Е. Т. Акимбеков физика пәнінен дәрістер курсы нұр-Сұлтан 2020
V БӨЛІМ. АТОМ ЖӘНЕ ЯДРО ФИЗИКАСЫ
жүктеу/скачать 3.65 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Кілттік сөздер
- Кванттық сандар
| V БӨЛІМ. АТОМ ЖӘНЕ ЯДРО ФИЗИКАСЫ
20-дәріс. АТОМНЫҢ КВАНТТЫҚ ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТЕРІ. АТОМ ЯДРОСЫ Дәрістің мақсаты: Атомның және ядроның құрылысын білу; Кванттық сандар, Паули принципі түсініктерінің мағынасын білу. Кілттік сөздер: Паули принципі, ядро, атом, ядролық реакция, спектр, кванттық сан. Қарастырылатын сұрақтар: Кванттық сандар. Паули принципі. Рентген спектрлері. Атом ядросының құрылысы. Ядро моделдері. Ядролық реакциялар. Элементар бөлшектердің жүйелендіруінің қазіргі жағдайы. Кванттық сандар - кванттық жүйелерді (атом ядросын, атомды, молекуланы, т.б.), жеке элементар бөлшектерді, жорамал бөлшектерді (кварктер мен глюондарды) сипаттайтын физикалық шамалардың мүмкін мәндерін анықтайтын бүтін немесе бөлшек сандар. Кванттық жүйе күйін анықтайтын кванттық сандардың жиынтығын толық кванттық сандар деп атайды. Атомдағы электронның күйі үш кеңістіктік координата және спинмен байланысқан электронның төрт еркіндік дәрежесіне сәйкес келетін төрт кванттық санмен анықталады. Олар сутек атомы және сутек тәрізді атомдар үшін былайша аталады: баскванттық сандар (n), орбиталық кванттық сандар (l), магниттік кванттық сандар (ml), магнитті спиндік не спиндік кванттық сандар (ms). Кванттық сандар микродүниеде өтетін процестердің дискретті сипаты бар екендігін бейнелейді әрі олар әсер квантымен, яғни Планк тұрақтысымен тығыз байланысты болады. Спин-орбиталық өзара әсер ескерілген кезде электронның күйін сипаттау үшін ml мен ms-тің орнына толық қозғалыс мөлшері моментінің кванттық саны (j) мен толық момент проекциясының кванттық саны (mj) пайдаланылады. Осы 4 кванттық сан мен Паули принципі атомдағы электрондардың барлық күйлерін сипаттайды. Сонымен бірге кванттық теорияда микробөлшектердің сол 4 кванттық сан анықтайтын күйлерін толқындық функциямен (φ) өрнектейді. Ол функцияның квадраты (|φ|2) бөлшектердің кеңістік нүктелерінде болу ықтималдығын білдіреді. Кеңістіктегі электрон бұлтының тығыздығы осы ықтималдыққа пропорционал болады. Кванттық сандардың мәндеріне сәйкес атомдардағы қабықшалар мен қабаттар рет-ретімен толтырылып отырады. Осылайша элементтердің Менделеев кестесіндегі орны анықталады. Алдымен ең кіші n=1 қабат толтырып, онда болғаны 2 электрон ғана орналасады. Онан кейін n=2 қабат толтырылғанда ядроның заряды өсуіне сәйкес қабаттар ядроға жақындай түседі. 1-қабат 1s қабықшадан, 2-қабат 2s, 2p қабықшалардан, 3-қабат 3s, 3p, 3d қабықшалардан, т.с.с. тұрады. Әр қабат элементтің периодын анықтайды. Осы период элементтердің химиялық, оптикалық, электрлік және магниттік қасиет-терінің қайталану периоды болып табылады. Осы периодтылық атомның ең сыртқы электрон қабықшаларының қасиетімен анықталады. Мұндай периодтылық иондар қасиетінде де сақталады. Паули принципі бойынша кванттық жүйеде спині жартылай бүтін екі не одан да көп бірдей бөлшектер бір мезгілде бір күйде бола алмайды. Паули принципі химиялық элементтердің периодтық жүйесін, атом ядроларының, молекулалардың, кристалдардың қасиеттерін түсіндіруде маңызды роль атқарады. Э. Резерфорд атом ядросының өлшемі шамамен 10-14-10-15м болатынын көрсетті. Атом ядросы элементар бөлшектер-протондар мен нейтрондардан тұрады. Оларды нуклондар деп атайды. Протон (р) заряд шамасы электронның зарядына тең болатын оң таңбалы бөлшек, тыныштықтағы массасы mp=1,672*10-27кг. Нейтрон (n)-нейтрал бөлшек, тыныштықтағы массасы mn=1,674*10-27кг Атом ядросындағы барлық нуклондардың саны массалық сан (А) деп аталады. Атом ядросы Ze зарядымен сипатталады, мұндағы е-элементар заряд, Z-ядроның заряд саны, ол ядродағы протондар санына тең және Менделеев элементтерінің периодтық жүйесіндегі химиялық элементтің реттік номерімен сәйкес келеді. Ядро да бейтарап атом сияқты символмен белгіленеді: ZXA, мұндағы Х-химиялық элементтің символы, Z-атомдық номері (ядродағы протондар саны), А-массалық сан. Атом нейтрал болғандықтан, ядро заряды атомдағы электрондар санын анықтайды. Протондар саны бірдей, бірақ массалық сандары әртүрлі болатын ядролар изотоптар деп аталады. Ал массалық сандары бірдей, бірақ протондар саны әртүрлі болатын ядролар изобарлар деп аталады. Ядроның радиусы эмпириялық формуламен беріледі: R=R0A1/ 3 (20.1) мұндағы R0=(1,31,7)10-15м. Атом ядросындағы нуклондар арасындағы күштер ядролық күштер деп аталады. Эксперименттер нәтижесінде ядролық күштер гравитациялық, электрлік және магниттік өзара әсерлесуден едәуір артық болатындығы дәлелденді. Олардың мынандай қасиеттері болады: 1. Ядролық күштердің әсер ету ара қашықтығы шамамен 2·10-15м. 2. Бұл күштер қанығу қасиетіне ие болады. Бір нуклон тек белгілі нуклондарменғана әсерлеседі. Қанығудың себебі ядродағы нуклондар саны артқанымен олардың меншікті байланыс энергиясы тұрақты болып қалады. 3. Ядролық күштер нуклондардың зарядына байланысты болмайды, Яғни екі протоннның, екі нейтронның және нейтрон мен протонның өзара тартылу күштері бірдей болады. 4. Бұл күштер табиғатта кездесетін күштердің ең қуаттысы. 5. Ядролық күштер кулондық күштер сияқты центрлік күштер қатарына жатады. 6. Мұндай күштер өзара әсерлесуші нуклондар спиндерінің бағдарлануына тәуелді. Ядро массаларын, масса-спектроскопиялық әдіспен өте дәл өлшеулер, ядроның тыныштықтағы массасы Мя әрқашан оны құрайтын нуклондардың (протондар мен нейтрондар) тыныштық массаларының қосындысынан кем болатынын көрсетеді. Ол үшін меншікті зарядтары әр түрлі зарядталған бөлшектер шоғының массаларын электр және магнит өрістерінің әсері арқылы өлшейді. Яғни, Мя Zmp+Nmn. Нуклондар массасының біраз бөлігі өзара байланыс құруға жұмсалады. Осындай массаны массалар ақауы деп атайды: m=(Zmp+Nmn)-Мя (20.2) Ядроны құрайтын нуклондардың арасында протондар арасындағы кулондық өзара тебілу күшінен артық болатын ерекше күш болады. Ол ядролық күштер деп аталады. Сонымен қатар ядро өте берік жүйе. Міне осы ядродағы нуклондар арасындағы байланысты жеңу үшін, ядроны түгелімен жеке бөлшектерге ыдырату үшін қажет энергия, ядроның байланыс энергиясы деп аталады. Энергияның сақталу заңын ескеретін болсақ, онда жеке бөлшектерден ядро түзілгенде бөлініп шығатын энергия байланыс энергиясына тең деуге болады. Қазіргі кезде атом ядросының байланыс энергиясын табу әдісі-ядроның массасын дәл өлшеу арқылы анықтау. Осыған сәйкес есептеулерді тек масса мен энергияның арасындағы Эйнштейн қатынасын қолданып қана орындауға болады. Eб=mc2 (20.3) мұндағығы с – вакуумдағы жарық жылдамдығы. Ядроның байланыс энергиясы өте үлкен шама. Өздігінен сәуле шығаратын заттарды радиоактивті заттар, ал сәуле шығару құбылысын радиоактивтілік деп атайды. Радиоактивтілік табиғи және жасанды радиоактивтілік болып екіге бөлінеді. Табиғи радиоактивтілік дегеніміз белгілі бір атом ядроларының сәулелер шығарып, өздігінен басқа элементтердің ядроларына айналу құбылысы. Жасанды радиоактивтілік ядролық реакциялар нәтижесінде болады. М. Кюридің зерттеулері бойынша радиоактивті элементтердің шығаратын сәулелерінің біртекті сәулелер емес екендігі анықталды. Көлденең магнит өрісінде радиоактивті сәулелер үш бөлікке бөлінеді. Ол сәулелерді , және –сәулелер дейді. Магнит өрісінің көмегімен -сәулелердің оң, -сәулелердің теріс зарядты бөлшектер, ал -сәулелердің заряды жоқ екені анықталды. Кейінгі тәжірибелер нәтижесінде -бөлшектер үлкен жылдамдықты гелий ядросының ағыны екені, -бөлшектер үлкен жылдамдықтағы электрондар ағыны екені, ал –сәулелері өте қысқа электрмагниттік сәулелер екені анықталды. Радиоактивтік ыдырау заңы: (20.4) мұндағы N – берілген t уақытта ыдырамаған ядролар саны, N0 – бастапқы t=0 уақытта ыдырамаған ядролар саны, λ – радиоактивтік ыдырау тұрақтысы. Жартылай ыдырау периоды дегеніміз-радиоактивті ядроның алғашқы санының орта есеппен екі есеге кемуге кететін уақыт: (20.5) Радиоактивті ядроның орташа өмір сүру уақыты: (20.6) Нуклидтің активтігі (нуклид-протондар мен нейтрондар саны түрліше болатын радиоактивті ядролардың жалпылама атауы) –радиоактивті ыдыраудың жылдамдығын сипаттайды, яғни бірлік уақыттағы ыдырау: (20.7) α – ыдырау схемасы: . – ыдырау схемасы: . – ыдырау схемасы: . Электрондық қармау (К-қармау немесе е-қармау): мұндағы – электрондық антинейтрино, – электрондық нейтрино, негізгі ядро, туынды ядро (өнім). Ядролық реакцияның орындалу схемасы: , (196) мұндағы бастапқы негізгі ядро, соңғы пайда болған туынды ядро (өнім), негізгі бастапқы ядроны соққылаушы бөлшек, - ядролық реакцияда сәулеленген немесе ұшып шыққан бөлшек. жүктеу/скачать 3.65 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|