу және бөлшектердің аннигиляциясы. Ол өткір радиация құрайтындардын бірі болып табылады. Заттардың қалың қабатының арасынан өтіп кете алады. Тірі организмге әсер ете отырып, сәулелену ауруын тудырады.

Э. Резерфод пен П. Кюри радиоактивтік кезіндегі сәуле шығарудың табиғатын зерттеу барысында оның құрамы күрделі екенін анықтайды. Радиоактивті радий қорғасыннан жасалған калың қабатты ыдыстың ішінде орналасқан. Ыдыстың ортасында цилиндр пішінді арна бар. Ыдыстың түбіндегі радийден шыққан сәулелерге оған перпендикуляр бағытта күшті магнит өрісі әсер етеді. Арнаның қарсысында фотопластина бар. Барлық қондырғы вакуумде орналастырылған. 8.6-суретте көрсетілгендей радийден шығатын сәулелер ағыны магнит өрісінен өткеннен кейін үш шоққа бөлінген. Шоқтардың осылайша бөлінуін фотопластинадағы қарайған заттардың орындары бойынша анықтайды. Оларды сәйкесінше α (альфа)-сәуле, β (бета)-сәуле және γ (гамма)-сәуле деп атаған. α-сәуле дегеніміз — оң арядталған бөлшектер (α-бөлшек) ағыны, β-сәуле дегеніміз—өте шапшаң қозғалатын және жылдамдықтары бірдей емес теріс зарядталған бөлшектер (β-бөлшек) ағыны болып шықты. Магнит өрісінде ауытқу бұрышының әр түрлі болуы α-бөлшек пен β-бөлшектің массаларының бірдей емес екенін, әрі қарама-қарсы зарядталғанын көрсетеді. γ-сәулесі магнит өрісінде ауытқымайтын, жиілігі өте жоғары электромагниттік сәулелену кванты екен. Атом ядросының құрылысы мен құрылымына, нуклондардың байланыс энергиялары туралы мәліметтерге сүйене отырып, радиоактивті сәуле шығарудың табиғатын түсіндіру оңай. Құрамында нейтрон-дардан гөрі протондарының саны артық болатын ядро тұрақты емес, өйткені кулондық әрекеттесудің энергиясы басымырақ.

Нейтрондарының саны протондар санына қарағанда анағұрлым көбірек болатын ядроның тұрақты болмауының себебі, нейтроннық массасы протонның массасынан үлкен m_n > m_p. Ядроның массасының артуы оның энергиясының артуына әкеліп соғады. Артық энергиясы бар ядро осы энергияның артық бөлігін екі түрлі жолмен бөліп шығаруы мүмкін.

1.Механикалық, термиялық және басқа да сыртқы әсерсіз-ақ, ядро өздігінен ыдырап радиоактивті сәуле шығарады және бөліну нәтижесінде түрленіп жаңа элементтің ядросы пайда болады. Өздігінен ыдырау процесінде α-бөлшектер ядродан ұшып шықса, оны альфа-ыдырау деп атайды.

2.Ядро, өзінің электр зарядын бір заряд бірлігіне өзгертуі, яғни нейтронның протонға немесе протонның нейтронға айналуы арқылы тосын ыдырайды. Осы процесс ядродан электронның немесе позитронның (оң заряды бар электрон) ұшып шығуымен қабаттаса өтеді, оны бета-ыдырау дейді. Радиоактивті ядролардың өздігінен ыдырауы кезіндегі түрленуі 1913 жылы ағылшын ғалымы Ф. Содди тұжырымдаған ығысу ережесіне бағынады. Радиоактивті ыдырау кезінде электр зарядының және массалық санның сақталу заңдары, импульс пен энергияның сақталу заңдары да орындалады.

Дата добавления: 2014-12-16