Атом ядросының құрылысы. Ядро моделі.

Ядро деп, атомның барлық массасы жә не оның электрлік заряды жинақ талғ ан, атомның орталық бө лігін айтады.

Барлық атомдардың ядролары протон мен нейтрон деп аталатын элементар бө лшектерден тұ рады. Бұ л бө лшектерді кө біне нуклондар деп атайды. Ең қ арапайым деп саналатын сутегі атомының ядросы бір протоннан, яғ ни бір нуклоннан тұ рады.

Протон. Протон р ә рпімен белгіленеді, оның заряды жә не массасы

938, 28 МэВ[1]. (1)

Салыстыру ү шін электронның массасын келтіретін болсақ, ол мынағ ан тең болады:

0, 511 МэВ. (2)

(1) жә не (2) тең діктерінен протон мен электронның массаларының арасында мынадай қ атынас орын алатынын кө реміз:

1836 . (3)

Протонның спині () ж»не меншікті магниттік моменті бар:

, (4)

мұ ндағ ы:

=5, 05·10^-24 эрг/Гс (5)

ядролық магнетон деп аталатын магнит моментінің бірлігі. Бор магнетонымен ( =0, 927·10^-20 эрг/Гс) салыстырсақ, шамасы -дан 1836 есе кіші болатындығ ы шығ ады. Демек, протонның меншікті магниттік моменті электронның магниттік моментінен шамамен 660 есе кіші болады.

Нейтрон. Нейтронды () 1932 ж. ағ ылшын физигі Д. Чедвик ашқ ын болатын. Оның электрлік заряды жоқ, бейтарап бө лшек, ал массасына келсек, ол

1, 00867 м.а.б.=939, 57 МэВ. (6)

протон массасына ө те жақ ын. Нейтрон мен протонның массаларының айырымы шамамен 2, 5 электронның массасына тең.

Нейтронның спині де протонның спиніндей () жә не (электрлік заряды жоқ бейтарап бө лшек болғ анымен) меншікті магниттік моменті бар

. (7)

(минус таң басы меншікті механикалық жә не магниттік моменттерінің бағ ыттары қ арама-қ арсы екенін кө рсетеді).

Еркіндік жағ дайында (кү йінде) нейтрон тұ рақ ты емес (радиоактивті), ол ө з бетімен ыдырап, электрон шығ арып () жә не протонғ а айналып, сонан соң тағ ы да антинейтрино () деп аталатын бө лшек шығ арады. Жартылай ыдырау периоды (яғ ни нейтрондардың бастапқ ы санының жартысының ыдырау уақ ыты) шамамен 12 минутқ а тең. Ыдырау схемасын мына тү рде жазуғ а болады:

. (8)

Антинейтрино бө лшегінің массасы нө лге тең. Нейтронның массасы протонның массасынан 2, 5 -ге ү лкен. Демек, (8) ө рнектің оң жағ ында тұ рғ ан бө лшектердің массаларының қ осындысынан нейтронның массасы 1, 5 -ге артық. Олай болса, нейтрон ыдырағ анда бұ л энергия тү зілген бө лшектердің кинетикалық энергиясы тү рінде бө лінеді.

Атом ядросының қ асиеттері. Атом ядросының ең маң ызды қ асиеттерінің бірі – оның зарядтық саны Z. Ол заряд қ ұ рамына енетін протондардың санына жә не -ге тең ядро зарядын анық тайды. Z саны сонымен қ атар Менделеев кестесіндегі орналасқ ан химиялық элементтердің реттік нө мірін кө рсетеді. Сондық тан да оны ядроның атомдық нө мірі деп те айтады. Ядродағ ы нуклондар санын (яғ ни протондар мен нейтрондар сандарының қ осындысын) А ә рпімен белгілейді де, оны ядроның массалық саны деп атайды. Ядродағ ы нейтрондар саны N=A-Z –ке тең. Ядроның белгілеу ү шін арнайы символ қ олданылады: , мұ ндағ ы Х -химиялық элементтің символы. Жоғ арыдағ ы сол жағ ындағ ы қ ойылғ ан массалық сан, тө менгі сол жағ ындағ ы – атомдық нө мір. Кейде былай да белгіленеді: .

Z -терінің саны бірдей, бірақ А -лары ә ртү рлі болып келетін ядроларды изотоптар деп атайды. Химиялық элементтердің кө пшілігінің тұ рақ ты изотоптары болады. Мысалы, оттегінің , , , қ алайынынң он тұ рақ ты изотоптары бар. Сутегінің ү ш изотобы бар, олар:

- кә дімгі сутегі, немесе протий (, )

- ауыр сутегі, немесе дейтерий (, )

- тритий (, ).

Протий мен дейтерий тұ рақ ты, ал тритий радиоактивті.

Массалық сандары А бірдей ядроларды изобаралар деп атайды. Мысал ү шін мынаны келтіруге болады: жә не .

Нейтрондар саны бірдей N=A-Z ядроларды изотондар деп атайды (, ). Ең соң ында, жартылай ыдырау периодында айырмашылық тары бар Z жә не А -сы бірдей болатын радиоактивті ядролар да болады, оларды изомерлер деп атайды. Мысалы, ядросының екі изомері бар, оның бірінің жартылай ыдырау периоды 18 минут, ал екіншісінікі – 44 сағ атқ а тең.

Табиғ атта кездесетін 1500-дей ядроның бір-бірінен айырмашылық тары не Z -де, не А -да, немесе екеуінен де бірдей болады. Шамамен алғ анда, ядролардың 1/5-і тұ рақ ты, қ алғ андары радиоактивті болып келеді. Кө птеген ядролар жасанды тү рде ядролық реакциялар кө мегімен алынады.

Табиғ атта технецийден (Тс, Z =43) жә не прометийден (Pm, Z =61) басқ а атомдық нө мірлері 1-ден басталып, 92-ге дейін жететін элементтер кездеседі. Плутонийді (Pu, Z =94) жасанды тү рде алғ аннан кейін, ол табиғ атта смола минералында ө те аз мө лшерде болатындығ ы анық талды. Қ алғ ан трансурандық (яғ ни ураннан кейінгі) элементтер (Z -тері 93-тен 107-ге дейін) жасанды тү рде ә р тү рлі ядролық реакциялардың кө мегімен алынғ ан

Трансурандық элементтер кюрий (96 Си), эйнштейний (99 Es), фермий (100Fm) жә не менделеевий (101Md) элементтерінің аттары атақ ты ғ алымдардың П. Жә не М. Кюрилердің, А. Эйнштейннің, Э. Фермидің, Д. И. Менделеевтің қ ұ рметтеріне байланысты аталғ ан. Лоуренсий (103 Lw) элементі циклотронды ойлап тапқ ан ғ алым Э. Лоуренстің қ ұ рметіне байланысты аталса, ал курчатовий (104 Ku) ө зінің атын атақ ты кең ес физигі И. В. Курчатовтың қ ұ рметіне байланысты алғ ан.

Кейбір трансурандық элементтер соның ішінде курчатовий де, сол сияқ ты 106 жә не 107 элементтер де Дубно қ аласындағ ы Біріккен ядролық зерттеулер институтындағ ы ядролық реакциялар лабораториясында кең ес ғ алымы Г. Н. Флеров жә не оның қ ызметкерлерінің жұ мыстарының нә тижесінде алынғ ан.

Ядроның ө лшемі. Ядроның ө лшемі ядроның радиусымен сипатталады. Ядроның шекарасы жуылғ ан секілді болғ андық тан оны жуық тап шар деп қ арауғ а болады. Демек, сол шардың радиусын эмперикалық жолмен есептеуге болады, яғ ни

1, 3·10^-13А^1/3 см=1, 3А^1/3 ферми (9)

(ферми – ядролық физикада қ олданылатын ұ зындық тың бірлігі, оның шамасы 10^-13см). (9) ө рнегінен ядроның кө лемі ядродағ ы нуклондарғ а пропорционал екендігі келіп шығ ады. Шын мә нінде ядроны, егер радиусы бар сфера десек жә не сфера радиусы бар кішкене шарлар тү ріндегі А нуклондардан тұ рса, онда ядроның кө лемі ү шін тең деуін жазуғ а болады, мұ ндағ ы 1, 3·10^{-13 см.}

Ядроның тығ ыздығ ы ө те ү лкен шама, ол жуық тап алғ анда 1, 8·10¹⁷ кг/м³-ке тең жә не барлық ядролар ү шін ол тұ рақ ты. Оны былай анық тайды: 1, 8·10¹⁷ кг/м³. Мұ ндай тығ ыздығ ы бар заттар табиғ атта кездеспейді.

Ядроның спині. Нуклондардың спиндері қ осыла келіп ядроның қ орытқ ы спинін береді. Нуклондардың спині 1/2-ге тең. Сондық тан нуклондар саны А тақ болғ анда, ядро спинінің кванттық саны І бү тіннің жартысына, ал А жұ п болғ анда нө л не бү тін санғ а тең болады. Ядроның спиндері І бірнеше бірліктен аспайды. Бұ л ядродағ ы нуклондардың кө пшілігінің спиндері антипараллель болып, бірін-бірі тең гереді. Барлық жұ п-жұ п ядролардың (яғ ни жұ п санды протоны бар жә не жұ п санды нейтрондары бар ядролар) спиндері нө лге тең болады.

F кванттық санымен анық талатын ядроның механикалық моменті , атомның толық импульс моментіне жә не электрон қ абық шасының моментіне қ осындыланады.

Ядроның жә не электронның магниттік моменттерінің ө зара ә серлесулері жә не (яғ ни F-тері тү рліше) ә р тү рлі ө зара бағ ытталғ ан атомның кү йіне сә йкес келгендіктен, сол атомның кү йінің азғ ана айырмашылық тары бар энергиясы болады. Сонымен жә не моменттерінің ө зара ә серлесулерінен спектрлердің жің ішке қ ұ рылымдарының пайда болуы тү сіндіріледі. жә не -дің ө зара ә серлерінен атом спектрлерінің асы жің ішке қ ұ рылымдары анық талады.

Спектр сызық тарының аса жің ішке қ ұ рылымдарғ а жіктелуіне (ангстремнің бірнеше жү зден бір бө лігіне сә йкес) байланысты оны бақ ылау ө те жоғ ары ажыратқ ыштық кү ші бар қ ұ ралдардың кө мегімен жү ргізіледі.

Ядроның массасы. Масса ядроны сипаттайтын шамалардың ең маң ыздыларының бірі. Ол оның екпіндік, кү ш ә серінен қ озғ алыс кү йінің ө згерісіне қ арсыласу қ абілетін сипаттайды. Ядроның массасын массаның атомдық бірлігімен (м.а.б.) ө лшеген ың ғ айлы. Оғ ан ХБЖ-же 1, 66·10^{-27 кг сә йкес келеді.}

Атом ядросының массалары оны қ ұ раушылардың массаларының қ осындысына тең емес, одан аздап болса да кіші

. (10)

Тә жірибенің кө рсетуіне қ арағ анда, кү рделі ядроның массасы ә рқ ашанда оның қ ұ рамына кіретін протондар мен нейтрондардың массаларының қ осындысынан кіші болады. Мұ нын себебін нуклондарды ядроғ а біріктіргенде сол нуклондардың бір-бірімен байланыс энергиясының бө лініп шығ атындығ ымен тү сіндіруге болады. Демек, тыныштық та тұ рғ ан ядроның энергиясы тыныштық та тұ рғ ан ө зара ә серлеспеген нуклондардың энергияларының қ осындысынан мынадай шамағ а аз болады

. (11)

Бұ л шама ядродағ ы нуклондардың байланыс энергиясы болып табылады. Сонымен, ядроның байланыс энергиясы деп ядроны оны қ ұ райтын нуклондарғ а бө лшектеуге қ ажетті энергияның шамасын айтады. Егер (11) ө рнектегі протон массасы -ны сутегі атомының массасы -пен, ал ядро массасы -ны атом массасы -мен алмастырса, одан тең бе-тең дік ө згермейді. Соның нә тижесінде (16) тең деу былай жазылады

. (12)

(12) ө рнек ө те ың ғ айлы, себебі кө біне анық тама кестелерде ядролардың массалары емес, атомдардың массалары беріледі.

Бір нуклонның ү лесіне тиісті байланыс энергиясын, яғ ни шамасын ядродағ ы нуклондардың меншікті байланыс энергиясы деп атайды. Оны деп белгілейді. Мына шаманы

(13)

ядроның масса ақ ауы деп атайды. Сонымен масса ақ ауы байланыс энергиясымен мынадай қ атынаста болады

. (14)

Масса ақ ауы ядроның байланыс энергиясының ө лшемі болғ андық тан оны былай жазуғ а болады:

. (15)

ядросындағ ы нуклондардың байланыс энергиясын есептейік. Ядроның қ ұ рамына екі протон (Z =2) жә не екі протон (A-Z =2) кіреді. -дің атомдық массасы 4, 00260 м.а.б.=3728, 0 МэВ. сутегі атомының массасы 1, 00815 м.а.б.=938, 7 МэВ. Нейтронның массасы 1, 00867 м.а.б.=939, 57 МэВ. Сонда (17) ө рнек бойынша

(2·938, 7+2·939, 5)-3728, 0=28, 4 МэВ.

Гелий ядросының бір нуклонына шақ қ анда келетін ядроның байланыс энергиясы 7, 1 МэВ.

Тамшы ү лгісі. Ядроның бұ л ү лгісін 1939 ж. Я. И. Френкель ұ сынғ ан болатын. Кейіннен оны Н. Бор жә не т.б. ғ алымдар дамытты. Ядроның бұ л ү лгісінің пайда болуына тү рткі болғ ан 1938 ж. неміс ғ алымдары Ган жә не Штрассман ашқ ан уран ядросының оны нейтрондармен атқ ылағ анда бө лінуі жө ніндегі жаң алық болатын. Сонда ядроның қ ұ рамындағ ы нуклондарды ұ стап тұ ратын ядролық кү штердің ә сер радиусы ө те аз болады екен. Іс жү зінде ә р нуклон ө зінің жақ ын кө ршісімен ө зара ә серлесетіндігін анық талды. Міне, ядролық кү штердің осындай қ асиеттері кең ес ғ алымы Я. И. Френкельге ядроны сұ йық тамшысы тү рінде қ арауғ а мү мкіндік берді. Сұ йық тамшылары тек қ ана ө зінің жақ ын кө ршілерімен ә серлеседі. Демек, ядроның сұ йық тамшысымен ұ қ састығ ы мынада екен. Сұ йық тың қ ұ рамындағ ы бө лшектер – молекулалар жә не соғ ан ұ қ сас ядродағ ы нуклондар арасындағ ы ө зара ә сер кү штері ө те қ ысқ а қ ашық тық тан ә сер ететіндігінде. Сонымен қ атар іс жү зінде ә р тү рлі ядролар затының бірдейлігі, ядро затының шектен тыс ө те аз сығ ылатындығ ы. Олай болса, сондай сығ ылмаушылық қ асиет сұ йық та да бар. Міне, осындай ұ қ састық тар ядроны зарядталғ ан тамшығ а тең еуге негіз болды.

Тамшы ү лгісі ядродағ ы бө лшектердің байланыс энергиясын есептеу ү шін жартылай эмперикалық ө рнекті шығ аруғ а мү мкіндік береді. Сонымен қ атар бұ л ү лгі кө птеген қ ұ былыстарды тү сіндіруге кө мектесті, мысалы, ауыр элементтердің ядроларының бө ліну процесі.

Қ абық ша ү лгісі. Қ азіргі кездегі ядроның қ абық ша ү лгісі 1948-1949 ж.ж. пайда болды. Осы ү лгінің дамуына елеулі ү лес қ осқ ан америка физигі М. Гепперт-Майер жә не неміс физигі Х. Иенсен болды. Бұ л ү лгі бойынша нуклондар орталық симметриялы ө рісте бір-бірінен тә уелсіз қ озғ алып жү реді деп есептелінеді. Осығ ан сә йкес Паули принципіне бағ ынатын нуклондармен толғ ан дискретті энергиялық дең гейлер (атом дең гейлеріне ұ қ сас) болады. Бұ л дең гейлер қ ұ бық шаларғ а топталады. Ол қ абық шаларда белгілі бір нуклондар саны да бола алады. Нуклондармен толық толғ ан қ абық ша ерекше орнық ты болып шығ ады.

Тиісті тә жірибелердің қ орытындысына қ арағ анда, мұ ндай ерекше орнық ты ядроларғ а протондар саны немесе нейтрондар саны (немесе екеуі де)

2, 8, 20, 28, 50, 82, 126

болып келетін ядролар жатады екен. Бұ л сандарды физиктер сиқ ырлы деп атайды. Протондар саны Z немесе нейтрондар саны N сиқ ырлы болғ ан жағ дайда (яғ ни ө те орнық ты ядролар) ядролар да сиқ ырлы болады. Ядроның протондар саны Z те жә не нейтрондар саны N де сиқ ырлы болса, онда оны екі ретт сиқ ырлы деп атайды.

Екі ретті сиқ ырлы ядролардың бізге бесеуі белгілі, олар

(, )

(, )

(, )

(, )

(, )

бұ л ядролар ерекше орнық ты.

Қ абық ша ү лгісінің бір ерекшілігі ол кө птеген тә жірибелердің қ орытындыларын бірдей кө зқ арас тұ рғ ысынан тү сіндіруге мү мкіндік береді.

Қ абық ша ү лгісінің авторлары М. Гепперт-Майерге жә не Х. Иенсенге физика саласындағ ы ашқ ан осы жаң алық тары ү шін Нобель сыйлығ ы берілді.

Ядроның қ абық ша ү лгісін одан ә рі теория жү зінде негіздеу жә не дамыту кең ес ғ алымы академик А. Б. Мигдельдің есімімен байланысты.