Сутегі атомының сызықтық спектрі

Сиретілген газдардың (жеке атомдардың) сәуле шығару спектрлерін эксперименттік зерттеу, әрбір элементтің сипаттамалық сызықтық спектрі орындары қарапайым эмпирикалық формулаларымен анықталатын сериялар жиынтығын құрайтындығын көрсетті. Мысалы, көрінетін спектр аймағында сутегі атомы сызықтарының орны Бальмер формуласымен сипатталады:

немесе жиілігі үшін:

, ,

мұндағы 1/м, 1/с - Ридберг тұрақтысы.

Соңынан, ультракүлгін аймақ үшін,

Лайман сериясы:

инфрақызыл аймақ үшін,

Пашен сериясы:

Брэкет сериясы:

Перунд сериясы:

Хэмфрм сериясы: анықталды.

Бұл сериялардың барлығы Бальмердің жалпыланған формуласы арқылы анықталуы мүмкін:

мұндағы, серияларды анықтаса, ал осы сериялардың жеке сызықтарын анықтайды. п артқан сайын серия сызықтары жақындай түседі, мәні үлкен жиіліктер жағынан тұтас спектрге жанасатын сериялар шекарасын анықтайды.

Осыған ұқсас сериялар басқа атомдардың сызықтық спектрлерінде де байқалады.

1. Тамшы моделі. Бұл модель молекулалардың сұйық тамшысындағы және нуклондардың ядродағы тәртіптерінің арасындағы ұқсастығына негізделген – ядролық жақыннан өзара әсерлесу, әртүрлі ядродағы ядролық заттардың бірдей тығыздылығы, ядролық күштердің қанығу қабілеттілігі. Бұл ядроны кванттық механика заңына бағынатын электрлік зарядталған сығылмайтын сұйық тамшысы түрінде болады деп түсіндіреді.

Тамшы моделі ядролық реакция механизмін түсіндіре алады, әсіресе ядроның бөліну реакциясын, нуклондардың ядродағы байланыс энергиясының жартылай эмпирикалық формасын алуға жағдай жасады.

2. Қабаттық модель. Бұл модель бойынша нуклондар бір-біріне тәуелсіз бағдарланған центрлі-симметриялы өрісте қозғалады деп есептеледі. Осыған сәйкес Паули принципінің есебі бойынша нуклондармен толтырылған дискретті энергетикалық деңгейлер болады.

Осы деңгейлер қабаттарда топталады, қабаттардың әрқайсысында нуклондардың белгілі бір саны ғана бола алады.

Қабаттармен толығымен толтырылған ядролар аса орнықты болады, олар магиялық ядролар – протондар саны Z немесе нейтрондар саны N магиялық сандардың біреуіне тең болады: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.

Магиялық санға Z-те, N-де ие болатын ядролар екінші ретті магиялы деп аталады. Ондай екінші ретті магиялық ядролардың белгілісі бесеу: .

Дербес жағдайда гелий ядросының ерекше орнықтылығы, оның ауыр ядролардың радиоактивтік ыдырау кезінде шығаратын жалғыз бөлшек екендігінде (ол бөлшек α-бөлшек деп аталады).

Альфа-бета және гамма сәулеленудiң тегi мен заңдылықтары және олардың затпен әсерлесуi.

Радиоактивтілік 1896 жылы француз физигі Анри Беккерельдің уран тұзының люминесциясын зерттеу кезінде ашылды. Уран тұздары сыртқы факторлардың әсерінсіз өзінен-өзі табиғатта белгісіз сәуле шығаратыны, ол сәуле жарықтан оқшауланып тұрған фотопластинканы жарықтандырған, ауаны иондаған, жұқа металл пластинкадан өтіп кеткен, біршама заттарда люминесценция тудырған. Бұл құбылысты ары қарай ерлі-зайыпты Пьер Және Мария Кюрилер зерттеп, бұл сәулелену тек уранға ғана емес басқа да ауыр металдарға ғана тән екенін ашты. Сәулелену интенсивтілігі уранға қарағанда көп есе үлкен полоний және радийді бөліп алды.

Өзінен-өзі сәуле шығару құбылысын радиоактивтілік деп аталады.

Радиоактивтілік түрленудің заңы. Радиоактивті сәуле шығарудың интенсивтілігі уақыт өткен сайын нашарлай береді. Радиоактивтік ядролардың жалпы санынан біреуі ерте, біреуі кеш ыдырауы мүмкін, сондықтан қарастырылатын ядроның дәл қай уақытта ыдырайтынын алдын ала айту мүмкін емес. Алайда, олардың саны өте көп болғанда, ыдыраудың статистикалық заңын тағайындауға болады. Демек, өте аз dt уақыт аралығында ыдыраған ядролар саны dN, ядроның барлық саны N-ге және осы dt уақыт аралығына пропорционал болады

(9.10)

мұндағы - әрбір радиоактивті затқа тиесілі константа, оны ыдырау тұрақтысы деп атайды. Минус таңбасының алынуы dN-ді ыдырамаған N ядросының өсімшесі деп қарастыру үшін алынған, -шамасы уақыт бірлігіне ядролардың қандай үлесі ыдырағанын көрсетеді, былайша айтқанда 1 с.-ғы ядроның ыдырау ықтималдығын сипаттайды.

(9.10) теңдеудегі айнымалыларды бөліп интегралдаймыз, сонда

(9.11)

немесе

(9.12)

Осыдан

(9.13)

мұндағы - бастапқы уақыт кезеңіндегі ядролар саны, уақыт кезеңіндегі ыдырамаған ядролар саны. (9.13) өрнегі ядролардың радиоактивті түрленулерінің заңдылығын сипаттайды. Бұл заң өте қарапайым: ядролар саны уақытқа байланысты экспонециалдық заңмен өзгереді.

Ядроның алғашқы санының жартысы ыдырайтын уақытты жарты ыдырау периоды (Т) деп атайды. Бұл уақыт мына шарттан анықталады

(9.14)

осыдан

(9.15)

Енді радиоактивтік ядроның орташа өмір сүру уақытын анықтайық. (9.10) өрнегіндегі модуль арқылы анықталатын t және t+dt-ға дейінгі уақыт аралығындағы түрленуге тиісті ядролар саны Бұл ядролардың әрқайсысының өмір сүру уақытының қосындысы tdN(t) өрнегін интегралдағанда алынады. Осы қосындыны ядролар саны N₀ –ге бөлу арқылы, радиоактивті ядроның орташа өмір сүру уақытын анықтаймыз

(9.16)

(9.11) өрнегіндегі N-ді N(t)-нің орнына қойсақ, сонда

(9.17)

( айнымалы шамаға көшіп және бөлшектеп интегралдауды жүргіземіз). Сонымен радиоактивті ядроның орташа өмір сүру уақыты ыдырау тұрақтысына кері шама болып шығады екен

(9.18)

Альфа-ыдырау. Радиоактивті -ыдырау массалық саны А 200 және заряды ауыр ядролардың қасиеті болып табылады. Ауыр ядролардың ішінде екі протоннан және екі нейтроннан тұратын -бөлшектерін түзу процесі жүреді. Ол түзілген -бөлшектері гелий ядросының ағыны болып саналады. Ыдырау мына схема түрінде жүреді

(9.19)

Ыдырайтын ядродан -бөлшектің ұшып шығу жылдамдығы өте үлкен (~10⁹ см/с; кинетикалық энергиясы бірнеше ретті МэВ).

Бета-ыдырау. Бета-ыдыраудың үш түрі ьелгілі. Оның бірі түрленуге ұшыраған ядро, электрон ұшырып шығарса, екінші жағдайда позитронды ұшырады, үшіншісінде электрондық қармалау (е – қармалау) деп аталатын жағдайында, ядро К қабықшасының бір электронын жұтады, сол сияқты L және М қабықшаларындағы электрондарды да жұтады, бірақ ол сирек болады (е – қармалаудың орнына мұнда К-қармалау, L-қармалау немесе М-қармалау дейді).

Ыдыраудың бірінші түрі ( -ыдырау немесе электрондық ыдырау) мына схема түрінде жүреді

. (9.20)

Ыдыраудың екінші түрі ( - ыдырау немесе позитрондық ыдырау төмендегідей схемамен жүреді

(9.21)

Бета-ыдыраудың (электрондық қармалау) үшінші түрінде ядро өз атомының бір К-электронын (L – және М – электрондарын сирек) жұтып қояды. Соның нәтижесінде протонның бірі нейтрино шығарып, нейтронға айналады

(9.22)