2 Радиоактивтілік құбылысын түсіндіріңіз. Ядролық реакциялар түрлерін атап, оларға сипаттама беріңіз.

Радиоактивтілік (лат. radіo – сәуле шығару, actіvus – әсерлік) – орнықсыз атом ядроларының басқа элементтер ядросына бөлшектер немесе гамма-кванттар шығару арқылы өздігінен түрлену құбылысы.

Ядролық физиканың даму тарихына көз жүгіртсек, оның қайнар көзі 1886 жылы француз ғалымы А. Беккерель ашқан табиғи радиоактивтік құбылысынан басталады. Атомдардың тұрақты еместiгi ХIХ ғасырдың ақырында ашылғанды. 46 жыл өткен соң ядролык реактор жасалды. Радиоактивтiктiң — атом ядросының күрделi құрлысын дәлелдейтiн құбылыстың ашылуы сәттi кездейсоқтықтың жемiсi болды. Рентген сәулелерi алғаш рет шапшаң электрондар разрядтық түтiктiң шыны ыдысының кабырғаларының соқтығысуынан алынған. Олармен бiр мезгiлде түтiк қабырғаларының жарық шығаруы байкалған. Беккерель ұзақ уақыт осы тектес құбылысты — алдын ала күн жарығына сәулелендiрiлген заттардың соңынан сәуле шығаруын зерттеумен шұғылданған.

Э. Резерфод пен П. Кюри радиоактивтік кезіндегі сәуле шығарудың табиғатын зерттеу барысында оның құрамы күрделі екенін анықтайды. Радиоактивті радий қорғасыннан жасалған калың қабатты ыдыстың ішінде орналасқан. Ыдыстың ортасында цилиндр пішінді арна бар. Ыдыстың түбіндегі радийден шыққан сәулелерге оған перпендикуляр бағытта күшті магнит өрісі әсер етеді. Арнаның қарсысында фотопластина бар. Барлық қондырғы вакуумде орналастырылған. 8.6-суретте көрсетілгендей радийден шығатын сәулелер ағыны магнит өрісінен өткеннен кейін үш шоққа бөлінген. Шоқтардың осылайша бөлінуін фотопластинадағы қарайған заттардың орындары бойынша анықтайды. Оларды сәйкесінше α (альфа)-сәуле, β(бета)-сәуле және γ (гамма)-сәуле деп атаған. α-сәуле дегеніміз — оң арядталған бөлшектер (α-бөлшек) ағыны, β-сәуле дегеніміз—өте шапшаң қозғалатын және жылдамдықтары бірдей емес теріс зарядталған бөлшектер (β-бөлшек) ағыны болып шықты. Магнит өрісінде ауытқу бұрышының әр түрлі болуы α-бөлшек пен β-бөлшектің массаларының бірдей емес екенін, әрі қарама-қарсы зарядталғанын көрсетеді. γ-сәулесі магнит өрісінде ауытқымайтын, жиілігі өте жоғары электромагниттік сәулелену кванты екен. Альфа-ыдырау:α-бөлшегінің табиғатын 1908 жылы Резерфорд көптеген эксперименттік зерттеулер нәтижесінде анықтады. Альфа-ыдырауы кезінде ядродан өздігінен α-бөлшек — гелий атомының ядросы Не (екі протон және екі нейтрон) ұшып шығады және жаңа химиялық элементтің туынды ядросы пайда болады. 8.7-суретте альфа-ыдыраудың процесі көрсетілген. Альфа-ыдырау кезінде атом ядросы зарядтың саны екіге және массалық саны төртке кем туынды ядроға түрленеді. Жаңа элемент Менделеев кестесіндегі периодтық жуйенің бас жағына қарай екі орынға ығысады.

Бета-ыдырау:β-сәулесінің табиғатын 1899 ж Резерфорд ашқан \болатын. Ол шапшаң қозғалатын электрондар ағыны.Массалық санның болуы, электронның массасы массаның атомдық бірлігімен салыстырғанда елеусіз аз екенін көрсетеді. Ығысу ережесін бета-ыдырауға қолданайық.Бета ыдырау кезінде атом ядросының зарядтық саны бір заряд бірлігіне артады, ал массалық сан өзгермейді.Жаңа элемент Менделеев кестесіндегі периодтық жүйенің соңына қарай бір орынға ығысады.Гамма-ыдырау:1900 жылы Вилaрд ядролық сәуле шығарудың құрамындағы үшінші компоненттің бар екенін тапты, оны гамма (у)-сәуле шығару деп атаған. Гамма-сәуле шығару магнит өрісінде ауытқымайды, демек, оның заряды жоқ. Гамма-сәуле шығару радиоактивтік ыдыраудың жеке бір түрі емес, ол альфа және бета-ыдыраулармен қабаттаса өтетін процесс. Ядролық реакция – атом ядросының элементар бөлшектермен немесе басқа бір атом ядросымен әсерлесуі кезінде түрленуі. Әдетте ядролық реакцияға 4 бөлшек қатынасады: оның екеуі бастапқы бөлшек болып есептеледі де, ал қалған екеуі ядролық реакцияның нәтижесінде түзіледі. Реакция кезінде түзілген бөлшектің саны кейде 2-ден артық болуы да мүмкін. Лабораториялық жағдайда ядролық реакция нысана ретінде алынған ауыр атом ядросымен (не бөлшекпен) атқылау арқылы жүргізіледі. Ядролық реакция химиялық реакцияларға ұқсас және оның жазылуы (өрнектің сол жақ бөлшегінде реакцияға қатысатын бөлшектер, ал оң жақ бөлігінде реакция нәтижесінде түзілетін бөлшектер): а+Ав+В, мұндағы а – атқылайтын бөлшек (не ядро), А – нысана ядро, в– ұшып шыққан бөлшек (не ядро), В – реакция нәтижесінде түзілген соңғы ядро (ядро-өнім). Реакцияның толық теңдеуінде реакцияға қатысатын және реакция нәтижесінде түзілетін ядролардың зарядтары мен массалық сандары да көрсетіледі. Ядролық реакцияны жазудың төмендегідей қысқа түрі де пайдаланылады: А (а, в) В, мұнда бастапқы нысана ядро мен соңғы ядро таңбасының арасындағы жақша ішінде алдымен атқылаушы бөлшектің, содан кейін оның қасына реакция кезінде ұшып шығатын бөлшектің таңбасы көрсетілген. Мысалы, лабораториялық жағдайында Э.Резерфорд жүзеге асырған алғашқы ядролық реакция (альфа-бөлшектермен атқыланған азот ядросының түрлену реакциясы) төмендегіше жазылады: немесе қысқаша: 14N(α, р)17О, мұндағы α-бөлшек (42N), ал р–протон (11Н). Түзу ядролық реакция - ұшушы бөлшек энергияны барлык ядро нысанаға емес, осы ядродағы жеке нуклонға немесе нуклондар тобына беретін ядролык реакциялар

Ядролық реакцияларЯдролық реакциялар ядроның басқа ядромен немесе элементар бөлшектермен өзара әсерлесе отырып, түрленуін айтады. Бұл әсерлесу бөлшектер бір-біріне 10-15м қашықтыққа жақындағанда ядролық күш әсерінен болады. Ядролық реакциялардың ең жиі кездесетін түрі жеңіл бөлшектің ядросымен әсерлесу нәтижесінде жеңіл бөлшегі мен ядросының түзілуі болып табылады, яғни

.

Осы реакцияны қысқаша келесі түрде жазу қабылданған:

Жақша ішінде рекцияға қатысатын бірінші бастапқы, екінші соңғы жеңіл бөлшектер жазылады.

Реакцияға қатысатын жеңіл бөлшек: нейтрон ( ), протон ( ), дейтон ( ),

- бөлшек немесе -фотон болуы мүмкін. Мысалы

немесе қысқаша .

Ядролық реакциялар нәтижесінде энергия бөлініп шығуы немесе жұтылуы мүмкін. Бөлініп шығатын энергияны реакция энергиясы деп атайды. Ол реакцияға қатысатын бастапқы және соңғы ядролардың массаларының айырмасымен анықталады. Егер соңғы ядролардың массасы бастапқы ядролардың массасынан үлкен болса, онда реакция энергия жұта жүреді және реакция энергиясы теріс болады. Энергия шығара отырып жүретін ядролық реакцияларды экзотермиялық, ал жұта отырып жүретін реакцияларды эндотермиялық деп атайды.

.Ядролардың бөлінуіНейтрондарды жұта отырып ауыр ядро бірдей екі бөлікке ыдырайды. Пайда болған бөліктер бөліну жарқыншақтары деп аталады. Ауыр ядролардың мұндай тұрақсыздығын оның құрамындағы бір-бірімен кулондық тебілетін протондардың көптігімен түсіндіріледі.Ауыр ядролардың екі жарқыншақтарға бөлінуі өте көп мөлшердегі энергияның шығарылуымен жүреді. Мысалы 1 г уран ыдырағанда 8•1010 Дж энергия бөлініп шығады. Бұл бөліну келесі түрде жазылады:

.

Келесі шарт орындалған жағдайда ауыр ядролар ыдырайды:

,мұндағы: - бөліну параметрі.

Бөліну параметрі (бөлінудің шекті параметрі) болғанда ядролар өте тұрақсыз болып табылады және табиғатта өмір сүрмейді. болған жағдайда ядролардың өздігінен бөлінуі мүмкін болады. Ядролардың өздігінен бөлінуінің жартылай ыдырау периоды 1016-1017 жыл болады. Бөліну кезіндегі жарқыншақтардан ұшып шығатын нейтрондар - бөліну нейтрондары деп аталады. Бөліну нейтрондарының арасында лездік және кешігіп шығатын нейтрондар болады. Лездік нейтрондар ядроның бөлінуі кезінде 10-14с уақыт мезетінде шығады. Кешігіп шығатын нейтрондар бөліну өнімдерінен бөліну аяқталғаннан кейін біршама уақыттан кейін шығады. Бөліну реакциясында пайда болған әрбір лездік нейтрондар көрші ядролармен әсерлесе отырып, оларда да бөліну реакциясын тудырады. Бұл жағдайда бөліну актілерінің көшкін түріндегі артуы, яғни тізбекті бөліну реакциясы жүреді.Нейтрондардың көбею коэффициенті деп реакцияның белгілі бөлігінде шығатын нейтрондар санының алдыңғы бөлігінде шығатын нейтрондар санына қатынасын айтады. Тізбекті реакциялардың жүру шарты .

Термоядролық реакциялар

Жеңіл ядролардың бірігіп бір ядро құрауын (ядро синтезі) термоядролық реакциялар деп атайды. Бұл реакция өте жоғары температурада жүреді (107-109К жоғары температураларда) және термоядролық реакциялар кезінде өте көп мөлшерде энергия бөлініп шығады.

Дейтон мен тритий ядросының синтез реакциясы келесі түрде жазылады:

.

Термоядролық реакциялар Күннің және басқа да жұлдыздардың энергияларының көзі болып табылады.