15. Атом ядросы.

Атомдық физиканың дамуы атом ядросы екі түрлі бөлшектерден - протондар мен нейтрондардан құралатындығын көрсетті. Оларды нуклондар немесе ядролық бөлшектер деп те атайды.

Протон сутегі атомының ядросы болып табылады және оң зарядты, мәні жағынан электронның зарядына тең, ал нейтронның электрлік заряды жоқ және ал массасы протонның массасына жақын. Протон мен нейтрон, электрон сияқты, меншікті механикалық және магниттік моменттеріне ие, сондай-ақ протон мен нейтронның спиндері бар, ол жартыға тең ( ).

Нуклондарға қолданылатын ядролық магнетон деп аталатын магниттік момент бірлігі былай анықталады:

Бұл бірліктерде протон және нейтрон магниттік моменттері мынадай мәндерге ие болады:

-дегі “–” таңбасы нейтронның меншікті механикалық және магниттік моменттерінің бағыттарының қарама-қарсы екендігін көрсетеді.

Ядролық физикада элементар бөлшектердің массасын энергия бірлігінде ( ) берілуін ескерсе, онда протон мен нейтронның массалары мына мәндерге ие болады Сондай-ақ

Одан басқа, атомдық массасы бірлігі (а.м.б.) қолданылады және ол мынаған тең:

ал

Мынаны ойда сақтау керек: атомдық масса бірлігі оттегі изотобы массасының бөлігіне сәйкес келеді және -ға тең.

Алғашқыда, кейбір табиғи элементтердің өздігінен ыдырау қабілеттілігі радиоактивтілік деп түсіндірілді. Бірінші рет радиоактивтілік құбылысын А. Беккерел 1896 жылы құрамында радий бар уран тұзын зерттеген кезде байқады. Табиғи радиоактивтілік ыдырау кезінде жеңіл бөлшектердің сәулеленулері орын алады, бұл жағдайда α, β және позитрондар шығарылады. Радиоактивтік ыдырау кезінде электромагниттік γ- сәулелену өздігінен жүре алмайды, тек жоғарыда айтылған сәулеленумен қатарласа жүреді.

Әртүрлі химиялық элементтердің көп мөлшердегі тұрақсыз изотоптардың ашылуы және жасанды радиоактивтілікті зерттеулер нәтижесінде, қазіргі заманда радиоактивтілік - элементар бөлшектер мен жеңіл атомдар ядроларын шығара отырып бір элемент изотопының басқа элемент изотопына айналуы деп түсіндіріледі.

Радиоактивті ыдырау заңы жеке ыдырау актілерінің статистикалық тәуелсіздігіне негізделеді және радиоактивті зат мөлшерінің уақытқа байланысты экспоненциалды азаю заңы болып табылады. Шынында да, радиоактивті заттың бастапқы мөлшері алғашқы t₀ уақыт мезетінде q₀ болса, ал t уақыт кезінде q-ға тең болды, онда тәжірибелерден байқалғандай

мұндағы ∆q ­ ∆t уақыт аралығында радиоактивті заттың өзгеруі.

мұндағы (-) таңбасы ыдырау нәтижесінде бастапқы заттың азаятындығын көрсетеді. Алдыңғы теңдеуді дифференциалдық түрде жазсақ, қарапайым дифференциалдық теңдеу алынадыі:

немесе

Осыны интегралдау логарифмдік теңдікке әкеледі:

t =0 болғанда с тұрақтысы с = lnq₀ мәнге ие болады.

немесе

λ пропорционалдық коэффициенті ыдырау тұрақтысы деп аталады. Ыдырау тұрақтысымен қатар Т жартылай ыдырау периоды енгізіледі, ол бастапқы заттың жартысының ыдырауына кететін уақыт, яғни t= Т уақытта

немесе

Мысалы, радийдің жартылай ыдырау периоды Т_Ra = 1590 жыл, ал торийдікі Т_Th = 1,39*10¹⁰ жыл.

Радий ыдырауының бірінші өнімі радий эманациясы деп аталатын Rn радонның радиоактивті газы болып табылады.

Радон радийдің α-ыдырау нәтижесінде мына реакция арқылы жүзеге асады:

сондай-ақ, түзілетін радонның өзі Т_Rn=3.825 күн жартылай ыдырау периодыне ие. Бұл радиоактивтілік α- ыдырау кезіндегі ығысу заңы делінеді.

Ал β- ыдырауда элемент периодтық жүйеде өзінің қасиеттері бойынша бір орын оңға қарай жылжиды (Z бірге артады). Мысалы, торийдің электронды шығаруы мына реакция арқылы жүреді:

Радиоактивті зат (радиоактивті изотоп) позитронды активтілікке ие болған жағдайда элемент периодтық жүйеде өзінің қасиеттері бойынша бір орынға солға қарай жылжиды (Z бірге азаяды). Мысал ретінде мына реакцияны келтірейік:

γ- сәулелену радиоактивтілік ыдырау нәтижесінде қозған ядроның бір энергетикалық күйден келесі деңгейге ауысуы нәтижесінде жүреді.

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

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

және мына теңдіктер орындалуы керек:

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

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

Белгілі көп таралған элементар бөлшектерден (протон, нейтрон, электрон) басқа атомдық процесстерге қатысатын басқа да бөлшектер бар: позитрон, нейтрино және антинейтрино, мезондар т.б..

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

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

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

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

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

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