Қазақстан республиасының білім және ғылым министрлігі

5В060400 - «Физика»

мамандығы үшін

«ЯДРОЛЫҚ ФИЗИКА» ПӘНІНІҢ ОҚУ-ӘДІСТЕМЕЛІК

МАТЕРИАЛДАРЫ

Семей

МАЗМҰНЫ
1. Глоссарий

2. Дәрістер

3. Машықтану және зертханалық сабақтар

4. Курстық жұмыс және дипломдық проек (жұмыс)

5. Студенттердің өздік жұмыстары

«Ультракүлгін күйреуі» деп классикалық физиканың Кирхгоф функциясына арналған қара дененің сәуле шығарғыштығының жиілікке тәуелділігінің тәжірибелік мәліметтерін қанағаттандыратын өрнегін классикалық физика әдісімен іздеудің мүмкін еместігін айтады.

Ядролық реакция деп ядроны ( немесе ядроларды) түрлендіруге келтіретін атом ядросының элементар бөлшекпен өзара әсерлесу процесін айтады.

Тақырыбы: Кіріспе. Ядро мен элементар бөлшектер физикасының дамуының басты кезеңдері. Микроәлем құбылыстарының мөлшері.

Негізгі бөлім. Атом ядросының жалпы қасиеттері

Жоспары:

1. 
   Ядро және элементар бөлшектер физикасының дамуының басты кезеңдері.
   
2. 
   Ядроның құрылысы.
   
3. 
   Ядроның байланыс энергиясы.
   
4. 
   Массалар дефектісі
   

Атомның орталық бөлігі -ядрода іс жүзінде атомның барлық делік массасы және оның оң электрлік заряды шоғырланған. Бір протоны бар сутегі атомының ядросынан басқа ядролардың барлығы нуклондардан – протон мен нейтрондардан (Иваненко-Гейзенберг моделі) тұрады.

Ядро заряды Ze-ге тең, мұнда е –протон зарядының шамасы, Z – зарядтық сан, ол Менделеевтің периодтық жүйесіндегі химилық элементтің реттік нөмірі (атомдық нөмір). Қазіргі уақытта Z-тің мәні 1-ден (сутегі) 118-ге дейінгі (юнуноктий) ядролар белгілі.

Ядродағы нуклондар санын A = N + Z массалық сан дейді, мұнда N –нейтрондар саны. Z- тері бірдей, бірақ әрбасқа массалық саны А бар ядролар, изотоптар деп аталады; А-лары бірдей, бірақ Z-тері әрбасқа ядролар - изобралар; Нейтрон сандары N бірдей ядролар- изотондар; бұдан басқа A және Z сандары бірдей радиоактивті ядролар- изомерлер бар, олардың жартылай ыдырау периодтары әртүрлі.

Қазіргі уақытта 300-ге жуық орнықты және 2000-нан астам химиялық элементтердің радиоактивті изотоптары бар.

Ядроларды белгілеу үшін келесі _ZX^A немесе ^A _ZX, символдар қолданылады, мысалы, ₁Н¹.

Ядроның радиусы келесі эмпириялық формуламен беріледі: r = r₀A^1/3, мұндағы r₀ = (1,3-1,7)10^-15 м. Сонымен, ядроның көлемі нуклондардың санына пропорционал, яғни, ядролық заттың тығыздығы тұрақты болады, ол шамамен 10¹⁷ кг/м³.

Ядродағы нуклондар-фермиондар. Ядроның спині – ядроның меншікті импульсының моменті, мұндағы I – ішкі (толық) спиндік кванттық сан. Ядроның спині нуклондардың санымен анықталады.

Нуклондардың меншікті магниттік моменттері бар, олар ядроның меншікті моментін анықтайды, өлшем бірлігі ядролық магнетон , m_p –протонның массасы.

Ядроның байланыс энергиясы - нуклондарды бөлуге кететін (кинетикалық энергиясыз) жұмыс. Ол еркін нуклондардың энергиясы мен олардың ядродағы энергияларының айырмасына тең.

мұндағы Δm – массаның ақауы, ол нуклондардың ядро құрағандағы энергияларының азаюын сыйпаттайды, с – электродинамикалық тұрақты.

m_p, m_n –протонның және нейтронның массалары, М_Я –ядроның массасы. Массалар массаның атомдық өлшем бірлігімен өлшенуі мүмкін.

Кей кезде ядроның және протонның массаларын атомның массасымен М_а және сутегі атомының массасымен m_H алмастырады, онда

(3)

меншікті байланыс энергиясының массалық санға А тәуелділігі көрсетілген. Массалық сандары 50≤А≥ 60 (Cr-Zn) аралықтағы нуклондардың байланыстары күшті екені көрініп тұр. Олар үшін Е_св = 8,7 МэВ/нуклон. Ең ауыр табиғаттық ядро үшін Е_св = 7,5 МэВ/нуклон.

Мұндай тәуелділік ауыр ядролардың бөлінуінің және жеңіл ядролардың қосылуының (синтез) энергиялық мүмкіндігін көрсетеді.

Ядроның спині магниттік моменті. Ядролық магнетон.

Жоспары:

1. 
   Ядролардың статикалық мультипольдік моменттері. Ядроның электрлік квадрупольдік моменті.
   
2. 
   Ядролық күйлердің кванттық механикалық бейнелеуі. Толқындық функцияның жұптылығы.
   
3. 
   Айнымайтын бөлшектердің толқындық функцияларының симметриялық қасиеттері.
   
4. 
   Бозондар мен фермиондар. Паули принципі.
   

Жоспары:

1. 
   Ядроның спині магниттік моменті.
   
2. 
   Ядролық магнетон. Ядролардың статикалық мультипольдік моменттері. Ядроның электрлік квадрупольдік моменті.
   
3. 
   Ядролық күйлердің кванттық механикалық бейнелеуі. Толқындық функцияның жұптылығы.
   
4. 
   Айнымайтын бөлшектердің толқындық функцияларының симметриялық қасиеттері.
   
5. 
   Бозондар мен фермиондар. Паули принципі.
   

Электронның спинінің бар болғандықтан спектрлік сызықтардың жіңішкелігіне алып келетіні белгілі. Ажырату қабілеттері өте жоғары спектрлік құралдарды қолдану барысында өте жіңішке спектрлік сызықтардың бар екендігін көрсетті. 1924 жыл Паули атом ядросының спині бар деген жорамал айтқан болатын. Ядроның қозғалыс мөлшері моментін әдетте спин деп атайды, ол ядроның заряды мен массасы сияқты маңызды сипаттамаларының бірі болып табылады. Ядро құрамына протондар мен нейтрондар кіреді, олардың әрқайсысының спині -ге тең. Егер ядро спині Һ бірлігінде І тең деп алсақ, онда бір валенттік электроны бар атомның толық спині не , не тең болуы мүмкін (себебі қалған электрондар жұбының қорытқы спині нөлге тең). Ядроның меншікті импульс моменті – ядро спині – нуклондардың спиндері мен олардың орбитальды импульс моменттерінің (нуклондарды ядро ішіндегі қозғалысына негізделген) қосындысынан тұрады. Бұл екі шама да вектор, сондықтан ядро спині олардың векторлық қосындысы.

Ядро спині мына заң бойынша квантталады:

(1)

Мұндағы І спиндік кванттық сан, оны көбінесе ядро спині деп атайды. Ол бүтін және жартылай бүтін сандарды қабылдайды. А жұп ядролар спиндері бүтін, ал А тақ ядролар жартылай бүтін

Электрон спинін Штерн мен Герлах тәжірибе жүзінде анықтаған. Протон спині сутек молекуласының айналу спектрлерінің интенсивтігін анықтау негізінде анықталды, ол һ/2 тең. Нейтрон спині де осыған тең. Жартылай бүтін спинге тең ядро Паули принципіне бағынады. Атом ядросы спиннен басқа магниттік моментке де ие. Ядроның магниттік моменті мен спиндік моменті арасындағы байланыс:

(2)

мұндағы g_я — пропорциональдық коэффициент, оны ядролық гиромагниттік қатынас деп атайды. Ш ынында да, магниттік момент атомның барлық құраушыларында бар. Ядроның магниттік моменті ядроның спиндік моментімен байланысты. Ядроның магниттік моментінің бірлігі ядролық магнетон болып табылады.

мұндағы т_p — протон массасы. Ядролық магнетон m_p/m_e1836 есе Бор магнетонынан кіші. Сондықтан, атомдардың магниттік қасиеттері оның электрондарының магниттік моментт

ері қасиеттерімен анықталады. Бор магнетоны мен ядро магнетоны арасындағы айырмашылық ондағы электрон массасы протон массасымен ауыстырылды. Өте дәл өлшеулер арқылы ядролық магнетонның эрг/гс-ке тең екендігі анықталды.

Ядролардың магниттік моменттерін анықтау үшін қазіргі кезде магниттік резонансы әдісі қолданылады. Ядроның магниттік моменттерімен байланысты магниттік резонанс молекулаллық шоқтар әдісі ретінде зерттеледі, немесе радиожиілікті сәулеленуді жұту методы арқылы. Соңғысында ядролық магниттік резонанс немесе магниттік резонанс термині қолданылады. Ядролық парамагниттік резонанс кезіндегі заттарда электромагниттік сәулеленудің толығымен таңдалып жұтылуы әртүрлі энергетикалық аралық деңгейлерде ядролардың ауысуып орналасуынан болады. Себебі, ядроның магниттік моменті сыртқы біртекті тұрақты өрісте кеңістіктік квантталады. 1896 жылы П.Зееман жарық көзін электромагнит

полюстері арасына орналастырсақ, онда оның спектрлік сызықтарының бірнеше компоненттерге таралатынын бақылаған. Зееман эффектісі дегеніміз спектрлік сызықтардың таралуы және сыртқы магнитк өрісіндегі энергия деңгейлері. Бор теориясынан кейінгі уақытта атомдардың спектрлерінің көрінетін және ультракүлгін аймақтарын зерттеу атом құрылысы туралы ғылымның дамуына үлкен үлес қосты. Зееман эффектісі бойынша күшті магнит өрісіне орналастырылған жарық көзі спектрлері үш немесе екі компонентке таралады. Резонанстық жиіліктерді зерттеу әртүрлі ядролардың энергетикалық деңгейлерінің құрылымын анықтауға мүмкіндік береді.

Магниттік резонанс әдістері арқылы әртүрлі ядролардың, нейтрондар мен протондардың магниттік моменттерін өте үлкен дәлдікпен анықтауға болады. Нейтронның магниттік моментін анықтаған кезде нейтрондар шоғын қанығуға дейін магниттелген екі ферромагнетиктер арасына орналастырады. Егер нейтрондардың магниттік моменті болса, онда олар ферромагнетиктер арасынан өткенде нейтрондардың заттарда шашырауынан басқа, сонымен қатар нейтрондардың магниттік моменттері мен ферроомагнетиктердің магниттік моменттері арасында электромагниттік өзара әсерлесулері байқалуы керек. Бізге белгілі параллель магниттік моменттер тебіледі, ал қарама-қарсы магниттік моменттер тартылады. Сонымен нейтрондар үшін бірінші ферромагнетик поляризатор (бағытталған магниттік моменттері үлкен нейтрондарды өткізеді), ал екіншісі анализатор ролін атқарады. Ол бірінші және екінші ферромагнитердің магниттік векторлар арасындағы өзара әсерлесулеріне байланысты нейтрондардың барлығын өткізбейді. Ол тәжірибе негізінде расталды. Сонымен нейтронның магниттік моменті бар, ол теріс магниттік моментке ие .

Протонның магниттік моменті молекулалық шоқтардың біртекті емес магнит өрісінде ауытқу әдіс арқылы анықталды. Тәжірибе сутекпен жасалды. Оның барысында протонның магниттік моментінің -ге, яғни бір ядролық магнетонға тең екендігі анықталды. Протонның магниттік моментінің оң таңбасы оның магниттік моменті мен спинінің магниттік моментінің бағыттарының сәйкес келетіндігінен. Классикалық теория бойынша протонның магниттік моменті оң зарядтың айналуымен байланысты. Нейтронның магниттік моменті мен спинінің бағыттары қарама-қарсы.

Микробөлшектердің өздеріне тән статистика деп аталатын қасиеттері бар. Статистика жүйенің коллективтік қасиеттерін көрсетеді. Ол екіден кем емес бөлшек қатысқан кезде байқалады. Статистика кванттық теориядағы ұқсас бөлшектерді ажырата алмау принципінен шығады, олардың күйін ықтималдықпен анықтайды. Ажырата алмау принципі бойынша бірдей екі микробөлшектер, мысалы екі протон барлық қасиеттер жағынан ұқсас, оларды бір-бірінен мүлде ажырата алмаймыз. Осындай қасиет тек қана микроәлемге тән қасиет, макро әлемде мүмкін емес. Ұқсас бөлшектерден тұратын жүйеде олардың орын ауыстырулары жүйені жаңа күйге алып келмейді. Кванттық әлемде микробөлшектің траекториясы болмайды, ол толқындық функциямен сипатталады, оның ықтимал амплитудасының ғана мағынасы бар.

Осыдан , яғни . Екі бөлшектің орын ауыстырған кезде толқындық функцияның таңбасы өзгеріссіз қалатын болса, онда толқындық функция бөлшектерге симметриялы, ал таңбасы өзгерсе, антисимметриялы деп аталады. Белгілі бір бөлшектердің орнын ауыстырғанда осы екі қасиеттердің біреуі ғана орныдалады. Бөлшектердің осы қасиеттері статистика деп аталады. Бөлшектер Бозе-Эйнштейн статистикасына бағынады, егер осындай бөлшектер жүйесінің толқындық функциялары симметриялы болса.

Егер толқындық функция антисимметриялы болса, бөлшектер Ферми-Дирак статистикасына бағынады, оларды фермиондар деп аталады.

Бұл теңдеу нөлге тең болады, егер бөлшектер бірдей болса, ол Паули принципіне дәл келеді. Паули принципі нәтижесінде атомдар мен атом ядроларының қабықшалары бар. Паули принципі болмаса Менделеевтің периодтық кестесі болмас еді. (7) теңдеу бозондар үшін:

Ол теңдеу нөлге тең болмайды, себебі бір күйде кез келген мөлшерде бірдей бозондар болуы мүмкін. Олар үшін Паули принципі орындалмайды.

Ферми-Дирак статистикасы бір күйде бірден артық бөлшек бола алмайтын күйді, ал Бозе-Эйнштейн статистикасы бір күйде кез-келген мөлшерде бөлшектер бола беретін күйді анықтайды. Бозе-Эйнштейн статистикасында антисимметриялы бөлшектер бір күйде бола алмайтын жағдайды қосу керек.

Ферми-Дирак статистикасында бір ғана күй болуы мүмкін:

• 
  Бір бөлшек бір күйде, екінші бөлшек екінші күйде болады.
  

• 
  Екі бөлшек те бірінші күйде;
  
• 
  Екі бөлшек те екінші күйде;
  
• 
  Бір бөлшек бірінші күйде, ал екінші бөлшек екінші күйде.
  

1. 
   Атом ядролардың нықсыздығының негізгі себептері.
   
2. 
   Табиғи және жасанды радиоактивтілік. Радиоактивтіліктің статистикалық сипаты.
   
3. 
   Радиоактивтік ыдырау заңы.
   

Радиоактивтік құбылыста бір ядролар екінші ядроларға түрленіп, сол кезде кейбір бөлшектер шығарылады. Табиғатта орнықсыз изотоптардың табиғи радиоактивтігін және ядролық реакциялар нәтижесінде алынған жасанды радиоактивтікті ажырату керек. Радиоактивті сәулелердің негізгі түрлері α-, β- және γ-сәулелері. Альфа-сәулесі- гелий ядросының ағыны, α-бөлшегінің заряды +2е, массасы ₂Не⁴ ядросының массасымен бірдей. Бұл сәуленің иондаушы мүмкіндігі өте жоғары да, өткіш қабілеттілігі (бір парақ қағазбен тоқтатуға болады) шамалы.

Бета-сәулесі- шапшаң электрондар ағыны, оның α-бөлшегімен салыстырғанда иондаушы қабілеттілігі шамалы (~ 2 дәреже), бірақ өткіш қабілеттілігі α-бөлшегінен басыңқы келеді.

Гамма-сәулесі – қысқа толқынды электромагниттік сәуле, толқын ұзындықтары λ< 10^-10 м, негізінде, бөлшектер ағыны (γ-кванттар немесе фотондар), электр және магнит өрістерінде ауытқымайды және иондаушы қабілеттілігі нашарлау, бірақ өткіш қабілеттілігі өте жоғары (қалыңдығы 5 см қорғасыннан өтіп кетеді).

Радиоактивті ыдырау теориясы ядролар бір-бірінен тәуелсіз радиоактивті түрленеді деген болжамға негізделген. Онда аз уақыт мөлшерінде dt ыдырайтын ядролар саны dN, бар ядролар санына N және уақытқа dt пропорционал: ,

λ – берілген радиоактивті затқа тән тұрақты, радиоактивті ыдырау тұрақтысы деп аталады.

Интегралдағаннан кейін радиоактивті ыдырау заңын аламыз , N₀ – ыдырамаған ядролардың бастапқы саны, N – t уақыт моментіндегі ыдырамаған ядролар саны. (14.2) заңын былай түсінуге болады: ыдырамаған ядролар саны уақыт бойынша экспоненталық заңмен азаяды.

t уақыт ішінде ыдыраған ядролар саны келесі өрнектен табылады

Бастапқы ядролар саны екі есе азаятын уақытты жартылай ыдырау периоды Т деп атайды, оны келесі шарттан табуға болады ,

осыдан . (5.5)

Радиоактивті ядроның орташа өмір сүру τ уақыты λ және Т шамаларымен байланысты:

Сонымен, орташа өмір сүру τ уақыты радиоактивті ыдырау тұрақтысына кері шама.

береді.
Дәріс № 4 Ядро құрылымының физикасы.
Жоспары:

1. 
   Атом ядроларының модельдері. Ядролық қабықтар моделі: бірбөлшектік модель, бірбөлшектік модель бойынша ядроның қасиеттері.
   
2. 
   Жалпыланған ұжымдық модель; ядроның тамшылық моделі. Кластерлік модель. Ядро құрылымының, радиоактивтік ыдыраулардан шығарылатын қасиеттері.
   
3. 
   α-ыдырау, α-бөлшектердің спектрі. Ядролық реакциялар.
   
4. 
   Ядроның бөліну реакциясы. Термоядролық реакция.
   

Радиоактивтік құбылыста бір ядролар екінші ядроларға түрленіп, сол кезде кейбір бөлшектер шығарылады. Табиғатта орнықсыз изотоптардың табиғи радиоактивтігін және ядролық реакциялар нәтижесінде алынған жасанды радиоактивтікті ажырату керек. Радиоактивті сәулелердің негізгі түрлері α-, β- және γ-сәулелері. Альфа-сәулесі- гелий ядросының ағыны, α-бөлшегінің заряды +2е, массасы ₂Не⁴ ядросының массасымен бірдей. Бұл сәуленің иондаушы мүмкіндігі өте жоғары да, өткізгіштік қабілеттілігі (бір парақ қағазбен тоқтатуға болады) шамалы.

Бета-сәулесі- шапшаң электрондар ағыны, оның α-бөлшегімен салыстырғанда иондаушы қабілеттілігі шамалы (~ 2 дәреже), бірақ өткіш қабілеттілігі α-бөлшегінен басыңқы келеді.

Радиоактивті ыдырау теориясы ядролар бір-бірінен тәуелсіз радиоактивті түрленеді деген болжамға негізделген. Онда аз уақыт мөлшерінде dt ыдырайтын ядролар саны dN, бар ядролар санына N және уақытқа dt пропорционал: ,

λ – берілген радиоактивті затқа тән тұрақты, радиоактивті ыдырау тұрақтысы деп аталады.

Интегралдағаннан кейін радиоактивті ыдырау заңын аламыз , N₀ – ыдырамаған ядролардың бастапқы саны, N – t уақыт моментіндегі ыдырамаған ядролар саны. (14.2) заңын былай түсінуге болады: ыдырамаған ядролар саны уақыт бойынша экспоненталық заңмен азаяды.

t уақыт ішінде ыдыраған ядролар саны келесі өрнектен табылады

(5.4)

Бастапқы ядролар саны екі есе азаятын уақытты жартылай ыдырау периоды Т деп атайды, оны келесі шарттан табуға болады ,

осыдан . (5.5)

Радиоактивті ядроның орташа өмір сүру τ уақыты λ және Т шамаларымен байланысты:

Сонымен, орташа өмір сүру τ уақыты радиоактивті ыдырау тұрақтысына кері шама.

береді.
Дәріс № 5 β-ыдырау. β-ыдыраудың түрлері. Электрондардың энергиялық спектрлері.

Жоспары:

1. 
   Нейтронның барлығын тәжірибелік дәлелдеу. β-ыдырау теориясының элементтері. Нәзік әсерлесу туралы ұғым.
   
2. 
   Рұқсат етілген және тыйым салынған спектрлер. β-ыдырауларда жұптылықтың сақталмауы.
   
3. 
   Бета-сәулесі- шапшаң электрондар ағыны, оның α-бөлшегімен салыстырғанда иондаушы қабілеттілігі шамалы (~ 2 дәреже), бірақ өткіш қабілеттілігі α-бөлшегінен басыңқы келеді.
   

Ядролардың γ-нұрлануы.

Жоспары:

1. 
   Электрлік және магниттік өтулер. γ-өтулер үшін момент пен жұптылық бойынша сұрыптау ережелері және әр түрлі мультипольдік өтулер үшін өту ықтималдықтары.
   
2. 
   Ядролық изомерия. γ-кванттардың ішкі конверсиясы. Мессбауер эффектісі.
   

1. 
   Ядролық реакциялардың энергетикасы.
   
2. 
   Ядролық реакциялардың кинематикасы. Сақталу заңдары.
   

Ядролық реакцияларды жазу алғашқы заттар мен реакциялар өнімдері үшін массаның (массалық санның) сақталу заңы және

зарядтың (зарядтық санның) сақталу заңдарына негізделеді, яғни мынадай типті реакциялар жүреді :

(1)

және мына теңдіктер орындалуы керек:

Нақта айтқанда, 1932 жылы, бериллийді α-бөлшектермен атқылау кезінде нейтрон ашылды, мына реакцияға сәйкес

Сондай-ақ, ядролық реакциялар алғашқы заттар атомдарын протондармен, нейтрондармен, дейтрондармен атқылау нәтижесінде және осы атомдарды γ- сәулелендіру кезінде де орын алады. Мұндай реакцияларға мысалдар келтірейік:

Ядролық реакциялардың (4) - (7) көрсетілген мысалдарынан элементті бір бөлшекпен атқылау арқылы реакция өнімі ретінде басқа бөлшектерді алуға болатынын көреміз.

Дәріс № 8 Реакциялар қималары. Ядролық реакциялардың механизмдері. Құрама ядро моделі. Резонанстық ядролық реакциялар. Брейт-Вигнер формуласы. Ядролық тіке реакциялар. Ядролық тік реакцияларды ядролық күйлердің кванттық сипаттамаларын анықтауға қолдану. γ-кванттарлың, электрондардың, нейтрондардың, жеңіл иондардың, көп зарядты иондардың әсерінен өтетін реакциялардың ерекшеліктері. Тепе-теңдік алдылық процестер. Жоғарғы энергия кезіндегі реакциялар механизмдері. Ядролық реакцияларды зерттеудің тәжірибелік әдістері. Үдеткіштердің жұмыс істеу принциптері. Ядролық бөлшектердің тіркегіштері.

Дәріс № 9

Атом ядроларының бөлінуі мен түзілуі (синтезі).

Жоспары:

1. 
   Бөліну туралы негізгі тәжірибелік мәліметтер. Бөлінудің элементар теориясы. Бөліну көрсеткіші.
   
2. 
   Өздік бөліну. Уранның нейтрондар әсерінен бөлінуі.
   
3. 
   Тізбекті реакция. Көбею коэффиценті.
   
4. 
   Ядролық реакторлар. Ядролық энергетика. Дағдылы және бәсекелес энергия көздерінің салыстырмалы сипаттамалары.
   

Позитрон негізгі сипаттамалары электрон сияқты элементар бөлшек, бірақ та заряды оң электрон зарядына тең. Позитронды алғаш рет теориялық тұрғыдан электронға антибөлшек (антиэлектрон) ретінде болжаған Дирак болды. Электрон мен позитрон кездескенде олар жоғалып кетеді немесе фотон шығара отырып аннигиляцияланады, және де бұл процесс жартылай өткізгіштердегі электрондар мен кемтіктердің рекомбинациясына ұқсас.

Сондай-ақ, электрон сияқты жарты бүтін спинді барлық бөлшектер үшін антибөлшек болуы керек (антибөлшектерді де негізгі бөлшектер сияқты әріптермен белгілейді, бірақ та әріптің үстінде сызықша немесе толқын белгісін қою керек.). Осыған сәйкес, мысалы: антипротон және антинейтрон анықталған.

Паули 1932 жылы радиоактивтік -ыдырау кезінде энергияның сақталу заңының орындалуын түсіндіруде мынадай тұжырымдама жасады:, бұл ыдырау кезінде тағы да өзімен бірге энергияның біраз бөлігін алып кететін жеңіл бөлшек бөлінеді. Бұл бөлшекті Ферми нейтрино деп атады, себебі ол нейтронға ұқсас электр зарядына ие емес. Кейінірек тағайындалғандай, нейтриноның тыныштық массасы нөлге тең, оның (сол сияқты антинейтриноның да) спині жартыға тең (). Затқа өте тез жұтылып кету қасиетіне байланысты нейтрино бірден анықталған жоқ, тек 1956 жылы ғана тәжірибе негізінде тіркелген. Бұл тәжірибелерде тек қана нейтрино емес сондай-ақ антинейтринолар да анықталды. Сонымен қатар, протон мен нейтронның өзара түрленулері нәтижесінде де антинейтрино пайда болады.

Бөлшек ретінде нейтрон бос күйде орнықты емес. Ол  жартылай ыдырау периодымен өздігінен протон мен электронға антинейтрино шығара отырып ыдырайды:

Қайтымды реакция да жүреді, протон антинейтриномен реакцияға түскенде нейтрон мен позитрон пайда болады:

Сонымен, екі ядролық бөлшектер – протон және нейтрон -өзара бір-біріне айнала алады.

Жоспары:

1. 
   Жұлдыздардағы ядролық реакциялар.
   
2. 
   Басқарылатын термоядролық синтез проблемалары.
   

Позитрон негізгі сипаттамалары электрон сияқты элементар бөлшек, бірақ та заряды оң электрон зарядына тең. Позитронды алғаш рет теориялық тұрғыдан электронға антибөлшек (антиэлектрон) ретінде болжаған Дирак болды. Электрон мен позитрон кездескенде олар жоғалып кетеді немесе фотон шығара отырып аннигиляцияланады, және де бұл процесс жартылай өткізгіштердегі электрондар мен кемтіктердің рекомбинациясына ұқсас.

Сондай-ақ, электрон сияқты жарты бүтін спинді барлық бөлшектер үшін антибөлшек болуы керек (антибөлшектерді де негізгі бөлшектер сияқты әріптермен белгілейді, бірақ та әріптің үстінде сызықша немесе толқын белгісін қою керек.). Осыған сәйкес, мысалы: антипротон және антинейтрон анықталған.

Паули 1932 жылы радиоактивтік -ыдырау кезінде энергияның сақталу заңының орындалуын түсіндіруде мынадай тұжырымдама жасады:, бұл ыдырау кезінде тағы да өзімен бірге энергияның біраз бөлігін алып кететін жеңіл бөлшек бөлінеді. Бұл бөлшекті Ферми нейтрино деп атады, себебі ол нейтронға ұқсас электр зарядына ие емес. Кейінірек тағайындалғандай, нейтриноның тыныштық массасы нөлге тең, оның (сол сияқты антинейтриноның да) спині жартыға тең (). Затқа өте тез жұтылып кету қасиетіне байланысты нейтрино бірден анықталған жоқ, тек 1956 жылы ғана тәжірибе негізінде тіркелген. Бұл тәжірибелерде тек қана нейтрино емес сондай-ақ антинейтринолар да анықталды. Сонымен қатар, протон мен нейтронның өзара түрленулері нәтижесінде де антинейтрино пайда болады.

Бөлшек ретінде нейтрон бос күйде орнықты емес. Ол  жартылай ыдырау периодымен өздігінен протон мен электронға антинейтрино шығара отырып ыдырайды:

Қайтымды реакция да жүреді, протон антинейтриномен реакцияға түскенде нейтрон мен позитрон пайда болады:

Сонымен, екі ядролық бөлшектер – протон және нейтрон -өзара бір-біріне айнала алады.

1. 
   Дейтрон – n-p-жүйенің байланысқан күйі. Дейтроннның негізгі анықтамалары. Дейтронның толқындық функциясы.
   
2. 
   Ядролық күштердің тензорлық сипаты. Нейтронның протонда шашыратылуы.
   
3. 
   Ядролық күштердің спинге тәуелділігі. Айнымайтын бөлшектердің шашыратылуының ерекшеліктері.
   
4. 
   Ядролық күштердің зарядқа тәуелсіздігі. Изотоптық спин.
   

Позитрон негізгі сипаттамалары электрон сияқты элементар бөлшек, бірақ та заряды оң электрон зарядына тең. Позитронды алғаш рет теориялық тұрғыдан электронға антибөлшек (антиэлектрон) ретінде болжаған Дирак болды. Электрон мен позитрон кездескенде олар жоғалып кетеді немесе фотон шығара отырып аннигиляцияланады, және де бұл процесс жартылай өткізгіштердегі электрондар мен кемтіктердің рекомбинациясына ұқсас.

Сондай-ақ, электрон сияқты жарты бүтін спинді барлық бөлшектер үшін антибөлшек болуы керек (антибөлшектерді де негізгі бөлшектер сияқты әріптермен белгілейді, бірақ та әріптің үстінде сызықша немесе толқын белгісін қою керек.). Осыған сәйкес, мысалы: антипротон және антинейтрон анықталған.

Паули 1932 жылы радиоактивтік -ыдырау кезінде энергияның сақталу заңының орындалуын түсіндіруде мынадай тұжырымдама жасады:, бұл ыдырау кезінде тағы да өзімен бірге энергияның біраз бөлігін алып кететін жеңіл бөлшек бөлінеді. Бұл бөлшекті Ферми нейтрино деп атады, себебі ол нейтронға ұқсас электр зарядына ие емес. Кейінірек тағайындалғандай, нейтриноның тыныштық массасы нөлге тең, оның (сол сияқты антинейтриноның да) спині жартыға тең (). Затқа өте тез жұтылып кету қасиетіне байланысты нейтрино бірден анықталған жоқ, тек 1956 жылы ғана тәжірибе негізінде тіркелген. Бұл тәжірибелерде тек қана нейтрино емес сондай-ақ антинейтринолар да анықталды. Сонымен қатар, протон мен нейтронның өзара түрленулері нәтижесінде де антинейтрино пайда болады.

Бөлшек ретінде нейтрон бос күйде орнықты емес. Ол  жартылай ыдырау периодымен өздігінен протон мен электронға антинейтрино шығара отырып ыдырайды:

Қайтымды реакция да жүреді, протон антинейтриномен реакцияға түскенде нейтрон мен позитрон пайда болады:

Сонымен, екі ядролық бөлшектер – протон және нейтрон -өзара бір-біріне айнала алады.

1. 
   Ядролық нұрдың затпен әсерлесуі. Зарядталған бөлшектердің ортамен әсерлесуі. Энергияның атомды иондау мен қоздыруға шығыны.
   
2. 
   Нұрлану шығындары. Вавилов Черенков нұрлануы. Серпімді шашыратылу. Зарядталған бөлшектердің жүрімдері.
   
3. 
   Нейтрондардың затпен әсерлесулері. Нейтрондардың баяулауы. Жылулық және резонанстық нейтрондар.
   
4. 
   Жылулық нейтрондардың диффузиясы.
   
5. 
   Ядролық нұрлардың тірі организмге әсері. Дозиметрия мен ядролық нұрлардан қорғанудың элементтері.
   

Бүгінгі күнгі физиканың негізгі мәселесі барлық фундаментальдық өзара әрекеттесудің теориясын біріктіріп, олардың біртұтас теориясын жасау. Қазірдің өзінде электромагниттік және әлсіз өзара әрекеттесуді біріктірген теория жасалды. Бұл фундаментальды өзара әрекеттесу төменгі энергияларда біртұтас электрәлсіз әрекеттесудің әртүрлі көріністерін суреттейді және олардың арасындағы айырмашылық бөлшектердің энергиялары өскен сайын бірте-бірте жойыла бастайды.

Электрлік және күшті өзара әрекеттесуді бір электрядролық өзара әрекеттесу ретінде қарастыратын (“ұлы біріктіру”) жұмыстар да бар.

Ендігі кезек- табиғатта белгілі төрт фундаментальдық өзара әрекекеттесудің біртұтас теориясын (“кеңітілген супергравитация”) дүниеге келтіру.

Нуклидтің, яғни, басқалардан А және Z мәндері бөлек ядролардың активтілігі деп, 1 секунд ішінде ыдыраған ядролар санын айтады:

. (27.4)

Белсенділіктің АХ жүйесіндегі өлшем бірлігі- беккерель (Бк), 1 с ішінде бір ыдырау болатынын көрсетеді. Ядолық физикада системадан тыс өлшем бірлігі пайдаланылады, ол- кюри (Ки): 1 Ки = 3,7.10¹⁰ Бк.

Ядролардың ыдырауы ығысу ережесімен іске асады, ол бойынша ыдыраудың нәтижесінде қандай ядро пайда болатынын көрсетеді:

α-ыдырауы үшін:

β- ыдырауы үшін:

Жұтылған сәуле дозасының энергиясы – грей (Гр): 1Гр = 1 Дж1кг.

Қатты денеде байланысқан атом ядроларының дененің ішкі энергиясының өзгерісін туғызбайтын кванттарды серпімді шығаруын (жұтуын) Мёссбауэр эффектісі деп аталады. Мұнда тебілудің импульсі мен энергиясы квантты шығарған бір ядроға емес бүкіл торға тұтас беріледі. Ал кристалдың массасы жек ядро массасынан әлдеқайда үлкен. Сондықтан тебілу энергисының шығыны аз болады да, тебілу серпімді болады.

Мёссбауэр эффектісі ғылым мен техникада әр текті өлшеулер жүргізудің нәзік «аспабы» болып табылады.

Радиоактивтік сәулелер мен бөлшектерді бақылаудың және тіркеудің тәсілдері:

1.Сцинтилляциялаушы есептегіш – негізгі элементі сцинтиллятор (кристаллофосфор) және фотоэлектрондық көбейткіш болып табылатын ядролық бөлшектердің детекторы. Ол әлсіз жарық жарқылын электрондық аппаратура тіркейтін электрлік импульстерге түрлендіруге мүмкіндік

2. Вильсон камерасы – шыны цилиндрден және оған тығыз тиіп тұратын поршеннен, цилиндр ішінде орналасқан судың немесе спирттің буымен қаныққан газдан (He,Ar) тұрады. Ондағы аса қаныққан бу арқылы өткен бөлшектің ізі тіркеледі.

3. Импульстік иондаушы камера – жұмысы зарядталған бөлшектердің газды иондауына негізделген детектор.

Нейтрондар – электрлік бейтарап бөлшектер бола отырып кулондық тебу күшіне ұшырамайды, сондықтан олыр ядроға оңай еніп кетеді де, әр түрлі ядролық түрлендірулер туғызады. Нейтрондардың әсерінен болатын ядролық реакцияларды зерттеу ядролық физиканың дамуында ғана зор роль атқарып қойған жоқ, сонымен бірге ядролық реакторлардың пайда болуына жеткізді.

Нейтрондардың әсерінен болатын ядролық реакциялар:

Дәріс № 13 Жоғарғы энергия мен элементар бөлшектер физикасы.Элементар бөлшектер – жоғарғы энергия физикасы. Жоғарғы энергия физикасының тәжірибелік әдістері.Жоғарғы энергиялы шоқтарды алудың қазіргі әдістері туралы ұғым. Бөлшектердің жинақтағыштары. Қарсы шоқтар. Релятивистік кинематика элементтері. Бөлшектердің туу және ыдырау құбылыстарын бақылау. Қысқа өмірлі бөлшектерді бақылау әдістері.

Американдық радиобиолог А.Спэрроу әйгілі Бругхейвен ұлттық лабараториясында өткен ғасырдың 50-60 жылдары тыңғылықты зерттеу жұмыстарын жүргізген.Соның нәтежиесінде,гамма-алаңында орналасқан орманда қылқан жапырақты ағаштардың,оның ішінде әсіресе қарағайдың,радиотөзімділігі өте төмен екендігін дәлелдеген.Сөйтіп,бірнеше жыл бойы сәулелену ықпалынан аралас ағаштар өскен қалың орман орнында қылқады тек селдір тоғай ғана қалған.Қылқан жапырақты ағаштардың,гүлтозаңы адам сенбестей дәрежеде радиосезімтал екен.Соңыменен,фитоценоздағы өзгерістер,негізінен созылмалы сәулелену әсерінен болатындығы белгілі болды.Жануарлар әлемінде белгілі себептермен,сүт қоректілер арасында көптеген өкілдерінің радиосезімталдық қасиеттері жеткілікті дәрежеде терең зерттелген.Негізінен,олардың басым бөлігі ұсақ денелілер,яғни ғылыми тілде айтқанда-«лабораториялық жануар-жәндіктер –тышқандар,егеуқұйрықтар,атжалмандар,үй қояндары,иттер және т.с.с.Жүргізілетін зерттеу жұмыстарының күрделілігі мен қымбатшылығына байланысты ірі денелі жануарлардың-жылқы,сиыр,түйе және т.б.өкілдерінің радиосезімталдығы жайлы ғылыми мәліметтер бүгінгі күні тапшылау.Ал енді жануарлар әлемінің басқа топтары жайлы әңгіме қозғасақ,сүт қоректілермен салыстырғанда,құстар тобы-әлдеқайда жоғары радиотөзімділік қасиетімен әйгіленеді.Олардың басым бөлігі үшін радиацияның жартылай өнім әкелер дозасы 8-25 грей аралығын құрайды.Бұл топтың өкілдері қатарында үй қатарында үй құстары да қамтылады.Құстар әлемін саралап талдайтын болсақ,үй тауықтарының әртүрлі тұқымдары үшін,бұл шама 10-15 грей тербелісін құраса ,үйректер үшін 12 грейден 16 грей аралығында екен.Сәулеленуге ұшыраған өсімдіктің радиосезімталдық және радиотөзімділік қасиеттеріне ортаның әртүрлі табиғи физикалық факторларының әсері болуы заңды құбылыстардың қатарына жатады.Соның ішінде табиғи ортада жиі кездесетін екі-үш факторға тоқталайық:

1)Ортаның газдық құрамының ықпалы-

Иондаушы сәулеленуге ұшыраған сәтте,атмосфераның газдық құрамы өсімдіктің радиотөзімділік қабілетіне әжептәуір ықпал жасайды.20 ғасырдың алғашқы ширегінде неміс ғалымы Е.Петри рентген сәулесімен бидай өскінін сәулелендіру арқылы арнайы тәжірибе жүргізген.Өсімдіктер физиологиясының осы білгірі,зат алмасу белсенділігінің радиосезімталдыққа әсерін бақылау нәтижесінде,көмір қышқыл газдың мөлшері көбейген сайын өсімдіктің радиосезімталдығы әлсірейтіндігін дәлелдеген.Сөйтіп,ол алғашқы болып әлі де талай әңгіме болар, «оттегі тиімділігі»атты құбылыстың көзін ашушы ретінде,ғылыми өз ортада өз бағасыналған ғалым.Ауадағы оттегінің азаюы салдарынан,өсімдік бойындағы метаболизм реакциясының қарқыны біршама баяулайтындығы мамандарға белгілі.Мұндай күйдің қалыптасуы өсімдік радиотөзімділік қабілеттің артуына мүмкіндік туғызады.20ғасырдың соңғы жылдарында М.Мальдиней және К.Тувинен аттты зерттеушілер рентген сәулесінің аздаған мөлшерімен сәулелендіру арқылы әртүрлі өсімдік тұқымдарының пісіп-жетілу қарқынын күшейту мүмкіндігінің бар екендігін аңғарған.Кейінірек бұл құбылыстың жан-жақты әрі ауқымы өте кең сипатта екендігі дәлелденген.Бір сөзбен айтар болсақ,шектеулі аз ғана өлшемді мөлшерде сәулеленген өсімдіктер мен жануар-жәндіктердің өсу және даму қабілеттерінің артатындығы белгілі болған.Бертін келе,дәлірек айтсақ,өткен ғасырдың 20-30-шы жылдары,радиобиологияның жеке салалық ғылым ретінде танылуына себепкер болған іргелі жаңалықтар мен керемет идеялар дүниеге келе бастады.Көп уақыттар бойы,тіпті бертін келгенге дейін,радиоьиологтадың өз арасында сәулелік зақымданудың алдын алу,сол сияқты оның кері әсерін өзгерту мүмкіндігі тәріздес шараның бары немесе жоғы жайлы ортақ пікір болған емес.Радиобиология ғылымының бастапқы даму кезеңінде,физикалық және химиялық болмысы бар әртүрлі факторлардың көмегімен радиобиологиялық әсердің күші зерттелген. Осы құбылыстың нақты сырын аша алмағанмен, мүмкіндігі сияқты қасиеттердің бар екендігін аңғарған. Бертін келе, иондаушы сәулелену көзі мен биологиялық саяқ арасына қорғасынды немесе цементті құйма сияқты бөгет қою арқылы, оның ағзаға сінер энергиясын біршама азайтуға болатындығы айқындалды. Мұндай әдісті физикалық қорғаныс жолы деп атайды. Ал енді заттың атомы мен молекулаларының иондалуының басты көзі- заттың сәулеленумен әрекеттесу құбылысына тойтарыс беру, тоқтам жасау немесе болдырмау жағдайы мүмкін емес хикаят. Дегенмен, сәулелік зақымданудан сақтану мақсатында, оған қарсы қолданар радиоқорғаныстық әрекеттің қажеттілігі сөзсіз. Бүгінгі күні сәулелік зақымдау ағымын өзгерте алар факторларды негізінене 2 топқа бөледі. Бірінші топ-сәулелік зақымдау дәрежесін азайтуға бағытталған факторларды біріктірсе, екінші топ-оның ықпалын күшейтуші факторларды қамтиды.

Азайтушы факторларды бір сөзбен радиоқозғаныстық немесе радиопротекторлар деп атауға болады, ал күшейтуші факторларды- радио-сенсибилизациялаушылар деп атайды. Сондай-ақ физикалық және химиялық жаратылысы бар факторлар топтамалары ажыратылады. Мысалға, физикалық табиғаты бар топта- жоғарыда айтылған температуралық, ылғалдылық, газды орта және т.б. факторлар жатады.

Мамандар қауымына танымал себептермен, небір радио-сенсибилизаторлардың практикалық істері қолданылу аясы барынша шағын екендігі де белгілі. Оларды иондаушы сәулелену құбылысының ағзаға тигізер әсерін күшейту қажеттілігі сияқты өте сирек мақсатта, негізінен медицина саласында қолданады. Түсініктірек болу үшін мысалмен айта кетейік: адам денесіндегі қатерлі ісікті радиациялық терапия әдісімен емдеу кезінде дененің сау мүшелеріне радиациялық салмақ түсірмеу мақсатында дененің тек сәулеленетін бөлігіне ғана радиосенсибилизациятор енгізіледі.Айта кеткен дұрыс болар,радиациялы жоғары фон жағдайында жалпы фитоценозды тұтасатай сәулелік зақымданудан қорғаудың бүгінгі таңдағы қол жеткізген шарасының бірі-радиотөзімділігі жоғары,жасанды екпе өсімдіктер жиынтығын қалыптастыру болар деген де пікір бар.Радиотөзімділігі мықты кеміргіштер өкілдері қоректенетін өсімдік түрлерінің жоғары радиоқорғаныстық қасиеттері бар деген жорамалдар бар.Өсімдіктердің иондаушы радиациядан қорғану қабілетін зерттеудің маңызы өте зор,әсіресе қолданбалы ғылым салаларында алар орны ерекше.Мысалы иондаушы радиация құбылысының биология мен ауыл шаруашылығы салаларында атқарар қызметінің ауқымы мен орнын пайымдау ісінде,бірінші кезекте,өсімдіктің сәулеленуден қорғану қабілетінің сырын толығымен аша білу қажет.Сәулелік зақымданудың даму қарқыны көптеген факторларға тәуелді және оның пәрменділігі ағза құрылымының әр деңгейінде әрқилы байқалады,мысалға:

-молекулалық деңгейде-радиолиз өнімдерінің жоғары молекулярлық қосылыстарымен өзара қарым-қатынасына бөгет боларлық жағдай жасаумен аңғарылады;

-торшалық деңгейде-проллиферативтық белсенділік дәрежесімен немесе торша айналымының сатылық күйімен бағаланады;

Радиациялық қауіптілік бар аймақта қалай өмір сүруіміз керек.Осыған тоқтала кетсек,ең алдымен,радиациялық деңгей жайлы дерек болуы керек.Жоғарыда айтқанымыздай,адам баласы радиациядан сырттай және іштей сәуле нәтижесінде зардап шегуі мүмкін.Олардан келер зардаптың ауқымы біркелкі емес және ол көптеген факторлармен байланысты.

Радиактивті заттар тағамдық өнімдерге топырақ –өсімдік-өнім нан,ет,сүт тағамдары және т.б. тізбегі арқылы тасымалданатындығы жайлы хабардар етті.Сондықтан ең алдымен жоқ дегенде,басты тағамдық өнімдердің радионуклидтық құрамын анықтауға назар аудару қажет.

Енді иондаушы радиацияның кейбір түрлерінен қорғану үшін қажетті бірер мәліметтермен қысқаша таныстыра өтейік:

-Нейтрондық сәулелену ағынынан қорғануда судың(әсіресе тұзды судың),көміртегінің,темірдің,бетонныңбіршама көмектері бар.Жалпы,нейтрондық сәулеленуден сақтануда құрамында суттегі бар заттар жақсы қорған бола алады;

-Гамма-сәулеленуінен жоғары үлес-салмақты материалдардың көмегімен қорғануға болады.Мысалы,қорғасын,цементті құйма және т.с.с Жер бетінде жатқан гамма-сәулесінің көздерін тікұшақтың немесе ұшақ көмегі арқылы тіркеуге болады;

-Альфа-сәулеленуі адам денесінің тері қабатына сырттай сәуле түсу жолымен сіңіріледі және тағаммен,сумен,ауамен адам ағзасына кіріктірілуі мүмкін.Альфа-бөлшектерінің жүгірісі қысқа болғандықтан,олардың ағынан қорғану мәселесі үлкен қиындық туғызбайды.Жұқа фольга,шыны немесе пластикат,хирургиялық қолғаптар мен киімдер,тіпті 10 сантиметрлік ауа қабаты альфа-бөлшектерінэкрандауға қабілеті жетеді.

-Бета-бөлшектерінің өтімділік қабілеті альфа-бөлшектерінің мүмкіндігімен салыстырғанда жоғары болғанымен,олардың ағынынан қорғану мәселесі шешілетін жағдай.Бета-сәулеленуінен бірнеше милиметрлік қалыңдығы бар алюминий қаңылтырынан басқа,плекасиглас немесе шынының ,арнайы киімдерінің қорғау мүмкіндігі жеткілікті.
Дәріс № 14 Элементар бөлшек» ұғымының дамуы.

Жоспары:

1. 
   Бақыланатын элементар бөлшектердің ортақ қасиеттері: лептондар, адрондар.
   
2. 
   Бөлшектер мен антибөлшектер. Іргелі әсерлесулердің төрт түрі. Әсерлесу күші. Элементар бөлшектерді сараптау. Сақталу заңдары. Дәл және дәл емес кванттық сандар.
   

Өзара әрекеттесу түрлері және элементар бөлшектер кластары.

Элементар бөлшектерді бүгінгі күнгі физика дамуының деңгейі бойынша олардың ішкі құрылысы басқа бөлшектерден тұрады деп қарауға болмайтын микробөлшектер.

Элементар бөлшектердің өзара әрекеттесуінің 4 түрі белгілі: күшті өзара, электромагниттік, әлсіз өзара, гравитациялық әрекеттесулер. 30.1-кестеде өзара әрекеттесуге тән тұрақтылардың шамалары және берілген өзара әрекеттесудегі ыдыраған бөлшектердің орташа өмір сүру уақыты келтірілген.