Дәріс № Кіріспе. Атом ядросының және элементар бөлшектер физикасының даму тарихының негізгі кезендері. Ядроның құрылысы, негізгі сипаттамалары, байланыс энергиясы

Дәріс мазмұны.

1. 
   Атом ядросының және элементар бөлшектер физикасының даму тарихының негізгі кезендері.
   
2. 
   Табиғат құбылыстарының жылдамдықтары мен масштабтары, микроәлемдегі құбылыстарының масштабтары.
   
3. 
   Ядроны әсерлесетін протондар мен нейтрондар жүйесі ретінде қарастыру. Ядроның массалық саны мен заряды. Изотоптар, изобаралар.
   
4. 
   Ядроның байланыс энергиясы. Тұрақты және радиоактивті ядролар.
   

1. 
   Жұық шамамен 2500 жыл бұрын көне грек натурфилософы Демокрит Әлем шексіз көп бөлімбейтін бөлшектерден – атомдардан және бос кеңістіктен тұрады деген концепцияны ұсынды. Бірақ ХІХ ғасырдың басынан кейбір ғалымдар атом құрылымды бөлшек болу керек деген пікірлер айта бастады.
   

1901 ж. Ж.Перрен «Атомның ядролық-планетарлық құрылымы» деп аталатын мақаланы жариялады: оң зарядталған ядроның қасында айналу жиіліктері атом шығаратын жарық жиіліктеріне тең болатын электрондар қозғалады.

1903ж. Дж. Дж. Томсон атом құрылысының статикалық моделін ұсынды – «жүзімі бар пудинг».

1904 ж. Х.Нагаока Сатурн планетасымен ұқсастығын қолдана отырып, атомның планетарлық моделіне келді.

Бұл моделдердің ешқандай дәлелдемесі болмаған. Дж. Дж. Томсон моделі кейбір құбылыстарды саналық жағынан дұрыс түсіндірсе, сандық жағынан сәйкестік болмады.

1906 ж. Э.Резерфорд α – бөлшектердің заттағы шашырауын бақылады. 1910 ж. Резерфордыңәріптестері Х.Гейгер және Э.Марсден α – бөлшектердің 180⁰ бұрышқа дейін жететін үлкен бұрыштарға шашырауын бақылаған. 1911 ж. Э.Резерфорд атом құрылысының планетарлық моделін тұжырымдады: өте кішкентай және ауыр оң зарядталған ядроның қасынды теріс зарядталған электрондар қозғалады. Бұл моделі негізінде классикалық механиканың әдістерін қолдана отырып, Резерфорд шашыраудың эффективті қимасын есептеуге арналған өз атақты формуласын қорытты.

1911-1912 жж. Х.Гейгер және Э.Марсден Резерфорд формуласының дұрыстығын эксперимент жүзінде дәлелдеді.

1912 ж. П.Блэкетт, Ч.Вильсон ашқан камерасы көмегімен шұғыл бағыт өзгерістері болатын α – бөлшектердің іздерінің фотографияларың алды.

1913 ж. А.Ван-ден-Брук ядро зарядын есептейтін z, с формуласын тапты, мұндағы

z – Менделеев таблицасындағы элементтін номері.

1913 ж. Н.Бор атомның планетарлық моделі мен классикалық электродинамика арасындағы қайшылықтан құтылу үшін екі постулат енгізіп, атомның жартылай классикалық – жартылай кванттық моделін ұсынды.

1914 ж. Г.Мозли, сипаттаушы рентген нұрдың жиіліктерін өлшеп, Ван-ден-Брук болжамын растады. Н.бор айтқандай, бұл Резерфордың атом моделінің дұрыстығының ең күшті дәлелдемелі болды.

1919 ж. Э.Резерфорд бірінші рет элементтердің жасанды алмастыруын өткізді. Ол α –бөлшектермен азот атомдарын атқылағанда, оттегі изотобымен бірге жаңа бөлшек пайда болды

⁴₂Не + ¹⁴₇ N → ¹⁷₈ О + ¹₁ Н

1920 ж. Э.Резерфорд осы сутегінің ядросын элементар бөлшек деп есептеп, оны протон (грек тілінде protos – бірінші) деп атады. Онымен бірге Резерфорд табиғатта массасы протон массасына өте жақын, бірақ заряды жоқ элементар бөлшек болуы туралы болжам айтты.

1930 ж. В.Ботс және Г.Бекер α –бөлшектермен берилмейді атқылағанда жоғары энергиялы бейтарап нұрдың пайда болуын ашты. Олар оны γ – нұр деп есептеп, жеке фотондардың энергиясымен 5 МэВ-қа бағалады.

1932 ж. Ирэн және Фредерик Жолио-Кюри жаңа нұрдың қасиеттерін зерттеп, ол парафиннен протондарды соғып шығаратындығын тапты. Бірақ ол үшін болжамды фотондардың энергиясы 5 МэВ емес, 50 МэВ-тең кем болмайтындығын ашылды.

1932 ж. Дж.Чэдвик зерттелетін бейтарап нұрды парафинмен бірге басқа заттардан өткізіп, өлшеулердің қосымша сериясын өткізді. Нәтижесінде ол болжамды γ – кванттардың энергиясы 100 МэВ-қа тең екендігін анықтады. Бірақ энергиясы осындай жоғары болатын фотондар табиғатта болмайды. Пайда болған қайшылықтан құтылу үшін, Чэдвик бейтарап нұр тыныштық массасы бар бөлшектерден тұратындығын болжамды және жаңа бөлшекті нейтрон деп атады.

Сол жылы совет физиктер Д.Д.Иваненко және Е.Н.Гапон ядроның протондық – нейтрондық моделін ұсынды. Сөйтіп, атом ядросының құрамы анықталып, ядролық физика мен элементар бөлшектер физикасының даму тарихының екінші кезені аяқталды.

1933 ж. Басталған үшінші кезенде 400 жұық жаңа элементар бөлшектер ашылды, олар шың элементар бөлшектер деп есептелетін үш топқа (әрекеттесуді тасымалдайтыңбөлшектер, лептондар, кварктар) бөлінді. Табиғаттағы төрт іргелі әсерлесулердің қасиеттерің түсіндіретін біріктірілген теориялар құрылды: кванттық электродинамика, электрәлсіз әсерлесудің теориясы, кванттық хромодинамика.

2. 
   Атом ядросының физикасының және элементар бөлшектер физикасының қазіргі физикадағы орның анықтау үшін, физикалық процесстер мен құбылыстарды топтастыру керек. Топтастыруды таңдау жолын физика, тарихі өзі көрсетеді. ХІХ ғасырдың аяғында классикалық физика толығымен құрылып бітті. Бірақ оны пайдалану облысының шектеулін ашылды, себебі классикалық физиканың макроскопиялық денелердің жеткілікті ақырын қозғалыстарын ғана бейнелейтін мүмкіндігі бар.
   

Жылдамдық (энергия) бойынша физикалық процесстерді былай топтастыруға болады.

1. 
   Егер бөлшектердің жылдамдықтары жарық жылдамдығымен салыстырмалы болса ( υ ~ с) немесе олардың кинетикалық энергиялары тыныштық энергиясына жақын немесе үлкен болса ( Т m₀ c² ) , сонда процесстерді релятивистік деп атайды. Мұндай құбылыстарды салыстырмалылық теорияға негізделген релятивистік физика зерттейді.
   
2. 
   Жылдамдықтары кішкентай ( υ « с) немесе кинетикалық энергиялары үлкен емес
   

Мұндай топтастыру түріне сәйкес келетін іргелі тұрақтысы ретінде вакуумдағы жарық жылдамдығы с 3 · 10⁸ м/с алынады. Шекті жағдайда ( υ « с) релятивистік механика ньютон механикасына ауысады. Бұл факт сәйкестік принциптің дербес бейнелуі болады.

Енді физикалық құбылыстарды оларға тән масштабтары бойынша, яғни зерттелетін нысаналарының өлшемдері немесе олардың арасындағы қашықтары бойынша топтастырайық.

1. 
   Егер сипаттаушы масштабтары мынадай R 100 млн. жарық жылы болса, кеңістіктің мұндай облысын мегаәлем деп атайды. Оның қасиеттері мен эволюциясын зерттейтін ғылымды космология деп атайды.
   
2. 
   Бізді қоршайтың денелердің өлшемдері қалыпты және олар макроәлемді түзеді, оны макроскопиялық физика зерттейді.
   
3. 
   Егер R 10^-8 м теңсіздік орындалса, сәйкес құбылыстарды микроәлем облысына жатқызады. Микроәлемді кванттық физика зерттейді.
   

3. Қазіргі көзқарас бойынша ядролар күшті әсерлесетін бөлшектерден – нуклондардан тұрады. Олар элементар бөлшектердің адрондар тобына жатады. Нуклондардың екі күйі болады. Зарядталған күйін протон деп атайды, ал бейтарап күйін нейтрон деп атайды. Ядро ішінде нуклондар бір күйден екінші күйге ауысып отырады, бірақ әрқашан ядроға протондар саны сақталады. Протондар саны атом ядросының зарядың Z _е анықтайды. Ядро заряды элементтін химиялық қасиеттерін анықтайды. Бірінші рет ядро зарядын дәл өлшеген 1913 ж. Мозли болды. Ол сипаттаушы рентген нұрдың жиілігі υ мен z заряды арасындағы қарапайым байланысын тапты.

мұндағы А және В – тұрақтылар.

Ядродағы нуклондар саның оның массалық саны А деп аталады, ал нейтрондар саны массалық саны мен зарядтың, айырымыны тең болады.

N = А – z

Массалық саны бірдей болатын ядроларды изобаралар деп атайды, заряды бірдей ядроларды изотоптар деп атайды, ал нейтрондар саны бірдей ядроларды изотондар деп атайды.

4. 
   Ядроның басқа мағыналы сипаттамасы – оның массасы. Ядролық физикада ядро массасы (және атомның) массаның атом бірлігімен (м.а.б.) өлшенеді. Массаның бір атомдық бірлігі үшін С¹² изотоп атомының массасының 1/12 бөлігі алынады.
   

Эйнштейннің қатынасы бойынша массаның әрбір m мәніне энергияның m с² мәні сәйкес келеді. Егер дененің энергиясы Δ Е шамаға өзгерсе, оның массасы Δ m = мәнге өзгереді. Сондықтан ядролық физикада массаны энергетикалық бірліктерменде бейнелеуге болады.

m_р = 1,00759 м.а.б. = 938,2 МэВ = 1836 m_с

m_n = 1,00898 м.а.б. = 939,5 МэВ = 1838,5 m_с

Ядролық физикада масса аддитивті шама емес, яғни ядроға кіретін нуклондардың массалар қосындысы ядроның массасына тең болмайды. Олар арасындағы айырымды массалар ақауыдеп атайды.

Δm =

немесе

Δm =

m_я - ядро массасы, m_а - атом массасы,

m_Н - сутегі ¹₁ Н изотобының массасы

Ядроның байланыс энергиясы былай анықталады.

Е_бай = Δmс² = с²

немесе Е_бай = с²

Егер байланыс энергиясы МэВ өлшенетін болса, оны мына формуламен есептейді

Е_бай = 931,44 МэВ ,

мұндағы бөлшектердің және атом массасы м.а.б. – мен беріледі.

Игеру деңгейін бақылау сұрақтары:

1. 
   Атом ядросының ашылу тарихын қысқаша айтып беріндер.
   
2. 
   Атом ядросының құрамын анықтау тарихын қысқаша айтып беріндер.
   
3. 
   Физикалық процесстер жылдамдықтар бойынша қалай топтастырылады?
   
4. 
   Физикалық құбылыстар масштабтар бойынша қалай топтастырылады?
   
5. 
   Микроәлемнің құрылымы қандай?
   
6. 
   Ядроның құрылымы қандай?
   
7. 
   Мозли формуласын жазып, түсіндірме беріндер.
   
8. 
   1 м.а.б. дегеніміз не?
   
9. 
   Ядроның массалық саны дегеніміз не?
   
10. 
    Ядроның заряды қалай анықталады?
    
11. 
    Қандай ядроларды изотоптар деп атайды?
    
12. 
    Қандай ядроларды изобаралар деп атайды?
    
13. 
    Қандай ядроларды изотондар деп атайды?
    
14. 
    Ядроның массалар ақауы қалай анықталады?
    
15. 
    Ядроның байланыс энергиясы қалай табылады?
    

1. 
   П.С.Кудрявцев Курс истории физики – М.:Просвещение, 1982, 448с.
   
2. 
   Н.Қадыров Ядролық физика негіздері.-Алматы, «Қазақ университеті», 2000, 525б.
   
3. 
   К.Н.Мухин Введение в ядерную физику.-М.:1963, 588с.