§33.Ядролық физика

 

          Атом ядросының құрылысын, қасиеттерін және түрленуін зерттейтін физиканың бөлімін ядролық физика деп атайды. Атом ядросы нейтрондар мен протондардан тұрады. Атомдық және ядролық физикада бөлшектердің массасын анықтағанда массаның атомдық бірлігі деп аталатын шама қолданылады.

1 м.а.б. = 1,66.10-27 кг (массаның атомдық бірлігі).

Протонның массасы мен заряды:

m p=1836me≈1,67.10-27 кг,  e0=1,6.10-19  Кл.

Нейтронның массасы:

m n=1839me.

Нейтрон электрлік бейтарап бөлшек болып табылады.

          Атом ядросындағы нейтрондар мен протондар нуклондар деп аталады. Ядродағы жалпы нуклондар санын массалық сан деп атайды.

A=Z+N - массалық сан, Z - протон саны,  N - нейтрон саны.

          Ядродағы протондар саны сол химиялық элементтердің Менделеев кестесіндегі реттік номеріне тең болады.

Кез-келген ядроның негізгі сипаттамаларының бірі оның заряды болып табылады. Ядро заряды +Ze0  тең болады.

Атом ядросының келесі сипаттамасы ядроның радиусы болып табылады.

мұндағы: .

Ядроның өлшемдері ядродағы нуклондар санына тәуелді. Ядродағы протондар саны бірдей, бірақ массалық сандары әртүрлі химиялық элементтерді изотоптар деп атайды. Массалық сандары бірдей, бірақ протондар саны әртүрлі элементтерді изобарлар деп атайды. Ядродағы нейтрондар саны бірдей элементтерді изотондар деп атайды. Ядродағы протондар мен массалық сандары бірдей, бірақ жартылай ыдырау периодтары әртүрлі элементтерді изомерлер деп атайды.

Ядроның меншікті импульс моменті - спині болады.

,

мұндағы: І-толық кванттық сан, I=0, 1/2, 1, 3/2, 2…

 
33.1.Ядролық күштер

          Ядродағы нуклондарды біріктіріп ұстап тұрған күш ядролық күш болып табылады. Ядролық күш күшті өзара әсерлесулерге жатады. Ядролық күштің қасиеттері:

1.     Ядролық күштер өте қысқа қашықтықта әсер етеді. Оның әсер ету ара-қашықтығы шамамен~10-15 м.

2.     Ядролық күштер қанығу мәніне ие болады. Яғни әрбір нуклондар тек көршілес белгілі нуклондармен әсерлесе алады.

3.     Ядролық өзара әсерлесу бөлшектердің зарядына тәуелсіз болады. Яғни екі протонның немесе екі нейтронның өзара әсерлесу ядролық күші нейтрон мен протон арасындағы өзара әсерлесу күшіне тең болады.

4.     Ядролық күш нуклонның спинінің бағытына тәуелді болады.

5.     Ядролық күштер центрлік күштерге жатпайды.

 

33.2.Атом ядросының модельдері

1.     Ядроның тамшылық моделі. Бұл модельді Бор мен Френкель ұсынды. Бұл модельде нуклондар су тамшысындағыдай тәртіппен орналасқан. Осы модельмен ядроның спонтанды бөлінуін түсіндіруге болады.

2.     Ядроның қабықшалық моделі. Бұл модельді америка ғалымы Гепперт-Майер ұсынды. Бұл модельде нуклондар энергетикалық қабықшаларда орналасады. Қабықшаларды толтырып орналасқанда нуклондар Паули принципіне бағынады.

 

33.3.Ядроның байланыс энергиясы

          Нуклонның байланыс энергиясы деп нуклонды ядро құрамынан жұлып шығуға қажетті энергияның мөлшерін айтады.

Жеке нуклондардың массасынан осы нуклондардан құралған ядроның массасының айырмасын  массалар дефектісі деп атайды.

 немесе .

          Ядроның байланыс энергиясы деп ядроны құрамды нуклондарға жіктеуге қажетті энергияның мөлшерін айтады.

,

мұндағы: с- вакуумдегі жарық жылдамдығы, - ядроның массасы.

Бір нуклонға сәйкес келетін байланыс энергиясын меншікті байланыс энергиясы деп атайды.

.

33.4.Радиоактивтілік

          Радиоактивтілік деп кейбір атомдардың ядроларының өздігімен басқа элементтердің ядроларына түрленуін айтады. Радиоактивтілік табиғи және жасанды болып бөлінеді. Табиғи радиоактивтілік табиғатта кездесетін тұрақсыз изотоптарда байқалады. Жасанды радиоактивтілік  ядролық реакциялардың нәтижесінде алынған радиоактивті изотоптарда байқалады.

Радиоактивтілік құбылыстардың келесі түрлері кездеседі:

1. α – ыдырау;

2. β – ыдырау;                

3. ядролардың γ – сәулелер шығаруы;

4. ауыр ядролардың спонтанды (өз-бетімен) ыдырауы;

5. протондық радиоактивтілік.

 

33.5.Радиоактивтіліктің ыдырау заңы

Аз  уақыт  ішінде ыдырайтын  ядролар саны бастапқы уақыттағы  ядролар санына тура пропорционал болады:

,

,

мұндағы: -бастапқы уақыттағы ядролар саны, - t уақыт мезетіндегі ыдырамаған ядролар саны.

Осы өрнек радиоактивтілік ыдырау заңы деп аталады.

Радиоактивтілік кезінде ыдыраған ядролар санын келесі өрнекпен анықтайды:

,

мұндағы:   -ыдырау тұрақтысы.

Бастапқы ядролардың жартысы ыдырайтын уақытты жартылай ыдырау периоды деп атайды.

.

Радиоактивті элементтің активтілігі деп бірлік уақыттағы ыдырау санын айтады. Өлшем бірлігі (Беккерель).

.

 

33.6.Альфа-ыдырау

-сәулелері гелий атомының ядроларының ағыны болып табылады. -сәулелерінің заряды , массалық саны 4-ке тең. -ыдырау келесі заңдылыққа бағынады:

 бөлшектерінің өтімділік қабілеті өте аз, ол қалыңдығы 0,1 мм қағаздан өте алмайды. Тек -сәулесін шығарған радиоактивті элемент Менделеев кестесінде, кестенің бас жағына қарай 2 көзге ығысады.

 

33.7.Бета-ыдырау

Негізінде -сәулелері электрондар ағыны болып табылады. -ыдыраудың келесі түрлері кездеседі:

1)     Электрондық -ыдырау;

2)     Позитрондық -ыдырау;

3)      Электрон қармау (көп жағдайда К-қармау).

 Электрондық -ыдырау келесі заңдылыққа бағынады:

,

мұндағы :-антинейтрино.

Тек электрондық -сәулесін шығарған радиоактивті элемент Менделеев кестесінде, кестенің соңғы жағына қарай 1 көзге ығысады.

Позитрондық -ыдырау келесі заңдылыққа бағынады:

,

мұндағы :-нейтрино.

Электрон қармау кезінде ядро өз атомындағы қабықшалардағы электрондарды, көп жағдайда К-электрондарды жұтып, ядродағы бір протон нейтронға айналады.

Электрон қармау келесі заңдылыққа бағынады:

,

-сәулелерінің өтімділік қабілеті өте жоғары.

33.8.Гамма-сәулелері

-сәулелері тербеліс жиілігі өте жоғары электромагниттік толқын болып табылады. -сәулелерінің өтімділік қабілеті -сәулесі және-сәулесіне қарағанда өте жоғары болады. Негізінен -сәулелері басқа ыдыраулармен бірге жүреді.

Протондық радиоактивтілік

Протондық радиоактивтілік кезінде ядро бір немесе екі протон шығара отырып түрленеді.