ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ БІЛІМ ЖӘНЕ

ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

ӘЛ-ФАРАБИ АТындағы ҚАЗАҚ ҰЛТТЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ

Сәуле Аманбайқызы Жауғашева

"Атом ядросының құрЫлымына кіріспе"

оқу құралы

Алматы 2010

ББК 22.383

Баспаға әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті

физика факультетінің Ғылыми кеңесі және Редакциялық-баспа кеңесі ұсынған

Пікір жазғандар:

Физика–математика ғылымдарының докторы, Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті физика факультетінің ядролық физика кафедрасының профессоры – Минал Динейхан;

Физика–математика ғылымдарының докторы, профессор Қазақ ұлттық ядролық орталықтың бас ғылыми қызметкері – Н.Б. Буртебаев

Физика–математика ғылымдарының докторы, профессор М.Х. Дулати атындағы ТарМУ-нің Компьютерлік жүйелер кафедрасының меңгерушісі – Ж.А. Тусупов

Жауғашева С.А.

"Атом ядросының құрылымына кіріспе" Оқу құралы – Алматы: Қазақ Университеті, 2010. – 65 б.

ISBN

Оқу құралында атом ядросы және ядроның құрылымы, ядролық потенциал және әртүрлі потенциалдар үшін Шредингер теңдеуін шешу арқылы энергетикалық спектрін есептеу жолдары және ядроның магнит моменттері, оның ішкі құрылымына байланысты кварктар туралы кең түсініктеме келтірілген. Сондай-ақ қазіргі заманғы тәжірибе жүзінде бақыланған мыңдаған элементар бөлшектер: адрондар, лептондар деп топтастыру нәтижесінде пайда болған бөлшектердің қасиеттерін түсіндіру барынша сипатталған. Студенттердің пәнді толық меңгеруге және қажетті толық математикалық ақпараттар және солардың негізінде бірнеше денеден тұратын есептерді шешуге қолдануға қажетті мәліметтер, жуықтаулар және осцилляторда өрнектелу әдісінің негізінде шығарылатын есептерге сілтемелер келтірілген.

ISBN

ББК 22.383

© Әл-Фараби ат. Қазақ Ұлттық Университетінің баспасы, 2010.

Кіріспе

Атом ядросы туралы түсініктеме XX ғасырдың басында пайда болды. 1870-1880 жылдар аралығында ғалымдар атом құрылымынан электрон деген элементар бөлшекті бөліп алды. Бұған дейін олар атомды бөлінбейді деп келген болатын. Атом – грек тілінен аударғанда «бөлінбейді» деген мағынаны білдіреді. Қандай да бір химиялық элемент бөліне отырып, өзінің бөлінбейтін бөлігіне барған. Ол тұжырым атом болып саналды. Бұл қоршаған орта химиялық элементтерден тұрады, оның өзінің атомы болады. Атомдар бөлінбейді деген қағида болған. Сонымен атом ішінде электрон қалай орналасады? Атомның электр заряды үшін нейтрал күйін қалай түсіндіру керек деген сияқты сұрақтарға жауап беру керек болды. Атомның алғашқы «Пудинг» моделін 1903 жылы көрнекті физик Дж. Томсон ұсынды, ал оның шәкірті Э. Резерфорд 1911 жылы атом құрылымын анықтауда төмендегідей тәжірибе жасады: бөлшектерді үдетті, оның жолына қорғасын пластиналарын, одан соң алтын фольга, экран қойды. Фольгадан өткен кезде бөлшектің үлкен бұрышқа ауытқитындығын байқады. Соны микроскоппен бақылады. Негізгі мақсат: Дж.Томсонның моделін тексеру еді, бірақ «Пудинг» моделі шындыққа сәйкес келмейтіндігі дәлелденді. Алғаш алынған нәтижені Резерфорд тәжірибесінің қатесі деп ойлаған. Содан ол тәжірибені бірнеше рет қайталаған, бәрі-бір экран шетінде бөлшектің ізі қалып отырған, ал негізгі шоғыр ортасында болған. Осыдан соң Резерфорд:

1. бөлшек оң зарядты, ал ауытқу үшін оң зарядты бөлшекпен соқтығысу керек және оның массасы бөлшектің массасынан өте үлкен;

2. Бізге белгілі химиялық элемент атомдары нейтрал күйде болады. Атом ішінде оң зарядталған, өлшемі кіші, массасы ауыр дене – ядро бар деген тұжырымдарға келген: Осы тәжірибенің нәтижесін сипаттау үшін Резерфорд өзінің: атом ортасында массасы үлкен, заряды оң дене бар деген идеясын ұсынды. Осыдан алғаш «ядро» деген түсінік пайда болды. Ол ертедегі Грек құдайының аты еді. Сонымен Резерфорд “Атом ядро мен электроннан тұрады” деген қорытындыға келді, содан бастап ядроның құрылымы қандай деген мәселелер шықты. Атомдағы оң және теріс электр зарядтарының саны тең, барлық оң зарядтар тек ядрода жинақталған. Атомның массасының 99.99 % ядрода шоғырланған, атом мөлшері , ядро мөлшері . Сонымен ядроның құрылымы бар ма және ядро неден тұрады деген сұрақтар қойылды.

Классикалық физика тұрғысынан қарағанда атом құрылымының тұрақты күйін түсіндіру мүмкін емес, өйткені электрдинамика заңдарына сай, ядроны қоршаған электрон өзінің энергиясын нұрлануға шығындап, ядроға құлауға тиіс еді. Бірақ атом спектрі тұрақты және дискретті екені тәжірибеден белгілі болды. Оны кванттық тұрғыдан түсіндіру керек болды. Осы қарама қайшылықтарды түсіндіру үшін 1913 жылы Н. Бор өзінің атом моделін ұсынды. Оның ұсынысы бойынша, орбиталдардағы электрондар нұрлануға өз энергияларын шығындамайды және белгілі бір қозғалыс мөлшерінің моментімен сипатталады, ол Планк тұрақтысымен анықталады:

2π υr=nh,

мұндағы: - электрон массасы, υ – электрон жылдамдығы, r – орбита радиусы, n=1, 2, 3, … болатын бас кванттық сан. Электрон бір деңгейден екінші деңгейге көшкенде нұрланады, сонда электрмагниттік нұрлану энергиясы немесе жиілігі (ν) келесі түрде анықталады:

ν h = E_n-E_m.,

мұндағы: E_n және E_m n-ші және m-ші орбиталардағы электрондардың энергиясы. Бұл екі шарт постулат ретінде енгізілген, олардың негізінде көптеген тәжірибелік нәтижелер түсіндірілді. Бірақ Бор теориясында бұл модельде классикалық түсініктерді қолданғандықтан кванттық күйдің барлық сипаттамасын түсіндіре алмады. Ал кванттық күйдің барлық сипаттамасын түсіндіре алатын толқындық теңдеуді 1926 жылы Шредингер тұжырымдады. Қазіргі кезде атомның, ядроның күйі Шредингер теңдеуімен сипатталады.