Ядролық физика
I тарау. Атомдық ядро физикасына кіріспе ... ... ...5
§1. Радиоактивтілік. Альфа, бетта, гамма сәулелену ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..5
§2. Изотоптар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .6
§3. Ионизациялаушы сәулелерді және бөлшектерді тіркеу әдістері ... ... ... ... .7
§3.1. Сцинтилляциондық есептегіш ... ... ... 7
§3.2. Черенков есептегіші ... ... ... ... ... .8
§3.3. Импульстік иондаушы камера ... ... ... .8
§3.4. Газоразрядтық есептегіш ... ... ... ... .9
§3.5. Жартылай өткізгішті есептегіштер ... ..9
§3.6. Вильсон камерасы ... ... ... ... ... ...10
§3.7. Диффузиондық камера ... ... ... ... ... ... 10
§3.8. Көпіршікті камера ... ... ... ..10
§3.9. Ядролық фотоэмульсия ... ... ... ... ... ... ...11
§3.10. Ұшқынды камера ... ... .11
§4. Сәулеленудің биологиялық әсері ... ... ..11
§5. Элементтердің пайда болуы ... ... 13
§6. Тірі организмдердің химиялық құрамы ... .14
§7. Ғарыштық сәулелер ... ... ... .16
II тарау. Атом ядросының моделдері және сипаттамалары ... ... ... ... ... ... ... ..18
§8. Атом ядросының өлшемі, құрамы және заряды. Зарядтық және массалық сан ... ... ... ...18
§9. Ядроның массасы және байланыс энергиясы 19
§10. Ядроның спині және магнит моменті ... ... 21
§11. Атом ядросының модельдері ... ... ... .22
§11.1. Ядроның тамшылық моделі ... ... .23
§11.2. Ядроның қабықшалы моделі ... ... .23
III тарау. Ядролық түрленулер ... ... ... ... .24
§12. Радиоактивті ыдырау және радиоактивті түрленулер ... ... ... ... ... ... ... ..24
§12.1. . ыдырау ... ... ... ... ... 25
§12.2. . ыдырау ... ... ... ... ...27
§12.3. . сәулелену ... ... ... ...29
§13. . сәулелердің резонанстық жұтылуы ... ... ..31
§14. Ядролық реакциялар ... ...33
§14.1. Нейтрондардың әсерінен болатын ядролық реакциялар ... ... ... ... ... ...35
§14.2. Ядроның бөліну реакциясы ... ... ... ... ...36
§14.3. Тізбекті бөліну реакциясы ... ...38
§15. Жасанды радиоактивтілік ... ... ... ...39
§16. Термоядролық реакциялар ... ... .41
§17. Ядролық энергия. Ядролық энергетика ... ... 43
§18. Ядролық қару ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..46
IV тарау.Элементар бөлшектер және олардың қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... .49
§19.Элементар бөлшектердің деңгейі ... ... ... 49
§20. Элементар бөлшектердің жалпы қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..51
§20.1 Масса ... ... ... ... ... ... ... 52
§20.2 Орташа өмір сүру уақыты ... ... ...52
§20.3 Спин ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 52
§20.4 Электр заряды ... ... ... ..53
§20.5 Меншікті магнит моментінің векторы ... ...53
§21. Антибөлшектер, аннигиляция ... ... ... 53
§22. Элементар бөлшектердің өзара түрленуі ... ..57
§23. Фундоментальды әсерлесулер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .62
§24. Лептондар ... ... ... ... ... ... 64
§25. Адрондар ... ... ... ... ... ... .65
§26. Элементар бөлшектердің классификациясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..69
§27. Кварктар ... ... ... ... ... ... ..69
§28. Фундаментальды әсерлесулерді тасмалдаушылар ... 71
Пайдаланылған әдебиеттер ... ... ... ... ... .77
§1. Радиоактивтілік. Альфа, бетта, гамма сәулелену ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..5
§2. Изотоптар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .6
§3. Ионизациялаушы сәулелерді және бөлшектерді тіркеу әдістері ... ... ... ... .7
§3.1. Сцинтилляциондық есептегіш ... ... ... 7
§3.2. Черенков есептегіші ... ... ... ... ... .8
§3.3. Импульстік иондаушы камера ... ... ... .8
§3.4. Газоразрядтық есептегіш ... ... ... ... .9
§3.5. Жартылай өткізгішті есептегіштер ... ..9
§3.6. Вильсон камерасы ... ... ... ... ... ...10
§3.7. Диффузиондық камера ... ... ... ... ... ... 10
§3.8. Көпіршікті камера ... ... ... ..10
§3.9. Ядролық фотоэмульсия ... ... ... ... ... ... ...11
§3.10. Ұшқынды камера ... ... .11
§4. Сәулеленудің биологиялық әсері ... ... ..11
§5. Элементтердің пайда болуы ... ... 13
§6. Тірі организмдердің химиялық құрамы ... .14
§7. Ғарыштық сәулелер ... ... ... .16
II тарау. Атом ядросының моделдері және сипаттамалары ... ... ... ... ... ... ... ..18
§8. Атом ядросының өлшемі, құрамы және заряды. Зарядтық және массалық сан ... ... ... ...18
§9. Ядроның массасы және байланыс энергиясы 19
§10. Ядроның спині және магнит моменті ... ... 21
§11. Атом ядросының модельдері ... ... ... .22
§11.1. Ядроның тамшылық моделі ... ... .23
§11.2. Ядроның қабықшалы моделі ... ... .23
III тарау. Ядролық түрленулер ... ... ... ... .24
§12. Радиоактивті ыдырау және радиоактивті түрленулер ... ... ... ... ... ... ... ..24
§12.1. . ыдырау ... ... ... ... ... 25
§12.2. . ыдырау ... ... ... ... ...27
§12.3. . сәулелену ... ... ... ...29
§13. . сәулелердің резонанстық жұтылуы ... ... ..31
§14. Ядролық реакциялар ... ...33
§14.1. Нейтрондардың әсерінен болатын ядролық реакциялар ... ... ... ... ... ...35
§14.2. Ядроның бөліну реакциясы ... ... ... ... ...36
§14.3. Тізбекті бөліну реакциясы ... ...38
§15. Жасанды радиоактивтілік ... ... ... ...39
§16. Термоядролық реакциялар ... ... .41
§17. Ядролық энергия. Ядролық энергетика ... ... 43
§18. Ядролық қару ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..46
IV тарау.Элементар бөлшектер және олардың қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... .49
§19.Элементар бөлшектердің деңгейі ... ... ... 49
§20. Элементар бөлшектердің жалпы қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..51
§20.1 Масса ... ... ... ... ... ... ... 52
§20.2 Орташа өмір сүру уақыты ... ... ...52
§20.3 Спин ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 52
§20.4 Электр заряды ... ... ... ..53
§20.5 Меншікті магнит моментінің векторы ... ...53
§21. Антибөлшектер, аннигиляция ... ... ... 53
§22. Элементар бөлшектердің өзара түрленуі ... ..57
§23. Фундоментальды әсерлесулер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .62
§24. Лептондар ... ... ... ... ... ... 64
§25. Адрондар ... ... ... ... ... ... .65
§26. Элементар бөлшектердің классификациясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..69
§27. Кварктар ... ... ... ... ... ... ..69
§28. Фундаментальды әсерлесулерді тасмалдаушылар ... 71
Пайдаланылған әдебиеттер ... ... ... ... ... .77
Француз физигі А.Беккерель (1852 – 1908) 1896 ж уран тұздарының люминесценция құбылысын зерттеу кезінде олардан табиғаты белгісіз, фотопластинкаға әсер ететін, ауаны иондайтын, жұқа металл пластинкалардан өтіп кететін және бірқатар заттардың люминесценциясын тудыратын, өздігінен сәуле шығаратынын анықтады. Осы құбылысты зерттей келе француз ерлі – зайыпты Кюри – Мария (1867 – 1934) және Пьер (1859 – 1906) – беккерельдік сәулеленудің тек уранға емес, сонымен бірге торий, актиний сияқты басқа да көптеген ауыр элементтерге тән екенін анықтады. Олар сонымен қатар, урандық шайырлы күкіртті қоспаның (металдық уран өндіретін руда) уран сәулеленуінің интенсивтілігінен көптеген есе жоғары интенсивтілікпен сәуле шығаратынын көрсетті.
Осылайша, беккерелдік сәулеленудегі жаңа екі элементті анықтауға мүмкіндік туды. Олар полоний және радий.
Анықталған сәулелену радиоактивті сәулелену деп, ал сол құбылыстың өзі – радиоактивті сәуленің шығуы – радиоактивтілік деп аталды.
Кейінгі зерттулер нәтижелері препараттың радиоактивті сәулелену сипатына химиялық қоспалардың түрі, агрегаттық күйі, механикалық қысым, температура, электр және магнит өрістері, яғни атомның электрондық қабықшасының күйін өзгерте алатын барлық әсерлердің әсер етпейтінін көрсетті. Бұдан радиоактивті элементтердің қасиеттері тек олардың ядросының құрылымына негізделгендігі келіп шығады.
Қазіргі кезде радиоактивтілік деп, кейбір атом ядроларының өздігінен (спонтанды) басқа ядроларға әр түрлі радиоактивті сәулелер және элементар бөлшектер шығара отырып түрленуін айтады. Элементар бөлшек деп, құрама бөліктерге ажыратуға мүмкін болмаған микрообъектілерді айтады. Радиоактивтілік табиғи (табиғатта кездесетін тұрақсыз изотоптарда байқалады) және жасанды (ядролық реакциялар арқылы алынған изотоптарда байқалады) болып екіге бөлінеді. Екі жағдайда да радиоактивті түрлену заңдары бірдей болғандықтан, бұл екі түрлі радиоактивтіліктің айырмашылығы жоқ.
Радиоактивті сәулелену үш түрлі болады: және - сәулелену. Оларды тыңғылықты зерттеу олардың табиғатын және негізгі қасиеттерін анықтауға мүмкіндік берді.
- сәулелену электр және магнит өрістерінде ауытқиды, жоғары ионизациялаушы және төмен өтімділік қабілеті бар (мысалы: қалыңдығы 0,05мм алюминий қабатында жұтылады). - сәулелену гелий ядроларының ағыны болып табылады. - бөлшек заряды , ал массасы ( ) гелий изотопының ядросының массасымен сәйкес келеді. - бөлшектің электр және магнит өрістерінде ауытқуы бойынша оның меншікті заряды анықталған. Оның мәні - бөлшектің табиғаты туралы түсініктің дұрыстығын дәлелдейді.
Осылайша, беккерелдік сәулеленудегі жаңа екі элементті анықтауға мүмкіндік туды. Олар полоний және радий.
Анықталған сәулелену радиоактивті сәулелену деп, ал сол құбылыстың өзі – радиоактивті сәуленің шығуы – радиоактивтілік деп аталды.
Кейінгі зерттулер нәтижелері препараттың радиоактивті сәулелену сипатына химиялық қоспалардың түрі, агрегаттық күйі, механикалық қысым, температура, электр және магнит өрістері, яғни атомның электрондық қабықшасының күйін өзгерте алатын барлық әсерлердің әсер етпейтінін көрсетті. Бұдан радиоактивті элементтердің қасиеттері тек олардың ядросының құрылымына негізделгендігі келіп шығады.
Қазіргі кезде радиоактивтілік деп, кейбір атом ядроларының өздігінен (спонтанды) басқа ядроларға әр түрлі радиоактивті сәулелер және элементар бөлшектер шығара отырып түрленуін айтады. Элементар бөлшек деп, құрама бөліктерге ажыратуға мүмкін болмаған микрообъектілерді айтады. Радиоактивтілік табиғи (табиғатта кездесетін тұрақсыз изотоптарда байқалады) және жасанды (ядролық реакциялар арқылы алынған изотоптарда байқалады) болып екіге бөлінеді. Екі жағдайда да радиоактивті түрлену заңдары бірдей болғандықтан, бұл екі түрлі радиоактивтіліктің айырмашылығы жоқ.
Радиоактивті сәулелену үш түрлі болады: және - сәулелену. Оларды тыңғылықты зерттеу олардың табиғатын және негізгі қасиеттерін анықтауға мүмкіндік берді.
- сәулелену электр және магнит өрістерінде ауытқиды, жоғары ионизациялаушы және төмен өтімділік қабілеті бар (мысалы: қалыңдығы 0,05мм алюминий қабатында жұтылады). - сәулелену гелий ядроларының ағыны болып табылады. - бөлшек заряды , ал массасы ( ) гелий изотопының ядросының массасымен сәйкес келеді. - бөлшектің электр және магнит өрістерінде ауытқуы бойынша оның меншікті заряды анықталған. Оның мәні - бөлшектің табиғаты туралы түсініктің дұрыстығын дәлелдейді.
Негізгі:
1. Қадыров Н. Ядролық физика негіздері. Алматы: Қазақ университеті. 2000 – 526б.
2. Мухин К.Н. Экспериментальная физика. Т.1..
3. Мухин К.Н. Экспериментальная физика. Т.2. Физика атомного ядра – М.: Энергоатомиздат. 1993 – 376с.
4. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика – М.: Наука. 1980 – 671с.
5. Ракобельская И.В. Ядерная физика – М.: МГУ. 1971 – 293с.
6. Иродов И.Е. Сборник задач по атомной и ядерной физике – М.: Энергоатомиздат 1984 – 215с.
7. Иродов И.Е. Задачи по общей физике – М.: Наука 1988 – 416с.
Қосымша:
1. Айзенберг И.В., Грайнер В. Модели ядер. Коллективные и одночастичные явления – М.: Атомиздат. 1975 – 454с.
2. Айзенберг И.В., Грайнер В. Механизм возбуждения ядра – М.: Атомиздат. 1973 – 347с.
3. Айзенберг И.В., Грайнер В. Макроскопическая теория ядра – М.: Атомиздат. 1976 – 487с.
1. Қадыров Н. Ядролық физика негіздері. Алматы: Қазақ университеті. 2000 – 526б.
2. Мухин К.Н. Экспериментальная физика. Т.1..
3. Мухин К.Н. Экспериментальная физика. Т.2. Физика атомного ядра – М.: Энергоатомиздат. 1993 – 376с.
4. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика – М.: Наука. 1980 – 671с.
5. Ракобельская И.В. Ядерная физика – М.: МГУ. 1971 – 293с.
6. Иродов И.Е. Сборник задач по атомной и ядерной физике – М.: Энергоатомиздат 1984 – 215с.
7. Иродов И.Е. Задачи по общей физике – М.: Наука 1988 – 416с.
Қосымша:
1. Айзенберг И.В., Грайнер В. Модели ядер. Коллективные и одночастичные явления – М.: Атомиздат. 1975 – 454с.
2. Айзенберг И.В., Грайнер В. Механизм возбуждения ядра – М.: Атомиздат. 1973 – 347с.
3. Айзенберг И.В., Грайнер В. Макроскопическая теория ядра – М.: Атомиздат. 1976 – 487с.
Мазмұны
I тарау. Атомдық ядро физикасына кіріспе
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .5
§1. Радиоактивтілік. Альфа, бетта, гамма сәулелену
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...5
§2. Изотоптар
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ..6
§3. Ионизациялаушы сәулелерді және бөлшектерді тіркеу әдістері
... ... ... ... .7
§3.1. Сцинтилляциондық есептегіш
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..7
§3.2. Черенков есептегіші
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ..8
§3.3. Импульстік иондаушы камера
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 8
§3.4. Газоразрядтық есептегіш
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
..9
§3.5. Жартылай өткізгішті есептегіштер
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...9
§3.6. Вильсон камерасы
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... .10
§3.7. Диффузиондық камера
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ..10
§3.8. Көпіршікті камера
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... .10
§3.9. Ядролық фотоэмульсия
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
...11
§3.10. Ұшқынды камера
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ...11
§4. Сәулеленудің биологиялық әсері
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...11
§5. Элементтердің пайда болуы
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 13
§6. Тірі организмдердің химиялық құрамы
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 14
§7. Ғарыштық сәулелер
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... 16
II тарау. Атом ядросының моделдері және сипаттамалары
... ... ... ... ... ... ... ..18
§8. Атом ядросының өлшемі, құрамы және заряды. Зарядтық және массалық
сан
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 18
§9. Ядроның массасы және байланыс энергиясы
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...19
§10. Ядроның спині және магнит моменті
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..21
§11. Атом ядросының модельдері
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .22
§11.1. Ядроның тамшылық моделі
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 23
§11.2. Ядроның қабықшалы моделі
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .23
III тарау. Ядролық түрленулер
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
...24
§12. Радиоактивті ыдырау және радиоактивті түрленулер
... ... ... ... ... ... ... ..24
§12.1. - ыдырау
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ..25
§12.2. - ыдырау
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... .27
§12.3. - сәулелену
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ...29
§13. - сәулелердің резонанстық жұтылуы
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 31
§14. Ядролық реакциялар
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... 33
§14.1. Нейтрондардың әсерінен болатын ядролық реакциялар
... ... ... ... ... ...35
§14.2. Ядроның бөліну реакциясы
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 36
§14.3. Тізбекті бөліну реакциясы
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..38
§15. Жасанды радиоактивтілік
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
39
§16. Термоядролық реакциялар
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .4
1
§17. Ядролық энергия. Ядролық энергетика
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...43
§18. Ядролық қару
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... 46
IV тарау.Элементар бөлшектер және олардың қасиеттері
... ... ... ... ... ... ... ... .49
§19.Элементар бөлшектердің деңгейі
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..49
§20. Элементар бөлшектердің жалпы қасиеттері
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...51
§20.1 Масса
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... 52
§20.2 Орташа өмір сүру уақыты
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... .52
§20.3 Спин
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... 52
§20.4 Электр заряды
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... .53
§20.5 Меншікті магнит моментінің векторы
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ...53
§21. Антибөлшектер, аннигиляция
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .53
§22. Элементар бөлшектердің өзара түрленуі
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...57
§23. Фундоментальды әсерлесулер
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..6 2
§24. Лептондар
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ..64
§25. Адрондар
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ...65
§26. Элементар бөлшектердің классификациясы
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...69
§27. Кварктар
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... 69
§28. Фундаментальды әсерлесулерді тасмалдаушылар
... ... ... ... ... ... ... ... ... .71
Пайдаланылған әдебиеттер
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ..77
I тарау. Атомдық ядро физикасына кіріспе.
§1. Радиоактивтілік. Альфа, бетта, гамма сәулелену.
Француз физигі А.Беккерель (1852 – 1908) 1896 ж уран тұздарының
люминесценция құбылысын зерттеу кезінде олардан табиғаты белгісіз,
фотопластинкаға әсер ететін, ауаны иондайтын, жұқа металл пластинкалардан
өтіп кететін және бірқатар заттардың люминесценциясын тудыратын, өздігінен
сәуле шығаратынын анықтады. Осы құбылысты зерттей келе француз ерлі –
зайыпты Кюри – Мария (1867 – 1934) және Пьер (1859 – 1906) – беккерельдік
сәулеленудің тек уранға емес, сонымен бірге торий, актиний сияқты басқа да
көптеген ауыр элементтерге тән екенін анықтады. Олар сонымен қатар, урандық
шайырлы күкіртті қоспаның (металдық уран өндіретін руда) уран сәулеленуінің
интенсивтілігінен көптеген есе жоғары интенсивтілікпен сәуле шығаратынын
көрсетті.
Осылайша, беккерелдік сәулеленудегі жаңа екі элементті анықтауға мүмкіндік
туды. Олар полоний және радий.
Анықталған сәулелену радиоактивті сәулелену деп, ал сол құбылыстың өзі
– радиоактивті сәуленің шығуы – радиоактивтілік деп аталды.
Кейінгі зерттулер нәтижелері препараттың радиоактивті сәулелену
сипатына химиялық қоспалардың түрі, агрегаттық күйі, механикалық қысым,
температура, электр және магнит өрістері, яғни атомның электрондық
қабықшасының күйін өзгерте алатын барлық әсерлердің әсер етпейтінін
көрсетті. Бұдан радиоактивті элементтердің қасиеттері тек олардың ядросының
құрылымына негізделгендігі келіп шығады.
Қазіргі кезде радиоактивтілік деп, кейбір атом ядроларының өздігінен
(спонтанды) басқа ядроларға әр түрлі радиоактивті сәулелер және элементар
бөлшектер шығара отырып түрленуін айтады. Элементар бөлшек деп, құрама
бөліктерге ажыратуға мүмкін болмаған микрообъектілерді айтады.
Радиоактивтілік табиғи (табиғатта кездесетін тұрақсыз изотоптарда
байқалады) және жасанды (ядролық реакциялар арқылы алынған изотоптарда
байқалады) болып екіге бөлінеді. Екі жағдайда да радиоактивті түрлену
заңдары бірдей болғандықтан, бұл екі түрлі радиоактивтіліктің айырмашылығы
жоқ.
Радиоактивті сәулелену үш түрлі болады: және - сәулелену.
Оларды тыңғылықты зерттеу олардың табиғатын және негізгі қасиеттерін
анықтауға мүмкіндік берді.
- сәулелену электр және магнит өрістерінде ауытқиды, жоғары
ионизациялаушы және төмен өтімділік қабілеті бар (мысалы: қалыңдығы 0,05мм
алюминий қабатында жұтылады). - сәулелену гелий ядроларының ағыны
болып табылады. - бөлшек заряды , ал массасы () гелий
изотопының ядросының массасымен сәйкес келеді. - бөлшектің электр және
магнит өрістерінде ауытқуы бойынша оның меншікті заряды анықталған.
Оның мәні - бөлшектің табиғаты туралы түсініктің дұрыстығын
дәлелдейді.
- сәулелену электр және магнит өрістерінде ауытқиды -
бөлшекке қарағанда оның ионизациялаушы қабілеті айтарлықтай аз (жобамен 2
еседей), ал өтімділік қабілеті жоғары (2мм алюминий қабатында жұтылады).
- сәулелену шапшаң электрондар ағыны болып табылады (бұл олардың
меншікті зарядының анықтамасынан келіп шығады).
Біртекті денеде бірдей жылдамдықты электрондар ағынының жұтылуы
экспоненциалды заңға бағынады , мұндағы және - қалыңдығы х
болған дене қабатының кірісіндегі және шығысындағы электрондар саны, -
жұтылу коэффициенті. - сәулелену дене ішінде қатты шашырайды,
сондықтан - тек дене құрамына ғана байланысты емес, сонымен бірге оның
өлшемі мен пішініне байланысты.
- сәулелену электр және магнит өрістерінде ауытқымайды,
салыстырмалы төмен ионизациялаушы және өте жоғары өтімділік қабілеті бар
(мысалы, қалыңдығы 5см болған қорғасын қабатынан өтіп кетеді). Кристалдар
арқылы өткенде дифракция байқалады. - сәулеленудің толқын ұзындығы
м болған қысқа толқынды электромагниттік сәуле және осының әсерінен
оның корпускулярлық қасиеті анық байқалады, яғни - кванттар (фотондар)
– бөлшектер ағыны болып табылады.
§2. Изотоптар
Радиоактивті түрленулерді көп рет бақылаудың нәтижесінде радиоактивті
қасиеттері әр түрлі, яғни әр түрлі жолдармен ыдырайтын, бірақ өздерінің
химиялық қасиеттері бойынша бірдей болған заттар бар екені анықталды.
Оларды барлық химиялық әдіс – тәсілдермен бір – бірінен ажырату мүмкін
болмаған. Осыған негізделіп ағылшын физигі Ф. Содди (1877 – 1956) 1911ж
химиялық қасиеттері бірдей болған, бірақ басқа қасиеттермен
(радиоактивтілік) ажыратылатын элементтер бар екендігін айтты. Бұл
элементтерді Менделеев периодтық жүйесінің бір ұяшығына орналастыру қажет.
Содди оларды изотоптар деп атады (яғни бір орынды иеленушілер).
Ағылшын физигі Дж.Дж.Томсон (1856 – 1940) бір жылдан соң неон
иондарының массасын олардың электр және магнит өрістерінде ауытқуы бойынша
анықтағаннан кейін Соддидің бұл пікірі анық дәлелденді. Томсон неонның екі
сортты атомдардан тұратынын анықтады. Олардың көп бөлігінің (атомдардың)
салыстырмалы массасы 20 – ға тең болған, бірақ салыстырмалы атомдық
массалары 22 болған аз мөлшердегі атомдар да бар екендігін байқаған.
Нәтижеде қоспаның салыстырмалы атомдық массасы 20,2 – ге тең болған. Бірдей
химиялық қасиетке ие болған атомдар массалары бойынша ерекшеленеді. Неонның
екі сорты да Менделеев кестесінде бір орынға орналасқан және олар изотоп
болып табылады. Бұдан изотоптар өздерінің радиоактивтік қасиеттерімен ғана
ажыратылмай, сонымен бірге массасында да айырмашылығы бар. Осы соңғы
қасиеті негізгі болып табылады. Изотоптарда қабықшадағы электрондар санын
анықтайтын атом ядроларының заряды, яғни атомның химиялық қасиеттері
бірдей, бірақ ядроның массалары әр түрлі. Сонымен бірге, ядролар
радиоактивті де стабильді де болуы мүмкін. Радиоактивті изотоптардың
қасиеттерінде айырмашылықтың болуы олардың ядроларының массаларының әр
түрлі болуына байланысты.
Қазіргі уақытта барлық химиялық элементтердің изотоптары бар екендігі
анықталған, бірақ олардың көпшілігі стабильді емес. Табиғаттағы ең ауыр
элементтердің бірі уран да (с.а.м 238, 235, т.б.) және ең жеңіл -
сутегінің де (с.а.м 1,2,3) изотоптары бар.
Изотоптардың бар болуы, атом ядроларының заряды, яғни электрондық
қабықтың құрылымы атомдардың барлық қасиеттерін емес, тек олардың химиялық
қаситттерін, оның ішінде электрондық қабықтың перифериясына (мысалы
өлшеміне) байланысты болған физикалық қасиеттерін ғана анықтайтынын
дәлелдеді. Атомның массасы және оның радиоактивтілік қасиеті Менделеев
кесетсіндегі реттік номермен анықталмайды.
Изотоптардың салыстырмалы атомдық массаларын дәл есептегенде, олардың
бүтін сандарға жақын екендігі анықталған. Кейбір химиялық элементттердің
салыстырмалы атомдық массаларының шамасының бүтін сандардан қатты ауытқуы
қалыпты жағдайда химиялық таза зат әр түрлі пропорциядағы изотоптардың
қоспасы болып табылатындығынан (мысалы хлордың атомдық массасы – 35,3).
Изотоптардың салыстырмалы атомдық массасының бүтін санды болуы олардың атом
ядроларының құрылымын зерттеуде маңызы зор.
§3. Ионизациялаушы сәулелерді және бөлшектерді тіркеу әдістері
Радиоактивті сәулелерді және бөлшектерді тіркеу мен бақылау әдістері
олардың қоршаған ортасын ионизациялау мен атомдарын қоздыру қабілеттілігіне
негізделген. Зарядталған бөлшектер тікелей осы процестерді тудырады, ал
- кванттар және нейтрондар олардың қоршаған орта атомдарының
ядроларымен және электрондарымен зарядталған жылдам бөлшектер арқылы
әсерлесуінің нәтижесінде пайда болуынан туындайтын ионизациялану арқылы
анықталады. Жарық жарқылы, электр тогы, фотопластинканың қараюы сияқты
процестермен өтетін екінші ретті эффектілер ұшып келе жатқан бөлшектерді
тіркеуге, есептеуге, оларды бір – бірінен ажыратып, энергияларын өлшеуге
мүмкіндік береді.
Радиоактивті сәулелерді және бөлшектерді тіркеуге арналған құрылғалар
екі топқа бөлінеді:
1) бөлшектің кеңістіктің белгілі бір ауданынана өтуін тіркей алатын
және кейбір жағдайда олардың сипатын мысалы, энергиясын
(сцинтилляциондық есептегіш, Черенков есептегіші, импульсті
ионизациялаушы камера, газоразрядты есептігіш, жартылай
өткізгішті есептегіш)анықтай алатын;
2) бақылай алатын, мысалы, зат ішіндегі бөлшектің іздерін
(тректерін) суретке түсіріп алу (Вильсон камерасы, диффузиондық
камера, көпіршікті камера, ядролық фотоэмульсия).
§3.1. Сцинтилляциондық есептегіш
Сцинтилляция – жылдам бөлшектердің флоуресценттік экранға түскен
кездегі жарық жарқылдарын бақылау. Бұл ағылшын физиктері У. Круксу (1832 –
1919) және Э. Резерфордтың (1871 – 1937) ядолық физика таңында визуалды
түрде - бөлшектерді тіркеуге мүмкіндік берген бірінші әдісі.
Сцинтилляциондық есептегіш – бұл негізгі элементі сцинтиллятор
(кристолофор) және фотоэлектронды көбейткіш болып табылатын әлсіз жарық
жарқылдарын электр импульстеріне айналдыратын және электрондық құрылғымен
тіркейтін ядролық бөлшектер детекторы. Көбінеше сцинтиллятор ретінде
бейорганикалық ( - -бөлшек үшін, -бөлшек және -
кванттарға , ) немесе органикалық (антрацен, пластмасса - -
кванттарға) заттардың кристалдарын пайдаланады.
Сцинтилляциондық есептегіштер тіркелетін бөлшектердің типіне, түріне
және сцинтиллятор мен қолданылатын электрондық құрылғының мүмкін болған
уақытына (қазір ол ) қарай үлкен уақыт аралығында өлшеуге мүмкіндік
береді (). Бұндай типтегі есептегіштердің тіркеу эффективтілігі –
есептегіштен өткен тіркелген бөлшектер санының барлық бөлшектер санының
қатынасына тең. Жобамен зарядталған бөлшектер үшін 100%, ал -кванттар
үшін 30%. Көптеген сцинтилляторларда (, , антрацен, стильбен)
энергияның кең интервалында жарық жарқылдарының интенсивтілігі алғашқы
бөлшектің энергиясына пропорционал болғандықтан, бұл сцинтилляторлардағы
есептегіштер тіркелетін бөлшектердің энергиясын өлшеу үшін қолданылады.
§3.2. Черенков есептегіші
Черенков есептегіштерінің қолданылу аясы – заттың ішіндегі осы ортаның
фазалық жарық жылдамдығынан үлкен жылдамдықпен қозғалатын бөлшектердің
энергиясын өлшеу және бұл бөлшектерді масса бойынша жіктеу. Бөлшектің
массасының шамасын біле отырып, оның энергиясын анықтаған сияқты сәуле
шығару бұрышын біле отырып, бөлшектің жылдамдығын анықтауға болады. Бір
жағынан, егер бөлшектің массасы белгісіз болса, онда оны бөлшектің
энергиясын өлшеу арқылы анықтауға болады. Сонымен қатар, әр түрлі
жылдамдықты екі бөлшектер шоғы болған кезде сәуле шығару бұрыштары да әр
түрлі болады. Соның арқасында ізделініп жатқан бөлшектерді анықтауға
болады. Черенков есептегіштерінің жылдамдық бойынша өлшеу аралығы (яғни
энергиясы бойынша) болады. Бұл бөлшектердің энергиясы 1 ГэВ болғанда
оларды бір – бірінен ажыратуға мүмкіндік береді, яғни сәуле шығару
бұрыштары ажыратылғанда. Есептегіштің өлшеу аралығы с – қа жетеді.
Черенков есептегіштерін ғарыштық сәулеленуді зерттеу үшін ғарыш кемелерінде
орнатады.
§3.3. Импульстік иондаушы камера
Импульсті иондаушы камера – бұл зарядталған бөлшектердің газды иондау
қабілетіне негізделген бөлшектер детекторы. Иондаушы камера электроттарына
тұрақты кернеу беріліп тұратын газбен толтырылған электр конденсаторы болып
табылады. Тіркелетін бөлшек электроттар арасындағы кеңістікке түсіп, газды
иондайды. Кернеуді бір жағынан, барлық түзілген иондар электротқа
рекомбинацияланбай жетіп баратындай, ал екінші жағынанан, екінші ретті
ионизация тудырмас үшін, қатты үдетілмейтіндей етіп таңдайды. Бұдан,
иондаушы камераның электроттарында зарядталған бөлшектердің әсерінен пайда
болған иондар жиналады. Иондаушы камералар екі түрлі болады: интегралдаушы
(онда жиынтық иондаушы ток өлшенеді) және импульстік, негізінен, есептегіш
болып табылатын (онда бір бөлшектің өтуі тіркеледі және оның энергися
өлшенеді, бірақ шындығында, төмен дәлдікпен, бұл шығыстағы импульстің
аздығымен түсіндіріледі).
§3.4. Газоразрядтық есептегіш
Газоразрядтық есептегіш негізінен газбен толтырылған металл цилиндрден
(катод) және оның осі бойынша тартылған жұқа сымнан (анод) тұрады.
Газоразрядтық есептегіштер құрастырылуы жөнінен иондаушы камераға
ұқсағанымен, оларда негізінен екінші ретті ионизация үлкен роль ойнайды.
Бұл екінші ретті ионизация бірінші ретті иондардың қабырғаға және газ
атомдары мен молекулаларының соқтығысу нәтижесінде пайда болады. Екі түрлі
газоразрядтық есептегіштер жөнінде мынаны айтуға болады: пропорционалдық
(оларда газдық разряд тиянақсыз, яғни сызықты ионизатордың әсері тоқтағанда
өшеді) және Гейгер – Мюллер [Х. Гейгер (1882 – 1945), Э. Мюллер (1911 –
1977) – неміс физиктері] есептегіші (оларда разряд тиянақты, яғни сызықты
ионизатордың әсері тоқтаса да қолданылады).
Пропорционалдық есептегіштерде жұмыстық кернеу олар вольт – амперлік
сипаттаманың облысында жұмыс істейтіндей, яғни еріксіз разрядқа сәйкес
келетіндей етіп таңдалады. Ондағы шығыстық импульс бірінші ретті
ионизацияға яғни есептегішке ұшып кірген бөлшектің энергиясына
пропорционал. Сондықтан олар бөлшектерді тіркеп қана қоймайды, сонымен
бірге, олардың энергиясын өлшейді. Пропорционалдық есептегіштерде жеке
бөлшектер тудыратын импульстар есе күшейтіледі (кейде есеге
дейін).
Гейгер – Мюллер есептегіші құрастырылуы және жұмыс істеу принципі
жөнінен пропорционалдық есептегіштерден онша айырмашылығы жоқ. Бірақ
шығыстық импульс бірінші ретті ионизацияға байланысты болмағанда ерікті
разрядқа сәйкес келетін вольт – амперлік сипаттама облысында жұмыс істейді.
Гейгер – Мюллер есептегіштері бөлшектердің энергиясын өлшеместен тіркейді.
Күшейту коэфициенті бұл есептегіштерде . Бөлінді импульстерді тіркеу
үшін пайда болған разрядты сөндіру керек. Бұл үшін мысалыға есептегіште
пайда болған разряд кедергіде разрядтың үзілуіне жеткілікті кернеудің
құлауын тудыратын кедергілер тізбегі ретімен қосылуы керек. Гейгер –
Мюллер есептегіштерінің уақыт бойынша өлшеу аралығы с. Разрядтық
есептегіштердің тіркеу эффективтілігі жобамен зарядталған бөлшектер үшін
100%, -кванттар үшін 5%.
§3.5. Жартылай өткізгішті есептегіштер
Жартылай өткізгішті есептегіштер – бұл негізгі элементі жартылай
өткізгіш диод болып табылатын бөлшектер детекторы. Уақыт бойынша өлшеу
аралығы жобамен с. Жартылай өткізгішті есептегіштер үлкен беріктілік
қасиетке ие, олар магнит өрістерінде жұмыс істей алады. Жұмыс істеу аудан
енінің жұқа болуынан (100 деген мкм) жартылай өткігішті есептегіштерді
жоғары энергиялы бөлшектерді өлшеу үшін қолдана алмаймыз.
§3.6. Вильсон камерасы
Вильсон камерасы [Ч. Вильсон (1869 – 1959) – ағылшын физигі] – бұл ескі
(1912) және бұрыннан келе жатқан (50 – 60 ж.ж. дейін) трек детекторының
жалғыз түрі. Шыны цилиндр және оған қатты жанасатын поршеннен тұрады.
Цилиндр нейтрал газбен (негізінен гелий және аргон), судың қаныққан буымен
(немесе спирттің) толтырылады. Газдың жылдам кеңеюі, яғни адиобаталық кеңею
кезінде бу артығымен қанныққан және камерадан ұшып өткен бөлшектер
траекториясында туманнан трек пайда болады. Пайда болған тректердің
кеңістікте орналасуын көрсету үшін оларды әр түрлі бұрыштардан суретке
түсіреді (стереоскопты). Тректердің сипаты мен геометриясына қарай
камерадан өткен бөлшектің типі (мысал: -бөлшек, өзінен кейін біртегіс
жалпақ із қалдырады, - бөлшек – жіңішке), энергиясы (жүріп өту
ұзақтығына қарай), ионизация тығыздығы (трек ұзындығының бірлігіне сәйкес
келетін тамшы санына карай), реакцияға қатысатын бөлшектер саны жөнінде
айтуға болады.
Орыс ғалымы Д. В. Скобельцын (1892 – 1990) Вильсон камерасын күшті
магнит өрісіне орналастырып оның мүмкіндігін айтарлықтай арттырды (1927).
Магнит өрісінде зарядталған бөлшектердің траекторысының қашықтығына қарай,
яғни тректің қисықтығына қарай заряд таңбасын анықтауға болады. Ал егер
бөлшектің түрі белгілі болса (оның заряды және массасы), онда тректің
қисықтық радиусы бойынша бөлшектің энергиясын және массасын анықтауға
болады, тіпті трек камераға толығымен сыймайтын болса да (жоғары энергиялы
реакцияларда жүздеген МэВ – қа жететін). Вильсон камерасының кемістігі –
оның жұмыс істеу уақытының қысқалығы. Ол келесі өлшеуге дайындық жасауға
жұмсалатын уақыттың жуықтап 1% құрайды (температураны және қысымда
теңгеруге жұмсалатын уақыт) және нәтижелерді өңдеу қиындықтары.
§3.7. Диффузиондық камера
Диффузиондық камера (1936) – бұл Вильсон камерасының бір түрі. Онда да
жұмысты атқаратын заттың ролін артығымен қанныққан бу атқарады. Бірақ
артығымен қанығудың шамасы жоғарғы жағы қыздырылған (С – ге дейін)
және төменгі жағы көмірқышқылымен (С – ге дейін) суытылған спирт
буының диффузиясымен тудырылады. Төменгі жағында шамамен 5см артығымен
қаныққан бу қабаты пайда болады. Одан өткен зарядталған бөлшектер трек
тудырады. Вильсондікіне қарағанда диффузионды камера үздіксіз жұмыс
істейді. Сонымен қатар, поршеннің жоқтығынан онда 4МПа – ға дейін қысым
тудыруға болады. Ол оның эффективті көлемін айтарлықтай үлкейтеді.
§3.8. Көпіршікті камера
Көпіршікті камераны 1952 ж американ физигі Д. Глейзер жасаған.
Көпіршікті камерада пайдаланылатын зат қатты қыздырылған (қысымда тұрған)
мөлдір сұйықтық (сұйық сутегі, пропан, ксенон). Бұл камера вильсон камерасы
секілді іске қосылады, яғни қысымды күрт төмендету арқылы. Бұл кезде
сұйықтық тұрақсыз қатты қыздырылған күйге өтеді. Осы кезде камера арқылы
ұшып өтіп бара жатқан зарядталған бөлшек сұйықтықты қайнатып жібереді де,
оның траекториясы көпіршіктер тізбегімен белгіленеді. Осылайша Вильсон
камерасындағыдай пайда болған тректі суретке түсіріп алады. Көпіршікті
камера циклмен жұмыс істейді. Көпіршікті камералардың өлшемдері Вильсон
камерасының өлшеміндей бірнеше ондаған см – ден 2м – ге дейін, бірақ
олардың эффективті көлемі 2 – 3 есе жоғары, себебі сұйықтық газға қарағанда
тығыздығы жоғары. Бұл көпіршікті камераны жоғары энергиялы бөлшектердің
ыдырауының және тууының ұзын тізбектерін зерттеуге қолдануға мүмкіндік
береді.
§3.9. Ядролық фотоэмульсия
Ядролық фотоэмульсия [1927ж; орыс физигі Л. В. Мысовский (1888 – 1939)]
– бұл қарапайым зарядталған бөлшектердің тректік детекторы. Зарядталған
бөлшектердің эмульсия арқылы өтуі ионизацияны тудырады. Ол жасырын
бейнелердің центрлерінің пайда болуына алып келеді. Проявкадан кейін
зарядталған бөлшектердің іздері металл күміс дәндері секілді байқалады.
Эмульсия тығыз орта болғандықтан, трек ұзындығы Вильсон және көпіршікті
камераларға қарағанда (газ немесе сұық) қысқалау болады. Мысалы, 0,05см
болған эмульсиядағы тректің ұзындығы Вильсон камерасында 1м – ге тең болар
еді. Сондықтан фотоэмульсияны аса жоғары энергиялы үдеткіштердегі бөлшектер
тудыратын реакцияларды және ғарыштық сәулелерді зерттеуде қолданады.
Практикада жоғары энергиялы бөлшектерді зерттеуде стоптар қолданады. Бұл
микроскоп астында өлшенетіндерді проявкалағаннан кейін бөлшек жолына
қойылатын маркирленген фотоэмульсиондық пластиналар.
§3.10. Ұшқынды камера
Есептегіш және тректік детектор ретінде қолданылатын ұшқынды камералар
үлкен роль атқара бастады. Себебі ұшқынды камера – бұл көптеген өте кіші
есептегіштердің жиынтығы. Сондықтан ол есептегішке тән, яғни ондағы ақпарат
лезде және талдауды қажет етпестен беріледі. Сонымен қатар тректік детектор
қасиетіне ие, себебі көп есептегіштердің көмегімен бөлшектердің трегін
анықтауға болады.
§4. Сәулеленудің биологиялық әсері
Радиоактивті заттардың сәулеленуі барлық тірі организмдерге үлкен
әсерін тигізеді, тіпті салыстырмалы түрде әлсіз сәулеленудің өзі толық
жұтылғанда дененің температурасын тек 0,00190С – ге көтергеннің өзінде
жасушаның өмір сүру қабілетіне айтарлықтай нұқсан келеді.
Тірі жасуша – бұл жеке бір бөлігіне зақым келгенде де қалыпты тіршілік
етуін жалғастыра алмайтын күрделі механизм. Сонымен қатар тіпті әлсіз
сәулелену жасушаға үлкен зақым келтіріп, қауіпті ауру түрлерін туғызуы
мүмкін (сәуле ауруы). Жоғары интенсивті сәулеленуде тірі организмдер өледі.
Сәулеленудің қауіптілігі – олардың үлкен дозаларында ешқанадай ауырсыну
байқалмайды.
Сәулеленудің биологиялық объектілерді зақымдау механизмі әлі толық
зерттелмеген. Бірақ олардың молеккулалар мен атомдарды иондайтыны және
олардың химиялық акивтілігін өзгертетіні белгілі. Сәулеленуге көбінеше
жасуша ядролары, әсіресе, тез бөлінетін жасушалардың ядролары сезімтал
келеді. Сондықтан да бірінші ретте сәлелену жұлынды зақымдайды, соның
салдарынан қан түзу процесі бұзылады, одан кейін ас қорыту мүшелерінің
жасушалары және т.б. мүшелер зақымдалады.
Сәулелелену тұқым қуалауға күшті әсерін тигізеді, көбінеше бұл әсер
жағымсыз болады.
Тірі организмдерді сәулелендіру белгілі бір пайда да келтіре алады.
Қатерлі ісіктің (рактың) тез көбейетін жасушалары қалыпты жасушаларға
қарағанда сәулеленуге сезімтал болып келеді. Радиоактивті препараттың
,- сәлелердің рак ісіктерін қайтаруы осыған негізделген. Мұндай
мақсаттар үшін, бұрын пайдаланып келген рентген сәулелерінен көрі бұлар
көбірек тиімді. - сәлелердің, сонымен бірге, басқа да иондаушы
сәулелердің затқа әсері иондаушы сәуле дозасымен сипатталады. Олар:
сәулеленудің жұтылған дозасы – сәулелену энергиясының (Е)
сәулеленген заттың массасына (m) қатынасына тең физикалық шама.
Сәуленің жұтылған дозасының бірлігі – грей (Гр) [ағылшын физигі С. Грей
(1666 – 1736)]; 1Гр=1Джкг – сәулелену дозасы, яғни массасы 1кг сәулеленген
затқа иондаушы сәуленің 1Дж энергиясының берілуі.
Радиацияның табиғи реңкінің (ғарыш сәулелері, қоршаған орта мен адам
денесінің раиоактивтілігі) бір жыл ішінде сәуле шығару дозасы әр адамға
Гр шамасында болады. Радиациядан қорғау халықаралық комиссиясы сәуле
шығарумен жұмыс істейтін адамдар үшін бір жыл ішінде шектік мүмкін болған
дозасын 0,05Гр деп қабылдаған. Қысқа мерзім ішінде алған 3 – 10Гр
сәулелелену дозасы өлім қаупін туғызады.
Сәулеленудің экспозициондық дозасы – сәулеленген ауадан бөлініп шыққан
(электронның иондаушы қабілеті толық пайдаланғанда) электрондар тудырған
бірдей таңбалы барлық иондардың электр зарядтарының жиынтығының осы ауаның
массасының қатынасына тең физикалық шама.
Сәулеленудің экспозициондық дозасының бірлігі – Клкг, яғни 1кг – ға
сәйкес келетін электр зарядының шамасы. Жүйеден тыс бірлігі рентген
(Р):1Р= Клкг болып табылады. Бұл бірлік рентген және -
сәлелердің иондау қабілетінің өлшеуіші болып табылады. Сәулелену дозасы 1Р
болады, егер С температурада және қысымы 760мм сынап бағанасында 1см3
құрғақ ауада әр бір таңбалы абсолют заряд бірлігін тасмалдайтын иондар
пайда болса. Бұл кезде жуықтап иондар жұбы түзіледі. Пайда болған
иондар саны заттың жұтатын энергиясына байланысты. Практикада қолданылатын
дозиметрлерде 1Р жуықтап алғанда 0,01Гр жұтылған сәуле дозасына
пропорционал деп есептеуге болады.
Биолагиялық доза – организмге сәулеленудің әсерін анықтайтын шама.
Биологиялық дозаның бірлігі – рентгеннің биологиялық эквиваленті (рбэ
немесе орысша бэр): 1рбэ немесе 1бэр – 1Р – ге тең болған рентгендік немесе
- сәлелердің дозасы сияқты биологиялық әсер тудыратын кез – келген
иондаушы сәулеленудің дозасы (1бэр= Джкг).
Сәулелену дозасының қуаты – сәулелену дозасының сәулелену уақытының
қатынасына тең шама. Ол 1) жұтылу дозасының қуаты (бірілігі- Грс); 2)
экспозиционды доза қуаты (бірілігі – Акг) болып бөлінеді.
Кез – келген радиация көзімен (радиоактивті изотоптар, реакторлар,
т.б.) жұмыс істегенде сәуле әсері бар аймаққа кездесіп қалу мүмкіндігі бар
адамдардың барлығының радиациядан қорғаныс шараларын орындауы талап етілуі
қажет.
Қорғаныстың ең қарапайым әдісі – қызметкерлердің сәуле шығару көзінен
жеткілікті қашықтыққа аластауы. Тіпті ауадағы жұтылуды есептемегеннің
өзінде радиацияның интенсивтілігі сәуле шығару көзінен қашықтықтың
квадратына кері пропорционал болып кемиді. Сондықтан радиоактивті
препараттары бар ампуланы ұстамау керек. Ұзын сабы бар арнайы қысқыштарды
қоданған дұрыс. Сәуле шығару көзінен алыстап кетуге мүмкін болмаған кезде
сәулелерден сақтануға арналған бөгетті жұтатын материалдардан жасайды.
Өтімділік қабілеті күшті болғандықтан - сәлелерден және
нейтрондардан қорғану анағұрлым күрделі. - сәлелерді ең жақсы жұтатын
қорғасын болып табылады. Баяу нейтрондарды бор мен кадмий жақсы жұтады.
Шапшаң нейтрондар алдын ала графиттің жәрдемімен баяулатылады.
§5. Элементтердің пайда болуы
Тіршіліктің пайда болуы сияқты ауыр элементтердің пайда болу
проблемасының да ғылымда маңызы зор. 1 – кестедегі мәліметтер элемдегі жер
қыртысының құрылымындағы және тірі организмдердегі химиялық элементтердің
таралуы әр түрлі екендігін көрсетеді.
Бірінші жағдайда ғылым біздің ғаламшардағы Күнді қоршайтын протоблоктың
ішкі бөлігінен аккреция арқылы пайда болған деп есептейді. Сол сияқты одан
біздің жүйеміздегі барлық ғаламшарлар пайда болған деп есептейді. Бұлттың
осы бөлігі әлемде ең көп таралған сутегіге қарағанда ауырырақ элементтерге
бай болғандықтан Жер басқаша заттардың жиынынан тұратын болып шыққан. Ал
біздің ғаламшарды құрайтын элементтер қайдан шыққан?
Қазіргі уақытта гелий мен сутегіге қарағанда ауырырақ элементтер
термоядролық синтез реакциясы өтетін жұлдыздарда пайда болғаны анықталған.
Мұнда сәйкес келетін отынның (гелий пайда болғанда сутегі, оттегі пайда
болғанда көміртегі және т.б.) жануы нәтижесінде жұлдыз қысылады (коллапс)
және қызады. Тағы да бұдан да ауырырақ элементтер тудыратын термоядролық
реакциялар жалғасады. Химиялық элементтің осы тремоядролық синтез
реакциясының тізбегі темір ядроларының түзілуімен тоқталады. Бұдан ауыр
элементтер мұндай жолмен түзіле алмайды, себебі осылайша арықарай жаңа
нуклондар қосу арқылы ядроларды күрделендіру тұрақсыз радиоактивті
изотоптардың түзілуіне алып келеді.
Темірден көрі ауырырақ элементтің түзілетін орны тым жаңа жұлдыздарждың
қабықшалары болып табылады. Заманауи ғылымның түсінігі бойынша мұндай
жұлдыздың жарылуы нәтижесінде тізбекті ядролық реакциялар пайда болады.
Олар көп мөлшердегі нейтрондардың түзілуімен өтеді. Осы нейтрондарды
ядролар қарпып алады да, аралық ядролар ыдырауға үлгермейді. Келесі
нейтронды қарпығанан кейін мұндай ядролар тұрақты бола бастайды және
олардың арықарай өсуі ешқандай кедергісіз өтеді. Осылайша, трансурандық
элементтердің ядроларына дейін түзілу мүмкін. Темірден көрі ауыр
элементтердің әлемде таралуының аздығы олардың қысқа уақыт аралығында
() түзілетіндігімен түсіндіріледі. Яғни тым жаңа жұлдыздың жарылуы
кезінде. Ал кең тараған жеңіл элементтер ауыр элементтерге қарағанда
массивті жұлдыздардағы бастапқы сутегіден түзілуі үшін әлде қайда ұзақ
уақытқа ие.
1 – кесте.
Негізгі химиялық элементтердің салыстырмалы құрамы
элемент Құрмы, %
Әлем Күн Өсімдіктер Адам
82 87 10 10
18 13 – –
0,33 0,33 0,28 3,0
0,33 0,33 3,0 18
0,33 0,33 0,03 0,05
0,3 0,25 79 65
0,01 0,004 0,15 0,254
0,01 0,004 0,15 0,254
0,01 0,004 0,15 0,254
т.б. 0,001 0,04 7,5 3,7
Тым жаңа жұлдыздың жарылуының нәтижесінде пайда болған ауыр элементтер
жұлдызаралық кеңістікке таралады. Онда олар негізінен сутек және гелийден
тұратын жұлдызаралық газбен араласады. Әлемнің эволюциясының соңғы этапында
осы материалдардан келесі буындағы жұлдыздар мен ғаламшарлар пайда болады.
Осылайша, Жер, ондағы барлық тіршілік және адамның организмі де Күн мен
біздің ғаламшардың пайда болуынан көп алдын жойылып кеткен кезіндегі жарық
жұлдыздардың жарқыншақтарынан түзілген деп айтуға болады.
§6. Тірі организмдердің химиялық құрамы
Ғаламшарымыздың бетіндегі тірі организмдердің химиялық құрамы Жер
қыртысындағыға қарағанда басқаша. Бұл тіршілікке қажетті элементтердің
кейбір ерекше қасиеттерімен түсіндіріледі. Тіршілікке Менделеев
кесетсіндегі шамамен алғашқы 20 элемент қажет деп тұжырымдайды ғалымдар.
Мұндай көміртегі, оттегі, сутегі, азот, күкірт, фосфор сияқты элементтердің
тірі молекула құруға қолданылуы олардың кіші өлшемдерімен және
реакциялық жоғары қабілетін анықтайтын 2 –ші және 3 – ші ретті байланысты
тұрақты қосылыстар түзе алатындығына негізделген. Әсіресе көміртегінің
тіршілікке маңызы зор: жердегі тіршілік химиясында негізгі құрылымдық
бірлік ретінде және күрделі молекулалар түзуде қолданады. Көміртегінің
тіршілікке маңызды элемент екенін оның ерекше химиялық қасиеттері
анықтайды. Солардың кейбіреулерін қарастырайық.
Көміртегі әлемде жеткілікті көп таралған. Оның өзін қоса алғанда басқа
атомдармен төрт коваленттік химиялық байланыс жасай алатын қабілеті бар.
Көміртегі басқа элементтермен қосылыс жасай алу жағынан барлық элементтерді
қоса алғандағыдан асып түседі. Мысалыға, сутегімен ол - ке дейін
қосылыстар түзе алады. Коваленттік байланыстар кеңістікті құрылымға ие
болғандықтан, көміртегі ақуыз бен нуклеин қышқылдары сияқты өте үлкен үш
өлшемді молекулалардың қаңқасын жасай алады. Кейбір термодинамикалық
тұрақсыздықтарға қарамастан, көміртегінің басқа заттармен қосылысы инертті.
Яғни химиялық реакцияларға аз қатысады. Бұл күрделі молекулалық жүйелердің
тұрақсыздылығын қамтамасыз етеді.
Жердегі тіршілікке қажетті осындай қайталанбас ерекше қасиеттерімен
көміртегі ерекше болып табылады. Оның жақын бәсекелесі басқа химиялық
элементтерге қарағанда тіршілікке қажетті элементтерге қойылатын
сұранысты қанағаттандыратын кремний болып табылады. Әйткенменде,
көміртегіге қарағанда кремнидің атомаралық байланыстары екі есе әлсіз. Бұл
кремний атомдарының көміртегі сияқты ұзын тізбек немесе сақина түзуінің
ықтималдығы төмен. Бірақ сонымен бірге, кремний оттегімен берік қосылыстар
түзуі мүмкін. Соның арқасында жердегі барлық кремний оксид түрінде және ол
өте берік. Сондықтан да кремний біздің түсінігімізше тіршіліктің емес, тау
жыныстарының материалы болып табылады. Мұны астрономиялық мәліметтер де
дәлелдейді: метеориттерде, кометаларда, жұлдызаралық бұлттарда және
жұлдыздар атмосферасында көміртегі тектес әр түрлі күрделі органикалық
молекулалар табылған, ал кремний барлық уақытта оттегімен қосылыста
кездеседі.
Басқа екі биогенді элемент – күкірт және фосфор. Олар айтарлықтай аз
мөлшерде кездеседі. Бірақ, ретті химиялық байланыстар түзуде маңызы бар.
Осының арқасында бұл элементтер ақуыздың (күкірт) және нуклеин
қышқылдарының (фосфор) құрамына енеді.
Натрий, магний, калий, кальций, хлор аз мөлшерде организмдерді құруға
қатысады. Бұл элементтердің атомдық қалдықтары жасуша мембраналарындағы
зат алмасу процесіне өте қажетті. Тірі организмдерде аз мөлшерде темір,
марганец, кобальт, мыс, цинк, ванадий және йод болады. Мысалыға темір тыныс
алуда, ал йод гармон түзуде үлкен роль атқарады.
Химиялық элементтер адам ағзасына ауадан және тамақ арқылы түседі.
Микроэлементтік меню әр елдің тұрғындарында әр түрлі. Ол күнделікті
уақытта және мейрамдарда, қыста және жазда әр түрлі. Мысалыға ағылшын
ғалымдары Британия аралдарының әрбір тұрғыны күнделікті орта есеппен 5400мг
хлор, 4600мг натрий, 23,2мг темір, 0,32мг қорғасын, 0,3мг күміс және
сурьма, 0,01 – 0,001мг алтын, 0,001 – 0,0001мг платина мен уран тұтынатынын
анықтаған.
Адам ағзасындағы тіршілікке қажетті элементтер табиғаттағы зат
алмасудың жалпы бір этапы болып табылады. Одан кейін бұл элементтер
қайтадан қоршаған ортаға оралады.
§7. Ғарыштық сәулелер
Элементар бөлшектер физикасының дамуы ғарыштық сәулелерді зерттеумен
тығыз байланысты. Ғарыштан Жерге келіп түскен сәулелер барлық бағытта
изотропты дерлік. Бөлшектер мен радиоактивті сәулелерді зерттеу тәсілдері
сияқты ғарыштық сәулелердің интенсивтілігін өлшеу оның биіктік өскен сайын
интенсивтілігі өсетінін, максимумға жетіп, одан кейін қайта кеміп, км
биіктікте тұрақты болып қалатынын көрсетеді. (1 – сурет).
Ғарыштық сәулелерді бірінші және екінші ретті деп екіге бөледі. Ғарышта
пайда болған сәулелерді бірінші ретті сәулелер деп атайды. Оның құрамын
зерттеулер бірінші ретті сәулелер жоғары энергиялы элементар бөлшектер
ағыны екенін көрсетті. Соның 90% - ы энергиясы эВ болған протондар,
70% - - бөлшектер және тек 1% қана ауыр элементтердің () ядролары
екені анықталды. Соңғы астофизика мен радиоастрономия мәліметтеріне
негізделген заманауи түсініктер бойынша бірінші ретті ғарыштық сәулелердің
галактикалық табиғаты бар деп есептелінеді. Бөлшектердің мұндай жоғары
энергияға дейін үдетілуі олардың қозғалыстағы жұлдызаралық магнит
өрістерімен соқтығысуынан деп түсінеді. км (1 – суретті қара)
биіктікте ғарыштық сәулелердің интенсивтілігі тұрақты, бұл биіктіктерде тек
бірінші ретті сәулелер байқалады.
Жерге жақындай келе ғарыштық сәулелердің интенсивтілігі өседі. Бұл
бірінші ретті ғарыштық сәулелердің Жер атмосферасының атом ядролаларымен
әсерлесуінің нәтижесінде пайда болатын екінші ретті ғарыштық сәулелердің
пайда болуын көрсетеді. Екінші ретті ғарыштық сәулелерде барлық дерлік
белгілі элементар бөлшектер кездеседі. км кезінде ғарыштық сәуле
екінші ретті болып есептелінеді. кемейген сайын оның интенсивтілігі
төмендейді. Себебі екінші ретті бөлшектер Жер бетіне жақындағанда жұтыла
бастайды.
Екінші ретті ғарыштық сәулелердің құрамында екі компонентті ажыратуға
болады: жұмсақ (қорғасында қатты жұтылады) және қатаң (қорғасыннан өту
қабілеті жоғары). Жұмсақ компонетаның пайда болуы былайша түсіндіріледі:
ғарыштық кеңістікте әр уақытта энергиясы болған -кванттар
кездеседі. Олар атом ядросының өрісінде электрон – позитрондық жұпқа
айналады. Осылайша, пайда болған электрондар мен позитрондар тежеле келе
энергиясы жаңа электрон – позитрондық жұптарды түзуге әлі жеткілікті -
квантты тудырады. Осылайша кванттардың энергиясы - тан кіші болғанша
жалғаса береді (2 – сурет). Бұл процесс электрон – позитрон - фотондық
(немесе каскадты) жауын деп атайды. Дегенмен, осы жауындарды тудыратын
алғашқы бөлшектер орасан зор энергияға ие болғанмен, жауындық бөлшектер
жұмсақ болып табылады және олар қалың заттардан өте алмайды. Осылайша
жауындық бөлшектер – электрондар, позитрондар және -кванттар екінші
ретті ғарыштық сәулелердің жұмсақ компоненталары болып табылады. Қатаң
компоненттердің табиғаты алдағы кезекте қарастырылады (§24 қара).
Ғарыштық сәулелерді зерттеу бір жағынан элементар бөлшектер физикасының
дамуының бастапқы этапында осы ғылым саласы негізделген негізгі
эксперименталды мәліметтер алуға көмектесті. Ал екінші жағынан әлі де
жасанды жолмен алынбаған энергиясы аса жоғары эВ – қа дейінгі
бөлшектреді зерттеуге мүмкіндік береді. 50 – ші жылдардан бастап элементар
бөлшектерді зерттеуде үдеткіштер қолданыла бастады (бөлшектерді жүздеген
ГэВ – қа дейін үдетуге мүмкіндік береді). Осының салдарынан ғарыштық
сәулелердің оларды зерттеуде маңызы кетті. Олар тек аса жоғары энергиялы
бөлшектердің негізгі көзі болып қана табылады.
II тарау. Атом ядросының моделдері және сипаттамалары
§8. Атом ядросының өлшемі, құрамы және заряды.
Зарядтық және массалық сан
Э. Резерфорд энергиялары бірнеше МэВ болған - бөлшектің жұқа алтын
қаңылтырдан өтуін зертей келе, атомның оң зарядталған ядродан және оны
қоршаған электрондардан тұратынын байқады. Осы зерттеулерді саралай келе
Резерфорд атомның ядросы м – ге тең болғанын анықтады (атомның
сызықтық өлшемдері шамамен м).
Атом ядросы оң зарядталған протоннан және электр заряды жоқ нейтроннан
тұрады. Ядроның протон – нейтрондық моделін орыс физигі Д. Д. Иваненко
ұсынған, ал одан кейін неміс ғалымы В. Гейзенберг жалғастырған.
Протон () оң зарядталған, заряды электрон зарядына тең және
тыныштық массасы кг, мұндағы - электронның массасы. Нейтрон
() тыныштық массасы кгболған нейтрал бөлшек. Протон мен
нейтрондарды нуклондар деп атайды (латынның - ядро). Атом ядросындағы
барлық нуклондар саны массалық сандар (А) деп аталады.
Атомдық ядро зарядпен сипатталады. - ядроның зарядтық саны,
ол ядродағы протондар санына және Менделеев кестесіндегі элементтердің
атомдық номеріне тең. Қазіргі уақытта Менделеев кестесінің зарядтар саны
- ден болған 107 элементі белгілі.
Нейтрал атомды белгілегендей ядроны да деп белгілейді, мұндағы Х –
химиялық элементтің символы, - атомдық номер, яғни ядродағы протондар
саны (қалыпты жағдайдағы), А – массалық сан (ядродағы нуклондар саны).
Қазіргі кезде ядроның протон – нейтрондық моделі ешқандай күдік
тудырмайды. Сонымен қатар, протон – электрондық гипотеза қарастырылған,
бірақ экспериментальды зерттеулер оның дұрыс еместігін көрсетті. Егер тап
осы гипотезаны ұстансақ, онда А массалық сан ядродағы протондар санын
көрсету керек, ал массалық сан мен электрондар санының айырмашылығы
зарядтық санға тең болуы керек еді. Бұл модел изотоптық масса және
изотоптық заряд мәндерімен сәйкес келеді, бірақ ядроның спиндерімен және
магнит моменттерімен, сонымен қатар, ядроның байланыс энергиясының
мәндерімен сәйкес келмейді. Сонымен бірге бұл модель анықталмаушылық
қатынасымен де сәйкестенбейді. Нәтижеде ядро құрылымының протон –
электрондық гипотезасы алынып тасталды.
Атом нейтрал болғандықтан ондағы электрондар санын ядроның заряды
анықтайды. Электронның атомдағы деңгейлерге таралуы олардың санына
байланысты. Ал бұдан атомның хииялық қасиеттері келіп шығады. Ядро заряды
сол химиялық элементтің ерекшклігін анықтайды, яғни атомдағы электрондар
санын, электрондық қабықшалардың конфигурациясын, атом ішіндегі электр
өрісінің сипатын және өлшемін.
Егер атом ядросының зарядтар саны бірдей, ал массалық саны А әр
түрлі болса, яғни нейтрондар саны әр түрлі () болса, онда ядролар
изотоптар деп аталды. Ал егер массалық саны А бірдей, бірақ зарядтар саны
әр түрлі болса, ядроларды изобарлар деп атайды. Мысалыға сутегінің
() үш изотопы бар: - протий (, ); - дейтерий
(, ); - тритий (, ), қалайыда 10 және т.б. Көп
жағдайларда бір химиялық элементтің изотоптары бірдей химиялық және бірдей
дерлік физикалық қасиеттерге ие. Бірақ, мысалыға сутегі изотоптары үшін
бұндай болмайды. Себебі элемент изотоптарының электрондық қабықшаларының
құрылымдары бірдей. Изобаралық ядроларға мысал бола алады. Қазіргі
уақытта зарядтар санымен, немесе А массалық санымен, не екуімен де
ажыратылатын 2500 ядролар белгілі.
Ядроның радиусы эмпирикалық формуламен беріледі:
(8.1)
мұндағы м. Дегенмен, бұл түсінікті (шаманы) қолданғанда (оның бір
мәнсізділігінен мысалыға: ядро шекарасының бұлыңғырлығынан) сақ болған жөн.
(8.1) – формуласынан ядро көлемінің онда нуклондар санына пропорционал
екендігі келіп шығады. Бұдан, барлық атом ядролары үшін олардың тығыздығы
бірдей екендігі анықталды. Ол шамамен кгм3.
§9. Ядроның массасы және байланыс энергиясы
Зерттеулер атом ядроларының орнықты түзілетіндігін көрсетеді. Бұл
ядродағы нуклондар арасында белгілі бір байланыс бар екендігін білдіреді.
Ядроның массасын масс – спектрометрлерде – меншікті зарядтары әр
түрлі зарядталған бөлшектер шоғының массаларын электр және магнит
өрістерінің әсері арқылы өлшейтін құрылғыларда өте дәл анықтауға болады.
Масс – спектрометриялық өлшеулер ядро массасының оны құрайтын нуклондардың
массалар қосындысынан кіші екендігін көрсетті. Кез – келген масса
өзгерісіне энергия өзгерісі сәйкес келетіндіктен, ядро түзілген кезде
белгілі бір энергия бөлініп шығуы керек. Энергияның сақталу заңынан
керісінше: ядроны оны құрайтын бөлшектерге бөлу үшін ядро түзілген
кездегідей энергия жұмсау қажет. Ядроны оны құрайтын нуклондарға ыдырату
үшін қажет болған энергияны ядроның байланыс энергиясы деп атайды.
Ядродағы нуклондардың байланыс энергиясы
(9.1)
мұндағы - сәйкесінше протонның, нейтронның және ядроның массасы.
Кестелерде әдетте - ядро массалары емес, - атом массалары
беріледі. Сондықтан ядроның байланыс энергиясына мына формуланы қолданады:
(9.2)
мұндағы - сутегі атомының массасы. -дан шамасына
үлкен болғандықтан, тік жақша ішіндегі бірінші мүшеге электрон
массасы енеді. атом массасы ядро массасынан электрондар
массасы арқылы ажыратылатын болғандықтан, (9.1) және (9.2) формулаларының
есептеу нәтижелері бірдей болады.
шамасы ядро массасының ақауы деп аталады. Тура осы шамаға атом ядросы
түзілгенде барлық нуклондардың массасы кемиді.
Көбінеше байланыс энергиясының орнына бір нуклонға сәйкес келетін
меншікті байланыс энергиясын қарастырылады. Ол атом ядросының
орнықтылығын сипаттайды. Яғни қаншалықты көп болса, соншалықты ядро
орнықты. Меншікті байланыс энергиясы элементтің А массалық санына
байланысты (3 – сурет). Жеңіл ядролар үшін меншікті байланыс
энергиясы 6 – 7МэВ – ке дейін өседі, кейбір жерлерінде ауытқулар байқалады
(мысалы, үшін =1.1МэВ, үшін 7.1МэВ, үшін 5.3МэВ)
одан кейін жайлап максималды 8.7МэВ шамаға дейін өседі (элементтері
үшін). Ал бұдан кейін ауыр элементтерге қарай кемиді (мысалы, үшін
7.6МэВ). Салыстыру үшін айта кетейік, атомдардағы валентті электрондардың
байланыс энергиясы шамамен 10эВ құрайды ( есе кіші).
Ауыр элементтерге өткенде меншікті байланыс энергиясының кемуі
ядродағы протондар санының көбеюімен, олар тудыратын кулондық тебілу
энергиясының да көбеюімен түсіндіріледі. Сондықтан нуклондар арасындағы
байланыс әлсірейді, ал ядролардың орнықтылығы төмендейді.
Өте орнықты ядролар сиқырлы (магиялық) ядролар болып табылады. Олардың
протондар немесе нейтрондар саны сиқырлы санның біреуіне тең болады: 2, 8,
20, 28, 50, 82, 126. Әсіресе екі есе сиқырлы ядролар стабильді болады.
Олардың протондар саны да, нейтрондар саны да сиқырлы болып табылады. Ол
ядролар бар – жоғы бесеу: , , , .
3 – суреттен көрініп тұрғандай, энергетикалық тұрғыдан орнықты болып
табылатын ядролар Менделеев кестесіндегі орта бөлігінде орналасқан
элементтердің ядоролары. Жеңіл және ауыр ядролар орнықсыздау. Бұл
энергетикалық тұрғыдан мына процестердің тиімді екендігін көрсетеді: 1)
ауыр ядролардың жеңілдеріне бөлінуі; 2) жеңіл ядролардың бір – бірімен
бірігіп, ауыр ядролар түзуі. Екі процесте де орасан зор энергия бөлініп
шығады. Қазіргі уақытта бұл процестер іс жүзінде практикада іске асқан, ол
тізбекті реакциялар және термоядролық реакциялар.
§10. Ядроның спині және магнит моменті
Қазіргі кезде ажыратқыш қабілеті жоғары приборларды пайдаланып және
спектр шығаратын арнаулы қоздыру көзінің болуы спектр сызықтарының аса жұқа
құрылымын зерттеуге мүмкіндік береді. Бұл спектрлік сызықтың ерекше
қасиетін швейцар ғалымы В. Паули 1924 ж атом ядросының меншікті импульс
моментінің (спин) және магнит моментінің болуынан деп түсіндірді.
Ядроның меншікті импульс моменті – ядроның спині ядродағы
нуклондардың жеке спиндері мен олардың орбиталдық моменттерінің ядро
ішіндегі нуклондардың қозғалысынан пайда болатын импульс моменттерінің
қосындысынан тұрады. Осы екі шама да вектор болып табылады. Сондықтан ядро
спині олардың векторлық қосындысы болып табылады. Ядро спині заңы
бойынша квантталады, мұндағы - ядролық спиндік кванттық сан (оны
көбінеше ядро спині деп те атайды). Ол бүтін немесе жартылай бүтін мәндер
қабылдайды: 0, 12, 1, 32, ... Егер ядродағы нуклондар саны (А) жұп
болса, онда спиннің () мәні бүтін сан, ал егер (А) тақ болса, онда
() – нің мәні жартылай бүтін сан болады.
Атомдық ядроның спинінен басқа магнитмоменті бар. Ядроның магнит
моменті спинмен байланысқан, мұндағы - пропорционалдық
коэффициент – ядролық гиромагниттік қатынас деп аталады.
Ядролардың магнит моменттерінің өлшем бірлігі – ядролық магнитон.
(10.1)
мұндағы - протон массасы. Ядролық магнитон Бор магнитонынан есе
кіші. Сондықтан атомның магниттік қасиеттері негізінен оның электрондарының
магниттік қасиеттерімен анықталады.
Зееман эффектісі кезінде атомды магнит өрісіне салған кезде
энергетикалық деңгейлердің және электрондардың спин орбиталдық әсерлесуіне
негізделген нәзік құрылымның спектральдық сызықтарының бөлінуі байқалады.
Сыртқы магнит өрісінде сонымен қатар, атом энергетикалық деңгейлерінің бір
– біріне жақын орналасқан ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
I тарау. Атомдық ядро физикасына кіріспе
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .5
§1. Радиоактивтілік. Альфа, бетта, гамма сәулелену
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...5
§2. Изотоптар
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ..6
§3. Ионизациялаушы сәулелерді және бөлшектерді тіркеу әдістері
... ... ... ... .7
§3.1. Сцинтилляциондық есептегіш
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..7
§3.2. Черенков есептегіші
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ..8
§3.3. Импульстік иондаушы камера
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 8
§3.4. Газоразрядтық есептегіш
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
..9
§3.5. Жартылай өткізгішті есептегіштер
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...9
§3.6. Вильсон камерасы
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... .10
§3.7. Диффузиондық камера
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ..10
§3.8. Көпіршікті камера
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... .10
§3.9. Ядролық фотоэмульсия
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
...11
§3.10. Ұшқынды камера
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ...11
§4. Сәулеленудің биологиялық әсері
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...11
§5. Элементтердің пайда болуы
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 13
§6. Тірі организмдердің химиялық құрамы
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 14
§7. Ғарыштық сәулелер
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... 16
II тарау. Атом ядросының моделдері және сипаттамалары
... ... ... ... ... ... ... ..18
§8. Атом ядросының өлшемі, құрамы және заряды. Зарядтық және массалық
сан
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 18
§9. Ядроның массасы және байланыс энергиясы
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...19
§10. Ядроның спині және магнит моменті
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..21
§11. Атом ядросының модельдері
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .22
§11.1. Ядроның тамшылық моделі
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 23
§11.2. Ядроның қабықшалы моделі
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .23
III тарау. Ядролық түрленулер
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
...24
§12. Радиоактивті ыдырау және радиоактивті түрленулер
... ... ... ... ... ... ... ..24
§12.1. - ыдырау
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ..25
§12.2. - ыдырау
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... .27
§12.3. - сәулелену
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ...29
§13. - сәулелердің резонанстық жұтылуы
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 31
§14. Ядролық реакциялар
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... 33
§14.1. Нейтрондардың әсерінен болатын ядролық реакциялар
... ... ... ... ... ...35
§14.2. Ядроның бөліну реакциясы
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 36
§14.3. Тізбекті бөліну реакциясы
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..38
§15. Жасанды радиоактивтілік
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
39
§16. Термоядролық реакциялар
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .4
1
§17. Ядролық энергия. Ядролық энергетика
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...43
§18. Ядролық қару
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... 46
IV тарау.Элементар бөлшектер және олардың қасиеттері
... ... ... ... ... ... ... ... .49
§19.Элементар бөлшектердің деңгейі
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..49
§20. Элементар бөлшектердің жалпы қасиеттері
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...51
§20.1 Масса
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... 52
§20.2 Орташа өмір сүру уақыты
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... .52
§20.3 Спин
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... 52
§20.4 Электр заряды
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... .53
§20.5 Меншікті магнит моментінің векторы
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ...53
§21. Антибөлшектер, аннигиляция
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .53
§22. Элементар бөлшектердің өзара түрленуі
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...57
§23. Фундоментальды әсерлесулер
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..6 2
§24. Лептондар
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ..64
§25. Адрондар
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ...65
§26. Элементар бөлшектердің классификациясы
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...69
§27. Кварктар
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... 69
§28. Фундаментальды әсерлесулерді тасмалдаушылар
... ... ... ... ... ... ... ... ... .71
Пайдаланылған әдебиеттер
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ..77
I тарау. Атомдық ядро физикасына кіріспе.
§1. Радиоактивтілік. Альфа, бетта, гамма сәулелену.
Француз физигі А.Беккерель (1852 – 1908) 1896 ж уран тұздарының
люминесценция құбылысын зерттеу кезінде олардан табиғаты белгісіз,
фотопластинкаға әсер ететін, ауаны иондайтын, жұқа металл пластинкалардан
өтіп кететін және бірқатар заттардың люминесценциясын тудыратын, өздігінен
сәуле шығаратынын анықтады. Осы құбылысты зерттей келе француз ерлі –
зайыпты Кюри – Мария (1867 – 1934) және Пьер (1859 – 1906) – беккерельдік
сәулеленудің тек уранға емес, сонымен бірге торий, актиний сияқты басқа да
көптеген ауыр элементтерге тән екенін анықтады. Олар сонымен қатар, урандық
шайырлы күкіртті қоспаның (металдық уран өндіретін руда) уран сәулеленуінің
интенсивтілігінен көптеген есе жоғары интенсивтілікпен сәуле шығаратынын
көрсетті.
Осылайша, беккерелдік сәулеленудегі жаңа екі элементті анықтауға мүмкіндік
туды. Олар полоний және радий.
Анықталған сәулелену радиоактивті сәулелену деп, ал сол құбылыстың өзі
– радиоактивті сәуленің шығуы – радиоактивтілік деп аталды.
Кейінгі зерттулер нәтижелері препараттың радиоактивті сәулелену
сипатына химиялық қоспалардың түрі, агрегаттық күйі, механикалық қысым,
температура, электр және магнит өрістері, яғни атомның электрондық
қабықшасының күйін өзгерте алатын барлық әсерлердің әсер етпейтінін
көрсетті. Бұдан радиоактивті элементтердің қасиеттері тек олардың ядросының
құрылымына негізделгендігі келіп шығады.
Қазіргі кезде радиоактивтілік деп, кейбір атом ядроларының өздігінен
(спонтанды) басқа ядроларға әр түрлі радиоактивті сәулелер және элементар
бөлшектер шығара отырып түрленуін айтады. Элементар бөлшек деп, құрама
бөліктерге ажыратуға мүмкін болмаған микрообъектілерді айтады.
Радиоактивтілік табиғи (табиғатта кездесетін тұрақсыз изотоптарда
байқалады) және жасанды (ядролық реакциялар арқылы алынған изотоптарда
байқалады) болып екіге бөлінеді. Екі жағдайда да радиоактивті түрлену
заңдары бірдей болғандықтан, бұл екі түрлі радиоактивтіліктің айырмашылығы
жоқ.
Радиоактивті сәулелену үш түрлі болады: және - сәулелену.
Оларды тыңғылықты зерттеу олардың табиғатын және негізгі қасиеттерін
анықтауға мүмкіндік берді.
- сәулелену электр және магнит өрістерінде ауытқиды, жоғары
ионизациялаушы және төмен өтімділік қабілеті бар (мысалы: қалыңдығы 0,05мм
алюминий қабатында жұтылады). - сәулелену гелий ядроларының ағыны
болып табылады. - бөлшек заряды , ал массасы () гелий
изотопының ядросының массасымен сәйкес келеді. - бөлшектің электр және
магнит өрістерінде ауытқуы бойынша оның меншікті заряды анықталған.
Оның мәні - бөлшектің табиғаты туралы түсініктің дұрыстығын
дәлелдейді.
- сәулелену электр және магнит өрістерінде ауытқиды -
бөлшекке қарағанда оның ионизациялаушы қабілеті айтарлықтай аз (жобамен 2
еседей), ал өтімділік қабілеті жоғары (2мм алюминий қабатында жұтылады).
- сәулелену шапшаң электрондар ағыны болып табылады (бұл олардың
меншікті зарядының анықтамасынан келіп шығады).
Біртекті денеде бірдей жылдамдықты электрондар ағынының жұтылуы
экспоненциалды заңға бағынады , мұндағы және - қалыңдығы х
болған дене қабатының кірісіндегі және шығысындағы электрондар саны, -
жұтылу коэффициенті. - сәулелену дене ішінде қатты шашырайды,
сондықтан - тек дене құрамына ғана байланысты емес, сонымен бірге оның
өлшемі мен пішініне байланысты.
- сәулелену электр және магнит өрістерінде ауытқымайды,
салыстырмалы төмен ионизациялаушы және өте жоғары өтімділік қабілеті бар
(мысалы, қалыңдығы 5см болған қорғасын қабатынан өтіп кетеді). Кристалдар
арқылы өткенде дифракция байқалады. - сәулеленудің толқын ұзындығы
м болған қысқа толқынды электромагниттік сәуле және осының әсерінен
оның корпускулярлық қасиеті анық байқалады, яғни - кванттар (фотондар)
– бөлшектер ағыны болып табылады.
§2. Изотоптар
Радиоактивті түрленулерді көп рет бақылаудың нәтижесінде радиоактивті
қасиеттері әр түрлі, яғни әр түрлі жолдармен ыдырайтын, бірақ өздерінің
химиялық қасиеттері бойынша бірдей болған заттар бар екені анықталды.
Оларды барлық химиялық әдіс – тәсілдермен бір – бірінен ажырату мүмкін
болмаған. Осыған негізделіп ағылшын физигі Ф. Содди (1877 – 1956) 1911ж
химиялық қасиеттері бірдей болған, бірақ басқа қасиеттермен
(радиоактивтілік) ажыратылатын элементтер бар екендігін айтты. Бұл
элементтерді Менделеев периодтық жүйесінің бір ұяшығына орналастыру қажет.
Содди оларды изотоптар деп атады (яғни бір орынды иеленушілер).
Ағылшын физигі Дж.Дж.Томсон (1856 – 1940) бір жылдан соң неон
иондарының массасын олардың электр және магнит өрістерінде ауытқуы бойынша
анықтағаннан кейін Соддидің бұл пікірі анық дәлелденді. Томсон неонның екі
сортты атомдардан тұратынын анықтады. Олардың көп бөлігінің (атомдардың)
салыстырмалы массасы 20 – ға тең болған, бірақ салыстырмалы атомдық
массалары 22 болған аз мөлшердегі атомдар да бар екендігін байқаған.
Нәтижеде қоспаның салыстырмалы атомдық массасы 20,2 – ге тең болған. Бірдей
химиялық қасиетке ие болған атомдар массалары бойынша ерекшеленеді. Неонның
екі сорты да Менделеев кестесінде бір орынға орналасқан және олар изотоп
болып табылады. Бұдан изотоптар өздерінің радиоактивтік қасиеттерімен ғана
ажыратылмай, сонымен бірге массасында да айырмашылығы бар. Осы соңғы
қасиеті негізгі болып табылады. Изотоптарда қабықшадағы электрондар санын
анықтайтын атом ядроларының заряды, яғни атомның химиялық қасиеттері
бірдей, бірақ ядроның массалары әр түрлі. Сонымен бірге, ядролар
радиоактивті де стабильді де болуы мүмкін. Радиоактивті изотоптардың
қасиеттерінде айырмашылықтың болуы олардың ядроларының массаларының әр
түрлі болуына байланысты.
Қазіргі уақытта барлық химиялық элементтердің изотоптары бар екендігі
анықталған, бірақ олардың көпшілігі стабильді емес. Табиғаттағы ең ауыр
элементтердің бірі уран да (с.а.м 238, 235, т.б.) және ең жеңіл -
сутегінің де (с.а.м 1,2,3) изотоптары бар.
Изотоптардың бар болуы, атом ядроларының заряды, яғни электрондық
қабықтың құрылымы атомдардың барлық қасиеттерін емес, тек олардың химиялық
қаситттерін, оның ішінде электрондық қабықтың перифериясына (мысалы
өлшеміне) байланысты болған физикалық қасиеттерін ғана анықтайтынын
дәлелдеді. Атомның массасы және оның радиоактивтілік қасиеті Менделеев
кесетсіндегі реттік номермен анықталмайды.
Изотоптардың салыстырмалы атомдық массаларын дәл есептегенде, олардың
бүтін сандарға жақын екендігі анықталған. Кейбір химиялық элементттердің
салыстырмалы атомдық массаларының шамасының бүтін сандардан қатты ауытқуы
қалыпты жағдайда химиялық таза зат әр түрлі пропорциядағы изотоптардың
қоспасы болып табылатындығынан (мысалы хлордың атомдық массасы – 35,3).
Изотоптардың салыстырмалы атомдық массасының бүтін санды болуы олардың атом
ядроларының құрылымын зерттеуде маңызы зор.
§3. Ионизациялаушы сәулелерді және бөлшектерді тіркеу әдістері
Радиоактивті сәулелерді және бөлшектерді тіркеу мен бақылау әдістері
олардың қоршаған ортасын ионизациялау мен атомдарын қоздыру қабілеттілігіне
негізделген. Зарядталған бөлшектер тікелей осы процестерді тудырады, ал
- кванттар және нейтрондар олардың қоршаған орта атомдарының
ядроларымен және электрондарымен зарядталған жылдам бөлшектер арқылы
әсерлесуінің нәтижесінде пайда болуынан туындайтын ионизациялану арқылы
анықталады. Жарық жарқылы, электр тогы, фотопластинканың қараюы сияқты
процестермен өтетін екінші ретті эффектілер ұшып келе жатқан бөлшектерді
тіркеуге, есептеуге, оларды бір – бірінен ажыратып, энергияларын өлшеуге
мүмкіндік береді.
Радиоактивті сәулелерді және бөлшектерді тіркеуге арналған құрылғалар
екі топқа бөлінеді:
1) бөлшектің кеңістіктің белгілі бір ауданынана өтуін тіркей алатын
және кейбір жағдайда олардың сипатын мысалы, энергиясын
(сцинтилляциондық есептегіш, Черенков есептегіші, импульсті
ионизациялаушы камера, газоразрядты есептігіш, жартылай
өткізгішті есептегіш)анықтай алатын;
2) бақылай алатын, мысалы, зат ішіндегі бөлшектің іздерін
(тректерін) суретке түсіріп алу (Вильсон камерасы, диффузиондық
камера, көпіршікті камера, ядролық фотоэмульсия).
§3.1. Сцинтилляциондық есептегіш
Сцинтилляция – жылдам бөлшектердің флоуресценттік экранға түскен
кездегі жарық жарқылдарын бақылау. Бұл ағылшын физиктері У. Круксу (1832 –
1919) және Э. Резерфордтың (1871 – 1937) ядолық физика таңында визуалды
түрде - бөлшектерді тіркеуге мүмкіндік берген бірінші әдісі.
Сцинтилляциондық есептегіш – бұл негізгі элементі сцинтиллятор
(кристолофор) және фотоэлектронды көбейткіш болып табылатын әлсіз жарық
жарқылдарын электр импульстеріне айналдыратын және электрондық құрылғымен
тіркейтін ядролық бөлшектер детекторы. Көбінеше сцинтиллятор ретінде
бейорганикалық ( - -бөлшек үшін, -бөлшек және -
кванттарға , ) немесе органикалық (антрацен, пластмасса - -
кванттарға) заттардың кристалдарын пайдаланады.
Сцинтилляциондық есептегіштер тіркелетін бөлшектердің типіне, түріне
және сцинтиллятор мен қолданылатын электрондық құрылғының мүмкін болған
уақытына (қазір ол ) қарай үлкен уақыт аралығында өлшеуге мүмкіндік
береді (). Бұндай типтегі есептегіштердің тіркеу эффективтілігі –
есептегіштен өткен тіркелген бөлшектер санының барлық бөлшектер санының
қатынасына тең. Жобамен зарядталған бөлшектер үшін 100%, ал -кванттар
үшін 30%. Көптеген сцинтилляторларда (, , антрацен, стильбен)
энергияның кең интервалында жарық жарқылдарының интенсивтілігі алғашқы
бөлшектің энергиясына пропорционал болғандықтан, бұл сцинтилляторлардағы
есептегіштер тіркелетін бөлшектердің энергиясын өлшеу үшін қолданылады.
§3.2. Черенков есептегіші
Черенков есептегіштерінің қолданылу аясы – заттың ішіндегі осы ортаның
фазалық жарық жылдамдығынан үлкен жылдамдықпен қозғалатын бөлшектердің
энергиясын өлшеу және бұл бөлшектерді масса бойынша жіктеу. Бөлшектің
массасының шамасын біле отырып, оның энергиясын анықтаған сияқты сәуле
шығару бұрышын біле отырып, бөлшектің жылдамдығын анықтауға болады. Бір
жағынан, егер бөлшектің массасы белгісіз болса, онда оны бөлшектің
энергиясын өлшеу арқылы анықтауға болады. Сонымен қатар, әр түрлі
жылдамдықты екі бөлшектер шоғы болған кезде сәуле шығару бұрыштары да әр
түрлі болады. Соның арқасында ізделініп жатқан бөлшектерді анықтауға
болады. Черенков есептегіштерінің жылдамдық бойынша өлшеу аралығы (яғни
энергиясы бойынша) болады. Бұл бөлшектердің энергиясы 1 ГэВ болғанда
оларды бір – бірінен ажыратуға мүмкіндік береді, яғни сәуле шығару
бұрыштары ажыратылғанда. Есептегіштің өлшеу аралығы с – қа жетеді.
Черенков есептегіштерін ғарыштық сәулеленуді зерттеу үшін ғарыш кемелерінде
орнатады.
§3.3. Импульстік иондаушы камера
Импульсті иондаушы камера – бұл зарядталған бөлшектердің газды иондау
қабілетіне негізделген бөлшектер детекторы. Иондаушы камера электроттарына
тұрақты кернеу беріліп тұратын газбен толтырылған электр конденсаторы болып
табылады. Тіркелетін бөлшек электроттар арасындағы кеңістікке түсіп, газды
иондайды. Кернеуді бір жағынан, барлық түзілген иондар электротқа
рекомбинацияланбай жетіп баратындай, ал екінші жағынанан, екінші ретті
ионизация тудырмас үшін, қатты үдетілмейтіндей етіп таңдайды. Бұдан,
иондаушы камераның электроттарында зарядталған бөлшектердің әсерінен пайда
болған иондар жиналады. Иондаушы камералар екі түрлі болады: интегралдаушы
(онда жиынтық иондаушы ток өлшенеді) және импульстік, негізінен, есептегіш
болып табылатын (онда бір бөлшектің өтуі тіркеледі және оның энергися
өлшенеді, бірақ шындығында, төмен дәлдікпен, бұл шығыстағы импульстің
аздығымен түсіндіріледі).
§3.4. Газоразрядтық есептегіш
Газоразрядтық есептегіш негізінен газбен толтырылған металл цилиндрден
(катод) және оның осі бойынша тартылған жұқа сымнан (анод) тұрады.
Газоразрядтық есептегіштер құрастырылуы жөнінен иондаушы камераға
ұқсағанымен, оларда негізінен екінші ретті ионизация үлкен роль ойнайды.
Бұл екінші ретті ионизация бірінші ретті иондардың қабырғаға және газ
атомдары мен молекулаларының соқтығысу нәтижесінде пайда болады. Екі түрлі
газоразрядтық есептегіштер жөнінде мынаны айтуға болады: пропорционалдық
(оларда газдық разряд тиянақсыз, яғни сызықты ионизатордың әсері тоқтағанда
өшеді) және Гейгер – Мюллер [Х. Гейгер (1882 – 1945), Э. Мюллер (1911 –
1977) – неміс физиктері] есептегіші (оларда разряд тиянақты, яғни сызықты
ионизатордың әсері тоқтаса да қолданылады).
Пропорционалдық есептегіштерде жұмыстық кернеу олар вольт – амперлік
сипаттаманың облысында жұмыс істейтіндей, яғни еріксіз разрядқа сәйкес
келетіндей етіп таңдалады. Ондағы шығыстық импульс бірінші ретті
ионизацияға яғни есептегішке ұшып кірген бөлшектің энергиясына
пропорционал. Сондықтан олар бөлшектерді тіркеп қана қоймайды, сонымен
бірге, олардың энергиясын өлшейді. Пропорционалдық есептегіштерде жеке
бөлшектер тудыратын импульстар есе күшейтіледі (кейде есеге
дейін).
Гейгер – Мюллер есептегіші құрастырылуы және жұмыс істеу принципі
жөнінен пропорционалдық есептегіштерден онша айырмашылығы жоқ. Бірақ
шығыстық импульс бірінші ретті ионизацияға байланысты болмағанда ерікті
разрядқа сәйкес келетін вольт – амперлік сипаттама облысында жұмыс істейді.
Гейгер – Мюллер есептегіштері бөлшектердің энергиясын өлшеместен тіркейді.
Күшейту коэфициенті бұл есептегіштерде . Бөлінді импульстерді тіркеу
үшін пайда болған разрядты сөндіру керек. Бұл үшін мысалыға есептегіште
пайда болған разряд кедергіде разрядтың үзілуіне жеткілікті кернеудің
құлауын тудыратын кедергілер тізбегі ретімен қосылуы керек. Гейгер –
Мюллер есептегіштерінің уақыт бойынша өлшеу аралығы с. Разрядтық
есептегіштердің тіркеу эффективтілігі жобамен зарядталған бөлшектер үшін
100%, -кванттар үшін 5%.
§3.5. Жартылай өткізгішті есептегіштер
Жартылай өткізгішті есептегіштер – бұл негізгі элементі жартылай
өткізгіш диод болып табылатын бөлшектер детекторы. Уақыт бойынша өлшеу
аралығы жобамен с. Жартылай өткізгішті есептегіштер үлкен беріктілік
қасиетке ие, олар магнит өрістерінде жұмыс істей алады. Жұмыс істеу аудан
енінің жұқа болуынан (100 деген мкм) жартылай өткігішті есептегіштерді
жоғары энергиялы бөлшектерді өлшеу үшін қолдана алмаймыз.
§3.6. Вильсон камерасы
Вильсон камерасы [Ч. Вильсон (1869 – 1959) – ағылшын физигі] – бұл ескі
(1912) және бұрыннан келе жатқан (50 – 60 ж.ж. дейін) трек детекторының
жалғыз түрі. Шыны цилиндр және оған қатты жанасатын поршеннен тұрады.
Цилиндр нейтрал газбен (негізінен гелий және аргон), судың қаныққан буымен
(немесе спирттің) толтырылады. Газдың жылдам кеңеюі, яғни адиобаталық кеңею
кезінде бу артығымен қанныққан және камерадан ұшып өткен бөлшектер
траекториясында туманнан трек пайда болады. Пайда болған тректердің
кеңістікте орналасуын көрсету үшін оларды әр түрлі бұрыштардан суретке
түсіреді (стереоскопты). Тректердің сипаты мен геометриясына қарай
камерадан өткен бөлшектің типі (мысал: -бөлшек, өзінен кейін біртегіс
жалпақ із қалдырады, - бөлшек – жіңішке), энергиясы (жүріп өту
ұзақтығына қарай), ионизация тығыздығы (трек ұзындығының бірлігіне сәйкес
келетін тамшы санына карай), реакцияға қатысатын бөлшектер саны жөнінде
айтуға болады.
Орыс ғалымы Д. В. Скобельцын (1892 – 1990) Вильсон камерасын күшті
магнит өрісіне орналастырып оның мүмкіндігін айтарлықтай арттырды (1927).
Магнит өрісінде зарядталған бөлшектердің траекторысының қашықтығына қарай,
яғни тректің қисықтығына қарай заряд таңбасын анықтауға болады. Ал егер
бөлшектің түрі белгілі болса (оның заряды және массасы), онда тректің
қисықтық радиусы бойынша бөлшектің энергиясын және массасын анықтауға
болады, тіпті трек камераға толығымен сыймайтын болса да (жоғары энергиялы
реакцияларда жүздеген МэВ – қа жететін). Вильсон камерасының кемістігі –
оның жұмыс істеу уақытының қысқалығы. Ол келесі өлшеуге дайындық жасауға
жұмсалатын уақыттың жуықтап 1% құрайды (температураны және қысымда
теңгеруге жұмсалатын уақыт) және нәтижелерді өңдеу қиындықтары.
§3.7. Диффузиондық камера
Диффузиондық камера (1936) – бұл Вильсон камерасының бір түрі. Онда да
жұмысты атқаратын заттың ролін артығымен қанныққан бу атқарады. Бірақ
артығымен қанығудың шамасы жоғарғы жағы қыздырылған (С – ге дейін)
және төменгі жағы көмірқышқылымен (С – ге дейін) суытылған спирт
буының диффузиясымен тудырылады. Төменгі жағында шамамен 5см артығымен
қаныққан бу қабаты пайда болады. Одан өткен зарядталған бөлшектер трек
тудырады. Вильсондікіне қарағанда диффузионды камера үздіксіз жұмыс
істейді. Сонымен қатар, поршеннің жоқтығынан онда 4МПа – ға дейін қысым
тудыруға болады. Ол оның эффективті көлемін айтарлықтай үлкейтеді.
§3.8. Көпіршікті камера
Көпіршікті камераны 1952 ж американ физигі Д. Глейзер жасаған.
Көпіршікті камерада пайдаланылатын зат қатты қыздырылған (қысымда тұрған)
мөлдір сұйықтық (сұйық сутегі, пропан, ксенон). Бұл камера вильсон камерасы
секілді іске қосылады, яғни қысымды күрт төмендету арқылы. Бұл кезде
сұйықтық тұрақсыз қатты қыздырылған күйге өтеді. Осы кезде камера арқылы
ұшып өтіп бара жатқан зарядталған бөлшек сұйықтықты қайнатып жібереді де,
оның траекториясы көпіршіктер тізбегімен белгіленеді. Осылайша Вильсон
камерасындағыдай пайда болған тректі суретке түсіріп алады. Көпіршікті
камера циклмен жұмыс істейді. Көпіршікті камералардың өлшемдері Вильсон
камерасының өлшеміндей бірнеше ондаған см – ден 2м – ге дейін, бірақ
олардың эффективті көлемі 2 – 3 есе жоғары, себебі сұйықтық газға қарағанда
тығыздығы жоғары. Бұл көпіршікті камераны жоғары энергиялы бөлшектердің
ыдырауының және тууының ұзын тізбектерін зерттеуге қолдануға мүмкіндік
береді.
§3.9. Ядролық фотоэмульсия
Ядролық фотоэмульсия [1927ж; орыс физигі Л. В. Мысовский (1888 – 1939)]
– бұл қарапайым зарядталған бөлшектердің тректік детекторы. Зарядталған
бөлшектердің эмульсия арқылы өтуі ионизацияны тудырады. Ол жасырын
бейнелердің центрлерінің пайда болуына алып келеді. Проявкадан кейін
зарядталған бөлшектердің іздері металл күміс дәндері секілді байқалады.
Эмульсия тығыз орта болғандықтан, трек ұзындығы Вильсон және көпіршікті
камераларға қарағанда (газ немесе сұық) қысқалау болады. Мысалы, 0,05см
болған эмульсиядағы тректің ұзындығы Вильсон камерасында 1м – ге тең болар
еді. Сондықтан фотоэмульсияны аса жоғары энергиялы үдеткіштердегі бөлшектер
тудыратын реакцияларды және ғарыштық сәулелерді зерттеуде қолданады.
Практикада жоғары энергиялы бөлшектерді зерттеуде стоптар қолданады. Бұл
микроскоп астында өлшенетіндерді проявкалағаннан кейін бөлшек жолына
қойылатын маркирленген фотоэмульсиондық пластиналар.
§3.10. Ұшқынды камера
Есептегіш және тректік детектор ретінде қолданылатын ұшқынды камералар
үлкен роль атқара бастады. Себебі ұшқынды камера – бұл көптеген өте кіші
есептегіштердің жиынтығы. Сондықтан ол есептегішке тән, яғни ондағы ақпарат
лезде және талдауды қажет етпестен беріледі. Сонымен қатар тректік детектор
қасиетіне ие, себебі көп есептегіштердің көмегімен бөлшектердің трегін
анықтауға болады.
§4. Сәулеленудің биологиялық әсері
Радиоактивті заттардың сәулеленуі барлық тірі организмдерге үлкен
әсерін тигізеді, тіпті салыстырмалы түрде әлсіз сәулеленудің өзі толық
жұтылғанда дененің температурасын тек 0,00190С – ге көтергеннің өзінде
жасушаның өмір сүру қабілетіне айтарлықтай нұқсан келеді.
Тірі жасуша – бұл жеке бір бөлігіне зақым келгенде де қалыпты тіршілік
етуін жалғастыра алмайтын күрделі механизм. Сонымен қатар тіпті әлсіз
сәулелену жасушаға үлкен зақым келтіріп, қауіпті ауру түрлерін туғызуы
мүмкін (сәуле ауруы). Жоғары интенсивті сәулеленуде тірі организмдер өледі.
Сәулеленудің қауіптілігі – олардың үлкен дозаларында ешқанадай ауырсыну
байқалмайды.
Сәулеленудің биологиялық объектілерді зақымдау механизмі әлі толық
зерттелмеген. Бірақ олардың молеккулалар мен атомдарды иондайтыны және
олардың химиялық акивтілігін өзгертетіні белгілі. Сәулеленуге көбінеше
жасуша ядролары, әсіресе, тез бөлінетін жасушалардың ядролары сезімтал
келеді. Сондықтан да бірінші ретте сәлелену жұлынды зақымдайды, соның
салдарынан қан түзу процесі бұзылады, одан кейін ас қорыту мүшелерінің
жасушалары және т.б. мүшелер зақымдалады.
Сәулелелену тұқым қуалауға күшті әсерін тигізеді, көбінеше бұл әсер
жағымсыз болады.
Тірі организмдерді сәулелендіру белгілі бір пайда да келтіре алады.
Қатерлі ісіктің (рактың) тез көбейетін жасушалары қалыпты жасушаларға
қарағанда сәулеленуге сезімтал болып келеді. Радиоактивті препараттың
,- сәлелердің рак ісіктерін қайтаруы осыған негізделген. Мұндай
мақсаттар үшін, бұрын пайдаланып келген рентген сәулелерінен көрі бұлар
көбірек тиімді. - сәлелердің, сонымен бірге, басқа да иондаушы
сәулелердің затқа әсері иондаушы сәуле дозасымен сипатталады. Олар:
сәулеленудің жұтылған дозасы – сәулелену энергиясының (Е)
сәулеленген заттың массасына (m) қатынасына тең физикалық шама.
Сәуленің жұтылған дозасының бірлігі – грей (Гр) [ағылшын физигі С. Грей
(1666 – 1736)]; 1Гр=1Джкг – сәулелену дозасы, яғни массасы 1кг сәулеленген
затқа иондаушы сәуленің 1Дж энергиясының берілуі.
Радиацияның табиғи реңкінің (ғарыш сәулелері, қоршаған орта мен адам
денесінің раиоактивтілігі) бір жыл ішінде сәуле шығару дозасы әр адамға
Гр шамасында болады. Радиациядан қорғау халықаралық комиссиясы сәуле
шығарумен жұмыс істейтін адамдар үшін бір жыл ішінде шектік мүмкін болған
дозасын 0,05Гр деп қабылдаған. Қысқа мерзім ішінде алған 3 – 10Гр
сәулелелену дозасы өлім қаупін туғызады.
Сәулеленудің экспозициондық дозасы – сәулеленген ауадан бөлініп шыққан
(электронның иондаушы қабілеті толық пайдаланғанда) электрондар тудырған
бірдей таңбалы барлық иондардың электр зарядтарының жиынтығының осы ауаның
массасының қатынасына тең физикалық шама.
Сәулеленудің экспозициондық дозасының бірлігі – Клкг, яғни 1кг – ға
сәйкес келетін электр зарядының шамасы. Жүйеден тыс бірлігі рентген
(Р):1Р= Клкг болып табылады. Бұл бірлік рентген және -
сәлелердің иондау қабілетінің өлшеуіші болып табылады. Сәулелену дозасы 1Р
болады, егер С температурада және қысымы 760мм сынап бағанасында 1см3
құрғақ ауада әр бір таңбалы абсолют заряд бірлігін тасмалдайтын иондар
пайда болса. Бұл кезде жуықтап иондар жұбы түзіледі. Пайда болған
иондар саны заттың жұтатын энергиясына байланысты. Практикада қолданылатын
дозиметрлерде 1Р жуықтап алғанда 0,01Гр жұтылған сәуле дозасына
пропорционал деп есептеуге болады.
Биолагиялық доза – организмге сәулеленудің әсерін анықтайтын шама.
Биологиялық дозаның бірлігі – рентгеннің биологиялық эквиваленті (рбэ
немесе орысша бэр): 1рбэ немесе 1бэр – 1Р – ге тең болған рентгендік немесе
- сәлелердің дозасы сияқты биологиялық әсер тудыратын кез – келген
иондаушы сәулеленудің дозасы (1бэр= Джкг).
Сәулелену дозасының қуаты – сәулелену дозасының сәулелену уақытының
қатынасына тең шама. Ол 1) жұтылу дозасының қуаты (бірілігі- Грс); 2)
экспозиционды доза қуаты (бірілігі – Акг) болып бөлінеді.
Кез – келген радиация көзімен (радиоактивті изотоптар, реакторлар,
т.б.) жұмыс істегенде сәуле әсері бар аймаққа кездесіп қалу мүмкіндігі бар
адамдардың барлығының радиациядан қорғаныс шараларын орындауы талап етілуі
қажет.
Қорғаныстың ең қарапайым әдісі – қызметкерлердің сәуле шығару көзінен
жеткілікті қашықтыққа аластауы. Тіпті ауадағы жұтылуды есептемегеннің
өзінде радиацияның интенсивтілігі сәуле шығару көзінен қашықтықтың
квадратына кері пропорционал болып кемиді. Сондықтан радиоактивті
препараттары бар ампуланы ұстамау керек. Ұзын сабы бар арнайы қысқыштарды
қоданған дұрыс. Сәуле шығару көзінен алыстап кетуге мүмкін болмаған кезде
сәулелерден сақтануға арналған бөгетті жұтатын материалдардан жасайды.
Өтімділік қабілеті күшті болғандықтан - сәлелерден және
нейтрондардан қорғану анағұрлым күрделі. - сәлелерді ең жақсы жұтатын
қорғасын болып табылады. Баяу нейтрондарды бор мен кадмий жақсы жұтады.
Шапшаң нейтрондар алдын ала графиттің жәрдемімен баяулатылады.
§5. Элементтердің пайда болуы
Тіршіліктің пайда болуы сияқты ауыр элементтердің пайда болу
проблемасының да ғылымда маңызы зор. 1 – кестедегі мәліметтер элемдегі жер
қыртысының құрылымындағы және тірі организмдердегі химиялық элементтердің
таралуы әр түрлі екендігін көрсетеді.
Бірінші жағдайда ғылым біздің ғаламшардағы Күнді қоршайтын протоблоктың
ішкі бөлігінен аккреция арқылы пайда болған деп есептейді. Сол сияқты одан
біздің жүйеміздегі барлық ғаламшарлар пайда болған деп есептейді. Бұлттың
осы бөлігі әлемде ең көп таралған сутегіге қарағанда ауырырақ элементтерге
бай болғандықтан Жер басқаша заттардың жиынынан тұратын болып шыққан. Ал
біздің ғаламшарды құрайтын элементтер қайдан шыққан?
Қазіргі уақытта гелий мен сутегіге қарағанда ауырырақ элементтер
термоядролық синтез реакциясы өтетін жұлдыздарда пайда болғаны анықталған.
Мұнда сәйкес келетін отынның (гелий пайда болғанда сутегі, оттегі пайда
болғанда көміртегі және т.б.) жануы нәтижесінде жұлдыз қысылады (коллапс)
және қызады. Тағы да бұдан да ауырырақ элементтер тудыратын термоядролық
реакциялар жалғасады. Химиялық элементтің осы тремоядролық синтез
реакциясының тізбегі темір ядроларының түзілуімен тоқталады. Бұдан ауыр
элементтер мұндай жолмен түзіле алмайды, себебі осылайша арықарай жаңа
нуклондар қосу арқылы ядроларды күрделендіру тұрақсыз радиоактивті
изотоптардың түзілуіне алып келеді.
Темірден көрі ауырырақ элементтің түзілетін орны тым жаңа жұлдыздарждың
қабықшалары болып табылады. Заманауи ғылымның түсінігі бойынша мұндай
жұлдыздың жарылуы нәтижесінде тізбекті ядролық реакциялар пайда болады.
Олар көп мөлшердегі нейтрондардың түзілуімен өтеді. Осы нейтрондарды
ядролар қарпып алады да, аралық ядролар ыдырауға үлгермейді. Келесі
нейтронды қарпығанан кейін мұндай ядролар тұрақты бола бастайды және
олардың арықарай өсуі ешқандай кедергісіз өтеді. Осылайша, трансурандық
элементтердің ядроларына дейін түзілу мүмкін. Темірден көрі ауыр
элементтердің әлемде таралуының аздығы олардың қысқа уақыт аралығында
() түзілетіндігімен түсіндіріледі. Яғни тым жаңа жұлдыздың жарылуы
кезінде. Ал кең тараған жеңіл элементтер ауыр элементтерге қарағанда
массивті жұлдыздардағы бастапқы сутегіден түзілуі үшін әлде қайда ұзақ
уақытқа ие.
1 – кесте.
Негізгі химиялық элементтердің салыстырмалы құрамы
элемент Құрмы, %
Әлем Күн Өсімдіктер Адам
82 87 10 10
18 13 – –
0,33 0,33 0,28 3,0
0,33 0,33 3,0 18
0,33 0,33 0,03 0,05
0,3 0,25 79 65
0,01 0,004 0,15 0,254
0,01 0,004 0,15 0,254
0,01 0,004 0,15 0,254
т.б. 0,001 0,04 7,5 3,7
Тым жаңа жұлдыздың жарылуының нәтижесінде пайда болған ауыр элементтер
жұлдызаралық кеңістікке таралады. Онда олар негізінен сутек және гелийден
тұратын жұлдызаралық газбен араласады. Әлемнің эволюциясының соңғы этапында
осы материалдардан келесі буындағы жұлдыздар мен ғаламшарлар пайда болады.
Осылайша, Жер, ондағы барлық тіршілік және адамның организмі де Күн мен
біздің ғаламшардың пайда болуынан көп алдын жойылып кеткен кезіндегі жарық
жұлдыздардың жарқыншақтарынан түзілген деп айтуға болады.
§6. Тірі организмдердің химиялық құрамы
Ғаламшарымыздың бетіндегі тірі организмдердің химиялық құрамы Жер
қыртысындағыға қарағанда басқаша. Бұл тіршілікке қажетті элементтердің
кейбір ерекше қасиеттерімен түсіндіріледі. Тіршілікке Менделеев
кесетсіндегі шамамен алғашқы 20 элемент қажет деп тұжырымдайды ғалымдар.
Мұндай көміртегі, оттегі, сутегі, азот, күкірт, фосфор сияқты элементтердің
тірі молекула құруға қолданылуы олардың кіші өлшемдерімен және
реакциялық жоғары қабілетін анықтайтын 2 –ші және 3 – ші ретті байланысты
тұрақты қосылыстар түзе алатындығына негізделген. Әсіресе көміртегінің
тіршілікке маңызы зор: жердегі тіршілік химиясында негізгі құрылымдық
бірлік ретінде және күрделі молекулалар түзуде қолданады. Көміртегінің
тіршілікке маңызды элемент екенін оның ерекше химиялық қасиеттері
анықтайды. Солардың кейбіреулерін қарастырайық.
Көміртегі әлемде жеткілікті көп таралған. Оның өзін қоса алғанда басқа
атомдармен төрт коваленттік химиялық байланыс жасай алатын қабілеті бар.
Көміртегі басқа элементтермен қосылыс жасай алу жағынан барлық элементтерді
қоса алғандағыдан асып түседі. Мысалыға, сутегімен ол - ке дейін
қосылыстар түзе алады. Коваленттік байланыстар кеңістікті құрылымға ие
болғандықтан, көміртегі ақуыз бен нуклеин қышқылдары сияқты өте үлкен үш
өлшемді молекулалардың қаңқасын жасай алады. Кейбір термодинамикалық
тұрақсыздықтарға қарамастан, көміртегінің басқа заттармен қосылысы инертті.
Яғни химиялық реакцияларға аз қатысады. Бұл күрделі молекулалық жүйелердің
тұрақсыздылығын қамтамасыз етеді.
Жердегі тіршілікке қажетті осындай қайталанбас ерекше қасиеттерімен
көміртегі ерекше болып табылады. Оның жақын бәсекелесі басқа химиялық
элементтерге қарағанда тіршілікке қажетті элементтерге қойылатын
сұранысты қанағаттандыратын кремний болып табылады. Әйткенменде,
көміртегіге қарағанда кремнидің атомаралық байланыстары екі есе әлсіз. Бұл
кремний атомдарының көміртегі сияқты ұзын тізбек немесе сақина түзуінің
ықтималдығы төмен. Бірақ сонымен бірге, кремний оттегімен берік қосылыстар
түзуі мүмкін. Соның арқасында жердегі барлық кремний оксид түрінде және ол
өте берік. Сондықтан да кремний біздің түсінігімізше тіршіліктің емес, тау
жыныстарының материалы болып табылады. Мұны астрономиялық мәліметтер де
дәлелдейді: метеориттерде, кометаларда, жұлдызаралық бұлттарда және
жұлдыздар атмосферасында көміртегі тектес әр түрлі күрделі органикалық
молекулалар табылған, ал кремний барлық уақытта оттегімен қосылыста
кездеседі.
Басқа екі биогенді элемент – күкірт және фосфор. Олар айтарлықтай аз
мөлшерде кездеседі. Бірақ, ретті химиялық байланыстар түзуде маңызы бар.
Осының арқасында бұл элементтер ақуыздың (күкірт) және нуклеин
қышқылдарының (фосфор) құрамына енеді.
Натрий, магний, калий, кальций, хлор аз мөлшерде организмдерді құруға
қатысады. Бұл элементтердің атомдық қалдықтары жасуша мембраналарындағы
зат алмасу процесіне өте қажетті. Тірі организмдерде аз мөлшерде темір,
марганец, кобальт, мыс, цинк, ванадий және йод болады. Мысалыға темір тыныс
алуда, ал йод гармон түзуде үлкен роль атқарады.
Химиялық элементтер адам ағзасына ауадан және тамақ арқылы түседі.
Микроэлементтік меню әр елдің тұрғындарында әр түрлі. Ол күнделікті
уақытта және мейрамдарда, қыста және жазда әр түрлі. Мысалыға ағылшын
ғалымдары Британия аралдарының әрбір тұрғыны күнделікті орта есеппен 5400мг
хлор, 4600мг натрий, 23,2мг темір, 0,32мг қорғасын, 0,3мг күміс және
сурьма, 0,01 – 0,001мг алтын, 0,001 – 0,0001мг платина мен уран тұтынатынын
анықтаған.
Адам ағзасындағы тіршілікке қажетті элементтер табиғаттағы зат
алмасудың жалпы бір этапы болып табылады. Одан кейін бұл элементтер
қайтадан қоршаған ортаға оралады.
§7. Ғарыштық сәулелер
Элементар бөлшектер физикасының дамуы ғарыштық сәулелерді зерттеумен
тығыз байланысты. Ғарыштан Жерге келіп түскен сәулелер барлық бағытта
изотропты дерлік. Бөлшектер мен радиоактивті сәулелерді зерттеу тәсілдері
сияқты ғарыштық сәулелердің интенсивтілігін өлшеу оның биіктік өскен сайын
интенсивтілігі өсетінін, максимумға жетіп, одан кейін қайта кеміп, км
биіктікте тұрақты болып қалатынын көрсетеді. (1 – сурет).
Ғарыштық сәулелерді бірінші және екінші ретті деп екіге бөледі. Ғарышта
пайда болған сәулелерді бірінші ретті сәулелер деп атайды. Оның құрамын
зерттеулер бірінші ретті сәулелер жоғары энергиялы элементар бөлшектер
ағыны екенін көрсетті. Соның 90% - ы энергиясы эВ болған протондар,
70% - - бөлшектер және тек 1% қана ауыр элементтердің () ядролары
екені анықталды. Соңғы астофизика мен радиоастрономия мәліметтеріне
негізделген заманауи түсініктер бойынша бірінші ретті ғарыштық сәулелердің
галактикалық табиғаты бар деп есептелінеді. Бөлшектердің мұндай жоғары
энергияға дейін үдетілуі олардың қозғалыстағы жұлдызаралық магнит
өрістерімен соқтығысуынан деп түсінеді. км (1 – суретті қара)
биіктікте ғарыштық сәулелердің интенсивтілігі тұрақты, бұл биіктіктерде тек
бірінші ретті сәулелер байқалады.
Жерге жақындай келе ғарыштық сәулелердің интенсивтілігі өседі. Бұл
бірінші ретті ғарыштық сәулелердің Жер атмосферасының атом ядролаларымен
әсерлесуінің нәтижесінде пайда болатын екінші ретті ғарыштық сәулелердің
пайда болуын көрсетеді. Екінші ретті ғарыштық сәулелерде барлық дерлік
белгілі элементар бөлшектер кездеседі. км кезінде ғарыштық сәуле
екінші ретті болып есептелінеді. кемейген сайын оның интенсивтілігі
төмендейді. Себебі екінші ретті бөлшектер Жер бетіне жақындағанда жұтыла
бастайды.
Екінші ретті ғарыштық сәулелердің құрамында екі компонентті ажыратуға
болады: жұмсақ (қорғасында қатты жұтылады) және қатаң (қорғасыннан өту
қабілеті жоғары). Жұмсақ компонетаның пайда болуы былайша түсіндіріледі:
ғарыштық кеңістікте әр уақытта энергиясы болған -кванттар
кездеседі. Олар атом ядросының өрісінде электрон – позитрондық жұпқа
айналады. Осылайша, пайда болған электрондар мен позитрондар тежеле келе
энергиясы жаңа электрон – позитрондық жұптарды түзуге әлі жеткілікті -
квантты тудырады. Осылайша кванттардың энергиясы - тан кіші болғанша
жалғаса береді (2 – сурет). Бұл процесс электрон – позитрон - фотондық
(немесе каскадты) жауын деп атайды. Дегенмен, осы жауындарды тудыратын
алғашқы бөлшектер орасан зор энергияға ие болғанмен, жауындық бөлшектер
жұмсақ болып табылады және олар қалың заттардан өте алмайды. Осылайша
жауындық бөлшектер – электрондар, позитрондар және -кванттар екінші
ретті ғарыштық сәулелердің жұмсақ компоненталары болып табылады. Қатаң
компоненттердің табиғаты алдағы кезекте қарастырылады (§24 қара).
Ғарыштық сәулелерді зерттеу бір жағынан элементар бөлшектер физикасының
дамуының бастапқы этапында осы ғылым саласы негізделген негізгі
эксперименталды мәліметтер алуға көмектесті. Ал екінші жағынан әлі де
жасанды жолмен алынбаған энергиясы аса жоғары эВ – қа дейінгі
бөлшектреді зерттеуге мүмкіндік береді. 50 – ші жылдардан бастап элементар
бөлшектерді зерттеуде үдеткіштер қолданыла бастады (бөлшектерді жүздеген
ГэВ – қа дейін үдетуге мүмкіндік береді). Осының салдарынан ғарыштық
сәулелердің оларды зерттеуде маңызы кетті. Олар тек аса жоғары энергиялы
бөлшектердің негізгі көзі болып қана табылады.
II тарау. Атом ядросының моделдері және сипаттамалары
§8. Атом ядросының өлшемі, құрамы және заряды.
Зарядтық және массалық сан
Э. Резерфорд энергиялары бірнеше МэВ болған - бөлшектің жұқа алтын
қаңылтырдан өтуін зертей келе, атомның оң зарядталған ядродан және оны
қоршаған электрондардан тұратынын байқады. Осы зерттеулерді саралай келе
Резерфорд атомның ядросы м – ге тең болғанын анықтады (атомның
сызықтық өлшемдері шамамен м).
Атом ядросы оң зарядталған протоннан және электр заряды жоқ нейтроннан
тұрады. Ядроның протон – нейтрондық моделін орыс физигі Д. Д. Иваненко
ұсынған, ал одан кейін неміс ғалымы В. Гейзенберг жалғастырған.
Протон () оң зарядталған, заряды электрон зарядына тең және
тыныштық массасы кг, мұндағы - электронның массасы. Нейтрон
() тыныштық массасы кгболған нейтрал бөлшек. Протон мен
нейтрондарды нуклондар деп атайды (латынның - ядро). Атом ядросындағы
барлық нуклондар саны массалық сандар (А) деп аталады.
Атомдық ядро зарядпен сипатталады. - ядроның зарядтық саны,
ол ядродағы протондар санына және Менделеев кестесіндегі элементтердің
атомдық номеріне тең. Қазіргі уақытта Менделеев кестесінің зарядтар саны
- ден болған 107 элементі белгілі.
Нейтрал атомды белгілегендей ядроны да деп белгілейді, мұндағы Х –
химиялық элементтің символы, - атомдық номер, яғни ядродағы протондар
саны (қалыпты жағдайдағы), А – массалық сан (ядродағы нуклондар саны).
Қазіргі кезде ядроның протон – нейтрондық моделі ешқандай күдік
тудырмайды. Сонымен қатар, протон – электрондық гипотеза қарастырылған,
бірақ экспериментальды зерттеулер оның дұрыс еместігін көрсетті. Егер тап
осы гипотезаны ұстансақ, онда А массалық сан ядродағы протондар санын
көрсету керек, ал массалық сан мен электрондар санының айырмашылығы
зарядтық санға тең болуы керек еді. Бұл модел изотоптық масса және
изотоптық заряд мәндерімен сәйкес келеді, бірақ ядроның спиндерімен және
магнит моменттерімен, сонымен қатар, ядроның байланыс энергиясының
мәндерімен сәйкес келмейді. Сонымен бірге бұл модель анықталмаушылық
қатынасымен де сәйкестенбейді. Нәтижеде ядро құрылымының протон –
электрондық гипотезасы алынып тасталды.
Атом нейтрал болғандықтан ондағы электрондар санын ядроның заряды
анықтайды. Электронның атомдағы деңгейлерге таралуы олардың санына
байланысты. Ал бұдан атомның хииялық қасиеттері келіп шығады. Ядро заряды
сол химиялық элементтің ерекшклігін анықтайды, яғни атомдағы электрондар
санын, электрондық қабықшалардың конфигурациясын, атом ішіндегі электр
өрісінің сипатын және өлшемін.
Егер атом ядросының зарядтар саны бірдей, ал массалық саны А әр
түрлі болса, яғни нейтрондар саны әр түрлі () болса, онда ядролар
изотоптар деп аталды. Ал егер массалық саны А бірдей, бірақ зарядтар саны
әр түрлі болса, ядроларды изобарлар деп атайды. Мысалыға сутегінің
() үш изотопы бар: - протий (, ); - дейтерий
(, ); - тритий (, ), қалайыда 10 және т.б. Көп
жағдайларда бір химиялық элементтің изотоптары бірдей химиялық және бірдей
дерлік физикалық қасиеттерге ие. Бірақ, мысалыға сутегі изотоптары үшін
бұндай болмайды. Себебі элемент изотоптарының электрондық қабықшаларының
құрылымдары бірдей. Изобаралық ядроларға мысал бола алады. Қазіргі
уақытта зарядтар санымен, немесе А массалық санымен, не екуімен де
ажыратылатын 2500 ядролар белгілі.
Ядроның радиусы эмпирикалық формуламен беріледі:
(8.1)
мұндағы м. Дегенмен, бұл түсінікті (шаманы) қолданғанда (оның бір
мәнсізділігінен мысалыға: ядро шекарасының бұлыңғырлығынан) сақ болған жөн.
(8.1) – формуласынан ядро көлемінің онда нуклондар санына пропорционал
екендігі келіп шығады. Бұдан, барлық атом ядролары үшін олардың тығыздығы
бірдей екендігі анықталды. Ол шамамен кгм3.
§9. Ядроның массасы және байланыс энергиясы
Зерттеулер атом ядроларының орнықты түзілетіндігін көрсетеді. Бұл
ядродағы нуклондар арасында белгілі бір байланыс бар екендігін білдіреді.
Ядроның массасын масс – спектрометрлерде – меншікті зарядтары әр
түрлі зарядталған бөлшектер шоғының массаларын электр және магнит
өрістерінің әсері арқылы өлшейтін құрылғыларда өте дәл анықтауға болады.
Масс – спектрометриялық өлшеулер ядро массасының оны құрайтын нуклондардың
массалар қосындысынан кіші екендігін көрсетті. Кез – келген масса
өзгерісіне энергия өзгерісі сәйкес келетіндіктен, ядро түзілген кезде
белгілі бір энергия бөлініп шығуы керек. Энергияның сақталу заңынан
керісінше: ядроны оны құрайтын бөлшектерге бөлу үшін ядро түзілген
кездегідей энергия жұмсау қажет. Ядроны оны құрайтын нуклондарға ыдырату
үшін қажет болған энергияны ядроның байланыс энергиясы деп атайды.
Ядродағы нуклондардың байланыс энергиясы
(9.1)
мұндағы - сәйкесінше протонның, нейтронның және ядроның массасы.
Кестелерде әдетте - ядро массалары емес, - атом массалары
беріледі. Сондықтан ядроның байланыс энергиясына мына формуланы қолданады:
(9.2)
мұндағы - сутегі атомының массасы. -дан шамасына
үлкен болғандықтан, тік жақша ішіндегі бірінші мүшеге электрон
массасы енеді. атом массасы ядро массасынан электрондар
массасы арқылы ажыратылатын болғандықтан, (9.1) және (9.2) формулаларының
есептеу нәтижелері бірдей болады.
шамасы ядро массасының ақауы деп аталады. Тура осы шамаға атом ядросы
түзілгенде барлық нуклондардың массасы кемиді.
Көбінеше байланыс энергиясының орнына бір нуклонға сәйкес келетін
меншікті байланыс энергиясын қарастырылады. Ол атом ядросының
орнықтылығын сипаттайды. Яғни қаншалықты көп болса, соншалықты ядро
орнықты. Меншікті байланыс энергиясы элементтің А массалық санына
байланысты (3 – сурет). Жеңіл ядролар үшін меншікті байланыс
энергиясы 6 – 7МэВ – ке дейін өседі, кейбір жерлерінде ауытқулар байқалады
(мысалы, үшін =1.1МэВ, үшін 7.1МэВ, үшін 5.3МэВ)
одан кейін жайлап максималды 8.7МэВ шамаға дейін өседі (элементтері
үшін). Ал бұдан кейін ауыр элементтерге қарай кемиді (мысалы, үшін
7.6МэВ). Салыстыру үшін айта кетейік, атомдардағы валентті электрондардың
байланыс энергиясы шамамен 10эВ құрайды ( есе кіші).
Ауыр элементтерге өткенде меншікті байланыс энергиясының кемуі
ядродағы протондар санының көбеюімен, олар тудыратын кулондық тебілу
энергиясының да көбеюімен түсіндіріледі. Сондықтан нуклондар арасындағы
байланыс әлсірейді, ал ядролардың орнықтылығы төмендейді.
Өте орнықты ядролар сиқырлы (магиялық) ядролар болып табылады. Олардың
протондар немесе нейтрондар саны сиқырлы санның біреуіне тең болады: 2, 8,
20, 28, 50, 82, 126. Әсіресе екі есе сиқырлы ядролар стабильді болады.
Олардың протондар саны да, нейтрондар саны да сиқырлы болып табылады. Ол
ядролар бар – жоғы бесеу: , , , .
3 – суреттен көрініп тұрғандай, энергетикалық тұрғыдан орнықты болып
табылатын ядролар Менделеев кестесіндегі орта бөлігінде орналасқан
элементтердің ядоролары. Жеңіл және ауыр ядролар орнықсыздау. Бұл
энергетикалық тұрғыдан мына процестердің тиімді екендігін көрсетеді: 1)
ауыр ядролардың жеңілдеріне бөлінуі; 2) жеңіл ядролардың бір – бірімен
бірігіп, ауыр ядролар түзуі. Екі процесте де орасан зор энергия бөлініп
шығады. Қазіргі уақытта бұл процестер іс жүзінде практикада іске асқан, ол
тізбекті реакциялар және термоядролық реакциялар.
§10. Ядроның спині және магнит моменті
Қазіргі кезде ажыратқыш қабілеті жоғары приборларды пайдаланып және
спектр шығаратын арнаулы қоздыру көзінің болуы спектр сызықтарының аса жұқа
құрылымын зерттеуге мүмкіндік береді. Бұл спектрлік сызықтың ерекше
қасиетін швейцар ғалымы В. Паули 1924 ж атом ядросының меншікті импульс
моментінің (спин) және магнит моментінің болуынан деп түсіндірді.
Ядроның меншікті импульс моменті – ядроның спині ядродағы
нуклондардың жеке спиндері мен олардың орбиталдық моменттерінің ядро
ішіндегі нуклондардың қозғалысынан пайда болатын импульс моменттерінің
қосындысынан тұрады. Осы екі шама да вектор болып табылады. Сондықтан ядро
спині олардың векторлық қосындысы болып табылады. Ядро спині заңы
бойынша квантталады, мұндағы - ядролық спиндік кванттық сан (оны
көбінеше ядро спині деп те атайды). Ол бүтін немесе жартылай бүтін мәндер
қабылдайды: 0, 12, 1, 32, ... Егер ядродағы нуклондар саны (А) жұп
болса, онда спиннің () мәні бүтін сан, ал егер (А) тақ болса, онда
() – нің мәні жартылай бүтін сан болады.
Атомдық ядроның спинінен басқа магнитмоменті бар. Ядроның магнит
моменті спинмен байланысқан, мұндағы - пропорционалдық
коэффициент – ядролық гиромагниттік қатынас деп аталады.
Ядролардың магнит моменттерінің өлшем бірлігі – ядролық магнитон.
(10.1)
мұндағы - протон массасы. Ядролық магнитон Бор магнитонынан есе
кіші. Сондықтан атомның магниттік қасиеттері негізінен оның электрондарының
магниттік қасиеттерімен анықталады.
Зееман эффектісі кезінде атомды магнит өрісіне салған кезде
энергетикалық деңгейлердің және электрондардың спин орбиталдық әсерлесуіне
негізделген нәзік құрылымның спектральдық сызықтарының бөлінуі байқалады.
Сыртқы магнит өрісінде сонымен қатар, атом энергетикалық деңгейлерінің бір
– біріне жақын орналасқан ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz