2.Ядролық реакциялар кезіндегі сақталу заңдары.

Ядролық реакциялар кезінде мына заңдылықтар орындалады:

Электр эарядтарының сақталу заңы : q=Ne⁺+Ne^- . Мысалы, реакция кезінде протонның нейтронға айналуы мүмкін, бірақ бұл кезде позитрон пайда болады және т. с. с .

Нуклондардың жалпы саны сақталадщы.

Соқтығысқан бөлшектер тұйық механикалық система құрайды деп есептесек , толық энергия және импульстің сақталу заңы орындалуы керек.

Келесі ядролық реакцияны қарастырайық: А+а= B+b . Реакцияға қатысатын ядролардың және бөлшектердің массалары: Е_А, Е_В, Е_а, Е_b болсын. Көбінесе реакцияға түскен заттардың массаларымен реакциядан шыққан заттардың массалары бір-біріне тең емес.

Бұл жағдайда Q= (M_A+M_a-M_B+M_b)· c²

Мұндағы Q-ядролық реакцияның жылулық эффекті немесе раекция энергиясыдеп аталады. Егер M_A+M_a>M_B+M_b, болса , Q>0 – экзотермиялық реакция, ал M_A+M_a<M_B+M_b, Q<0 – эндотермиялық реакция . Сонда жалпы түрде бастапқы реакцияны келесідей түрде жазамыз : A+a . Ядролық реакция кезінде оған қатысқан бөлшектердің салыстырмалы қозғалысына байланысты, мысалы , эндотермиялық реакция жүруі үшін , соқтығысқан ядро және бөлшектің ( М_А және М_а ) энергиясы Q – дан кем болмауы керек, реакцияның табалдырығы дегеніміз

Ε_таб = (4)

Реакция кезінде энергияның және импультің бөлінуі әр түрлі болады. Мысалы, импульстің бөлінуін қарастырайық . Қозғалмайтын , импульсі P_A=0 массасы М_А ядроны М_а бөлшек келіп соғады делік. Сонда Р_а импульс жаңа бөлшектерге беріледі: P_B+P_b=P_a (8.4 –сурет) . Импульстік үшбұрыштан:

P²_b=P²_a+P_B²-2P_aP_Bcos φ.

3 .Ядролық реакциялардың механизмі.

4. - бөлшектердің, протондардың, нейтрондардың - кванттардың әсерімен өтетін ядролық реакциялардың ерекшіліктері.

- Сәулелердің әсерінен жүретін ядролық түрленулерді зерттей отырып 1933-1934 жылдары И. Кюри-Жолио және Ф. Жолио-Кюри ядролық құбылыс- жасанды радиоактивтілікті ашты. Олар бөлшектермен алюминий, бор,магний және т.б. элементтердің атомдарын атқылады: ₁₃AI²⁷+₂He⁴→*₁₅P³⁰+ ₀n¹ (тез жүретін реакция ), әрі қарай *₁₅Р³⁰→ ₁₄Si ³⁰+ ⁺;₅B¹⁰+₂He⁴→₇N¹³+₀n¹,

₁₂Mg²⁴+₂He⁴→*₁₄Si²⁷+₀n¹ (тез жүреді), әрі қарай *₁₄Si²⁷→₁₃AI²⁷+ ⁺. Сонымен, ядролды - бөлшектермен атқылап жасанды түрде жаңа әр түрлі жартылай периоды бар радиоактивті изотоптарды алған. Ф.Жолио- Кюри, Э Ферми және басқа ғалымдар әр түрлі элементтер атомдарының ядроларын - бөлшектермен, протондармен, нейтрондармен , - кванттармен атқылай отырып, радиоактивті заңдылықтармен ыдырайтын жаңа радиоактивті изотоптардың ядроларын алған. Элемент символының шекеіндегі жұлдызша (*р) оның қозу жағдайында екенін көрсетеді.

Нейтрон зарядталмаған бөлшек екенін білдік. Сондықтан нейтрон заттардан өткенде оның атомдарын иондамайды. Ал енді нейтрондарды тіркеу үшін, олардың атомдардың ядроларымен өзара әрекетке түскен кездегі пайда болатын, екінші реттегі зарядталған бөлшектерді пайдаланады. Мысалы, баяу нейтрондарды тіркеу үшін ядролық реакциялар кезінде пайда болтын зарядталған бөлшектерді қолданамыз. Мына реакцияны қарастырайық:

₅В¹⁰+₀n¹→₂He ⁴+₃Li⁷.

Осы реакция зарядталған, энергиясы 2,78 МэВ тең, - бөлшек пайда болады, оның иондау камерасында берілген ортаның атомдарын иондау әсері арқылы нейтронды тіркей аламыз. Егер бізге жылдам нейтрондарды тіркеу қажет болса, онда осы нейтроедардың заттармен өзара әрекеті кезінде, ядродан серпімді шашырауын қарастырамыз . Мысалы, m_n= 1 (a. e. м. ) массалы нейтрон, энергиясы Е₀ М_я массалы ядродан алғашқы бағытынан F бұрышына шашырады делік (8.1-сурет) . Ал ядро М_я бір бұрышына бұрылсын. Осы кездегі ядроның алатын энергиясы

Е=E_{0 .} (5)

Егер бетпе-бет дәл соғысу болса

cos =1 ( =0) , ядро ең үлкен 8,1-сурет

энергия алады:

Е _max = E₀, (6)

(8.1) және (8.2) формулулар бойынша нейтронмен соқтығысқан ядро масасы неғұрлым аз болса, ядроның алған энергиясы соғұрлым көп болады. ондықтан практмка жылдам нейтрондарды тіркеу үшін сутегі бар заттарды қолданады. Гаммма –сәулелер , нейтрондар секілді өздері тікелей ортаның атомдарын иондай алмайды. Оларды тек қана берілген екінші реттегі зарядталған бөлшектерді тудыру арқылы тіркеуге болады. Заттан өткенде γ сәулелер шоғында N₀ –кванттық саны болса, берілген х қалыңдығы бар заттан өткенде әлсіреп N-γ квант саны қалады; N=N_0e^- . Мұндағы -сызықтық әлсіреу коэффициенті (өлшемі-м^-1) . Ал өз тарапынан заттың 1 атомына келетін жұтылуға немесе σ- толық шашырау қимасына тәуелді : , мұндағы п берілген зат атомдарының концентрациясы , яғни, заттың 1м³ көлеміндегі атом саны .

γ-сәулелердің заттардан өткенде әлсіреуі –осы заттардың атомдарымен өзара әрекетке түсіп көптеген құбылыстарға қатысуынан . Бұлардың қатарына фотоэффект , комптон-эффект , қосақтардың пайда болуы жатады. Сонда әлсіреу коэффициенті негізінен осы үш түрлі құбылыстардағы жұтылу коэффициенттерінің қосындысынан тұрады: , мұндағы -фотоэлектрлік жұтылу коэффициенті, -комптондық шашырау коэффициенті, р-қосақтардың пайда болу әсеріне байланыстыжұтылу коэффициенті . Осы айтылған құбылыстардың біріншісіне , яғни фотоэффекткетоқтайық . γ-квант атом электрондарымен әрекеттесу кезінде, γ- сәуленің энернгиясы электронды атомнан ыршытып шығаруға және ол электронға белгілі бір кинетикалықэнергия беруге кетеді: һ , мұндағы -сәулелердің жиілігі, Е_б –атомдағы электронның байланыс энергиясы , Е_к-фотоэлектронға берілген кинетикалық энергиясы. Фотоэффект еркін электронда болмайды, себебі импульстің сақталу заңы орындалуы үшін дене, яғни γ-квант , электрон және ядро болуы мүмкін. Егер γ- кванттың энергиясы электронның байланыс энергиясына үлкен болса , ол электронның фотоэффектке ұшырауы соғұрлым ықтимал болады. Фотоэффект қимасы элементтің атомдық нөмірі өткен сайын көбейе түседі .К-қабықта болатын фотоэффектің қимасы келесі шамаларға байланысты:

( σ_ф ) _К А ( 7)

мұнда Z- элементтің атомдық нөмірі , А- тұрақты коэффициент . Басқа L,M, т. б қабықтарда да фотоэффект жүреді. Бірақ бұлардың ықтималдығы К-қабықтағыға қарағанда аздау.

γ- сәулелердің энергиясы артқан сайын олардың әлсірететін негізгі процесс комптон – эффектісі болып табылады, яғни еркін электрондарды γ- кванттың шашырауы. γ- сәуленің энергиясынын бір бөлігі электронға беріледі, негізінен шашырау күшті байланысқан электрондарда жүреді. Комптондық шашырау элементтің атомдық нөміріне байланысты болады. Берілген γ-кванттың энергиясы һ электрон мен шашыраған сәуленің арасында бөлінеді(8,2-сурет ) . Электрон бір φ бұрышқа, ал γ-квант бастапқы бағытынан бірf бұрышқа шашырайды делік. Сондағы шашыраған сәулелердің энергиясы

hv¹= (8)

электронның алған кинетикалық энергиясы; Е _к= hv-hv¹ . Комптон-эффектің қимасы –σ_к Электронның энергиясы максимум мәнінде ( f=180⁰) минимум мәніне (f=0⁰) дейін өзгереді.

Затқа түскен γ-кванттың энергиясы үлкен болғанжа алдында аталған құбылыстарымен қатар , қосақ, яғни электрон-позитрон жұбы пайда болады. Пайда болған қосақтың толық энергиясы түскен γ-кванттың һν энергиясына тең , ал генетикалық энергиясы- Е_к¹= hv-2m₀c². Қосақ пайда болуы үшін ең минимал энергия – 1,02 МэВ. Энергияның және импульстің сақталу заңы орындалуы үшін қосақ пайда болу процесі үшінші дененің болуын талап етеді. Үшінші дене ядро немесе электрон болуы мүмкін. Міне осы мезгілде γ-кванттың энергиясы қосақпен үшінші дененің арасында бөлінеді .8.3-суретте γ-кванттың әсерінен қорғасында жүретін құбылыстарда сипаттайтын қисықтар берілген. 1-қисық, фотоэффект кезіндегі , 2-қисық –комптон-эффект, 3-қисық –қосақ пайда болуы процесі үшін , ал4-қисық –жалпы барлық үш процестің қосындысына әлсіреу коэффициентінің γ-квани энергиясына байланыстыөзгеруін көрсетеді. Қосақтың пайда болу қимасы затты құрайтын элементін атомдық нөмірінің квадратына және γ-кван-энергиясына пропорционал :

1. Трансурандық элементтер.

Атомдық номерлері 92өден үлкен болатын элементтерді трансурандық элементтер деп атайды. Осы элементтер әртүрлі ядролық реакциялар нәжижелерінде алынған.

12-ші лекция. 7. Ядролық реакциялардың физикасы.

6 Атом ядроларының бөлінуі және синтезі. Бөлінудің қарапайым теориясы. Бөлінудің көрсеткіші.

7. Спонтандық бөліну.

8. Уран изотобының нейтрондарының әсерімен бөлінуі.

9. Тізбекті реакция. Көбею коэффициеті.

10. Реакторлар. Ядролық энергетика.

11. Жеңіл ядролардың синтезі.

12. Басқарылатын термоядролық рекция мәселесі.

13. Жұлдыздардағы ядролық реакциялар.

14. Ядролық энергетика, радиациялық қауіпсіздік және экология мәселелері.

15. Қазақстанда ядролық физика және ядролық энергетика саласындағы зерттеулердің дамуы.

6.Экзотермдық-энергия шығарылатын-ядролық реакцияларда энергия шығуы жоғары болады сондықтан ядролық реакцияларды энергия көзі ретінде алуға болады. Энергия көп шығарылатыны меншікті байланыс энергияның атомдық массаға тәуелділігінен анықтауға болады. Массалық сан артқанда меншікті байланыс энергия артады массалық сан 50-60 болғанда максимумге жетеді одан кейін кемиді. Жеңіл ядролардың синтез реакциясы ал ауыр ядролардың ірі қалдықтарға бөліну реакциясы экзотермдық болатыны көрінеді.

Бөлінудің қарапайым теориясына тоқталамыз. Мысалы, нейтрондардың әсерінен ауыр ядро бөлінгенде екіні нейтрондар пайда болып келесі ядролардың бөлінуіне келтіреді. Әрбір уран-235 ядросы бөлінгенде 2,4 нейтрон шығады, олар келесі бөліну реакциясына келтіреді –тізбекті ядролық реакция пайда болады. Басқарылатын осындай реакциялар уран-235, уран-233, плутоний-239 негіздерінде жүреді.Нейтрондардың көбейуі актив зонада болады, осының көрсеткіші нейтрондардың ортада көбейю көрсеткіші болады. Бірінші буында -нейтрон, -шы буында , 1, бөліну стационар; реакция өшеді; реакцияның интенсивтілігі артады.

Нейтрондар актив зонадан кетуіне байланысты критикалық масса, критикалық өлшем ұғымдары енгізілген. Критикалық өлшем 1. Осы критикалық өлшемді зонаның массасы критикалық масса.

7.Өте ауыр ядролар өзіндік бөлінеді. Ядро нейтронды жұтады 2-3 жеңіл ядроларға бөлінеді. өзіндік бөліну трансурандық элементтер жасауға шек қояды.

8. 209 изотоптар стабильды емес.

9.Тізбекті реакция болуы бір ядро бөлінгенде бірнеше нейтрон босатылы келесі ядролармен ұсталы бөлуіне келтіреді. Көбейту коэффициенті

• келесі нейтрондардың орташа саны,

• жылдам нейтрондардың көбейту коэффициенты,

• нейтронның басқа ядролармен жұтылмау ықтималдығы,

• нейтрон активті зонадан кетпейтігінің ықтималдығы,

• нейтрон уран ядросымен жұтылуының ықтималдығы.

10.Басқарылатын тізбекті реакция жүретін құрылғы атомдық реактор деп аталады. Құрылысы, жұмыс істеу принципі - өз бетімен оқып келу.

11, 12.

Осындай басқарылатын термоядролық синтез мәселесі. Біріншіден, жоғары температуралық плазма; екіншіден, жоғары температуралы плазманы белгілі көлемде керекті уақыт аралығында ұстау.

13, 14, 15. Өз бетімен дайындалу.

13-ші лекция. 8. Қарапайым бөлшектер физикасы

1. Қарапайым бөлшектер туралы негізгі мағлұматтар

2. Электромагниттік, күшті және әлсіз әсерлесулер.

3. Ғарыштық сәулелер

4. Электрон, протон, нейтрон, фотон.

5.Анти – бөлшектер.

6. Мезондар мен гиперондар.

7. Қарапайым бөлшектердің классификациясы.

8. Кварктар.

ЭЛЕМЕНТАР БӨЛШЕКТЕРДІҢ СИСТЕМАТИКАСЫ ТУРАЛЫ

Қазіргі мезгілде элементар бөлшектердің толық жүйеге келген және аяқталған теориясы жоқ. Сондықтан бөлшектердің барлық қасиеттерін және айырмашылықтарын тусіндіру олар туралы жиналған деректерді бір жүйеге салып, топтастырып, системаға келтіру арқылы болып отыр. Егер элементар бөлшектер туралы теориянын. дамуы мен атом туралы теорияның дамуын салыстырсақ, кейбір ұксастық бар сияқты. Периодтық система ашылғанға дейін ғалымдар атомдардың ұқсас сипаттамаларының арасында заңдылық іздеп, оларды бір системаға салғысы келді. Сол сияқты, қазіргі кезде ғалымдар элементар бөлшектерді классификациялап, әр турлі системалар құрып, олардын қасиеттерін жуйеге салып, заңдылық іздеуде.

Міне, осылай М. Гелл-Ман және одан тәуелсіз Ю. Нееман 1961 ж. элементар бөлшектердің унитарлық симматрия теориясын құрды. Теорияның математикалық аппаратын қарастырмай, тек одан шығатын қорытындыларды ғана айтып өтеміз. Бұл теория бойынша изотоптық спинді және гиперзарядты өзгеріссіз сақтайтын үш өлшемді комплексті векторлық кеңістікте жургізі-летін әдейі түрлендіруге қарағанда кушті әрекеттесу инвариантты. Сонда өзімізге таныс, зарядтық мультиплегтерді (нуклондық дублетті, мезондық триплетті, т. б.) супермультиплеттерге (кейде оларды унитарлық мультиплеттер дейді) группалауға (жинақтауға) болады. Немесе мәнерлеп айтсақ, одан да үлкен мультиплеттерге жинақтауға болады. Супермультиплет құрайтын бөлшектердің (күшті әрекеттесетін протон, нейтрон, гиперон т. б. бөлшектер) спиндері және жұптығы бірдей де, олардың массасы, электр заряды, гиперзаряды және изотоптық спині бір-бірімен өзара белгілі бір ереже бойынша байланысқан. 9.13-суретте бариондар үшін осындай жинақты системаның мысалы келтірілгеи. Осы системаға кіретін сегіз бөлшек октетке группаланған (немесе оны кейде сегіз тарапты жол дейді). Сыртқы алты үшы гиперзаряд Ү және изоспин I_z орналасқан координаталар осіне қатысты симметриялы. Центрінде екі бөлшек орналасқан. Схема құрылған кезде системада тек қана 7 бөлшек болған. Осы теорияның қорытындыларына сүйеніп сегізінші, жетіспейтін бөлшектің бар екені және оның қасиеттері алдын ала болжанды.

Сол І961 жылы болжанған n-мезон табылуы және оның қасиеттері болжаммен сәйкес келуі, уннтарлық теорияның үлкен жетістігінің бірі. Гелл-Маин-Неемен схемасы өте анық және симметриялы. Координаталар осінде әрбір бөлшекке сәйкес келетін Ү және І_z орналасқан. 9.14-суретте бариондық резонанстар декуплетке (он бөлшек) жинақталған. Схеманың төменгі жағында орналасқан дельта-бөлшектер — резонанстар. Бұл бөлшектер нуклондардың қозған күйі деген болжам бар. Атомдағы қозған электрон энергиясын фотон түрінде шығарып стационарлык, күйіне өткені сияқты,-резонанстарда мезондарды шығарып нуклонға өтуі мүмкін. Бариондық декуплетке 9 резонанстық күй және (омега-минус)-гиперон енеді. Барлығының спині 3/2-ге ал жұптығы бірге тең. Схема құралған мезгілде -ғиперон ашылмаған еді. Оның бар екені алдын ала болжанды. Ол 1964 ж. Брукхейвен лабораториясында (АҚШ) табылды. Унитарлық мультиплеттер теориясы бойынша, уннтарлық симметриядағы бөлшектер саны 1, 8. 10, 27 т. с. с. болып жинақталады.

Нейтрино және антинейтрино.

Тыныштықтағы массасы жоқ , бейтарап бөлшектерге нейтрино мен антинейтрино жатады. Нейтриноның тыныштықтағы массасы нольге тең деп есептеледі. Электр заряды жоқ , спині /2-қа магниттік моменті нольге тең. Нейтрино символымен белгіленеді . Нейтриноның магниттік моментімен тыныштықтағы массасы нольге тең болмауы да мүмкін, бірақ өте аз болғандықтан оны практика жүзінде нольге тең деп есептейді. Тыныштықтағы массасы , заряды және магниттік моменті нольге тең болғандықтан нейтриноның заттардан өту қабілеті өте жоғары. Нейтрино тек қана әлсіз әрекеттесуге қатысып , ал күшті және электрмагниттік әрекеттесуге қатыспайды.

Нейтрионолар радиоактивтілік және мезондардың ыдырау реакциялары кезінде пайда болады: ₈О¹⁴ . Нейтриноның антибөлшегі- антинейтрино . Антинейтрино символымен белгіленеді. Антинейтриноларда табиғи радиоактивті элементтердің - ыдырау реакциясы, мезондардың ыдырау реакциясы кезінде пайда болады ( мысалы, теріс -мезонның ыдырауы ) :

Заттардың өту қабілеті өте жоғары болғандықтан ,яғни заттың бөлшектерімен өте әлсіз әрекеттесетіндіктен нейтриноны байқау және тіркеу үлкен қиындыққа түсті. Мысалы, Жерге түсетін миллиардтаған нейтринолардың ешқайсысыда жұтылмай Жер арқылы өтіп кетеді, яғни қалыңдығы 13000 км қатты заттан өзгеріссіз өте береді. Күннен келетін нейтринолар интенсивтігі өте үлкен, 1 см ² ауданға бір секундте миллионнан астам бөлшек түседі. Бірақ соның өзінде заттың бөлшектерімен әрекеттесу ықтималдығы өте- мөте аз. Мысалы, 1 МэВ энергиясы бар нейтриноның эффективті қимасы шамамен м ². Сондықтан мұндай өте кішкене эффективті қимада ең болмаса бір акт әрекеттесу құбылысын алу үшін өте үлкен нейтрино ағынын алу керек болды .Мұндай ағынды тек қана ішінде ядролық реакциялар жүретін жүз мыңдаған қуаты бар ядролық реакторлардың көмегімен алуға мүмкіндік бар. Олардан шығатын нейтринолардың интенсивтігі 10¹⁹ бөлшек / см²*с болады.

Антинейтриноны тіркеу үшін ыдырау процесіне кері, келесідей реакция жүргізілді: . Тәжірибені 1956 ж американ физиктері Ф. Райнес және К. Коуэн жасады. Тәжірибе схемасы 9.12 суретте берілеген .Антинейтрино ағыны кадмийдің судағы ерітіндісі бар ыдысқа енеді және осы ыдыс ішінде сцинтилляция береді.

9.12-сурет.

Сцинтилляцияны санау үшін қабырғаларынан электрондық фотокөбейткіштер орналастырылған. Протонмен реакцияға түскен әрбір антинейтрино екі жарқыл беруі керек . Біріншісі, реакция кезінде пайда болған позитрон ортаның электронымен аннигиляциялану кезіндегі жарқыл. Екінші жарқыл кадмий ядросының нейтронды қармау кезінде шығарылады. Екі жарқыл арасында бірнеше микросекунд уақыт өтуі керек . Себебі нейтрон тек жүрісін баяулатқанда ғана кадмий ядросымен реакцияға түседі. Бұл уақыт нейтронның кадмий ядросының ішінде еркін жүру жолына кеткен уақыт. Позитрон пайда болғаннан кейін аннигиляция құбылысына ұшырағанға дейінгі уақыт ~10^-8 с ,ал нейтрон жүрісін баяулайтын жылулық нейтронға айналуы үшін кететін уақыт 10^-6с ,яғни екі оқиғаның арасында уақыт бойынша 100 еседей айырмашылық бар. Міне, сөйтіп антинейтроны бар екені тәжірибе жүзінде дәлелденді.

Күннен келетін нейтринолар электрондық ал және -мезондардың ыдырауы кезінде пайда болған мюондық нейтрондардың бір-бірінен айырмашылығы болатыны яғни нейтриноның екі түрі болатыны тәжірибе жүзінде 1962 ж дәлелденді.Ұзақ уақытқа дейін нейтриноны антинейтринодан айыру қиын болды.Тек қана шиыршықтық (спиральность ) деген шама енгізу, яғни бөлшектің импульс моментінің векторы және спинінің бағыттарының арасындағы қатынас арқылы түсіндірілді .Нейтриноның басқа бөлшектемен салыстырғанда өзіне тән ерекшелігі-белгілі бір бағытта бекітілген шиыршықтығының болуы. Егер басқа бөлшектердің спинін кез келген бағытта бағдарлауға болса, тек нейтрино ғана бұл ережеге бағынбайды. Нейтриноның шиыршықтығы теріс деп алынады. Себебі импульс моментінің бағытымен спинінің бағыты қарама-қарсы. Бұл жағдайда бөлшектің ілгерлемелі қолзғалысы мен «айналуы » теріс буранда бағытымен болады. Әрине спинді нейтриноның өз осінен айналымен салыстыру тұрпайы модель екенін түсіне отырып қарапайымдылық үшін алынған. Ал антинейтриноның импульс бағытымен спині бір-бірімен қума бағыттас та , шиыршықтығы оң шама . Нейтриноның шиыршықтығын сыртқы әсер арқылы өзгертуге мүмкін емес, яғни нейтриноның ассимметриялығы туа бітетін қасиет. Ал ол дегеніміз нейтрино қатысатын барлық прцестерде жұптықтың сақталмауына әкеледі . Нейтриноның шиыршықтығы жұптықтың сақталу заңынан шығады .Бірақ біздер оны бұл курста қарастырмаймыз.

1980 ж дейін нейтрино массасы нолге тең деп есептеліп келді . Сондықтан шиыршықтық нейтриноның және антинейтриноның ішкі қасиеті деп есептелді және ол қасиет нейтрино қатысатын барлық процестерде сақталады деп есептелді .Соңғы деректерге қарағанда нейтриноның тыныштықтағы массасы нолден өзгеше шамамен 30 эВ –тей , яғни электрон массасының 0,00007 бөлігіндей деген деректер бар.Егер оның массасының нолден өзгеше екні дәледенсе, онда тек қана микробөлшектер әлеміндегі емес , бүкіл әлемдегі процестерді түсіндіруде елеулі түзетулер енгізуге тура келеді.

Мезондар, гиперондар.

Мезондар массалары-электрон мен протонның тыныштық массаларының арасындағы аралық мәнге ие болатын тұрақсыз элементар бөлшектер.Мезондардың электр заряды абсолют шамасы бойнша электрон зарядына тең . Жоғарыда айтып кеткендей, мезондар да электрон мен позитрон, протон мен антипротондар сияқты екі түрге – бөлшек және антибөлшек болып бөлінеді. Мезондар атом ядросынан ұшып шыққаннан кейін еркін күйде өте аз уақыт қана өмір сүреді, басқа бөлшектерге ыдырайды .Жоғарыда біз мезондардың ыдырау схемасын келтіргенбіз және ол схема 9.1 –таблицада келтірілген. Пи-мезондар атом ядроларымен және нуклондарымен өте қатты әрекеттеседі. Мюмезондар нуклондарымен және атом ядроларымен әрекеттеседі және негізінен кулондық шашырауға ұшырайды. Қазіргі кезде мезондар қуатты үдеткіштерде, жоғары энергиялы бөлшектермен болатын ядролық реакциялар кезінде алынады.

Гиперондардың массасы нуклондар массасынан үлкен. Нуклондар мен гиперондар бариондар деп аталады, яғни ауыр бөлшектер немесе оларды мезондармен қоса қарастырып, күшті әрекеттесуге қатысатындықтан адрондар дейді.

Гиперондардың бірнеше түрлері бар .Оларды грек алфавитінің бас әріптерімен белгілейді, бейтарап гиперондардың заряды болмайды, ал зарядталған гиперондар абсолют шамасы бойынша электрон зарядына тең . Мезондардың және гиперондардың массалары, өмір сүру уақыты және спиндік моменттері 9.1 –таблицада берілген. Антигиперондар гиперондар сияқты қасиетке ие болады ,бірақ магниттік моменті және заряды қарама-қарсы . Гиперондар , жоғары энергиялы -мезондар және нуклондар атом ядроларымен соқтығысу реакциясы кзінде пайда болады.

Гиперондардың нуклондармен -мезондарға, сонымен қатар жоғары энергияны γ –фотонға ыдырауы, гиперондардың қозған нуклондар болуы мүмкін деген болжамға сәйкес еді. Сонымен қатар, гиперондар атом ядроларындағы нуклондарды ауыстыра алады. Осындай орнықссыз ядроларды гиперядролар деп атаған .

КВАРКТАР. Унитарлық симметрия теориясынын, жетістіктерімен қатар экспериментпен айырмашылықтары болды. Сондықтан ғалым-дар басқа группалар іздеп, бөлшектерді басқаша классификациялап, басқа модельдер құрды. Элементар бөлшектердің өздері фундаментальдық белшектерден тұрады деп қарастырған. Бұл бағыттағы бірінші модель жапон ғалымы С. Сақатынын, моделі. Ол бойынша протон, нейтрон және Λ°-гиперон (р, n, x) фундаментальдық бөлшектер. Бірақ бұл модель күшті әрекеттесу аймағында іске аспай қалды. Одан да басқа модельдер болды. Мысалы, Ферми-Янг моделі бойынша пиондар дегеніміз анти-нуклондар және нуклондардан тұратын системалар. Мұндай системадағы массаның артық мөлшері энергияға айналады деген. Осындай идеяда тұрғызылған модель кварктар моделі. Оны 1964 ж. Гелл-Манн және одан тәуелсіз Цвейг ұсынған. Бұл мо-дель бойынша барлық элементар бөлшектер үш бөлшектен тұрады, оларды кварктар деп атаған. Кварктардың электр зарядтары +2|е|/3, — |е|/3. — |е|/3, яғни, әрбір кварктың заряды бөлшек шама. Символдары u, d, s кейде оларды Саката моделіне үқсас р, n, λ деп белгілейді. Кварктардың антикварктары бар, олар ,/ Кварктардық массаларының төменгі шегі есептеулер бойынша ~10 ГэВ, ал жоғарғы шегі 10¹⁸ ГэВ шамасында. Бариондар үш кварктан тұрады деген, мысалы, протон үш кварктан, екеуінін зарядтары +2|е|/3, ал біреуінікі — е /3. Нейтрон да үш кварктан бірақ олардың екеуінің заряды — е /3, ал біреуінікі +2|e|/3 болуы мүмкін. Кварктар еркін түрінде тәжірибеде алынбаған және көрінбеген. Бірақ олардың болуы ықтимал гипотеза деп есептеледі.

Кейіннен кварктар системасын кеңейтуге тура келді. Себебі Паули принципіне кайшы келетін жерлері болды. Мысалы, Ώ-гиперон үш кварктан (s, s, s) тұратын болса, олардың спиндері бірдей. Ал, Паули принципі бойынша бір системада кванттық сандары бірдей екі белшек болмауы керек. -бөлшекті құрайтын үш кварктың бірдей кванттық сандары бар. Сондықтан оларды сипаттайтын тағы бір кванттық сан — кварктың түсі туралы ұғым енгізілді. Қварктар сары, көк, кызыл, ал антикварктар осы түстерге қарсы түстермен боялған деп есептеледі — күлгін, қызғылт, жасыл көк. Сонда гиперонды құраушы sss үш кварктардын, түстері әр түрлі десе Паули принципі орындалады.

Электромагниттік әрекеттесудің кванты — фотонға, күшті әрекеттесудің кванты пимезонға аналог ретінде кварктар арасындағы әрекеттесуді таситын бөлшек — глюон енгізілді (ағылшын тілінен glue — клей — желім деген сөз). Олар бір кварктан бір кваркқа әрекет тасу арқылы оларды бір системада ұстауға мукіндік береді делінгең. 1974, 1976, 1979 жж. жанадан ашылған J/ (джей-пси), χ(хи), ауыр-мезон η (эта), ζ (ипсилон) және т. б. бөлшектердін, қасиеттерін түсіндіру үшін қосымша кварктар енгізуге тура келді. Олар — «танғажайып» с (charmed — очарованный), төменгі b (bottom — нижний) немесе оны кейнде beutu (прелестный — өте әсем) және ақиқат t (truth — истинный), барлық сөздер ағылшын тілінен алынған.

Сонымен кварктар системасы алты түрлі (оны кейде ароматтар — қош иісті дейді) кварктардан тұрады — u, d, s, c, b және t. Жалпы алғанда кварктар идеясы өте жемісті болды. Белгілі элементар бөлшектерді системаға келтіруге мүмкіндік берді. Сонымен қатар жаңа бөлшектерді ашуға көмегін тигізді. Мысалы, кварктар теориясының қорытындысы бойынша болжанған -гиперон табылды.

Біз осы тарауда қарастырған тәжірибеде жылдам электрондардың протоннан шашырауын, оның ішінде үш нүктелі зарядтың болуымен, яғни протонның үш кваркты моделімен түсіндіруге болады дегенбіз. Бұдан кварктардың табиғатта болуы ықтимал деп қорытынды шығаруымызға болады.

14-ші лекция.Қолданбалы ядролық физика

1 Ядролық бөлшектердің затпен әсерлесуі

2 Зарядталған бөлшектердің ортамен әсерлесуі, Энергияның шығыны. Зарядталған бөлшектердің тежелуі,

3 Нейтрондардың затпен әсерлесуі

4 - кванттардың зат арқылы өтуі.

5 Ядролық сәулелердің организмге әсері.

6 Яролық сәулелердің дозиметриясы және қорғану.

Нейтрондардың затпен әсерлесуі.

Нейтрон зарядталмаған бөлшек екенін білдік. Сондықтан нейтрон заттардан өткенде оның атомдарын иондамайды. Ал енді нейтрондарды тіркеу үшін, олардың атомдардың ядроларымен өзара әрекетке түскен кездегі пайда болатын, екінші реттегі зарядталған бөлшектерді пайдаланады. Мысалы, баяу нейтрондарды тіркеу үшін ядролық реакциялар кезінде пайда болтын зарядталған бөлшектерді қолданамыз. Мына реакцияны қарастырайық:

₅В¹⁰+₀n¹→₂He ⁴+₃Li⁷.

Осы реакция зарядталған, энергиясы 2,78 МэВ тең, - бөлшек пайда болады, оның иондау камерасында берілген ортаның атомдарын иондау әсері арқылы нейтронды тіркей аламыз. Егер бізге жылдам нейтрондарды тіркеу қажет болса, онда осы нейтроедардың заттармен өзара әрекеті кезінде, ядродан серпімді шашырауын қарастырамыз . Мысалы, m_n= 1 (a. e. м. ) массалы нейтрон, энергиясы Е₀ М_я массалы ядродан алғашқы бағытынан F бұрышына шашырады делік (8.1-сурет) . Ал ядро М_я бір бұрышына бұрылсын. Осы кездегі ядроның алатын энергиясы

Е=E_{0 .} (8.1)

Егер бетпе-бет дәл соғысу болса

cos =1 ( =0) , ядро ең үлкен 8,1-сурет

энергия алады:

Е _max = E₀, (8.2)

(8.1) және (8.2) формулулар бойынша нейтронмен соқтығысқан ядро масасы неғұрлым аз болса, ядроның алған энергиясы соғұрлым көп болады. ондықтан практмка жылдам нейтрондарды тіркеу үшін сутегі бар заттарды қолданады. Гаммма –сәулелер , нейтрондар секілді өздері тікелей ортаның атомдарын иондай алмайды. Оларды тек қана берілген екінші реттегі зарядталған бөлшектерді тудыру арқылы тіркеуге болады. Заттан өткенде γ сәулелер шоғында N₀ –кванттық саны болса, берілген х қалыңдығы бар заттан өткенде әлсіреп N-γ квант саны қалады; N=N_0e^- . Мұндағы -сызықтық әлсіреу коэффициенті (өлшемі-м^-1) . Ал өз тарапынан заттың 1 атомына келетін жұтылуға немесе σ- толық шашырау қимасына тәуелді : , мұндағы п берілген зат атомдарының концентрациясы , яғни, заттың 1м³ көлеміндегі атом саны .

- кванттардың зат арқылы өтуі.

γ-сәулелердің заттардан өткенде әлсіреуі –осы заттардың атомдарымен өзара әрекетке түсіп көптеген құбылыстарға қатысуынан . Бұлардың қатарына фотоэффект , комптон-эффект , қосақтардың пайда болуы жатады. Сонда әлсіреу коэффициенті негізінен осы үш түрлі құбылыстардағы жұтылу коэффициенттерінің қосындысынан тұрады: , мұндағы -фотоэлектрлік жұтылу коэффициенті, -комптондық шашырау коэффициенті, р-қосақтардың пайда болу әсеріне байланыстыжұтылу коэффициенті . Осы айтылған құбылыстардың біріншісіне , яғни фотоэффекткетоқтайық . γ-квант атом электрондарымен әрекеттесу кезінде, γ- сәуленің энернгиясы электронды атомнан ыршытып шығаруға және ол электронға белгілі бір кинетикалықэнергия беруге кетеді: һ , мұндағы -сәулелердің жиілігі, Е_б –атомдағы электронның байланыс энергиясы , Е_к-фотоэлектронға берілген кинетикалық энергиясы. Фотоэффект еркін электронда болмайды, себебі импульстің сақталу заңы орындалуы үшін дене, яғни γ-квант , электрон және ядро болуы мүмкін. Егер γ- кванттың энергиясы электронның байланыс энергиясына үлкен болса , ол электронның фотоэффектке ұшырауы соғұрлым ықтимал болады. Фотоэффект қимасы элементтің атомдық нөмірі өткен сайын көбейе түседі .К-қабықта болатын фотоэффектің қимасы келесі шамаларға байланысты:

( σ_ф ) _К А ( 8. 3)

мұнда Z- элементтің атомдық нөмірі , А- тұрақты коэффициент . Басқа L,M, т. б қабықтарда да фотоэффект жүреді. Бірақ бұлардың ықтималдығы К-қабықтағыға қарағанда аздау.

γ- сәулелердің энергиясы артқан сайын олардың әлсірететін негізгі процесс комптон – эффектісі болып табылады, яғни еркін электрондарды γ- кванттың шашырауы. γ- сәуленің энергиясынын бір бөлігі электронға беріледі, негізінен шашырау күшті байланысқан электрондарда жүреді. Комптондық шашырау элементтің атомдық нөміріне байланысты болады. Берілген γ-кванттың энергиясы һ электрон мен шашыраған сәуленің арасында бөлінеді(8,2-сурет ) . Электрон бір φ бұрышқа, ал γ-квант бастапқы бағытынан бірf бұрышқа шашырайды делік. Сондағы шашыраған сәулелердің энергиясы

hv¹= (8.4)

электронның алған кинетикалық энергиясы; Е _к= hv-hv¹ . Комптон-эффектің қимасы –σ_к Электронның энергиясы максимум мәнінде ( f=180⁰) минимум мәніне (f=0⁰) дейін өзгереді.

Затқа түскен γ-кванттың энергиясы үлкен болғанжа алдында аталған құбылыстарымен қатар , қосақ, яғни электрон-позитрон жұбы пайда болады. Пайда болған қосақтың толық энергиясы түскен γ-кванттың һν энергиясына тең , ал генетикалық энергиясы- Е_к¹= hv-2m₀c². Қосақ пайда болуы үшін ең минимал энергия – 1,02 МэВ. Энергияның және импульстің сақталу заңы орындалуы үшін қосақ пайда болу процесі үшінші дененің болуын талап етеді. Үшінші дене ядро немесе электрон болуы мүмкін. Міне осы мезгілде γ-кванттың энергиясы қосақпен үшінші дененің арасында бөлінеді .8.3-суретте γ-кванттың әсерінен қорғасында жүретін құбылыстарда сипаттайтын қисықтар берілген. 1-қисық, фотоэффект кезіндегі , 2-қисық –комптон-эффект, 3-қисық –қосақ пайда болуы процесі үшін , ал4-қисық –жалпы барлық үш процестің қосындысына әлсіреу коэффициентінің γ-квани энергиясына байланыстыөзгеруін көрсетеді. Қосақтың пайда болу қимасы затты құрайтын элементін атомдық нөмірінің квадратына және γ-кван-энергиясына пропорционал :

42