2. Радиоактивті ыдырау заңы. Ауыр ядроның бөлінуі. Тізбекті ядролық реакция. Термоядролық реакция.

Радиоактивті ыдырау заңы - атом ядроларының әр түрлі бөлшектер мен сәулелер шығара отырып, өздігінен түрлену заңы.^[1][2] Радиоактивті ыдырау заңын Резерфорд ашқан:

немесе

Уақыт бірлігі ішінде ядроның ыдырау ықтималдығын ыдырау тұрақтысы деп атап, әрпімен белгілейді. Бірдей изотоптың ядросы үшін ыдырау тұрақтысы бірдей, ал түрлі изотоптың ядролары үшін ыдырау тұрақтысы әр түрлі болады. Санақ басы ( ) мезетінде ыдырау тұрақтысы болатын радиоактивті изотоптың ыдырамаған ядроларының саны белгілі болсын. Сонда өте аз уакыт аралығында ыдырайтын ядролардың саны осы мезетте ыдырамаған ядролар санына пропорционал болуы керек деп айта аламыз:

мұндағы "минус" таңбасы уақыт өткен сайын ядролардың санының азаятынын бідіреді. (8.10) формуладан белгілі бір уақыт аралығы өткенде ыдырамаған ядролар санының уақытқа тәуелділігін табайық. Ол үшін (8.10) тендеудің екі жағын -ға бөлейік: .

Осыдан ядролардың ыдырауының уақытқа тәуелділігі шығады:

мұндағы - натурал логарифмнің негізі, , – ыдырау уақыты, — бастапқы уақыт мезетіндегі ( ) ядролар саны, уақыт ішінде ыдырамай қалған ядролардың саны, — ыдырау тұрақтысы, өлшем бірлігі c^-1. Жоғарыда аталған тәуелділікті радиоактивті ыдырау заңы деп атайды.

Уақыттың өтуіне байланысты ыдырамаған радиоактивті ядролардың саны экспоненциалды түрде кемиді. 8.12-суретте тәуелділігінің графигі көрсетілген.^[1]

Жартылай ыдырау периоды

Радиоактивті ядролар санының жартысы ыдырайтын уақыт аралығын жартылай ыдырау периоды деп атайды.

Демек, радиоактивті ядролардық алғашкы саны болса, уақыт өткеннен кейін олардың саны болады. (8.11) өрнектен аламыз.

Осы тендеуді логарифмдесек, , бұдан шығатыны . Ал тұрақты шама болғандықтан, жартылай ыдырау периоды тұрақты.

Радиоактивті ыдырау заңын 1902 жылы Э . Резерфорд пен Ф.Содди ашқан. Есептеулер радиоактивті ядроның орташа өмір сүру уақытын

өрнегі арқылы анықтауға болатынын көрсетті. Ядроның орташа өмір сүру уақыты жартылай ыдырау периодына пропорционал.

Радиоактивті ядроның ыдырау қасиетін сипаттайтын тағы бір шаманы айтуға болады. Уақыт бірлігі ішінде ыдырайтын ядролар санымен анықталатын шаманы радиоактивті заттың активтілігі ( ) деп атайды:

Активтіліктің Халықаралық жүйедегі ( ) өлшем бірлігі — беккерель.

1 беккерель (Бк) — уақыт бірлігі 1 с ішінде бір ыдырау болатын радиоактивті препараттың активтілігі:

1 Бк = 1 ыдырау / 1 c .

Іс жүзінде қолданылатын активтіліктің басқа да өлшем бірлігі бар, ол — кюри (Ки):^[1]

1 Ки = 3,7 · 1010 Бк; 1 мКи = 3,7 · 10⁷ Бк .

Кейбір элементтердің жартылай ыдырау периоды

Менделеев кестесіндегі химиялық элементтердің жартысынан көбінің табиғи радиоактивті изотопы бар. Олардың жартылай ыдырау периодтарының диапозоны өте үлкен. Мәселен, уранның изотопының жартылай ыдырау периоды = 4,5 млрд жылға, ал торийдың изотопының жартылай ыдырау периоды = 14 млрд жылға тең. Жер планетасы пайда болғалы 4-5 млрд жыл уақыт өтті десек, уран мен торийдің толығымен ыдырап болмағаны өзінен-өзі түсінікті.

Табиғатта жартылай ыдырау периоды қысқа, тіпті жартылай ыдырау периоды секундтың миллионнан бір үлесіндей ғана болатын элементтер бар. Мысалы, радий изотопы үшін = 1600 жыл, радон үшін = 3,28 тәул болса, полоний үшін = 3 мин.

Радиоактивті ыдыраудың ғажабы сол, жартылай ыдырау периоды қысқа болатын изотоптарды ертең де, бүрсігүні де, тіптен 100 жылдан соң да табиғатта кездестіруге болады.

Радиоактивті изотоптар "қартаймайды", себебі уакыттың өтуіне байланысты ыдырау жылдамдығы өзгермейді. Уран мен торий изотоптары ядроларының ыдырау кезінде пайда болатын туынды ядролар тұрақты болмайды, радиоактивті болады. Осылай үздіксіз тізбектелген ядролық ыдырау процесі тұрақты ядро, яғни радиоактивті емес туынды ядро түзілгенше жалғаса береді. Осы ыдырау тізбегін радиоактивті қатар деп атайды (8.13-сурет). Радиоактивті ыдырау заңы статистикалық заңдылыққа бағынатындықтан, ол өте көп санды атом ядролары үшін дұрыс.^[1] Кейбір элементтердің ыдырау қасиеттері:^[3]

Ауыр ядроның бөлінуі - атом ядросының бөлінуі – ауыр атом ядроларының өздігінен не басқа бір бөлшектердің әсерінен бірнеше бөлшекке (көбінесе 2 бөлшекке, сиректеу 3 және 4 бөлшекке) бөлінуі. Ядроның нейтрондар арқылы бөлінуінің практикалық маңызы бар. Атом ядросы протондар, дейтрондар, -кванттар, т.б. арқылы да бөлінеді. Атом ядросының бөліне алатындығын тәжірибе жүзінде неміс ғалымдары О.Ган (Хан) және Ф.Штрасман ашқан (1939). Бұл тәжірибенің нәтижесін неміс ғалымдары Л.Мейтнер мен О.Фриш түсіндіріп берді. Атом ядросы бөлінуінің алғашқы теориясын 1939 ж. Я.И. Френкель (КСРО), сондай-ақ Н. Бор және Дж. Уилер (АҚШ) жасады. Ауыр ядроны жуық түрде протондардың электрстатикалық тебіліс күші мен оған қарсы бағытталған керілу күшінің әсерінде тұрған сұйық тамшысы деп қарастыруға болады. Ядроның орнықсыздық дәрежесі электрстатистикалық тебіліс күші энергиясының беттік керілу күшінің энергиясына қатынасы бойынша анықталады, басқаша айтқанда: Z2/A, мұндағы Z – ядроның электр заряды, А – оның массалық саны. Z2/А шамасы жеткілікті дәрежеде үлкен болғанда ядро өздігінен (спонтанды) бөліну мүмкін. Атом ядросының өздігінен бөлінуі құбылысын 1940 ж. Г.Н. Флеров пен К.А. Петржак ашты. Теориялық есептеулер бойынша Z2/А>45 болатын атом ядросы орнықты емес. Ауыр ядролардың бөлінуі кезінде массалары әр түрлі 2 жарықшақтар орнықты ядроға айналмастан бұрын бірнеше рет бета-ыдырауға ұшырайды. Атом ядросының бөлінуі кезінде жарықшақтармен қатар нейтрондар және γ-кванттар да бөлініп шығады. Әрбір ядро бөлінгенде 200 МэВ-қа жуық энергия бөленіді. Ядроның бөлінуі кезінде бөлініп шығатын нейтрондарды шапшаң және баяу нейтрондар деп аталатын екі топқа бөлуге болады. Тізбекті реакция жүру үшін әрбір нейтронның ядроны бөлуі шарт емес. Тек ядроға тізбекті реакция өту үшін қажетті мөлшердегі нейтрондардың саны түссе болғаны. Ядролық энергияны алуда , , ядроларының бөлінуінің ерекше маңызы бар. Висмут, қорғасын, мыс, күміс, ядроларының да бөлінетіндігі анықталды. Алайда бұдан гөрі жеңіл ядролар өте сирек бөлінеді. ^[1]

Тізбекті ядролық реакция - ауыр химиялық элементтердің атом ядроларының нейтрондар әсерінен бөліну реакциясы. Оның әрбір сатысында нейтрондар саны артып, ядроның өзін-өзі қуаттайтын бөліну процессі пайда болуы мүмкін. Ядролық тізбекті реакция – экзотермикалық реакция, яғни реакция кезінде энергия бөлінеді. Бөлінген энергияның мөлшері өте көп болатындықтан ядролық тізбекті реакцияны бейбіт және соғыс мақсатында атом энергиясының көзі ретінде пайдаланады. Ауыр ядролардың нейтрондар арқылы бөлінуінің ядролық тізбекті реакциясының принциптік мүмкіндігі – уран ядросындағы нейтрондар санының протандар санына қатынасы, бөліну жарықшақтарындағы сол қатынастың шамасына қарағанда едәуір көп болатындығына байланысты. ядролық тізбекті реакцияның іс жүзіндегі жүру шарты реакцияның тармақтау процестері мен оның үзілу ықтималдықтарының қатысы арқылы анықталады. Тармақтардың басым болуы өзін-өзі қуаттайтын тізбекті процестің жүруін қамтамасыз етеді, ал үзілістің басым болуы тізбекті реакцияның жүрмейтіндігін көрсетеді. ядролық тізбекті реакцияның даму сипаттамасы – жүйенің көбею коэффициенті (k). Ол (k) бөлінгіш заттағы реакция тізбегінің кез келген буыны мен сол алдындағы буында жұтылатын нейтрондар санының қатынасына тең. Өзін-өзі қуаттайтын тізбекті процесс тек k1 болғанда ғана жүруі мүмкін. Жүйе k=1 болғанда кризистік жүйе, k>1 болғанда жоғары кризистік жүйе, ал k<1 болғанда төмен кризистік жүйе деп аталады. Жүйенің көбею коэффициенті (k) ядролық тізбекті реакция жүзеге асатын жүйенің пішініне, массасына және изотоптық құрамына тәуелді болады. Бөгде қоспасы жоқ жүйенің пішіні мен өлшемі кез келген шамадағы уран изотоптарының табиғи қоспасы (99,28% 238U және 0,71% 235U) әрқашанда төмен кризистік жүйеге жатады. Ықтималдығы басымырақ бөлгіш нейтрондар 238U ядроларымен өзара әсерлесе отырып, жаңадан бөліну актісін туғызбайды, қайта серпімсіз шашырайды. Олардың энергиясы 238U-ның бөлінуіне қажетті минимум энергиядан аз болады (~1 МэВ). Сондықтан табиғи уранның бөлінуінің тармақты ядролық тізбекті реакциясы шапшаң нейтрондар арқылы дами алмайды. Уран изотопының табиғи қоспасындағы ядролық тізбекті реакцияның тармақталуы, нейтрондардың энергиясы өте аз болғанда ғана (мысалы, бөлме температурасында ~1/40 эВ), тізбектің үзілуінен басымырақ бола бастайды. Осындай энергия кезінде 238U-ның бөліну ықтималдығының артатындығы сонша, 235U-ның бөлінуі, оның қоспадағы аздығына қарамастан, басымырақ процесс болып шығады. Бөлгіш нейтрондар энергиясының жылулық нейтрондар энергиясына дейін азаюы нейтрондардың уран ядроларымен көп қайтара серпімді соқтығысуы салдарынан болады. Баяу нейтрондар арқылы жүретін ядролық тізбекті реакция табиғи не 238U изотопымен байытылған уранның жеке блоктар түрінде орналастырылған немесе баяулатқыш (су, ауыр су, графит) көлеміне бір қалыпты таралған ядролық реакторларда жүзеге асырылады. Ал шапшаң нейтрондармен жүретін ядролық тізбекті реакция бридерлік реакторлардың кейбір түрінде және әр түрлі атом бомбасында жүзеге асады

Термоядролық реакция - -атом ядросының элементар бөлшектермен, сонымен бірге гамма кванттармен немесе бір-бірімен өзара әсерлесулерінен туған түрленулер.

Атом бүтіндей алғанда зарядсыз, бейтарап бөлшек. Ол ортасында өзінен радиусы 10⁴ -10⁵ есе кіші көлемді алып жатқан оң зарядты ядродан және оны айнала қозғадып жүрген теріс зарядты электрондардан тұрады. Атом өзінің сыртқы бір немесе бірнеше электрондарын жоғалтқанда оң, ал сырттан электрон қосып алғанда теріс ионға айналады. Атомның сызықтық өлшемдері ~ 10^-8 см, көлденең қимасының ауданы ~10^-16 см², көлемі ~10^-24 см³. Борлың атом теориясында ең қарапайым атом – сутегі атомы. Оның радиусының дәл белгілі бір мәні бар және ол мүмкін болатын ең кіші айналу орбитасының радиусы шамасына тең: a=0.53 * 10^-8 см (дәлірек, 0.52917*10^-8 см). Атомның массасы, негізінен оның ядросының массасына тең және ол массалық санға (А), яғни протондар мен нейтрондардың жалпы санына (нуклондардың жалпы санына) пропорционал болып ұлғаяды. Өйткені атомдағы электронның массасы (0.91*10^-20 г) бір протонның немесе нейтронның массасынан (1.67*10^-24 г) 1.840 есе аз. Сондықтан атомның ауырлық центрі ядроға дәлдей келеді. Атом массасы ядро массасымен ондағы электрондар массаларының дәл қосындысына тең емес. Олардың арасындағы айырым атомның байланыс энергиясын анықтайды. Атомның ішкі энергиясының тек дискретті (үздікті) мәндері болады. Оның ең төменгі деңгейі атомның негізгі күйі E₁ (ол ең тұрақты, шексіз ұзақ өмір сүретін күйі), ал жоғарғы энергия деңгейлері қозған күйлер Е_і (і=2, 3, …) деп аталады, (ол аз өмір сүреді). Қозған күйден ~10^-8 сек. ішінде атом негізгі күйге ауысып отырады. Осындай ауысу кезінде атомға осы екі деңгейінің айырымына тең (hν=E_ν-E₁, мұндағы h – Планк тұрақтысы, ν – ұшып шыққан сәуле квантының жиілігі) сырттан энергия берілуі не шығарылуы шарт. Атом энергиясының дискретті квантталуы оның құрамындағы бөлшектердің толқындық қасиетінің болуынан. Атомның осындай қасиеттерін кванттық теория ғана толық түсіндіре алады. Бұл теория бойынша атомдағы электронның күйі 4 кванттық санмен анықталады. Олар: электрон энергиясын анықтайтын бас кванттық сан (n), атомның осындай импульс моментін анықтайтын орбиталық кванттық сан (l), ал (l)-дың берілген оське түсірілген проекциясын анықтайтын магниттік кванттық сан (m) және электронның ішкі спинін анықтайтын кванттық сан (m_s).^[1]

Осы 4 кванттық сан мен Паули принципі атомдағы электрондардың барлық күйлерін сипаттайды. Сонымен бірге кванттық теорияда микробөлшектердің сол 4 кванттық сан анықтайтын күйлерін толқындық функциямен (φ) өрнектейді. Ол функцияның квадраты (|φ|²) бөлшектердің кеңістік нүктелерінде болу ықтималдығын білдіреді. Кеңістіктегі электрон бұлтының тығыздығы осы ықтималдыққа пропорционал. Кванттық сандардың мәндеріне сәйкес атомдардағы қабықшалар мен қабаттар рет-ретімен толтырылып отырады. Осылайша элементтердің Менделеев кестесіндегі орны анықталады. Алдымен ең кіші n=1 қабат толтырып, онда болғаны 2 электрон ғана орналасады. Онан кейін n=2 қабат толтырылғанда ядроның заряды өсуіне сәйкес қабаттар ядроға жақындай түседі. 1-қабат 1s қабықшадан, 2-қабат 2s, 2p қабықшалардан, 3-қабат 3s, 3p, 3d қабықшалардан, т.с.с. тұрады. Әр қабат элементтің периодын анықтайды. Осы период элементтердің химиялық, оптикалық, электрлік, және магниттік қасиеттерінің қайталану периоды болып табылады. Осы периодтылық атомның ең сыртқы электрон қабықшаларының қасиетімен анықталады. Мұндай периодтылық иондар қасиетінде де сақталады.

Атомның орбиталарында 2 не одан да көп электрондар қозғалып жүрсе, онда мұндай күрделі атомдардағы электрондардың өзара әсерлесуін де еске алу керек. Ол әсерлесулер тек электр статикалық ғана емес, орбиталық магниттік моменттер мен бөлшектердің өзінің ішкі магниттік моменттері де өзара әсерлесуі мүмкін. Мысалы, гелий атомындағы 2 электронның негізгі күйдегі әсерлесу энергиясы 78.98 эВ. Көп электронды атомдар құрылысын зерттегенде бұларды есепке алып отырады. Сонымен бірге әр электронның орбита бойымен қозғалысында туатын электр магниттік өрісі мен электронның ішкі магниттік моменттерінің әсерлесуі де қосымша байланыс энергиясын тудырады. Осының нәтижесінде атом спектрлерінде нәзік түзілісті, ал электрон мен ядроның магниттік моменттерінің өзара әсерлесуінен аса нәзік түзілісті көреміз. Қазіргі замандағы кванттық электр динамикасында атом электрондарының вакуум құрамындағы виртуалды бөлшектермен әсерлесуін де есептеп атом құрылысының мұнан да күрделі екеніне көз жеткізуге болады.^[2][3]