Атом ядросы және элементар бөлшектер физикасы бөлiмiнiң мазмұнына әдiстемелiк талдау

Байланыс энергиясы, нуклондардың өзара түрленуi. Орнықты элементар бөлшектер. Антибөлшектер. Бөлшектенген заряд. Кварктар.

Атом шағын ядродан және оның электрондық қабатынан тұрады. Ядроның электр заряды q = Ze, мұндағы Z - зарядтық сан (химиялық элементтiң реттiк нөмiрi), е - элементар заряд шамасы. Ядроның сипаттамалары үшiн арнаулы өлшемдер қолданылады. Ұзындық бiрлiгi - ферми (фемтометр) :

1фм. = 10 ^-15 м.

Массаның атомдық бiрлiгi:

1м.а.б. = 1,66 · 10 ^-27 кг.

Бұл бiрлiкпен қатар оның Е_о=931,5 Мэв (мегаэлектронвольт),энергетикалық эквивалентi қолданылады.

Электрон массасының энергетикалық эквивалентi:

m_e = 5,48 · 10 ^-4 м.а.б. = 0,511 Мэв.

Ядроның массасын (М) атомдық бiрлiкпен өлшегендегi нәтижеге ең жақын бүтiн сан массалық сан (А) деп аталады.

Атом ядросының құрамына кiретiн бөлшектердiң ең алғаш белгiлi болғандары - протон және нейтрон. Протонның заряды бiр оң элементар зарядка (е) тең. Нейтронның электрлiк заряды жоқ. Ескеретiн нәрсе - нейтронның массасы (m_n = 939 Мэв) протонның массасынан (m_р = 939 Мэв) 0,2  шамаға көп. Ядродағы протон саны Z, нейтрон саны N, ал жалпы нуклон (протон және нейтрон) саны массалық санға тең:

A=Z+N (1)

Нейтрон мен протон ерекше күш - ядролық күшпен бiр-бiрiне тартылады, сөйтiп ядро құрайды. Ендi олардың ядро құрамындағы (байланысқан күйдегi) энергиясы бос күйлерiндегi энергияларының қосындысынан аз болады. Бұл айырым байланыс энергиясы (Е деп аталады:

Еm_р + Nm_n - m_я )c² = mc², (2)

мұндағы m_я - ядроның массасы, m - масса ақауы. Атом ядросын бөлу үшiн ең аз дегенде  Е энергия жұмсау қажет. Әрбiр нуклон санына сәйкес келетiн меншiктi байланыс энергиясының (Е/А) массалық санға (А) байланысы график түрiнде барлық оқулықтарда келтiрiледi (11.1-сурет). Бұл графиктi физиканың түбегейлi заңдылықтарын түсiндiруге пайдалануға болады. Графиктiң сол жағында А өскенде Е > 0 , яғни жеңiл ядролар қосылып ауыр ядро құрғанда, энергия бөлiнiп шығады. Мұндай реакциялар термоядролық синтез реакциялары деп аталады, олардың мысалы:

₁³Н +₁²Н ₂⁴Не  ₀¹n . (3)

1-сурет. Байланыс энергияның массалық санға тәуелділігі

Сутегi изотоптары тритий және дейтерий қосылып гелий түзейдi және нейтрон бөлiп шығарады. Мұндай реакция нәтижесiнде 1г гелий түзiлсе 10 тонна жанармай жаққандағы энергия алынады. Термоядролық реакция әзiрше сутегi бомбасы түрiнде iске асырылып отыр, оны реттеп, бейбiт мақсатқа пайдалану қазiргi ғылым мен техниканың басты мақсаты.

Графиктiң оң жағында А азайғанда Е > 0 , яғни ауыр ядролар ыдырап жеңiл ядроларға айналғанда энергия бөлiнедi. Тiзбектi бөлiну реакциясының мысалы:

. (4)

Уран изотопы торий изотопына және альфа-бөлшекке (гелий атомының ядросына) ыдырайды. Ыдырау реакциялары атом энергетикасының және атом бомбасының негiзi болып табылады. Қазiргi кездегi ғылыми, қоғамдық проблема атом энергиясын залалсыз пайдалану болып отыр.

Графиктiң орта тұсында , массалық саны темiрдiкiне жақын (А  56) элементтер үшiн А өзгергенмен Е  0, яғни бұл элементтер орнықты, энергия бөлiну процестерi тиiмдi емес. Ауыр элементтер ыдырап, жеңiл элементтер синтездiк реакцияға түсiп таусылғаннан соң (мысалы, жұлдыздар iшiнде) объект орнықты, темiр тәрiздес затқа айналады. Бұл жағдай нейтрондық жұлдыз, қара құрдым пайда болуының бастапқы кезеңi.

Элементар (қарапайым, негiзгi) бөлшек деп физиканың қазiргi даму деңгейi тұрғысынан қарағанда оны басқа қарапайым бөлiктерден тұрады деп қарастыруға болмайтын бөлшектердi айтамыз. Алғашында элементар бөлшек ретiнде электрон, протон, нейтрон және фотон қарастырылды. Бiрақ бос күйiндегi нейтрон

, (5)

схемасы бойынша протонға, электронға және антинейтронға ыдырайды. Сөйтiп, элементар бөлшектердiң түрленгiштiк қасиетi белгiлi болды. Кейiнiрек барлық элементар бөлшектердiң антибөлшектерiнiң болу мүмкiндiгi белгiлi болды. Антибөлшектiң бөлшекке заряды, немесе импульс моментi, т.б. қасиеттерi қарама-қарсы болады (электрон-позитрон, протон-антипротон, нейтрино-антинейтрино). Бөлшек пен антибөлшек соқтығысқанда олар жойылып (аннигиляция болып) өрiс кванты пайда болады. Мысалы, электрон-позитрон аннигиляциясында 2 фотон пайда болады:

. (6)

ғылымда бөлшектер мен антибөлшектердiң аннигиляциясы кезiнде бөлiнген энергия Әлемнiң ұлғаюының себепшiсi деген тұжырым бар.

Элементар бөлшектер туралы оқытудың мазмұнын анықтағанда алғашқы мағлұматта қандай бөлшектер туралы айту керек деген сұрақ туады. Алдымен ыдырамайтын, орнықтылығы үлкен бөлшектер (электрон, протон нейтрон, нейтринонның 3 түрi) туралы айтылады. Одан кейiн нуклондардың әсерлесуiн түсiндiруге қажет (алмасу механизмiн) тәжрибеде байқалған мезондар түсiнiгi қалыптастырылады.

Болу мүмкiндiгi тәжрибе нәтижесiнен туындайтын маңызды элементар бөлшектер-кварктар. Нейтрон мен протонды аса жылдам (релятивистiк) электрондармен атқылау олардың iшiнде бөлшектенген электр заряды бар элементар бөлшектердiң бар екендiгiн дәлелдедi (11.2-сурет). Нейтронның ортасында оң заряд, шетiнде терiс заряд бар, олардың қосындылары нольге тең. Ең қарапайым түрде 3 кварк арқылы нейтрон мен протонның құрылымын былай сипаттауға болады:

. (7)

2-сурет. Протон (а) және нейтронның (б)

электрмагниттік құрылымы

Бiрақ басқа ядролық бөлшектердiң мысалы, мезондардың) құрылымы 3 кваркпен толық түсiндiрiлмейдi, сондықтан кварктардың көптеген басқа түрлерiн (әртүрлi “түсi” бар) енгiзу қажет болды. Жекеленген кварктер тәжрибеде тiкелей байқамайды, бұл факт олардың арасындағы қашықтық бойынша әлсiремейтiн, қайта артатын күш (желiм тәрiздi) арқылы түсiндiрiлдi.

Кварктер глюондармен (“желiм” кванттарымен) алмасу арқылы өзара әсерлеседi. Сонымен, физиканың қазiргi жетiстiктерi бойынша 36 кварк және антикварк, 8 глюон, 12 лептон (нейтрино,электрон т.б. ) және олардың антибөлшектерi және фотон туралы, яғни барлығы 57 элементар бөлшек туралы айтуға болады. Фотон тағы да ерекше тұр, оның себебiн бiз жоғарыда түсiндiргенбiз.

Лекция 14