Бор постулаттары 3 страница

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 себептіядролық 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 күштертартылыс 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 ядросындағыпротондар 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.^[3]

Нуклондардың ядродағы байланыс энергиясы[өңдеу]

Ядроның заряды оның құрамына кіретін протондар зарядтарының қосындысына тең екені өлшеулер арқылы анықталған. "Нуклондар массаларының қосындысы атом ядросының массасына тең бе?" деген сұрақ туады. Масс-спектрограф көмегімен жүргізілген өте дәл өлшеулер кез келген химиялық элементтің тыныштықтағы атомы ядросының массасы оны құрайтын дербес протондар мен нейтрондармассаларының қосындысынан кіші екенін көрсетті:

Сонда массалардың айырымы қайда кетті? Оның жауабын масса мен энергияның өзара байланысын тағайындаған Эйнштейннің формуласы негізінде түсінуге болады. Атом ядросынан бір нуклонды бөліп алу үшін, оны ұстап тұрған ядролық күшке қарсы жұмыс атқарылуы, яғни ядроға белгілі мөлшерде энергия берілуі қажет. Атом ядросын түгелімен жеке нуклондарға ыдырату үшін қажетті минимал энергияны ядроның байланыс энергиясы деп атайды.

Энергияның сақталу заңы бойынша дәл осындай энергия дербес протондар мен нейтрондар ядроға біріккенде бөлініп шығады.

Ядролық тарту күшінің жұмысы есебінен нуклондардан атом ядросы түзілгенде пайда болатын массалар айырымын массалар ақауы деп атайды.

Массалар ақауын есептеу формуласын жазайық:

Енді ядроның байланыс энергиясын есептеп шығаруға болады:

Ядролық физикада массаның атомдық бірлігі (1 м.а.б.), ал энергия үшін мегаэлектронвольт (МэВ) қолданылатынын ескеріп, (8.8) формуланы осы бірліктер үшін бейімдеп жазайық:

МэВ

Сонымен, дербес нуклондардан ядро түзілгенде ядроның Еб байланыс энергиясына тең энергия бөлініп шығады. Энергияның бөлініп шығуы ядро массасының массалар ақауы деп аталатын шамаға кемуіне әкеледі:

Ядроның байланыс энергиясы ядроның тұрақтылығын сипаттайтын аса маңызды шама болып есептеледі. Сонымен қатар, ядролық физикада меншікті байланыс энергиясы деген ұғым қолданылады.

Меншікті байланыс энергиясы деп ядроның байланыс энергиясының А массалық санға қатынасын, яғни бір нуклонға сәйкес келетін байланыс энергиясын айтады:

Нуклондардың меншікті байланыс энергиясы түрлі атом ядроларында бірдей емес. Ядродағы нуклондардың меншікті байланыс энергиясының массалық А санға тәуелділігі 8.5-суретте көрсетілген. Массалық А санының артуына байланысты меншікті байланыс энергиясы дейтерийдің ядросында 1,1 МэВ/нуклон мәнінен темірдің изотопы үшін 8,8 МэВ/нуклон мәніне дейін арта бастайды. Меншікті байланыс энергиясы максимал болатын элементтердің ядролары ең тұрақты ядролар болып келеді. Енді массалық сан А артқанымен меншікті байланыс энергиясы кеми береді, мысалы, уранның изотопында Е_м.б = 7,6 МэВ/нуклон.

Протондар санының артуына байланысты ауыр элементтердің ядроларындағы нуклондардың меншікті байланыс энергиясы кемиді. Соның әсерінен олардың арасындакулондық тебілу күштерінің шамасы өседі. Ядродағы нуклондардың меншікті байланыс энергиясы атомдағы электрондардың байланыс энергиясынан жүз мыңдаған есе артық екенін айта кеткеніміз жөн болар.

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.

Протондар санының өсуі кулондық тебілу күшінің артуына әкеледі, нәтижесінде ауыр элементтер (Z >82) ядроларының меншікті байланыс энергиясы кемиді. Олай болса, ауыр элементтер ядросы тұрақсыздау болып келеді. Кулондық күштер ядроны ыдыратуға тырысады. Табиғатта жиі кездесетін және ядродағы протондардыңнемесе нейтрондардың саны киелі сандар деп аталатын 2, 8, 20, 24, 50, 82, 126 сандарына тең ядролар тұрақты болып келеді. Ал, егер протондардың да, нейтрондардың да сандары киелі сандарға тең болса, онда қосарланған киелі санды ядро аса тұрақты болады. Табиғатта ондай бес ядро бар:

Киелі ядролардың тұрақты болып келуін ядроның кабықтық моделі негізінде түсіндіруге болады.^[3]

Масса ақауы, масса дефектісі — атом ядросын құраушы нуклондар (нейтрондар мен протондар) массаларының қосындысы мен ядро массасының (М) арасындағы айырым ():=ZMp+(A––Z)Mn–M, мұндағы Z — ядродағы протондардың саны, А — ядроның массалық саны, Мр мен Мn — протон мен нейтронның массалары. М. а. массаның атомдық бірлігімен өрнектеледі және ол ядродағы нуклондардың байланыс энергиясына тең (кері таңбамен алынған). М. а. неғұрлым үлкен болса, соғұрлым байланыс энергиясы жоғары және ядро орнықты болады.

Ядролық модель – атом ядросының оңайлатылған бейнесі. Ол атом ядросын сипаттайтын әр түрлі шамаларды анықтайтын есептің қарапайым математикалықшешімін табуға мүмкіндік береді. Ядролық модельді құру кезінде атом ядросының кейбір жеке қасиеттеріне ғана назар аударылып, оның басқа қасиеттеріне мән берілмейді.
Ядролық модельдерді төмендегідей 3 топқа бөлуге болады:
1) ядроның негізгі күйлерінің жалпы қасиеттерін сипаттайтын;
2) ядроның қозу спектрлерін сипаттайтын;
3) ядроның ұшып келе жатқан бөлшектермен өзара әсерін сипаттайтын.
Бірінші топтағы ядролық модельдер ядродағы заттың орнықтылығын, ядролық күштердің қанықтылығын түсіндіреді.
Екінші топтағы ядролық модельдер ядроның тәжірибеде байқалатын энергия деңгейлерін сипаттауға, энергия деңгейлерінің қалпын немесе олардың тығыздығын, ядролардың магниттік және квадрупольдық моменттерін есептеуге, сондай-ақ атом ядросының спинін, т.б. анықтауға мүмкіндік береді. Осы топтағы модельдер магиялық ядролардың орнықты болу себебін де түсіндіре алады. Ал ядролық модельдердің үшінші тобының көмегімен γ-кванттардың, нуклондардың және одан да ауырлау бөлшектердің атом ядросында шашырауын, сондай-ақ атом ядросының өздігінен және еріксіз түрде бөліну себебін түсіндіруге болады. Бірінші топтағы ядролық модельге: гидродинамикалық (екі сұйықты) модель мен “шекарасы жоқ” ядро (ядролық материя) моделі жатады. Гидродинамикалық модель бойынша ядро белгілі бір тығыздығы (шамамен 1038 бөлшек/см3), бір нуклонға келетін орташа энергиясы (–15,5 МэВ), беттік керілу коэффициенті, т.б. бар протон және нейтрондар сұйығының тамшысы болып есептеледі. Ядролық материя моделінде кеңістіктік шекарасы жоқ әрі біртекті нуклондар жүйесі қарастырылады. Екінші топтағы ядролық модельге ең алдымен ядроның қабықтық моделі мен ядроның жалпыланған моделі жатады. Бұл модельдер бойынша барлық нуклонның жасайтын өзара үйлескен өрісінде әрбірнуклон бір-біріне тәуелсіз болып қозғалады. Ядроның жалпыланған моделінде мұның үстіне нуклондардың ұжымдық қозғалыстары да зерттеледі. Үшінші топтағы ядролық модельге ядроның оптикалық моделі, құрама ядро моделі, тура ядролық реакциялар моделі және бөліну моделі жатады. Ядроның оптикалық моделінде энергиясы кең диапозонда өзгеретін бөлшектердің (нуклондардың, дейтрондардың немесе ауыр бөлшектердің) шашырауы зерттеледі. Орташа және ауыр ядроларға энергиясы онша жоғары емес нейтрон түскен кезде құранды ядро түзіледі. Оның ыдырау заңдылығы статистикалық немесе булану моделі арқылы сипатталады. Қызған сұйықтықтан молекулалардың сыртқа қарай қалай ұшып шығатыны тәрізді, құрама ядродан да сондай болып нуклондар сыртқа қарай ұшып шығады. Бөлшектердің энергиясын өте жоғары болып келген ядроларда, сондай-ақ кез келген мөлшердегі энергиясы бар жеңіл ядроларда өтетін процестер тура ядролық реакциялар моделі арқылы сипатталады. Бұл модельде ұшып келе жатқан бөлшек пен ядро бөлшектері қабықтық модельдің үйлескен потенциал өрісінде қозғалады. Тура ядролық реакциялардың күрделірек түрлері соңғы уақытта дамып келе жатқан дисперсиялық модельде зерттеледі. Бұл модельде барлық ядро протон және нейтрон тәрізді элементар бөлшек деп қарастырылады. Бірақ бұл ядроның протон мен нейтроннан өзгешелігі – ол протонның, нейтронның, дейтронның, т.б. элементар бөлшектердің энергиясы жеткілікті дәрежеде үлкен болған кезде ыдырай алады.^[1]
Кез келген құбылысты модельдеуден бұрын, әдетте модельденетін объектінің не процестің физикалық бейнесін құруға тырысады.^[2] Ал модельдің негізінде жатқан физикалық бейне атом ядросының қасиеттері жөніндегі белгілі бір ұйғаруларға (тұжырымдарға) сүйенеді. Әр түрлі модель ядродағы әр түрлі процестер мен қасиеттерді сипаттайтындықтан физикалық бейне де, яғни бастапқы тұжырымдар да әр түрлі болуы, кейде тіпті бір-біріне қарама-қарсы болуы да мүмкін. Физикалық алғышарттар негізінде модельдің математикалық аппараты жасалады, яғни тәжірибеде байқалатын шамаларды анықтау үшін теңдеу құрастырылады. Теңдеуде бірнеше параметр болады және әрбір параметрдің жеткілікті дәрежеде нақты бір физикалық мағынасы болуы тиіс. Ядролық модельдің әр қайсысының қолданылатын шекарасы, аймағы бар. Mатематикалық аппараттың мазмұнының көлемі оның физикалық бейнесінен гөрі кеңірек болып келеді. Ядро құрылымы жөніндегі түсінікке сәйкес физикалық бейне көбіне өзгеріп, дамып және жетілдіріліп отырылады. Бұл жағдайда модельдің математикалық аппараты өзгермейді десе де болады.^[3]
Ядроның микроскоптық теориясында ядро өзара әсерлесетін көптеген протон мен нейтрондардан құралған жүйе деп қарастырылады. Ядролық күштер табиғатының толық шешілмеуіне байланысты іс жүзінде ядролық өзара әсерге байланыссыз нәтижелерді пайдалануға болады.^[4] Ядроның микроскоптық теориясы жоғарыда аталған әр түрлі Ядролық модельдердің негізін және оларды ядроларға пайдалануға болатынын, әр түрлі модельдердің өзара байланысын түсіндіре алады. Дегенмен Ядролық модельдердің дәйекті теориясы әзірше жасалған жоқ.

Радиоактивті ыдырау заңы — атом ядроларының әр түрлі бөлшектер мен сәулелер шығара отырып, өздігінен түрлену заңы.^[1][2]Радиоактивті ыдырау заңын Резерфорд ашқан:

немесе

Эксперименттік зерттеулер радиоактивті ыдырау толығымен статистикалық заңдылыққа бағынатынын дәлелдеді. Белгілі бір радиоактивті изотоптың ядролары бірдей болады. Атом ядросының және ядролардың қайсысының ыдырайтыны - кездейсоқ оқиға. Мысал үшін, бір нуклидтің бірдей екі ядросын алайық. Ядроның біреуі 3 млрд жыл бұрын жұлдыздың қопарылысы кезінде, ал екінші ядро ядролық реакторда 3 мин бұрын пайда болсын. Ядролардың пайда болу уақытына қарамастан, келесі бір уақыт мезетінде екеуінің де ыдырауының ықтималдығы бірдей. Статистикалық құбылыстарды сипаттау үшін оқиғаның ықтималдығы ұғымын қолданады.

Мазмұны

[жасыру]

· 1 Ыдырау тұрақтысы

· 2 Жартылай ыдырау периоды

· 3 Кейбір элементтердің жартылай ыдырау периоды

· 4 Дереккөздер

Ыдырау тұрақтысы[өңдеу]

Уақыт бірлігі ішінде ядроның ыдырау ықтималдығын ыдырау тұрақтысы деп атап, әрпімен белгілейді. Бірдей изотоптың ядросы үшін ыдырау тұрақтысы бірдей, ал түрлі изотоптың ядролары үшін ыдырау тұрақтысы әр түрлі болады. Санақ басы () мезетінде ыдырау тұрақтысы болатын радиоактивті изотоптың ыдырамаған ядроларының саны белгілі болсын. Сонда өте аз уакыт аралығында ыдырайтын ядролардың саны осы мезетте ыдырамаған ядролар санына пропорционал болуы керек деп айта аламыз:

мұндағы " минус " таңбасы уақыт өткен сайын ядролардың санының азаятынын бідіреді. (8.10) формуладан белгілі бір уақыт аралығы өткенде ыдырамаған ядролар санының уақытқа тәуелділігін табайық. Ол үшін (8.10) тендеудің екі жағын -ға бөлейік: .

Осыдан ядролардың ыдырауының уақытқа тәуелділігі шығады:

мұндағы - натурал логарифмнің негізі, , – ыдырау уақыты, — бастапқы уақыт мезетіндегі () ядролар саны, уақыт ішінде ыдырамай қалған ядролардың саны, — ыдырау тұрақтысы, өлшем бірлігі c⁻¹. Жоғарыда аталған тәуелділікті радиоактивті ыдырау заңы деп атайды.

Уақыттың өтуіне байланысты ыдырамаған радиоактивті ядролардың саны экспоненциалды түрде кемиді. 8.12-суретте тәуелділігінің графигі көрсетілген.^[1]

Жартылай ыдырау периоды[өңдеу]

Радиоактивті ядролар санының жартысы ыдырайтын уақыт аралығын жартылай ыдырау периоды деп атайды.

Демек, радиоактивті ядролардық алғашкы саны болса, уақыт өткеннен кейін олардың саны болады. (8.11) өрнектен аламыз.

Осы тендеуді логарифмдесек, , бұдан шығатыны . Ал тұрақты шама болғандықтан, жартылай ыдырау периоды тұрақты.

Радиоактивті ыдырау заңын 1902 жылы Э. Резерфорд пен Ф.Содди ашқан. Есептеулер радиоактивті ядроның орташа өмір сүру уақытын

өрнегі арқылы анықтауға болатынын көрсетті. Ядроның орташа өмір сүру уақыты жартылай ыдырау периодына пропорционал.

Радиоактивті ядроның ыдырау қасиетін сипаттайтын тағы бір шаманы айтуға болады. Уақыт бірлігі ішінде ыдырайтын ядролар санымен анықталатын шаманы радиоактивті заттың активтілігі () деп атайды:

Активтіліктің Халықаралық жүйедегі () өлшем бірлігі — беккерель.

1 беккерель (Бк) — уақыт бірлігі 1 с ішінде бір ыдырау болатын радиоактивті препараттың активтілігі:

1 Бк = 1 ыдырау / 1 c.

Іс жүзінде қолданылатын активтіліктің басқа да өлшем бірлігі бар, ол — кюри (Ки):^[1]

1 Ки = 3,7 · 1010 Бк; 1 мКи = 3,7 · 10⁷ Бк.

Кейбір элементтердің жартылай ыдырау периоды[өңдеу]

Менделеев кестесіндегі химиялық элементтердің жартысынан көбінің табиғи радиоактивті изотопы бар. Олардың жартылай ыдырау периодтарының диапозоны өте үлкен. Мәселен, уранның изотопының жартылай ыдырау периоды = 4,5 млрд жылға, ал торийдың изотопының жартылай ыдырау периоды =14 млрд жылға тең. Жер планетасы пайда болғалы 4-5 млрд жыл уақыт өтті десек, уран мен торийдің толығымен ыдырап болмағаны өзінен-өзі түсінікті.

Табиғатта жартылай ыдырау периоды қысқа, тіпті жартылай ыдырау периоды секундтың миллионнан бір үлесіндей ғана болатын элементтер бар. Мысалы, радий изотопы үшін = 1600 жыл, радон үшін = 3,28 тәул болса, полоний үшін = 3 мин.

Радиоактивті ыдыраудың ғажабы сол, жартылай ыдырау периоды қысқа болатын изотоптарды ертең де, бүрсігүні де, тіптен 100 жылдан соң да табиғатта кездестіруге болады.

Радиоактивті изотоптар " қартаймайды ", себебі уакыттың өтуіне байланысты ыдырау жылдамдығы өзгермейді. Уран мен торий изотоптары ядроларының ыдырау кезінде пайда болатын туынды ядролар тұрақты болмайды, радиоактивті болады. Осылай үздіксіз тізбектелген ядролық ыдырау процесі тұрақты ядро, яғни радиоактивті емес туынды ядро түзілгенше жалғаса береді. Осы ыдырау тізбегін радиоактивті қатар деп атайды (8.13-сурет). Радиоактивті ыдырау заңы статистикалық заңдылыққа бағынатындықтан, ол өте көп санды атом ядролары үшін дұрыс.^[1] Кейбір элементтердің ыдырау қасиеттері:^[3]

Элемент	^238U	^234U	^210Bi	^210Tl
Жартылай ыдырау периоды	4,5×10^9 жыл	2,48×10^5 жыл	4,97 күн	1,32 минут
Ыдырау тұрақтысы	4,84×10^−18с^−1	8,17×10^−14с^−1	1,61×10^−6с^−1	8,75×10^−3с^−1
Бөлшек	α	α	β	β
Ыдыраудың толық энергиясы

Табиғи радиоактивтік[өңдеу]

Уикипедия — ашық энциклопедиясынан алынған мәлімет

Ядролық физика

Aтoм ядросы · Ядролық реакция ·Табиғи радиоактивтік

[көрсет ►]Aтoм ядросы

[көрсет ►]Ядроның нуклондық моделі

[көрсет ►]Ядродағы нуклондардың байланыс энергиясы

[көрсет ►]Табиғи радиоактивтік

[көрсет ►]Радиоактивті ыдырау заңы

[көрсет ►]Ядролық реакциялар

[көрсет ►]Тізбекті ядролық реакциялар

[көрсет ►]Ядролық реактор

[көрсет ►]Термоядролық реакциялар

[көрсет ►]Радиациядан қорғану

[көрсет ►]Белгiлi ғалымдар

қарау • талқылау • өңдеу

Тағы қараңыз «Физика порталы»

Радиоактивтілік (лат. radіo – сәуле шығару, actіvus – әсерлік) – орнықсыз атом ядроларының басқа элементтер ядросына бөлшектер немесе гамма-кванттар шығару арқылы өздігінен түрлену құбылысы.

Дата добавления: 2014-12-27