Тема Кіріспе. Ядролық физика зерттеу нысандары
жүктеу/скачать 305,16 Kb.
|
лекция саулелелну (7)
|
Тақырып 1. / Тема 1. Кіріспе. Ядролық физика зерттеу нысандары. Дәріс тезистері. / Тезисы лекций Ядроның құрамы. Ядроның электрлік және бариондық зарядтары. Изотоптар мен изобарлар. Ядроның массасы. Массалық сан. Ядроның байланыс энергиясы. Меншікті байланыс энергиясы. Киелі сандар. Ядроның спині мен магнит моменті. Шмидт моделі. Ядроның квадрупольдік моменті. Толқындық функция. Ядроның күйлерінің жұптылығы. Жұптылықтың сақталуы. Ядролардың статистикасы. Бозондар мен фермиондар. Паули тыйымы. Барлық заттардың ішкі құрылымы туралы сенімді деректер пайда болғанға дейін грек ойшылдары материяны үздіксіз қозғалыста болған ең кішкентай отты бөлшектер түрінде елестеткен. Заттардың әлемдік тәртібін бұл пайымдау таза логикалық тұжырымдардан шығарылған шығар. Кейбір аңғалдыққа және бұл мәлімдеменің дәлелдерінің жоқтығына қарамастан, ол шындыққа айналды. Ғалымдар бұл батыл болжамды жиырма үш ғасырдан кейін ғана растай алды. 19 ғасырдың аяғында ток өтетін разрядтық түтіктің қасиеттері зерттелді. Бақылаулар бұл жағдайда бөлшектердің екі ағыны шығарылатынын көрсетті: Катодтық сәулелердің теріс бөлшектері электрондар деп аталды. Кейіннен көптеген процестерде зарядтың массаға қатынасы бірдей бөлшектер ашылды. Электрондар әртүрлі атомдардың әмбебап құрамдас бөліктері болып көрінді, иондар мен атомдар бомбаланған кезде оңай бөлінеді. Оң зарядты тасымалдайтын бөлшектер бір немесе бірнеше электрондарын жоғалтқаннан кейін атомдардың фрагменттері болып көрінді. Шын мәнінде, оң сәулелер теріс бөлшектері жоқ атомдар топтары болды және нәтижесінде олар оң зарядқа ие болды. Тәжірибе негізінде оң және теріс бөлшектер атомның мәнін білдіретіні, оның құрамдас бөліктері болатыны анықталды. Ағылшын ғалымы Дж.Томсон өз теориясын ұсынды. Оның пікірінше, атомның және атом ядросының құрылымы торттағы мейіз сияқты теріс зарядтар оң зарядталған шарға сығылған массаның бір түрі болды. Зарядтың өтелуі тортты электрлік бейтарап өтті. Жас американдық ғалым Резерфорд альфа-бөлшектерден кейін қалған іздерді талдай отырып, Томпсон моделі жетілмеген деген қорытындыға келді. Кейбір альфа бөлшектері кішкентай бұрыштарда - 5-10 o ауытқиды. Сирек жағдайларда альфа бөлшектері 60-80 o үлкен бұрыштарда ауытқиды, ал ерекше жағдайларда бұрыштар өте үлкен болды - 120-150 o. Томпсонның атом моделі мұндай айырмашылықты түсіндіре алмады. Резерфорд атомның және атом ядросының құрылымын түсіндірудің жаңа моделін ұсынады. Процесс физикасы атомның 99% бос болуы керек, оның айналасында кішкентай ядросы және электрондары бар екенін айтады. Соққы кезіндегі ауытқуларды атом бөлшектерінің өзіндік электр зарядтары болуымен түсіндіреді. Зарядталған бөлшектерді бомбалаудың әсерінен атомдық элементтер макроәлемдегі кәдімгі зарядталған денелер сияқты әрекет етеді: зарядтары бірдей бөлшектер бір-бірін тебеді, ал зарядтары қарама-қарсы бөлшектер тартылады. Өткен ғасырдың басында бөлшектердің алғашқы үдеткіштері іске қосылған кезде атом ядросының құрылымын және атомның өзін түсіндіретін барлық теориялар эксперименталды тексеруді күтіп тұрды. Бұл уақытқа дейін альфа және бета сәулелерінің атомдармен әрекеттесуі мұқият зерттелді. 1917 жылға дейін атомдар тұрақты немесе радиоактивті деп есептелді. Тұрақты атомдарды бөлуге болмайды, радиоактивті ядролардың ыдырауын бақылау мүмкін емес. Бірақ Рутерфорд бұл пікірді жоққа шығара алды. 1911 жылы Э.Резерфорд барлық ядролар бір элементтерден тұрады, оның негізі сутегі атомы деген пікірді алға тартты. Ғалымның бұл идеясына материяның құрылымы туралы алдыңғы зерттеулердің маңызды қорытындысы түрткі болды: барлық химиялық элементтердің массасы сутегінің массасына қалдықсыз бөлінеді. Жаңа болжам атом ядросының құрылымын жаңа қырынан көруге мүмкіндік беретін бұрын-соңды болмаған мүмкіндіктер ашты. Ядролық реакциялар жаңа гипотезаны растауы немесе жоққа шығаруы керек еді. Тәжірибелер 1919 жылы азот атомдарымен жүргізілді. Оларды альфа бөлшектерімен бомбалау арқылы Резерфорд таңғажайып нәтижеге қол жеткізді. N атомы альфа-бөлшегін жұтып, одан кейін оттегі атомына O 17 айналып, сутегі ядросын шығарды. Бұл бір элемент атомының екінші элементке алғашқы жасанды айналуы болды. Мұндай тәжірибе атом ядросының құрылымы мен бар процестердің физикасы басқа ядролық өзгерістерді жүзеге асыруға мүмкіндік береді деген үмітті тудырды. Ғалым өз тәжірибелерінде сцинтилляция – флеш әдісін қолданды. Өрттердің жиілігі бойынша ол атом ядросының құрамы мен құрылымы туралы, түзілген бөлшектердің сипаттамалары туралы, олардың атомдық массасы мен сериялық нөмірі туралы қорытынды жасады. Белгісіз бөлшекті Резерфорд протон деп атады. Оның жалғыз электронынан – жалғыз оң зарядтан және сәйкес массасынан айырылған сутегі атомының барлық сипаттамалары болды. Осылайша, протон мен сутегі ядросының бір және бірдей бөлшектер екендігі дәлелденді. 1930 жылы алғашқы үлкен үдеткіштер жасалып, іске қосылғанда, атомның Резерфорд моделі тексеріліп, дәлелденді: әрбір сутегі атомы орнын анықтау мүмкін емес жалғыз электроннан және ішінде жалғыз оң протоны бар бос атомнан тұрады. . Протондар, электрондар және альфа бөлшектері бомбалау кезінде атомнан ұшып кете алатындықтан, ғалымдар оларды атомның кез келген ядросының құрамдас бөлігі деп ойлады. Бірақ ядро атомының мұндай моделі тұрақсыз болып көрінді – электрондар ядроға сыймас үшін тым үлкен болды, бұдан басқа импульс және энергияның сақталу заңының бұзылуына байланысты күрделі қиындықтар туындады. Бұл екі заң, қатаң бухгалтерлер сияқты, бомбаланған кезде импульс пен массаның белгісіз бағытта жоғалып кететінін айтты. Бұл заңдар жалпы қабылданғандықтан, мұндай ағып кетудің себебін түсіндіру керек болды. Бүкіл әлем ғалымдары атомдардың жаңа құрамдас ядроларын ашуға бағытталған эксперименттер жүргізді. 1930 жылдары неміс физиктері Беккер мен Боте бериллий атомдарын альфа бөлшектерімен бомбалады. Бұл жағдайда белгісіз радиация тіркелді, оны G-сәулелері деп атауға шешім қабылданды. Егжей-тегжейлі зерттеулер жаңа сәулелердің кейбір ерекшеліктері туралы айтты: олар қатаң түрде түзу сызықта тарай алды, электр және магнит өрістерімен әрекеттеспеді және жоғары ену қабілетіне ие болды. Кейінірек сәулеленудің бұл түрін құрайтын бөлшектер альфа-бөлшектердің басқа элементтермен - бормен, хроммен және басқалармен әрекеттесуінен табылды. Содан кейін Резерфордтың әріптесі және шәкірті Джеймс Чадвик Nature журналында қысқаша хабарлама жасады, ол кейінірек жалпыға белгілі болды. Чадвик жаңа сәулеленуді әрқайсысының массасы шамамен протонның массасына тең болатын бейтарап бөлшектердің ағыны деп алсақ, сақталу заңдарындағы қайшылықтар оңай шешілетініне назар аударды. Осы болжамды ескере отырып, физиктер атом ядросының құрылымын түсіндіретін гипотезаны айтарлықтай толықтырды. Қысқаша айтқанда, толықтырулардың мәні жаңа бөлшекке және оның атом құрылымындағы рөліне дейін қысқарды. Табылған бөлшекке «нейтрон» деген ат берілді. Жаңадан ашылған бөлшектердің айналасында электромагниттік өрістер пайда болған жоқ, олар энергияны жоғалтпай, зат арқылы оңай өтті. Атомдардың жеңіл ядроларымен сирек соқтығысқан кезде нейтрон өз энергиясының едәуір бөлігін жоғалта отырып, ядроны атомнан шығаруға қабілетті. Атом ядросының құрылымы әр затта нейтрондардың әртүрлі санының болуын болжады. Ядролық зарядтары бірдей, бірақ нейтрондарының саны әртүрлі атомдар изотоптар деп аталады. Нейтрондар альфа бөлшектерін тамаша алмастыру қызметін атқарды. Қазіргі уақытта олар атом ядросының құрылымын зерттеу үшін қолданылады. Олардың ғылым үшін маңызын қысқаша сипаттау мүмкін емес, бірақ дәл атом ядроларын нейтрондармен бомбалаудың арқасында физиктер барлық дерлік белгілі элементтердің изотоптарын ала алды. Қазіргі уақытта атом ядросының құрылымы ядролық күштермен біріктірілген протондар мен нейтрондардың жиынтығы болып табылады. Мысалы, гелий ядросы екі нейтрон мен екі протоннан тұратын кесек. Жеңіл элементтерде протондар мен нейтрондар саны бірдей дерлік, ал ауыр элементтерде нейтрондар әлдеқайда көп. Ядро құрылымының бұл суреті жылдам протондары бар заманауи үлкен үдеткіштерде жүргізілген тәжірибелермен расталады. Протондардың тебілуінің электрлік күштері тек ядроның өзінде әрекет ететін күшті күштермен теңестіріледі. Ядролық күштердің табиғаты әлі толық зерттелмегенімен, олардың бар екендігі іс жүзінде дәлелденген және атом ядросының құрылымын толық түсіндіреді. 1932 жылы Вильсонның камерасы электронның массасы бар оң зарядталған бөлшектердің бар екенін дәлелдейтін таңғажайып фотосуретке түсірді. Бұған дейін оң электрондарды П.Дирак теориялық түрде болжаған. Шынайы оң электрон ғарыштық сәулеленуде де табылды. Жаңа бөлшек позитрон деп аталды. Оның егізімен – электронмен соқтығысқанда аннигиляция жүреді – екі бөлшектің өзара жойылуы. Бұл энергияның белгілі бір мөлшерін шығарады. Осылайша, макрокосм үшін әзірленген теория материяның ең кішкентай элементтерінің мінез-құлқын сипаттау үшін толығымен қолайлы болды. α-бөлшектің жұқа алтын фольгадан өтуін зерттей отырып (6.2 тарауды қараңыз) Э.Резерфорд атом ауыр оң зарядталған ядродан және оны қоршап тұрған электрондардан тұрады деген қорытындыға келді. жүктеу/скачать 305,16 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|