Атом ядросы.

Атомдық физиканың дамуы атом ядросы екі тү рлі бө лшектерден - протондар мен нейтрондардан қ ұ ралатындығ ын кө рсетті. Оларды нуклондар немесе ядролық бө лшектер деп те атайды.

Протон сутегі атомының ядросы болып табылады жә не оң зарядты, мә ні жағ ынан электронның зарядына тең, ал нейтронның электрлік заряды жоқ жә не ал массасы протонның массасына жақ ын. Протон мен нейтрон, электрон сияқ ты, меншікті механикалық жә не магниттік моменттеріне ие, сондай-ақ протон мен нейтронның спиндері бар, ол жартығ а тең ().

Нуклондарғ а қ олданылатын ядролық магнетон деп аталатын магниттік момент бірлігі былай анық талады:

Бұ л бірліктерде протон жә не нейтрон магниттік моменттері мынадай мә ндерге ие болады:

-дегі “–” таң басы нейтронның меншікті механикалық жә не магниттік моменттерінің бағ ыттарының қ арама-қ арсы екендігін кө рсетеді.

Ядролық физикада элементар бө лшектердің массасын энергия бірлігінде () берілуін ескерсе, онда протон мен нейтронның массалары мына мә ндерге ие болады Сондай-ақ

Одан басқ а, атомдық массасы бірлігі (а.м.б.) қ олданылады жә не ол мынағ ан тең:

ал

Мынаны ойда сақ тау керек: атомдық масса бірлігі оттегі изотобы массасының бө лігіне сә йкес келеді жә не -ғ а тең.

Алғ ашқ ыда, кейбір табиғ и элементтердің ө здігінен ыдырау қ абілеттілігі радиоактивтілік деп тү сіндірілді. Бірінші рет радиоактивтілік қ ұ былысын А. Беккерел 1896 жылы қ ұ рамында радий бар уран тұ зын зерттеген кезде байқ ады. Табиғ и радиоактивтілік ыдырау кезінде жең іл бө лшектердің сә улеленулері орын алады, бұ л жағ дайда α, β жә не позитрондар шығ арылады. Радиоактивтік ыдырау кезінде электромагниттік γ - сә улелену ө здігінен жү ре алмайды, тек жоғ арыда айтылғ ан сә улеленумен қ атарласа жү реді.

Ә ртү рлі химиялық элементтердің кө п мө лшердегі тұ рақ сыз изотоптардың ашылуы жә не жасанды радиоактивтілікті зерттеулер нә тижесінде, қ азіргі заманда радиоактивтілік - элементар бө лшектер мен жең іл атомдар ядроларын шығ ара отырып бір элемент изотопының басқ а элемент изотопына айналуы деп тү сіндіріледі.

Радиоактивті ыдырау заң ы жеке ыдырау актілерінің статистикалық тә уелсіздігіне негізделеді жә не радиоактивті зат мө лшерінің уақ ытқ а байланысты экспоненциалды азаю заң ы болып табылады. Шынында да, радиоактивті заттың бастапқ ы мө лшері алғ ашқ ы t₀ уақ ыт мезетінде q₀ болса, ал t уақ ыт кезінде q- ғ атең болды, онда тә жірибелерден байқ алғ андай

мұ ндағ ы ∆ q ­ ∆ t уақ ыт аралығ ында радиоактивті заттың ө згеруі.

мұ ндағ ы (-) таң басы ыдырау нә тижесінде бастапқ ы заттың азаятындығ ын кө рсетеді. Алдың ғ ы тең деуді дифференциалдық тү рде жазсақ, қ арапайым дифференциалдық тең деу алынадыі:

немесе

Осыны интегралдау логарифмдік тең дікке ә келеді:

t =0 болғ анда с тұ рақ тысы с = lnq₀ мә нге ие болады.

немесе

λ пропорционалдық коэффициенті ыдырау тұ рақ тысы деп аталады. Ыдырау тұ рақ тысымен қ атар Т жартылай ыдырау периоды енгізіледі, ол бастапқ ы заттың жартысының ыдырауына кететін уақ ыт, яғ ни t= Т уақ ытта

немесе

Мысалы, радийдің жартылай ыдырау периоды Т_Ra = 1590 жыл, ал торийдікі Т_Th = 1, 39*10¹⁰ жыл.

Радий ыдырауының бірінші ө німі радий эманациясы деп аталатын Rn радонның радиоактивті газы болып табылады.

Радон радийдің α -ыдырау нә тижесінде мына реакция арқ ылы жү зеге асады:

сондай-ақ, тү зілетін радонның ө зі Т_Rn=3.825 кү н жартылай ыдырау периодыне ие. Бұ л радиоактивтілік α - ыдырау кезіндегі ығ ысу заң ы делінеді.

Ал β - ыдырауда элемент периодтық жү йеде ө зінің қ асиеттері бойынша бір орын оң ғ а қ арай жылжиды (Z бірге артады). Мысалы, торийдің электронды шығ аруы мына реакция арқ ылы жү реді:

Радиоактивті зат (радиоактивті изотоп) позитронды активтілікке ие болғ ан жағ дайда элемент периодтық жү йеде ө зінің қ асиеттері бойынша бір орынғ а солғ а қ арай жылжиды (Z бірге азаяды). Мысал ретінде мына реакцияны келтірейік:

γ - сә улелену радиоактивтілік ыдырау нә тижесінде қ озғ ан ядроның бір энергетикалық кү йден келесі дең гейге ауысуы нә тижесінде жү реді.

Ядролық реакцияларды жазу алғ ашқ ы заттар мен реакциялар ө німдері ү шін массаның (массалық санның) сақ талу заң ы жә не

зарядтың (зарядтық санның) сақ талу заң дарына негізделеді, яғ ни мынадай типті реакциялар жү реді:

жә не мына тең діктер орындалуы керек:

Нақ та айтқ анда, 1932 жылы, бериллийді α -бө лшектермен атқ ылау кезінде нейтрон ашылды, мына реакцияғ а сә йкес

Сондай-ақ, ядролық реакциялар алғ ашқ ы заттар атомдарын протондармен, нейтрондармен, дейтрондармен атқ ылау нә тижесінде жә не осы атомдарды γ - сә улелендіру кезінде де орын алады. Мұ ндай реакцияларғ а мысалдар келтірейік:

Белгілі кө п таралғ ан элементар бө лшектерден (протон, нейтрон, электрон) басқ а атомдық процесстерге қ атысатын басқ а да бө лшектер бар: позитрон, нейтрино жә не антинейтрино, мезондар т.б..

Позитрон негізгі сипаттамалары электрон сияқ ты элементар бө лшек, бірақ та заряды оң электрон зарядына тең. Позитронды алғ аш рет теориялық тұ рғ ыдан электронғ а антибө лшек (антиэлектрон) ретінде болжағ ан Дирак болды. Электрон мен позитрон кездескенде олар жоғ алып кетеді немесе фотон шығ ара отырып аннигиляцияланады, жә не де бұ л процесс жартылай ө ткізгіштердегі электрондар мен кемтіктердің рекомбинациясына ұ қ сас.

Сондай-ақ, электрон сияқ ты жарты бү тін спинді барлық бө лшектер ү шін антибө лшек болуы керек (антибө лшектерді де негізгі бө лшектер сияқ ты ә ріптермен белгілейді, бірақ та ә ріптің ү стінде сызық ша немесе толқ ын белгісін қ ою керек.). Осығ ан сә йкес, мысалы: антипротон жә не антинейтрон анық талғ ан.

Паули 1932 жылы радиоактивтік -ыдырау кезінде энергияның сақ талу заң ының орындалуын тү сіндіруде мынадай тұ жырымдама жасады:, бұ л ыдырау кезінде тағ ы да ө зімен бірге энергияның біраз бө лігін алып кететін жең іл бө лшек бө лінеді. Бұ л бө лшекті Ферми нейтрино деп атады, себебі ол нейтронғ а ұ қ сас электр зарядына ие емес. Кейінірек тағ айындалғ андай, нейтриноның тыныштық массасы нө лге тең, оның (сол сияқ ты антинейтриноның да) спині жартығ а тең (). Затқ а ө те тез жұ тылып кету қ асиетіне байланысты нейтрино бірден анық талғ ан жоқ, тек 1956 жылы ғ ана тә жірибе негізінде тіркелген. Бұ л тә жірибелерде тек қ ана нейтрино емес сондай-ақ антинейтринолар да анық талды. Сонымен қ атар, протон мен нейтронның ө зара тү рленулері нә тижесінде де антинейтрино пайда болады.

Бө лшек ретінде нейтрон бос кү йде орнық ты емес. Ол ~ жартылай ыдырау периодымен ө здігінен протон мен электронғ а антинейтрино шығ ара отырып ыдырайды:

Қ айтымды реакция да жү реді, протон антинейтриномен реакцияғ а тү скенде нейтрон мен позитрон пайда болады:

Сонымен, екі ядролық бө лшектер – протон жә не нейтрон -ө зара бір-біріне айнала алады.