Атом ядросының және қарапайым бөлшектер физикасының даму кезеңдері

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 57 бет
Таңдаулыға:

1 . Атом ядросының және қарапайым бөлшектер физикасының даму кезеңдері. Микроәлем құбылыстарының өлшемдері.

Ядролық физика - қазіргі физиканың атом ядросы мен элементар бөлшектерді зерттейтін саласы. Ядролық физика - атом өнеркәсібінің ғылыми негізі. Ол шартты түрде төмендегідей салалардан тұрады.

Атом ядросының жалпы қасиеттері мен құрылымы. Ядроның маңызды қасиеттеріне масса, электр заряды, массалық сан, байланыс энергиясы, магниттік және электрлік момент, ядроның эффективтік мөлшері, ядроның энергия деңгейлерінің жүйесі жатады. Ядролық күштердің заңдылығы белгісіз болғандықтан, ядрода өтетін процестерді зерттеу үшін әр түрлі ядролық модельдер пайдаланылады.

Ядролық күштер. Ядролық күштердің қасиеттері жөнінде бағалы деректер энергиясы әр түрлі протондар, нейтрондар мен протондардың шашырауын, сондай-ақ дейтрон мен күрделі ядролардың қасиеттерін зерттеу кезінде алынған.

Ядролардың өздігінен түрленуі - α, β-бөлшектері мен γ-сәулесін шығаратын табиғи және жасанды радиоактивтілік, сондай-ақ ауыр ядролардың өздігінен бөліну. Ядролық физиканың бұл саласының маңызды бөлігі ядролардан шығатын әр түрлі сәулелерді зерттеу болып есептеледі. Ядролық реакциялар - ядролардың бір-бірімен және элементар бөлшектермен әсерлесуі нәтижесінде түрленуі. Ядролық түрленулердің ішінде энергетикалық мақсат үшін баяу және шапшаң нейтрондар арқылы жүретін реакцияларды (мысалы, ауыр ядролардың бөлінуі), сондай-ақ теориялық және практикалық мақсат үшін жеңіл ядролардың арасындағы реакцияларды зерттеудің зор маңызы бар. Реакциялардың соңғы түрі термоядролық реакцияларды жасанды жолмен жүзеге асыруға мүмкіндік береді.

Атомдық нөмірі (Z) 92-ден артық (Z > 92) болатын табиғатта кездеспейтін элементтерді синтездеу үшін көп зарядты иондарды (мысалы, азот және алюминий иондары, т. б. ) зерттеудің ерекше маңызы бар. Элементар бөлшектер. Ядролық физиканың бұл саласында нейтрино, антинейтрино, электрон, позитрон, әр түрлі мезондар, нуклондар, антинуклондар, гиперондар мен антигиперондар тәрізді элементар бөлшектердің қасиеттері, олардың пайда болуы мен бір-біріне түрлену процестері зерттеледі. Сондай-ақ бұл салада жоғары энергия физикасының мәселелерін зерттеудің де маңызы ерекше күшті болады.

Нейтрондық физика - нейтрондардың қасиеттерін, ядролардың нейтрондарды қармауын және шашыратуын, нейтрондардың әр түрлі зат ішінде тежелеу мен диффузиясын, т. б. зерттеуге арналған ядролық физиканың ірі саласының бірі. Ол - ядролық энергетика мен ғарыштық ракета техникасының ғылыми негізі. Сондықтан нейтрондық физикада теориялық, сондай-ақ практикалық маңызы бар мәселелер зерттеледі. Нейтрондық физика қатты дене физикасымен, металлургиямен, т. б. физика салаларымен тығыз байланысты. Ядролық физиканың эксперименттік әдісінде зарядты бөлшек

үдеткіштері, сондай-ақ қуатты нейтрондар шоғын алуға мүмкіндік беретін зерттеу реакторлары маңызды орын алады. Қазіргі кезде элементар бөлшектерді бақылау және тіркеу үшін өте нәзік тәсілдер мен приборлар қолданылады (қ. Иондалу камерасы, Зарядты бөлшек санауыштары, Вильсон камерасы) . Атом ядросының энергия деңгейлерін және одан шығатын сәулелерді зерттейтін ядролық физиканың саласы ядролық спектроскопия деп аталады. Бұл әдістің көмегімен алынған деректер ядроның құрылысы жөніндегі осы кездегі ұғымдардың негізін құрайды. Ядролық физиканың жетістігі алғашқы кезде соғыс мақсаты үшін қолданылғанымен (1945), кейін ол бейбіт мақсат үшін де пайдаланыла бастады.

Ядролық физиканың жетістігі нәтижесінде халық шаруашылығының бейбіт салалары - ядролық энергетика және ядролық техника пайда болды. Радиоактивтік изотоптар физикада, химияда, металлургияда, биологияда, т. б. ғылым мен техника салаларында тиімді пайдаланып келеді. Ядролық физиканың дамуы нәтижесінде табиғатта кездеспейтін элементтерді (мысалы, нептуний, плутоний, америций, кюрий, берклий, калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий, нобелий, лоуренсий, курчатовий, нильсборий, т. б. ) алуға мүмкіндік жасалды. Ядролық физиканың негізінде химияның радиациялық химия және радиохимия деп аталатын жаңа салалары пайда болды. Ядролық физиканың жетістіктері астрофизикада, геологияда, геофизикада, ғарыштық ракета ғылымында және археологияда кеңінен пайдалануда. Ядролық физиканың дамуы біздің табиғат жөніндегі көзқарасымыздың жан-жақты кеңеюіне маңызды ықпал етті.

Әр атом оң зарядталған ядро мен теріс зарядталған электрондар жиынтығы-электрондық қабықтан тұрады. Ядрода атом массасының барлығы дерлік (99, 95%) шоғырланған. Атомға қарағанда ядро өте кішкентай және ол өте берік. Ядролардың сызықтық мөлшерлері 1-10 фм (10 -15 - 10 -14м), ал атомдардыкі 10 -10 м. Сутегі атомын ядро мен электронға жіктеу үшін керек ең үлкен энергия 13, 6 эВ (негізгі күйдегі сутегі атомын иондау энергиясы), ал 4Не атомының екі электронын да аластату ушін 79эВ энергия қажет болса, ең осал ядро дейтронды құраушылар - протон мен нейтронға жіктеу үшін 2, 2 МэВ, ал 4Не ядросы - альфа- бөлшекті кұраушыларға түгел жіктеу үшін 28МэВ энергия қажет. Кез келген ядродан бір нуклонды (протон немесе нейтрон) аластату энергиясының орташа мәні 8 МэВ. Көріп отырғанымыздай, ядроның сызықтық мөлшері атомның сызықтық мөлшерінен 105 есе аз, ал оны ыдыратуға керек энергия атомды иондауға керек энергиядан сонша есе көп.

Атомның ауыр, өте тығыз, оң зарядталған ядросы болатынын Резерфорд пен оның шәкіртгері 1906-1912-ж. ж. жасалған, энергиялары бірнеше МэВ альфа-бөлшектердің алтынның және кейбір баска металдардың аса жұқа қабыршағы арқылы өтуіне арналған, тәжірибелерінің нәтижелерін өңдеу барысында ашты.

Резерфорд тәжірибелері атом ядросының мөлшерінің жоғарғы шегін бағалауға да мүмкіндік береді. Ол үшін, мысалы, энергиясы 5МэВ а-бөлшектің алтын ядросына кандай ең аз қашықтыққа дейін жақындай алатынын есептейік. Мұндай кашықтыққа дейін жеткен альфа-бөлшек тоқтап, оның кинетикалық энергиясы толық потенциялық энергияға айналады. Егер бұл қашықтыққа дейін Кулон заңы орындалатын болса.

шығады. Резерфорд тәжірибелерінің нәтижелері осы қашықтықтарға дейін нүктелік (дәлірек радиустары r-дан кіші сфералық) зарядтар үшін дұрыс. Ядроға, барлық микроәлемге сияқты, кванттық қасиеттер тән. Ол әртүрлі энергиялық күйлерде бола алады. Энергияның ең кіші мәніне сәйкес күй негізгі күй деп аталады және ол энергия санағының бастапқы нүктесі ретінде алынады. Басқа күйлер қозған күйлер болады. Нық ядролардың негізгі күйлері уақыт бойынша өзгермейтін - стационар күйлер болады. Барлық ядролардың қозған күйлері стационар емес. Ядролардың энергиялық күйлерін

ядроның энергиялық деңгейлері деп атайды.

2. Ядро-өзара әсерлесуші протон-нейтрон бөлшектерінің жүйесі. Ядроның электр заряды. Массалық сан. Изотоптар мен изобаралар.

Ядроның құрамы туралы мәселе 1932 жылы Чедвик нейтронды ашқанға дейін шешусіз қалды. Чэдвик, 1930-жылы Боте мен Беккер ашқан, альфа- бөлшектердің жеңіл ядролармен соқтығысулары кезінде бөлініп шығатын, зат арқылы өту қабылеті жоғары бөлшектердің массасын анықтады. Ол егер осы бөлшектің сутегі жене азот ядроларымен серпімді соқтығысуы кезінде импульс пен энергия сақталса, оның массасы қандай деген сұрақка жауап іздеді. Есептеулер ол бөлшектің массасы протонның массасына тең дерлік екенін көрсетті. Ол бөлшек нейтрон (n) деп аталды.

Нейтрон ашылғаннан кейін көп ұзамай Е. Н. Гапон мен Л. Л. Иваненко және В. Гейзенберг ядроның протондық- нейтрондық моделін ұсынды.

Атом ядролары бақыланатын элементар бөлшектер - протондар мен нейтрондардан тұрады. Протон мен нейтронның mp және mn массалары өзара жуық және нейтронның массасынан 2000 есе дерлік артық: mp=1836, 1 mе = 1, 007276 м. а. б., mn =1838, 6 mе = 1, 0086652 м. а. б. Протон электр зарядталған, оның заряды оң және абсолют мәні электронның зарядына тең. Нейтрон электр бейтарап.

Атомның электрлік бейтараптығын қамтамасыз ету үшін оның құрамындағы электрондардың санымен ядроның құрамындағы протондар саны бірдей Z болуы керек. Ядродағы нуклондардың жалпы саны массалық сан А деп атайды. Осыдан ядроның құрамындағы нейтрондар саны N= А-Z. Ядроның құрамын сипаттайтын шамалар ретінде оның Z атомдық номері мен А массалық саны қолданылады.

Атом ядросының электр заряды Ze (өлшем бірлігі ретінде электронның зарядының сан мәнін алса, Z), оның атомдық нөмеріне тең, протонның Z санымен анықталады. Электр заряды берілген элементтің барлық изотоптарының (сутегінен баска) химиялық қасиеттерін анықтайды.

Ядролардың зарядтарын 1913-жылы Мозли дәл өлшеді. Oл элементтердің сипаттық рентген нұрларының v жиілігі мен оның Z атомдық номерінің арасында қарапайым

(1) тәуелділігі бар екенін тағайындап, нұрдың берілген сериясы үшін а мен b тұрақтыларының элементке теуелсіз екенін тапты. Ол элементтерді

периодтық, жүйеде ретімен орналастыруға мүмкіндік берді.

Ядронын зарядын тікелей 1920-жылы Чэдвик өлшеді.

Электр заряды ядролық физикада қарастырылатын барлық

(электромагниттік, ядролық және нәзік) әсерлесулер кезінде сақталады. Электр зарядының сақталу заңы ядролық реакцияға немесе радиоактивтік ыдырауға катысатын ядролардың біреуінің зарядын олар үшін зарядтардың

теңдеуінен табуға мүмкіндік туғызады.

Ядроның электр заряды жиынтықтық сипаттама, ол ядроның тұтас

зарядын ғана анықтап, зарядтың ядроның колемі бойынша таралуы туралы мәліметтер бермейді.

Ядролық реакциялар мен түрленулер барысында массалық сан да (нуклондар саны) сақталады: әсерлесуге дейінгі бөлшектердің; массалық сандарының қосындысы, одан кейінгі бөлшектердің массалық сандарының қосындысына тең. Элементар бөлшектер үшін массалық сан орнына бариондық заряд (бариондық сан) В шамасы қолданылады. Барлық барион деп аталатын бөлшектердің, оның ішінде протон мен нейтронның да, бариондық зарядтары 1, кварктардың бариондық зарядтары 1/3, ал басқа бөлшектердің бариондық заряды нөлге тең.

Масса ядроны сипаттайтын шамалардың ең маңыздыларының бірі. Ол оның екпіндік, күш әсерінен қозғалыс күйінің өзгеркіне қарсыласу қабілетін сипаттайды. Ядроның массасын біз кіріспеде атаған массаның атомдық бірлігімен (м. а. б. ) өлшеген ыңғайлы. Оған ХЖ-де 1. 66*10-27кг сәйкес келеді. Атом ядроларының массалары оны құраушылардың массаларының қосындысына тең емес, одан аздап болса да кіші

(2) Салыстырмалық теориясы бойынша кез келген массасы М дененің Е=Мс2 энергиясы болады. Мұндағы с = 3*108 м/с вакуумдағы жарық жылдамдығы. Атом ядросына да осындай энергия сәйкес келеді. Ядроның козған күйінің энергиясы, оның негізгі күйінің энергиясынан қозу знергиясына жоғары болады. Егер ядроның қозу энергиясын E = E − E0 алсақ,

онда қозған күйдегі ядроның массасы оның негізгі күйдегі массасынан  Е/с2 -қа артық болады. Бұл жерде, біз тұтас күйінде (массалар центрі) тыныш тұрған ядролар жайында әңгімелеп отырғанымызды ескерте кетейік. Молекулалық физикада тұтас күйінде тыныш тұрған дененің энергиясын оның ішкі энергиясы деп атадық. Осыған орай ядроның да тыныш күйіндегі энергиясын оның ішкі энергиясы дейді. Кейде бұл энергияны потенциялық дейді. Бұл жерде, күрделі дененің ішкі энергиясы оның бөліктерінің потеницялық энергиясынан ғана емес, олардың ішкі, инерция центріне қатысты қозғалыстарың кинетикалық (идеал газ үшін тек кинетикалық) энергиясынан да құралатынын естен шығармау керек.

Сонымен, ядроның негізгі күйіне оның энергиясының, демек массасының ең кіші мәні сәйкес келеді. Бұл ядроға да, бүкіл табиғатқа сияқты, өзінің ішкі энергиясының ең кіші мәніне ұмтылу тән екенін дәлелдейтін сияқты.

Изотоптар, изомерлер, изобарлар және изотондар туралы түсініктер. Көптеген химиялық элементтер табиғатта олардың ядроларындағы нейтрондар саны әртүрлі болатындықтан, белгілі бір атомдар қоспасы түрінде болады. Ядросындағы протондар саны бірдей, бірақ нейтрондар саны бойынша өзгеше болатын атомдар изотоптар деп аталады. Мұндай элементтер Д. И. Менделеевтің кестесінде бірдей нөмірге ие болады,

бірақ массалық саны әртүрлі болады. Химиялық элементтердің барлық изотоптарының ядроларын нуклидтер деп атайды.

Радионуклидтер - бұл массалық саны және атомдық нөмірі берілген радиоактивті атомдар. Ядролық реакциялардың көмегімен әрбір химиялық элементтің бірнеше радиоактивті изотоптарын алуға болады. Қазіргі кезде 300 жуық тұрақты изотоптар белгілі болса, ал радиоактивті изотоптар мөлшері 1500 асып кетеді.

Элемент атомының массалық саны бірдей, бірақ ядросы әртүрлі энергетикалық күйде болатын болса, оларизомерлердеп аталады. Артық энергиясы болатын изомерлерді, метастабильді күйі деп атайды. Мұндай күйді символ түрінде массалық санымен қатар қойылған латын әрпімен (m) белгілейді (80mBr) .

Табиғатта әртүрлі элементтердің массалық саны бірдей, бірақ атомдық нөмірі әртүрлі болатын атом-ядролары кездеседі. Мұндай атомдар изобарлар деп аталады.

Әртүрлі элементтердің нейтрондар саны бірдей болатын ядро атомдары изотондар деп аталады.

3) Ядроның құрылуы. Масс-спектрометр. Массаның ақауы.

Ядролық физикада масса ұғымын негізінен ядроның негізгі күйі үшін қолданып, ал оның қозған күйлерін оның негізгі күйлеріне сәйкес энергиядан бастап есептелген дельтаЕ = Е-Е0 қозу энергиясымен сипаттайды.

Ядролық физикада массаны өлшеудің алуан түрлі әдістері қолданылады. Олардың негізгілері мыналар: а) масс-спектроскопия, 6) ұшу уақыттық масс- спектроскопия, в) ядролық реакцияларды энергиялық талдау, г) α- және β- ыдыраудың энергия балансы, д) микротолқындық радиоспектроскопия, е) фазалық кеңістік немесе инварианттық массалар әдісі.

Масс-спектроскопия әдісін бірінші peт Томсон ұсынып, Астон мен Демпстер жетілдіріп, шыңдаған. Ол әдіс бойынша алдымен атомның (дәлірек ионның) массасы анықталып, ядроның массасы атомның массасы мен оның құрамындағы электрондардың массаларының қосындысының айырмасы түрінде анықталады.

Масса ақауы, масса дефектісі - атом ядросын құраушы нуклондар (нейтрондар мен протондар) массаларының қосындысы мен ядро массасының (М) арасындағы айырым ( ) :=ZMp+(A--Z) Mn-M, мұндағы Z - ядродағы протондардың саны, А - ядроның массалық саны, Мр мен Мn - протон мен нейтронның массалары. М. а. массаның атомдық бірлігімен өрнектеледі және ол ядродағы нуклондардың байланыс энергиясына тең (кері таңбамен алынған) . М. а. неғұрлым үлкен болса, соғұрлым байланыс энергиясы жоғары және ядро орнықты болады.

Масс-спектрометрия (масс-спектроскопия, масс-спектрография, масс-спектрлік талдау, масс-спектрометриялық талдау) - ондағы әртүрлі компоненттердің (изотоптық, элементтік немесе химиялық құрамы) концентрациясын анықтауға мүмкіндік беретін затты зерттеу және анықтау әдісі. Өлшеу үшін негіз компоненттердің ионизациясы болып табылады, бұл оларды сипаттайтын масса-заряд қатынасы негізінде компоненттерді физикалық түрде ажыратуға және иондық токтың қарқындылығын өлшеу арқылы фракцияны бөлек есептеуге мүмкіндік береді. компоненттердің әрқайсысының (заттың массалық спектрін алу үшін) .

4. Ядролық күштер.

Ядролық күштер. Әлемдегі іргелі әрекеттесу күштерінің екі түрі гравитациялық және электромагниттік күштері бар. Атом ядросындағы аттас оң зарядталған протондардың арасында қуатты электростатикалық тебіліс күші бар екені белгілі. Ауыр элементтердің ядроларында, мысалы, уранда 92 протон бар, олардың бір-бірімен тебілу күші бірнеше мыңдаған ньютонға жетеді. Массаларына байланысты протондар мен нейтрондарды ұстап тұрған гравитациялық күш шығар деген пайымдау жасауға болар еді. Алайда, жүргізілген

есептеулер, ядродағы гравитациялық тартылыс күші, олардың арасындағы электростатикалық кулондық тебіліс күшінен кіші екенін көрсетті: Fγ/Fэл= 10-36.

Атом ядроларының тұрақтылығы ядролардың ішінде осы күнге дейін белгілі күштерден табиғаты мүлдем ерекше аса зор тартылыс күшінің бар екенін дәлелдейді.

Ядродағы нуклондарды ыдырап кетуден сақтап, оның берік байланысын қамтамасыз ететін күштерядролық күштердеп аталады.

Қазіргі кезде тәжірибелер негізінде ядролық күштердің қасиеттері жақсы зерттелген. Олардың ішіндегі ең маңыздыларына назар аударайық.

1. Мысалы, протонның центрінен r=10-15м қашықтықта ядролық күштер кулондық күштен 35 есе, ал гравитациялық күштен 1038 есе қуатты болады. Сол себепті ядролық күштер күшті әрекеттесу деп аталатын әлемдегі өзгеше іргелі өзара әрекеттесу күштері болып табылады.

2. Ядролық күштер қысқа қашықтықта ғана әрекет ететін күштер. Арақашықтықтың артуына байланысты ядролық күштер өте шапшаң кемиді. Әрекет ету аймағының шегі r>3·10-15м-ден үлкен жағдайда ядролық күштің әрекетін ескермесе де болады. Нуклондардың арасындағы тартылыс күшінің ең үлкен мәні r=1, 41·10-15 м қашықтықта байқалады. Ал қашықтық r<0, 5·10-15м болғанда, нуклондардың арасында ғаламат тебіліс күші пайда болады. Сонымен, ядролық күштер тартылыс күштері болып табылады.

3. Тәжірибелерден протон-нейтрон, нейтрон-нейтрон және протон- протон жұптарының арасындағы ядролық тартылыс күштері барлық жағдайда

күштер

бар, жақын

5. Ядролық күштер кулондық сияқты центрлік

жатпайды. Ядролық күштер немесе күшті әсерлесу атом ядросындағы ең үлкен қарқынмен өтетін құбылыстарды басқаратын күштер. Олар элементар деп аталатын бөлшектер арасында күшті байланысты туғызады. Тек күшті

да бірдей болатыны анықталды. Олай болса, ядролық нуклондардың электр зарядының бар-жоғына тәуелсіз әрекет етеді.

4. Ядролық күштердің қаныққыштық ол нуклонның ядродағы барлық нуклондармен емес, көршілерімен ғана әрекеттесетінін көрсетеді

қасиеті тек өзіне

күштер қатарына

әрекеттесу ғана атом ядросындағы протондар мен нейтрондарды біріктіріп, берік ұстап тұр. Жердегі барлық заттардың ядроларының тұрақтылығын қамтамасыз етеді. Ядролық әрекеттесу күштерінің осы және басқа қасиеттерін түсіндіру үшін оның теориясы қажет. Ядролық әрекеттесудің күрделілігінен осы кезге дейін ядролық күштердің тиянақты теориясы жасалмаған.

5. Атом ядросының модельдері.

Ядролық модель - атом ядросының оңайлатылған бейнесі. Ол атом ядросын сипаттайтын әр түрлі шамаларды анықтайтын есептің қарапайым математикалық шешімін табуға мүмкіндік береді. Ядролық модельді құру кезінде атом ядросының кейбір жеке қасиеттеріне ғана назар аударылып, оның басқа қасиеттеріне мән берілмейді.

Ядролық модельдерді төмендегідей 3 топқа бөлуге болады:

1) ядроның негізгі күйлерінің жалпы қасиеттерін сипаттайтын;

2) ядроның қозу спектрлерін сипаттайтын;

3) ядроның ұшып келе жатқан бөлшектермен өзара әсерін сипаттайтын.

Бірінші топтағы ядролық модельдер ядродағы заттың орнықтылығын, ядролық күштердің қанықтылығын түсіндіреді.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.