Атомдық ядро. Ядроның уклондық моделі. Изотоптар. Нуклондардың ядродағы байланыс энергиясы. Физика, 11 сынып, қосымша материал 3.

Біздер кез – келген химиялық элементтің атомының центрінде орналасқан ядро протондар мен нейтрондардан тұратынын білдік.

Біздер аттас зарядтардың бір –бірін тебетінін бұрыннан білеміз. Олай болса, ядро ішіндегі аттас протондар бір – бірін тебіп, неге ыдырап кетпейді деген сұрақ туады. Оларды ыдыратпай ядрода берік ұстап тұрған қандай күш?

Мүмкін протон мен нейтронды берік ұстап тұрған бүкіләлемдік тартылыс күші шығар деп пайымдау жасауға болады. Бірақ та, жүргізілген есептеулер, ядродағы екі протонның арасындағы тартылыс күші, олардың арасындағы F=k Кулондық тебіліс күшінен 10³⁶ есе кіші екенін көрсетті.

Атом ядросының тұрақтылығы табиғаты бөлек аса зор тартылыс күші бар екенін дәлелдейді. Ядродағы нуклондарды ыдырап кетуден сақтап, оның берік байланысын қамтамасыз ететін күштер ядролық күштер деп аталады.

Ядролық күшті сипаттайтын аналитикалық өрнек жоқ. Бірақ та, ядролық күштердің қасиеті жақсы зерттелген.

Ядролық күштер қасиеттеріне тоқталайық:

1 Мыс: протонның центрінен 10^-15м қашықтықта ядролық күштер кулондық күштен 35 есе, ал тартылыс күштен 10³⁸ есе қуатты болады. Сол себепті ядролық күштер күшті әрекеттесу күштері болып табылады.

2.Қысқа әрекетті күш – қысқа аралықта ядролық тартылыс күштері кулондық тебіліс күштерінен жүздеген есе артық болады, ал алыс аралықта ядролық күш әрекеттесулерге қатыспайды.

3. Зарядқа тәуелсіз - ядролық күш зарядтардың бар – жоғына, олардың таңбаларына тәуелді емес. Сондықтан ядродағы протондар мен протондар, нейтрондпр мен нейтрондар, протондар мен нейтрондар да бір – біріне тартыла береді.

4.Қаныққыш күштер – Ол нуклонның барлық нуклондармен емес, тек өзіне жақын көршілерімен ғана әрекеттесетінін көрсетеді.

5. Кулондық күштер қатарына жатпайды - Кулондық сияқты центрлік күштер қатарына жатпайды. Атом ядросындағы ең үлкен қарқынмен өтетін құбылыстарды басқаратын күштер. Олар элементар бөлшектер арасында күшті байланыс туғызады.

ІІ. Нуклондардың ядродағы байланыс энергиясы.

М_я< Z*m_p + N*m_n

∆М= Z*m_p + N*m_n - M_я - масса ақауының формуласы;

Массалар ақауы деп – Ядролық тарту күшінің жұмысы есебінен нуклондардан атом ядросы түзілгенде пайда болатын массалар айырымын айтамыз.

Байланыс энергиясының формуласы:

Е_б= ΔM*c²=( Z*m_p + N*m_n - M_я )*c² немесе Е_б=( Z*m_Н + N*m_n – M_а )*c² ;

Атом ядросын түгелімен жеке нуклонға ыдырату үшін қажетті минимал энергияны- ядроның байланыс энергиясы дейміз.

Энергия үшін МэВ қолданылады:

Е_б= ( Z*m_p + N*m_n - M_я )*931,5 МэВ немесе Е_б=( Z*m_Н + N*m_n – M_а )*931,5 МэВ.

∆М= Е_б / c².

Байланыс энергиясы өте ғаламат. Екі вагон тас көмірді жаққан кезде қанша энергия мөлшері бөлінсе, сутегінен 4 г гелий массасын түзу үшін сондай энергия бөлінеді. Барлық үлкен Әлем кеңістігінде, оның ішінде жер шарында, сутегі - ең көп таралған элементтердің бірі. Сондықтан физиктердің, барлық басқа мамандардың негізгі мақсаты сутегі энергиясын бейбіт мақсат үшін қолдану.

ІІІ. Меншікті байланыс энергиясы деп ядроның байланыс энергиясының А массалық санға қатынасын, яғни бір нуклонға сәйкес келетін байланыс энергиясын айтады:

Е_м.б= Е_б/А ;

Нуклондардың меншікті байланыс энергиясы түрлі атом ядроларында бірдей емес. Ядродағы нуклондардың меншікті байланыс энергиясының массалық А санға тәуелділігі мына суретте көрсетілген. Массалық А санының артуына байланысты Е_{м.б 1}Н² – дейтерийдің ядросында 1,1 МэВ/нуклон мәнінен темірдің ₂₆Fe ⁵⁶ изотопы үшін 8,8 МэВ/нуклон мәніне арта бастайды. Е_м.б максимал болатын элементтердің ядролары ең тұрақты ядролар болып табылады. Енді массалық сан А артқанымен Е_м.б кеми береді, мыс: уранның ₉₂U²³⁸ изотопында 7,6 МэВ/нуклон. Жеңіл элементтердің Е_м.б кемуі беттік құбылыстармен байланысты. Сондықтан ядроның ішіндегі нуклондармен салыстырғанда ядроның бетіндегі нуклондардың байланыс энергиясы аз. Ядро кіші болған сайын нуклондардың көпшілігі ядро бетіне жақын орналасады. Сол себепті жеңіл ядролардың меншікті байланыс энергиясы аз.

Табиғатта жиі кездесетін және ядродағы протондардың немесе нейтрондардың саны киелі сандар деп аталатын 2,8,20,24,50,82,126 сандарына тең ядролар тұрақты болып келеді. Ал, егер протондардың да, нейтрондардың да сандары киелі сандарға тең болса, онда қосарланған киелі санды ядро аса тұрақты болады. Табиғатта ондай бес ядро бар: ₂He⁴, ₈O¹⁶, ₂₀Ca⁴⁰, ₂₄Cr⁴⁸, ₈₂Pb²⁰⁸.