Ядорлық физика

Әдебиеттер

Негізгі әдебиет.

1. Ракобельская Л. Ядерная физика, М.: Наука, 1980-450 б.

2. Ю. М. Ширков, Н.П.. Юдин, Ядерная физика, М.: Наука, 1980-540 б.

3. Н. Қойшыбаев, М. Динейхан, Элементар бөлшектер теориясына кіріспе, Алматы қ-сы, «Қазақ университеті» 2000-220 б.

4. Қадыров Н.Б., Ядролық физика, «Қазақ университеті»

5. Давыдав А.С., Строение атомного ядра, М.: Наука, 1959-640 б.

Қосымша әдебиет

1. О. Бор, Б. Моттельсон. Структура атомного ядра, Москва, «Мир», 1971

2. Скачков А.Б. и др. Сборник задач по ядерной физике. М.: Наука, 1968-643 [3]. Соловьев В.Г. Теория атомного ядра. М.: Изд. энергоиздат-1981

интернет-сайттар:

http://www.mathnet.ru

http://www.allbest.ru/

Пәнге кіріспе

Ядролық физика саласын даму сатысын шартты түрде үш периодка бөлеміз:

1896 – 1932 жылдар арасы атом ядросының құрылымының ең жалпы факторларының орныққан кезеңі

1932- 1949 жылдар арасы заманауи ядролық физиканың даму тарихының бастау алған кезеңі.

Үшінші кезең ядролық реакция механизмінің және атом ядросының құрылуын тізбектей зерттеудің заманауи даму кезеңі, осы кезде элементар бөлшектер физикасы бөлек сала болып бөлініп шыққан.

Қазіргі кезең ядролық физика саласының дамуы тәжірибелік мәліметтерді жинақтау және оларды іске асыру, яғни Бізді қоршаған Әлем неден, қайдан пайда болған деген сұрақтарға жауап іздеумен болуда.

Атом ядросы, оның қасиеттері.

Кіріспе.

Адамзат ертеден бастап таным процесін жүргізіп келеді.

Сонда айдың, күннің, жұлдыздардың ар жағында не бар деген бағытта ізденісте болатын. Біз бұны «Үлкен арақашықтықтағы зерттеулер» дейміз.

Көптеген зерттеулердің бірі - Дене ішінде не бар деп зерттеулер жүргізілген.

Мысалы: жұмыртқаны сыртынан қарағанда, оның ішкі құрылысы қандай екені белгісіз. Оны бөлсе ішінен не шығады деген сұрақтар туындады.

Сол сияқты денені бөлген кезде ішінен не шығады деген мәселелер туындады.

Қандай да бір химиялық элементті алсақ, ол бөліне отырып, өзінің бөлінбейтін бөлігіне барған. Ол тұжырым атом болды. Бұл тұжырым 1870-80 жылдары құрылды. Атом – грек тілінен аударғанда «бөлінбейді» дегенді білдіреді. Бізді қоршаған орта, химиялық элементтерден тұрады, әр элементтің өзінің атомы болады. Атомдар бөлінбейді деген қағида болды. 1870 жылдары алғаш рет Томсон лабораториясында (Англияда) атомнан электронды бөліп алды, содан бастап атомның құрылымы қандай деген мәселелер шықты.

1903 жылы Томсон «Атомның құрылымы» туралы моделін ұсынды, ол Томсонның «Пудингі» моделі деп аталды.

Ол изюм қосылып пісірілген кекс. Изюмді - электрон деп қарастырып, ал ұнды біртекті таралған масса деп қарастырған. Осы лабораторияда Томсонның шәкірті Резерфорд жұмыс істеген. Ол Томсонның тәжірибелерін қайталап отырған. Сол кезде Әлемде радиоактивті денелер: α – оң зарядты, β – теріс зарядты, γ- бейтарап бөлшектер ашылды. 1896 жылы француз физигі А. Беккерель, уран тұздарының қандайда бір нұр шығаратындығын байқаған. Екі жыл өткен соң француз физигі Мария П. Кюри торий радиоактивтілігін тапты және екі жаңа радиоактивті элементтерді – полоний  және радий ашты. 

Оң және теріс зарядтарды бөлшектерді үдететін сызықтық үдеткіштер пайда бола бастады. Соның нәтижесінде бөлшектің кинетикалық энергиясы 7-8 МэВ-ке дейін жетті. Бұл бөлшектер жұқа қабыршақты тесіп өтетін мүмкіншілікте болды. Егер дене атомнан тұратын болса, оның ішіндегі масса біртекті таралған болса, онда қабыршақтан шыққан бөлшектің таралуыда біртекті болуы керек. Осыны тексеру үшін 1903 жылдан бастап Резерфорд тәжірибесін бірнеше рет қайталады. Тәжірибенің мақсаты: Томсонның моделін тексеру еді, ол радиоактивті заттың қайнар көз ретінде α - бөлшекті алды. Көзден кейін үш қорғасын пластинкаларын, одан соң алтын фольга, экран қойды. Соны микроскоппен бақылап отырды.

Резерфорд тәжірибесі.

Негізгі мақсат:

Біртекті таралуды дәлелдеу. Біртекті бөлшек келсе, іші біртекті таралады.

Экранға келген сәуле (вспышка) шығады, ол қанша келген, қалай түседі? Ол шеттерінде қара дақ пайда болады, ол деген бөлшектің түсуі. Оның себебін Резерфорд тәжірибесінің қатесі деп көрген. Содан ол тәжірибені қайта қайталаған, бәрі бір шетінде қара дақ қалып отырған, ал негізгі шоғыр ортасында болған. Осы зерттеулерін қорытындылай келе, Резерфорд келесі тұжырымға келді:

1) Бөлшек оң зарядты;

2) Бізге белгілі химиялық элементтердің атомдары нейтрал күйде болады;

3) Атом ішінде оң зарядталған, өлшемі кіші, массасы ауыр дене бар.

Егер он электрон болса, онда атомда он оң заряд болуы керек. Сонда ұшып келе жатқан бөлшек оң болғандықтан, ол электроннан тебілмейді, бұл бөлшек тек оң зарядтан тебілуі мүмкін. Ол тебіліп, бағытын өзгертуі үшін: оң зарядты, массасы бөлшектің массасынан көп есе үлкен болуы керек. Шашырған бөлшектің саны аз болғандықтан, атом ішінде оң зарядты үлкен массалы дененің сызықтық мөлшері өте кішкене болуы керек немесе ұшып келген бөлшектің бәрі бірдей онымен соқтығыспайды.

Мысалы: 20 метр жерде тұрып, нысанаға зат лақтырдық делік, ал нысана кішкентай шарик болсын, онда барлығы бірдей тимейді, ал нысана үлкен болса, онда барлығы тиеді.

Осы тәжірибенің нәтижесін дәлелдеу үшін Резерфорд өзінің идеясын шығарды. Солай атомның жаңа моделі шықты. Ол былай тұжырымдалды: ортасындағы массасы үлкен, заряды оң денені - атом ядросы деп атайды. Ол ертедегі Грек құдайының аты еді. Осыдан алғаш «ядро» деген түсінік пайда болды.

Резерфорд моделі

Параллель α - бөлшектің ағынының алтын фольгаға түскенін қарастырайық. Онда алтынның атомы бар. Осы атом құрылымын Резерфордтың болжамымен қарастырамыз немесе алтын атомының ортасында оң зарядты алтын атомының массасына жуықтап тең массалы, өте кішкене өлшемді дене бар деп есептеді. Осы денеге келіп түскен α-бөлшектің әрекеттесуін қарастырамыз. Ұшып келе жатқан α-бөлшекті А деп белгілейік. Оған параллель жүріп, N – басып өтетін арақашықтықты b деп белгілейік, оны b - нысана параметрі деп атайды.

α - бөлшек оң зарядты болғандықтан, N – деген дене арасындағы жақындаған сайын тербеліс болады. Сонда оң жақындаған нүктесін С - деп белгілейік. N және α-бөлшектері арасындағы тебілу күші болғандықтан, α-бөлшек өзінің бағытынан ауытқиды. α-бөлшектің алғашқы бағыты және ауытқығаннан кейінгі бағытының арасындағы бұрышты θ - деп белгілейік, оны шашырау бұрышы деп атаймыз.

Егер b - үлкен болса, онда ауытқу аз болады. Содықтан в және θ бір біріне тәуелді функция болады. Егер b=0 болса, онда ұшып келе жатқан бөлшек N-ге тура соғылады. N-нің массасы үлкен болғандықтан, α-бөлшек қабырғаға соғылған доп сияқты кері қайтады. Егер b кішкене көбейсе, соғылып қайтқан бөлшектің шашырау бұрышы азайтып отырады. Жалпы α-бөлшек тура соғылған кезде, θ- шашырау бұрышы π-ге тең, ал b өскен сайын, θ - бұрыш азайып отырады. Сондықтан α-бөлшек N нысана-ядроға соғылып кері θ-бұрышпен қайтып отырады. Сонда біз фольгаға ┴ тиген бөлшектерді қарастырдық.

Алтын қоспасы біртекті атом болғандықтан, тәжірибедегі шашырауды бақылау ыңғайлы болды. Резерфорд параллель ұшып келе жатқан бөлшектердің фольгаға түскенін ғана қарастырған. Бұдан алынатын қорытынды b-ның θ- бұрышқа тәуелді функция екендігі шығып отыр. Енді осы тәуелділікті анықтаймыз.

N-бөлшектің зарядын - деп белгілейік.

α- бөлшектің заряды - -ге тең.

Екі бөлшектің арасындағы тебілуі күші - Кулон күшіне тең

(1)

Егер күш белгілі болса, ол кезде N дененің - зарядының, электр өрісінің потенциалын анықтауға болады.

(2)

Ұшып келе жатқан α - бөлшектің кинетикалық энергиясы:

Бұл Резерфорд алған мән. Егер в=0 болса, онда бөлшектің ең жақындаған ара қашықтығын Д - деп белгілейміз. Д -қашықтықта ұшып келе жатқан бөлшектің кинетикалық энергиясы тебу күшінің потенциалдық энергиясына тең.

Егер ұшып келе жатқан бөлшектің кинетикалық энергиясы неғұрлым үлкен болса, онда Д - қашықтық соғұрлым аз немесе бөлшек ядроға соғұрлым жақын болады

(3)

Егер N мен А арақашықтығы үлкен болса, онда Кулон күші әсер етпейді.

Кулон күші әсер ететін қашықтықты -деп белгілейік, онда ең жақындаған нүктесін С-деп, Кулондық өріс біртекті болады. Сондықтан АСВ қисығы гипербола болады. Ал NС алғашқы ұшып келген бағытқа және ұшып шыққан бағыттың бұрышына тең. Шашырау бұрышын табу үшін π - бұрыштан θ - бұрышын алу керек.

Сонда тең.

α - бөлшек С нүктесінде тұрсын деп қарастырайық

Соңында

(4)

Егер болса, онда (тура соғылу шарты қанағаттандырылады).

Импульс өзгерісі

Бұл жерде импульс өзінің бағытын өзгертіп, шамасын өзгертпеген, яғни

(5)

- импульс өзгерісі.

(6)

(6) – толық импульстің өзгерісі.

Енді әрбір нүктедегі импульстің өзгерісін анықтайық. Импульс неліктен өзгеріп тұр? Ұшып келе жатқан бөлшекке күш әсер ететіндіктен импульсте өзгеріс пайда болады. Егер күш әсер етпесе, онда өзгеріс болмайды. Егер күш әсер етсе, онда бөлшектің жылдамдығы өзгеруі керек.

(7)

Импульстің толық өзгерісін табу үшін, әрбір нүктедегі импульс өзгерісін қосу керек, сонда

(8)

(8) – радиус вектордың бағытымен алсақ

(9)

Импульс моментінің сақталу заңдылығын жазайық

(10)

(6) мен (10) өрнектерін теңестірсек:

(11)

Бұл теңдіктен табатын болсақ:

Қорыта келгенде, нысана параметрі, шашырау бұрышы және ең жақын арақашықтық арасындағы байланысты таптық (12)

Эрнест Резерфорд

Дж. Дж. Томсон және

Э. Резерфорд

Резерфорд формуласы

Енді атомды шетіндегі электроны бар, ортасында ядросы бар модель деп қарастыру негізінде шашырау заңдылығын анықтаймыз. Тәжірибе жүзінде шашыраудың қимасын анықтайды, ал теория жүзінде есептеп тәжірибелік мәнімен сәйкестігін тексереміз, яғни шеңбердің ұзындығын, сақинаның қалыңдығын. Шеңбердің ауданы:

(13)

Денелік бұрышты табатын болсақ:

(14)

Алтын фольганың ауданы – А, қалыңдығы, көлемі. ауданы бар бетке бағытта ұшып келе жатқан α - бөлшектің саны делік, ал оның әр біреуінің эффективті шашырау қимасы:

(15)

Алтынның бірлік көлеміндегі ядро санын – n, барлық саны , ядро үшін эффективті шашыраудың толық ауданы:

(16)

Ал бірлік ауданның шашырауы:

(17)

Осы анықтама бойынша бірлік ауданда шашыраған бөлшектің саны:

(18)

Егер көрсек , яғни

(19)

(20)

(20) – бөлшектің өзгерісі.

Осы түрлендірулерден кейін қорытқы

Резерфорд формуласы келесі түрде жазылады:

(21)

Мұндағы Авагадро саны, М - мольдік

масса, ρ - тығыздық, Z=79 алтын ядросы.

. Егер

болса, онда b- эффективті қиманы анықтау керек.

- бірлік көлемдегі атом саны.

Жуық шамамен 100 000 бөлшектің екеуі ғана бұрышпен шашырайтын болады. Бұл тәжірибе нәтижесімен сәйкес келеді. Атомның өлшемі ядроның өлшемінен 100 000 есе кіші дегенді білдіреді, яғни атом массасының бөлігі ядрода жинақталған.

1919 жылы Резерфорд протонды анықтады. бөлшекпен атқылағанда және оң зарядталған бөлшек бөлініп шыққан, оны протон деп атаған. Осы кезден бастап протон деген бөлшек пайда болды, ол келесі реакциялар түрде жазылады: 14N + α → 17O + p

Осы кезден бастап ядроның ішінде қосу зарядты бөлшек бар деп қарастырған. Осыдан кейін 1920 жылы Резерфорд ядроның ішінде заряды 0-ге тең, ал массасы протонның массасымен бірдей бөлшек бар деп идея айтты. 1930 жылы Боте Беккерель Бериллий пластинасын бөлшекпен атқылап көрді. Ол реакция келесі дей жазылады:

Осы реакцияның нәтижесінде бөлініп шыққан нұралануларды санағышпен тіркеді. Нұрлану жолына қорғасын пластинасын қойды. Ол қорғасын пластинасына жақсы жұтылмады. 1932 жылы бұл тәжірибені Пьер Кюри қайталады. Нұрдың жолына парафин қойды, сонда парафиннен протон ұшып шыққанын тіркеді, оның энергиясы 4,3 МэВ екенін өлшеді. Қорытындысында мынадай идея айтты: Фотон металл бетіне түскенде кей жағыдайда ұшып шығады, оны фотоэффект деп атайды.

Бұл құбылысты да олар ядролық фотоэффекті деп атады. Бірақ ядроның ішіндегі протон кванттың әсерінен бөлініп шығуы үшін кванттың энергиясы 50 МэВ төмен болмауы керек. Чедвиг Резерфорд идеясын басшылыққа алып, ядроның ішінде ауыр нейтрал бөлшек бар деп тәжірибелік нәтижелерді қайта өңдеді. Соның нәтижесінде ядроның ішінде массасы протон массасынан сәл үлкенірек нейтрал бөлшек бар деп анықтады. Ол тұрақсыз, 888 секундтың ішінде ыдырап кетеді.

Ядроның массасы.

Ядро мөлшерін 1911 жылы Резерфорд тәжірибеден анықтаған. Ол . Атом күйі Шредингер теңдеуімен немесе кванттық механикамен анықталады. Ядро – протондар мен нейтрондардан тұрады. Ең қарапайым ядро – дейтрон ядросы. Бұл бір протоннан және бір нейтроннан тұрады. Дейтрон ядросынан p мен n бөлу үшін энергия керек, уран ядросы Kr (криптон) -89 және Ba (барий)-144 ядроларына ыдыраған кезде энергия бөлінеді.

Ядроның құрамындығы элементар бөлшектер протон мен нейтронды нуклон деп атайды. Ядроны - деп белгілейді, мұндағы А- масса саны, Z - атом саны, N- нейтрон саны. Z - саны бірдей ядролар изотоп деп аталады. Мысалы кремний изотопы. А - саны бірдей ядролар изобар деп аталады. изобарлар. N - саны бірдей ядролар изотон деп аталады.

изотондар.

Молекулалар мен атомдардың массасын сипаттау үшін атом массасы -М түсінігі қолданылады.

Атом массасы  — салыстырмалы шама. Ол көміртегі атомнының массасына қатысты анықталады, яғни   М=12.000 000.

Атом массасын абсолютті анықтау үшін массаның атомдық бірлігі енгізілген (м.а.б.), ол көміртегі атомнының массасының 1/12 тең

1  м.а.б. =1/12  mC12= 1.66057 · 10−27  кг

1 кг= 6.022045 · 1026  м.а.б.

Осы формулалардан

mа= M·1  м.а.б. = M · 1.66057 · 10−27  кг

Атомның массасын білсек, онда кез келген заттың атом санын табу оңай, яғни N = m/mа

N=m M · 1  м.а.б. =m M · 1.66057 · 10−27 кг

Ядро массасын масс-спектрометрі арқылы дәл өлшеуге болады. Атом ядросының массасы әрқашанда нуклондардың массасының қосындысынан кем болады. Бұл құбылыс дефект масса деп аталады- ∆m. Егер Δm массалар ақауы (дефект), mп протон массасы, кг mн нейтрон массасы, кг Z – протондар саны,N = A – Z нейтрондар саны және mя ядро массасы болса, онда массалар ақауы келесі түрде жазылады:

Δm= Z·mп+ N·mн−mя

Массалар ақауы ядродағы нуклондардың қосындысының нәтижесінде пайда болатын байланыс энергиясымен анықталады. Ядроның байланыс энергиясына (яғни дефект массасына) сай массаны Эйнштейн формуласымен анықтауға болады  E = mc2.

Eбайл= Δmc2 =(Zmп+ Nmн−mя)c2