1. Ядроның нуклондық құрылымы

1. . Тәжірибеден нуклонның анықталуы

Ядроның құрылымын, қасиетін тәжірибе жүзінде Резерфорд зерттей бастады. 1919 жылы Резерфорд азот ядросын α – бөлшекпен атқылау нәтижесінде ядроның құрамынан протонды бөліп алды. Соның нәтижесінде:

деген реакция жүреді. Осы реакция кезінде алғаш ядро құрамында протон бар екендігі анықталды. Протон тұрақты, ол басқа элементар бөлшектерге ыдырамайды, массасы , заряды оң, спині S=ħ/2.

1930 жылы Боте мен Беккер берилли пластинкасын α – бөлшекпен атқылау нәтижесінде шығатын нұрлануды бақылады. Бұл тәжірибені 1932 жылы Кюрилер қайталады, осы жолы ұшып шыққан нұрдың жолына парафин қойды. Ол кезде парафиннен 4,3 МэВ энергиялы протон ұшып шығатыны анықтады. Сонымен α – бөлшек пен берилли әрекеттесу нәтижесінде γ – квант бөлінбейді деген тұжырымға келді. 1920 жылы Резерфорд ядроның ішінде нейтрал бөлшек болуы мүмкін деп жорамалдаған. Чедвиг осы идеяны ескере отырып, 1932 жылы массасы жағынан протон массасына шамалас электрлік бейтарап, жаңа бөлшек – нейтронды ашты. Бұл кезде:

реакция жүреді. Қазіргі кезде осы реакцияны бірден бір нейтрон көзі ретінде қолданады. Нейтронның заряды нөлге тең, ол протонмен салыстырғанда тұрақсыз. Оның спині S=ħ/2. Массасы , ядродан тысқары кезде нейтрон небары 888.6 ± 3.5 секунтта басқа бөлшектерге ыдырап кетеді:

,

мұндағы антинейтрино. Бұл ыдырауды нейтронның ыдырауы деп атайды. Электрон мен протон электрмагниттік әсерлесуге түседі. Сонымен ядро протон және нейтроннан тұрады деген қорытындыға келеді.

Бақылау сұрақтары:

1. Атом ядросы қалай анықталды?

2. Ядро қандай бөлшектерден тұрады ?

3. Протон қалай ашылды, оның қасиеттері ?

4. Нейтрон қалай ашылды, оның қасиеттері?

5. Олар қандай әсерлесуге түседі?

1.2. Кванттық байланыс күй

Атомның және ядроның күйі кванттық механика теңдеуімен сипатталады. Олардың ішкі құрылымы бар. Сондықтан оларды кванттық байланыс күй деп қарастырады. Кванттық ұғым бойынша, байланыс күй болу үшін бір құрама бөлшек квант шығарады, ал екіншісі оны жұтудың нәтижесінде байланыс күй пайда болады. Мысалы, ядро мен электрондар γ-квант алмасу нәтижесінде байланыс күй – атом пайда болады, ал ядродағы нуклондар пи-мезон алмасу нәтижесінде байланыс күй - ядро пайда болады. Сонымен, табиғатта бар әсерлесу түрлері квант-бозондар алмасу нәтижесінде іске асады. Табиғатта әсерлесудің төрт түрі бар екенін білеміз. Олар:

1. Гравитациялық әсерлесу. Массасы бар элементар бөлшектердің арасындағы әрекеттесу гравитациялық әсерлесу деп аталады. Гравитациялық әсерлесуді қанағаттандыратын квантты гравитон деп атайды. Оның спині S=2, массасы нөлге тең. Гравитациялық әрекеттесуде массаны гравитациялық өрісті тудыратын көз ретінде қарастырады немесе заряд деп те айтады. Сонымен және массалары бар денелердің өзара әсерлесу күші

(1.1)

деп анықталады. Бұл кездегі гравитациялық әсерлесу радиусы шексіз. Мұндағы масса гравитациялық өрістегі заряд ретінде қарастырылады. Интенсивтігі жағынан ең төмен өзара әрекеттесу гравитациялық күш болып табылады. Бірақ оған материя түгелдей бағынады, міне, осы Ньютонның бүкіләлемдік тартылыс заңынан көрініс табады. Гравитациялық өзара әрекеттесу негізінен макроскопиялық денелер арасында өтеді. Ол планеталар мен жұлдыздар қозғалысын анықтайды. Әлемнің тұтастай алғандағы құрылымы да осы әрекеттесумен анықталады. Элементар бөлшектер әлемінде гравитациялық өзара әрекеттесу бөлшектердің массаларының тым жеткіліксіздігінен тікелей білінбейді. Барлық массалы денелер гравитациялық күшпен тек тартылады, тебілмейді. Бұл қазіргі кездегі шешімін таппаған өзекті мәселелердің бірі.

2. Кулондық әсерлесу. Бұл әсерлесу тек электрмагниттік әсерлесу болып табылады. Электр зарядтары бар бөлшектердің өзара әсерлесу күші немесе Кулондық күш:

, (1.2)

мұндағы – электрмагниттік әсерлесуді жеткізіп тұратын әсерлесу тұрақтысы. Электрмагтиттік әрекеттесу тек электр заряды бар элементар бөлшектердің арасындағы әрекетті сипаттайды. Бір элементар бөлшектің әрекетін екінші бөлшекке фотон жеткізеді. Фотон дегеніміз - массасы m=0, зарядсыз бөлшек, әсерлесу радиусы шексіз. Фотонның спині S=1 болғандықтан векторлық бөлшек болады. Фотонның күйі Клейн-Гордон теңдеуімен анықталады. Электрмагниттік өзара әрекеттесу ядролық күштерде қайсыбір рөл атқаратын болса да, бірақ оның әсер өрісі атомдар мен молекулалар болып табылады, олардың құрамын толығынан осы өзара әрекеттесу анықтайды. Электрмагниттік әсерлесудің нәтижесінде немесе фотон алмасудың нәтижесінде ядро мен электрон атомды құрайды. Бұл әсерлесудің нәтижесінде молекула пайда болды. Атомның, молекуланың әрекеттесуін электрмагниттік әсерлесу анықтайды. Бізді қоршаған ортадағы (сұйық, газ, қатты дене) барлық әрекеттесулер тек электрмагниттік әсерлесумен жүреді. Электрмагниттік әсерлесу болғандықтан бұл бөлшектердің магниттік моменттерімен әрекеттесуге түседі. Сонымен қатар, электрмагниттік өзара әрекеттесу электр заряды жоқ – нейтрал, бірақ магнит моменттері бар бөлшектердің арасында, мысалы, екі нейтронның арасында да болады.

3) Әлсіз әсерлесу. Әлсіз әсерлесуді қанағаттандыратын бозондар өте ауыр болады. Олар , деп аталады. Зарядты бөлшектердің арасындағы әлсіз әсерлесуді , ал нейтрал бөлшектер арасындағы әсерлесуді қанағаттандырады. Массалары: , мұнда протон массасы. Массасы өте үлкен болғандықтан, әсерлесу радиусы өте қысқа, спині бүтін болады. Әлсіз әрекеттесулердің интенсивтігі пәрменді әрекеттесулердің интенсивтігінен өте аз (онның он дәрежесі есе әлсіз). Фотоннан басқа барлық элементар бөлшектер, яғни адрондар және лептондар әлсіз әрекеттесулерге ұшырайды. Пәрменді және электрмагниттік әрекеттесулердің қатарында әлсіз әрекеттесу біліну үшін ерекше жағдайлар болуы тиіс. Ол тұрақты емес бірқатар элементар бөлшектердің ыдырауы кезінде бақыланады. Мысалы, еркін күйдегі нейтрон тұрақты емес, ол әлсіз әрекеттесудің есебінен протон, электрон және антинейтриноға ыдырайды. Ядролардың -ыдырауы осы әлсіз әрекеттесу арқылы өтеді. Сонымен қатар, нейтрондардың түрліше шашырауы әлсіз әрекеттесумен сипатталады.

3. Пәрменді немесе күшті әсерлесу. Ең интенсивті және ең симметриялы өзара әрекеттесу пәрменді әрекеттесу болып табылады. Ол атом ядроларының құрамына кіретін бөлшектер – протондар мен нейтрондардың арасында әсер ететін ядролық күштердің негізі болады. Ядро құрылымы осы күштердің арқасында байланыс күйде болады. Күшті әсерлесу дегеніміз протон мен нейтронды ядро ішінде ұстап тұратын әсерлесу. Оны қанағаттандыратын “квант” – пион деп аталады, ол 1948 жылы ғарыш сәулелерінен π−мезон анықталған. Нуклондар, яғни ядро құрамына кіретін бөлшектер пәрменді әрекеттеседі. Басқа элементар бөлшектер – электрон, позитрон, мюон, ауыр лептондар, нейтрино, фотон – пәрменді әрекеттесуді “сезбейді”. Күшті әрекеттесетін бөлшектерді адрондар деп атайды. Мұндай әрекеттесуге тек олардың арақашықтығы өте мардымсыз аз –10^-13 см шамалас болатын кезде ғана ұшырайды, бұдан үлкен қашықтықтарда күшті әрекеттесу жүрмейді.

Күшті әсерлесу тек ядроның өлшемінде болады. Ядро сыртында күшті әсерлесу жоқ. Оның әсерлесу радиусы қысқа, өзіне тиістісімен ғана әсерлеседі, сондықтан күшті әсерлесу қанығады немесе ядродағы нуклон саны шекті. Нуклон саны көбейгенде ядро тұрақсыз болып келеді. Протондар бірдей зарядты болғандықтан Кулон заңы бойынша, бір–бірімен тебілуі керек, алайда ядро ішінде олар тартылып тұрады. Ядролық күш электр зарядынан тәуелсіз болғандықтан ядрода электрмагниттік әсерлесу “сезілмейді”. Сондықтан да ядрода протон мен нейтрон ажыратылмайды, екеуін ортақ атпен нуклон деп атайды.

Элементар бөлшектердің әрекеттесулерінің интенсивтіктерін өзара салыстыру үшін ( –Планк тұрақтысы, –жарық жылдамдығы, - протонның массасы) қашықтықта орналасқан екі протонды алайық. Сонда олардың гравитациялық өзара әрекеттесу энергиясы - 10^-38 с², электрмагниттік өзара әрекеттесу энергиясы - 10^-2 с², әлсіз өзара әрекеттесу энергиясы - 10^-5 с² болады, ал күшті өзара әрекеттесудің энергиясы болса с² тең. Бұл шамалар табиғаттағы әсерлесулердің пәрменділігін сипаттайды.

Бақылау сұрақтары:

1. Кванттық байланыс күй деген не?

2. Жалпы табиғатта неше әсерлесу бар?

3. Фотон дегеніміз не, оның қасиеті?

4. Пион және оның ерекшелігі.

5. Бозон дегеніміз не?