-дәріс. Атом ядросының физикасы

1. 
   Атом ядросы және оны сипаттау
   

Металл фольга арқылы _-бөлшектің өтуін зерттеген Резерфорд тәжіри-белерінде атом ядросының өлшемі шамамен 10 / 10 м болатынын байқаған. Ал атомның өзінің сызықтық өлшемі шамамен 10 м болады.

Атом ядросы элементар бөлшектерден – протоннан (р) және нейтроннан (n) тұрады, олар бір бөлшектің екі зарядттық күйі – нуклон деп есептеледі. Иротон абсолют шамасы бойынша электрон зарядына тең оң электр зарядына ие. Нейтронның электр заряды жоқ. Нуклондар массасы мынаған тең

m = 1,6726 * 10 кг 1836m_e
m = 1,6749*10 кг 1839m_e
Атом ядросындағы нуклондардың жалпы саны А-массалық сан деп аталады.

Ядроның заряды Ze шамасына тең, мұндағы е-электрон заряды, Z- ядродағы проондар санына тең ядроның зарядтық саны ( ол – элементтердің Периодттық жүйесіндегі химиялық элементтің реттік нөмірімен, яғни атомдық нөмірімен сәйкес келеді).

Атомдық нөмірі Z және массалық саны А химиялық элементтің ядросы Х былай белгіленеді:

Атом нейтрал болғандықтан, ядроның заряды атомдағы электрондар санын анықтайды.

















Атом ядросы терминімен қатар нуклид термині жиі қолданылады.

Табиғаттағы элементтердің ең ауыры _ уран изотопы, 92-ден жоғары атомдық нөмірі бар элементтерді трансурандық элементтер деп атайды. Олардың барлығы түрлі ядролық реакциялар нәтижесінде жасанды түрде алынған.
8.2. Массаның ақауы және ядроның байланыс энергиясы

Көптеген ядролар орнықты болғандықтан, нуклондар арасында

Энергияның сакталу заңынан ядро түзілген кезде, ядроны оны күраушы

Атом ядросындағы нуклондардың байланыс энергиясы:



Байланыс энергиясына сәйкескелетін _т массасы



Меншікті байланыс энергиясы деп бір нуклонға келетін байланыс



Суретте меншікті





1) Ауыр ядроларды жеңілірек ядроларға бөлу; 2) жеңіл ядролардың бір бірімен ауырырак ядроға бірігуі энергетикалық тиімді. Екі проңесс кезінде де энергияның көп мөлшері болінеді; Бүл проңестер практикада жүзеге асырылған: ядроның бөліну реакңиялары жэне ядроның термоядролык синтез реакңиялары.

1. 
   Ядролык күштер тартылыс күштері болып табылады;
   
2. 
   Ядролық күштер қысқа қашықтықта ғана әсер етеді, шамамен
   

3. 
   Ядролық күштерге зарядтардыц тәуелсіздік қасиеті тән: кез келген екі нуклонның арасындағы тартылыстың нуклондардың зарядтык күйіне (протондық немесе нейтрондық) тәуелсіздігі бірдей; ядролык күштердің табиғаты электрлік емес;
   
4. 
   Ядролық күштерге қанығу қасиеті тән: ядродағы эрбір нуклон оған жакын нуклонның тек шектелген санымен эсерлеседі;
   
5. 
   Ядролык күштер әсерлесетін нуклондар спинінің өзара бағытталуына тәуелді. Мысалы, протон мен нейтронның спиндері параллель бағытталған да ғана, олар _ дейтерий изотопының ядросы дейтронды түзеді.
   
6. 
   Ядролык күштер ңентрлік емес, яғни әсерлесетін нуклондар ңентрін косатын сызык бойымен әсер етпейді.
   





Байкалған сэуле радиоактивті сәуле деп, ал радиоактивті сэулені шығару кұбылысы -радиоактивтілік деп аталды.

Радиоактивтілікті табиги жэне жасанды деп бөледі.

Табиги радиоактивтілік деп табиғаттағы орнықты емес изотоптарда байқалатын радиоактивтілікті айтады. Жасанды радиоактивтілік деп ядролық реакциялар нәтижесінде алынған изотоптардың радиоактивтілігін айтады.

Радиоактивті сэулеленудің үш түрі бар: _-, _-, _-сәулелену. _-, _-, _- сәулелердің құрамы олардың магнит өрісінде ауытқуы бойынша тағайындалған.





















Сонымен гамма-сәулелену - радиоактивті айналулар кезінде коздырылган өнімдер энергияларының азаюының негізгі формасы.

Атомдык ядролардың өздігінен ыдырауы радиоактивтіліктің ыдырау заңына бағынады
N_
мұндағы N₀ - алғашқы t = 0 уақыт мезетіндегі заттың берілген көлеміндегі

ядролардың саны, N - t уақыт мезетіндегі сол көлеміндегі ядролардың саны, _ - ыдыраудың түрақтысы - 1 с ішінде ядроның ыдырау ықтималдылығы деген мағынаға ие жэне бірлік уақыт ішінде ыдыраған ядролардың үлесіне тең.

Радиоактивті ыдыраудың теориясы екі үйғарымға негізделеді: 1) ыдырау тұрақгысы сыртқы жағдайларға тэуелсіз; 2) dt уақыт ішінде ыдыраған ядролардың саны нақты ядролар санына пропорционал (ядролар санының кемуі: - dN = λNdt, олай болса, ыдырау заңын айнымалыларды бөліп және dN/N = -λdt өрнегш интегралдап аламыз).

Радиоактивті ыдырау процесінің каркындылығын екі шама сипаттайды: 1) Т_1/2 жартылай ыдырау периоды және 2) радиоактивті ядролардың _ орmаша өмір сүру уақыты.

dN ядролардың қорытқы өмір сүру уақыты мынаған тең: t|dN|= tλNdt. Барлық алғашқы ядролардың _ орташа өмір сүру уақыты мынаған тең:





Радиоактивті сәуле көзіндегі А нуклидтің активтілігі деп 1 с ішіндегі ядро үлгілерінде өтетін ыдыраулардың санын айтады:

Активтіліктің өлшем бірлігі - беккерель (Бк): 1 Бк - 1 с ішінде бір ыдырау өтетін нуклидтің активтілігі. Радиоактивті сәуле көзіндегі нуклидтің активтілігінің жүйеден тыс өлиіем бірлігі - кюри (Ки).

Радиоактивті ыдырау кезінде электр зарядтарының ссщталу заңы

Берілген аналык ядродан эр түрлі типті радиоактивті ыдыраудың нэтижесінде қандай ядро пайда болатынын тагайындауға мүмкіндік беретін ыгысу ережесі осы заңдардың салдары болып табылады:





















Радиоактивті ыдыраудың нәтижесінде пайда болған ядролар радиоактивті боып келеді. Бұл тұракты элементтен аяқталатын радиоактивті түрленулер тізбегінің немесе қатарының туындауына экеледі. Осындай тізбекті түзетін элементтердің жиынтығын радиоактивті ядролардың топтамасы деп атайды.

Радиоактивті ядролар уран элементтерінің тонтамасы (_), торий элементтерінің топтамасы (_), актиний элементтерінің топтамасы _) деп аталатын үіи радиоактивті тонтама түзеді. Олар

_- және _-ыдыраулардан кейін корғасынның _, _ жэне _тұракты изотоптарында аякталады. Радиоактивті топтамалардың төртіншісі нептунии элементтерінщ топтамасы, ол жасанды түрде алынған _нептуний трансурандық элементтен басталып _ висмутта аяқталады.
10-дәріс. α-ыдырау. α-бөлшектердің спектрі. а-ыдырау периодының а- бөлшектердің энергиясына тэуелділігі. а-ыдырау нәтижелерінен ядроның олшемін анықтау. β-ыдырау. β-ыдыраудың түрлері. Электрондардың энергетикалык спектрлері. Рұхсат етілғен жэне тиым салынған β-ауысулар. Ядролардың γ-сәулесін шығаруы. Электрлік және магниттік ауысулар. Ядролық изомерия. γ - кванттардың ішкі конверсиясы. Ядролық γ-резонанс.

10.1. Альфа-ыдырау

Негізінен α-ыдырау ауыр ядроларға (А> 200,Z >82) тән. α-ыдырау ығысу ережесіне бағынады, мысалы, _ уран изотопының ыдырауы нэтижесінде _ торий элементі түзіледі:

Заманауи көзқарастарға сэйкес а-бөлшектер екі протон мeн eкі нeйтронның бірігуі салдарынан ауыр ядроның ішінде түзіледі. Осылай түзілген бөлшек жеке протондарға карағанда ядрода калған протоннан күштірек тебіледі. Бір уақытта а-бөлшек жеке нуклондарға карағанда ядродағы нуклондарға аздау ядролык тартылу үшырайды.

Ыдырау кезіндегі ұшып шыққан α-бөлшектердің энергиясы өте жогары -1,4 ÷ 2 • 10⁷м/с, бұл 4 ÷ 8,8 МэВ энергияға сэйкес келеді. Резерфорд тәжірибелері көрсеткендей, тіпті мүндай жылдамдығы бар α-бөлшектер де ядроға ядролык күштердің әсері басталатын арақашықтыққа жақындай алмайды және ядрода α-бөлшектің шашырауы тек кулондык әсерлесумен түсіндіріледі. Сонымен, мынадай корытынды жасауға болады, ядро биіктігі 8,8 МэВ-тан кем емес потенциальдық тосқауылмен коршалған.

Баска жағынан, уран шығаратын α-бөлшектердің энергиясы 4,2 МэВ. Олай болса, α-бөлшектер ядродан туннельді эффект салдарынан потенңиальдык тоскауылдың биіктігінен едәуір кем энерғиямен ұшып шығады.

α-бөлшектер үшін Г_1/2 жартылай ыдырау периоды мен Е ұшып шыққан бөлшектер энерғиясы арасындағы тәуелділіктің кушті болуы тэн. Бүл тәуелділік Гейгер-Нэттол заңымвн анықталады:

мұндағы А жэне В тэжірибеден аныкталатын эмпирикалык тұрақты, λ = ln2/T_1/2 Я_а - а-бөлшектің ауада еркін жүру ұзындыгы - толық тоқтағанша бөлиіектің жүретін жолының арақашықтығы.

Сонымен, жартылай ыдырау периоды аз болған сайын, α-бөлшектің ауада еркін жүру үзындығы көп, олай болса, оның энергиясы да көп.

α-бөлшектің ауадағы еркін жүру үзындығы (калыпты жағдайда) бірнеше сантиметрді қүрайды, тығыздыгы көбірек орталарда, ол едәуір аз, миллиметрдің жүздік үлесін күрайды (а-бөлшекті кэдімғі кағаз парағымен үстауға болады).

Берілген радиоактивті элементтен шығарылған а-болшектердің энергетикалық спектрі α-бөлшектердің бірнеше тобы шығарылатын «жіңішке» қүрылымды байқайды жэне де олардың энергиялары эрбір топтың шегінде түракты. α-бөлшектердің дискретті спектрі атом ядролары дискретті энергетикалық деңгейлерге ие екенінің дәлелі.