Лекция 2 Лекция жоспары:

2 Атомдық ядролардың қасиеттері.

2.1 Нуклондардың өзара түрленулері.

2.2 Атомдық ядроның заряды.

2.3 Атомдық ядролардың өлшемдері.

2.4 Ядроның байланыс энергиясы.

2 Атомдық ядролардың қасиеттері.

2.1 Нуклондардың өзара түрленулері.

Бос күйінде нейтрон тұрақсыз, яғни радтоактивті. Ол өздігінен ыдырап, электрон (е^-) және антинейтрино ( ) деген бөлшектерді шығара, протонға айналады. . Жартылай ыдырау уақыты шамамен 17 мин. Ыдырау реакциясын келесідей жазуға болады:

.

Нейтрино (мен антинейтрино) массасы электрон массасынан елеместей аз шама, ол нолге жақын ба, жоқ па, нақты анықталған жоқ. Нейтрон массасы протон массасынан -ге үлкен. Демек, нейтрон массасы бөлшектердің қосынды массасынан, реакция оң жағындағы, -ге көп, яғни 0,77 МэВ-ге. Бұл энергия түзілетін бөлшектердің кинетикалық энергиясы түрінде нейтронның ыдырауынан пайда болады.

Протон – тұрақты бөлшек. Бірақ ядро ішінде ол нейтронға айнала алады, реакция схемасы:

Оң және сол жақтағы бөлшектердің массаларының айырмашылығы протонның ядродағы басқа нуклондармен сообщаемой, энергиясымен компенсацияланады.

Протон мен нейтрон бір-біріне айнала алады, олардың спиндері бірдей, шамамен массалары бірдей. Сондықтан екеуін ортақ – нуклон деп атайды және электромагниттік өріске қатынасымен айырмашылық жасайтын екі күйден тұрады: нейтрон мен протон.

Протон мен нейтрон электрлік емес ядролық күштер арқылы өзара әрекеттеседі. Ядролық күштер түзілуі мезондар алмасуына міндетті. Протон мен нейтронның кіші шама энергияларының өзара әрекеттесуінің потенциалдық энергиясының олардың ара-қашықтығына тәуелділігі 2.1 суреттегі график, яғни потенциалдық шұңқыр формасында болады. Бұл тәуелділік бойынша, протон мен нейтрон үлкен ара-қашықтықта болса ( –ядролық күштерінің әрекеттесу радиусы), олардың арасында өзара әрекеттесу болмайды және . Олардың ара-қашықтықтары жақындаса , тартылыс күштері әсер етіп , байланысқан жүйе – ядро пайда болады. Мұндай потенциалдық шұңқырдың тереңдігі шамамен 30 МэВ, ал радиус Å болады. кезде бұл күштер өте әлсіз.

Ал өзара әрекеттесетін екі протон үшін тәуелділік басқаша болады. ара-қащықтығында ядролық күштер болмайды және r кішіреюімен протондарды итермелеу кулондық күштердің потенциалдық өрістері артады.

ара-қашықтықта ядрода кулондық итермелеу ядролық күштерге кішігірім түзету болғандықтан оны елемеуге де болады. Екі күшті есепке алумен максимум сипаттамалы потенциалдардың қосындысы үздіксіз функция болып табылады . Ол потенциалдық барьер .(2.1-б суреті). Протондар арасында ядролық күштер әсер ету үшін оларға осы потенциалдық барьер кедергісінен өту керек. Мысалы, термоядролық реакциялардығ синтезін жүзеге асыру үшін газды ондаған миллион градусқа қыздыру керек. Себебі зарядталған бөлшектер потенциалдық барьерден өту үшін жеткілікті энергияны қажет етеді.

2.2 Атомдық ядроның заряды

Ядро заряды Zе Менделеев кестесіндегі элементтің орны мен оның химиялық қасиетін анықтайды. Z саны бірдей, бірақ А сандары әр түрлі , яғни протон саны бірдей де, нейтрон саны әр түрлі, элементтер изотоп деп аталады. Мысалы сутекте екі изотоп бар: дейтерий және тритий.

- сутек, - дейтерий, - тритий.

Қазіргі кезде шамамен 280 тұрақты және 1450-ден көп тұрақсыз радиоактивті изотоптар бар.

Нуклондар саны А бірдей , бірақ протондар саны Z әр түрлі элементтер изобара деп аталады. Мысалы тритийда изобар бар, ол гелийдің изотопы: - тритий, - гелий.

Ереже бойынша, тұрақты изобаралар жұптасып кездеседі және олардың атомдық номерлері екі бірлікке айырмашылық жасайды. 60 тұрақты изобара жұптарының ішінде тек 2 жұпта тақ массалық сан болады ( , , , ) , және олардың реттік номері бірлікке айырмашылық жасайды. Қалған изобараларда А да, Z да жұп.

Алғаш зарядты жанама өзгерткен Мозли (1913 ж.), ол рентген сәулеленудің жиілігі мен ν и ядро зарядының Z арасындағы қарапайым байланысты аңғарды:

Мозли айтуынша, С және В тұрақтылары берілген серия сәулеленуінде элементке тәуелсіз.

Чедвик 1920 ж. ядро зарядын Z металлдық пленкаларда α-бөлшектерінің шашырауын зерттеген тәжірибелерінде анықтаған болатын, яғни ол Резерфорд тәжірибесін қайталады. Кейбір α-бөлшектер үлкен бұрыштарға ауып кететіні белгілі, кейде -тан да артық. Бұл жағдай атом ішінде өте кішкентай көлемде және массасы α-бөлшектерінің массасынан көп үлкен зарядтар болса ғана орын алады. . Егер ядро заряды бүкіл атомды қамтыса, үлкен бұрышқа ауытқу сирек болар еді. Алынған нәтижелерді сипаттау үшін Резерфорд шашыраған бөлшектердің үлестіру бұрышын анықтау қатынасын ұсынды. Бұл формуланы қорытқанда, өзара әрекеттесетін α-бөлшектер мен ядро күштері Кулонның нүктелік зарядтар заңына бағынады және ядро массасы α-бөлшектер массасынан әлдеқайда жоғары болады деген тұжырым жасаған:

- Резерфорд формуласы.

Мұндағы, n – 1 см² фольга бетіне ядролардың шашырау саны, N – α-бөлшектер ағынының бағытына перпендикуляр 1 см² ауданнан 1 с-та өтетін, α-бөлшектер саны, dN - dΩ бұрыштағы элемент ішіндегі шашыраған бөлшектер саны, Ze - шашыраған орталық заряды. М – α-бөлшектер массасы, - α-бөлшектер жылдамдығы, θ - α-бөлшектерінің ауытқу бұрышы.

Резерфордтың бұл формуласы Z атомдық ядроның зарядын анықтауға қолданылған. Егер құлаған α-бөлшектер саны N мен θ бұрышта шашыраған dN бөлшектердің санын салыстырсақ, онда тек шашыраған Z затының зарядының функциясы болады. Бұл тәжірибені Чедвик 1920 ж. жасады (2.2 сурет). Фольга жазық дөңгелек АА₁ түрінде болады. Радиоактивті препарат R және S детекторы (үлкен емес сцинтилляционды экран) дөңгелек осінде орнықтырылады. θ бұрышпен шашыраған α-бөлшектер саны өлшенеді. Егер экранды R мен S арасына дөңгелек ішіне орналастырса (мұнда RA = AS), онда детектор тек dN шашыраған α-бөлшектерін есептейді, және керісінше, экранмен АА₁ дөңгелегін жапқанда, N санын анықтауға болады. Осылай қатынасын анықтауға болады. Резерфорд формуласына кіретін басқа өлшемдердін

(М, ) эксперимент жүзінде анықтайды, ал n және е белгілі. Осы әдіс арқылы Чедвик платина, күміс және мыс үшін Z мәнін тапты.