Заттың құрамын зерттей отырып, ғалымдар барлық зат молекулалар мен атомдардан тұрады деген қорытындыға келді. Ұзақ уақытатом (грек тілінен аударғанда «бөлінбейтін») материяның ең кіші құрылымдық бірлігі болып саналды. Дегенмен, одан әрі зерттеулер атомның күрделі құрылымға ие екенін және өз кезегінде кішірек бөлшектерді қамтитынын көрсетті.
Атом неден тұрады?
1911 жылы ғалым Резерфорд атомның құрамында бар деген болжам айтты орталық бөлігіоң зарядқа ие. Атом ядросы туралы ұғым алғаш рет осылай пайда болды.
Планетарлық модель деп аталатын Резерфорд схемасы бойынша атом ядродан және теріс заряды бар элементар бөлшектерден – электрондардан тұрады, планеталар Күнді айнала қозғалады.
1932 жылы тағы бір ғалым Чедвик нейтронды, электр заряды жоқ бөлшекті ашты.
Сәйкес заманауи идеялар, атом ядросының құрылымы Резерфорд ұсынған планетарлық модельге сәйкес келеді. Өзегі тасымалдайды көпшілігіатомдық массасы. Оның да оң заряды бар. Атом ядросында протондар – оң зарядталған бөлшектер және нейтрондар – зарядты көтермейтін бөлшектер болады. Протондар мен нейтрондар нуклондар деп аталады. Теріс зарядталған бөлшектер – электрондар ядроның айналасында орбитада қозғалады.
Ядродағы протондар саны орбитада қозғалатын электрондар санына тең. Демек, атомның өзі зарядты көтермейтін бөлшек. Егер атом басқалардан электрон алса немесе өзінің электронын жоғалтса, ол оң немесе теріс болады және ион деп аталады.
Электрондар, протондар және нейтрондар жалпы субатомдық бөлшектер деп аталады.
Атом ядросының заряды
Ядроның заряд саны Z. Ол атом ядросын құрайтын протондар санымен анықталады. Бұл шаманы табу оңай: Менделеевтің периодтық жүйесіне жүгініңіз. Атом жататын элементтің атомдық нөмірі ядродағы протондар санына тең. Сонымен, егер оттегі химиялық элементінің атомдық нөмірі 8 болса, онда протондар саны да сегіз болады. Атомдағы протондар мен электрондардың саны бірдей болғандықтан, сегіз электрон да болады.
Нейтрондардың саны изотоптық сан деп аталады және N әрпімен белгіленеді. Олардың саны бірдей атомда әртүрлі болуы мүмкін. химиялық элемент.
Ядродағы протондар мен электрондардың қосындысы атомның массалық саны деп аталады және оны А әрпімен белгілейді. Осылайша, массалық санды есептеу формуласы келесідей болады: A = Z + N.
Изотоптар
Элементтерде протондар мен электрондардың саны бірдей, бірақ нейтрондардың саны әртүрлі болса, оларды химиялық элементтің изотоптары деп атайды. Бір немесе бірнеше изотоптар болуы мүмкін. Олар бір ұяшыққа орналастырылған мерзімді кесте.
Изотоптары бар үлкен мәнхимия және физика бойынша. Мысалы, сутегінің изотопы – дейтерий – оттегімен қосылып ауыр су деп аталатын мүлде жаңа зат береді. Оның қайнау және қату температурасы қалыптыдан басқа. Ал дейтерийдің сутегінің басқа изотопымен - тритиймен қосылуы әкеледі термоядролық реакциясинтездеуге және өндіруге пайдалануға болады орасан зор сомаэнергия.
Ядроның және субатомдық бөлшектердің массасы
Адамның қабылдауында атомдардың мөлшері мен массасы шамалы. Ядролардың мөлшері шамамен 10 -12 см.Атом ядросының массасы физикада атомдық масса бірліктері деп аталатын амумен өлшенеді.
Бір аму үшін көміртек атомының массасының он екіден бірін алыңыз. Әдеттегі өлшем бірліктерін (килограмм және грамм) пайдалана отырып, массаны келесі теңдеумен көрсетуге болады: 1 аму. = 1,660540·10 -24 г.Осылай өрнектелгенде абсолют атомдық масса деп аталады.
Атом ядросы атомның ең массивті құрамдас бөлігі болғанына қарамастан, оны қоршаған электронды бұлтқа қатысты оның мөлшері өте кішкентай.
Ядролық күштер
Атом ядролары өте тұрақты. Бұл протондар мен нейтрондардың ядрода қандай да бір күшпен ұсталатынын білдіреді. Бұл электромагниттік күштер бола алмайды, өйткені протондар бірдей зарядталған бөлшектер, ал зарядтары бірдей бөлшектер бір-бірін тебетіні белгілі. Гравитациялық күштер нуклондарды біріктіру үшін тым әлсіз. Демек, бөлшектер ядрода басқа әрекеттесу - ядролық күштер арқылы ұсталады.
Ядролық күш табиғатта бар күштердің ішіндегі ең күштісі болып саналады. Сондықтан атом ядросының элементтерінің өзара әрекеттесуінің бұл түрі күшті деп аталады. Ол электромагниттік күштер сияқты көптеген қарапайым бөлшектерде болады.
Ядролық күштердің ерекшеліктері
- Қысқа әрекет. Ядролық күштер, электромагниттік күштерден айырмашылығы, ядроның өлшемімен салыстыруға болатын өте аз қашықтықта ғана пайда болады.
- Зарядтың тәуелсіздігі. Бұл мүмкіндікядролық күштердің протондар мен нейтрондарға бірдей әсер етуінен көрінеді.
- Қанықтылық. Ядроның нуклондары басқа нуклондардың белгілі бір санымен ғана әрекеттеседі.
Ядролық байланыс энергиясы
Күшті әсерлесу ұғымымен тығыз байланысты тағы бір нәрсе - ядролардың байланыс энергиясы. Ядролық байланыс энергиясы деп атом ядросын оның құрамдас нуклондарына бөлу үшін қажет энергия мөлшерін айтады. Ол жеке бөлшектерден ядро құруға қажетті энергияға тең.
Ядроның байланыс энергиясын есептеу үшін субатомдық бөлшектердің массасын білу қажет. Есептеулер көрсеткендей, ядроның массасы әрқашан оны құрайтын нуклондардың қосындысынан аз болады. Масса кемістігі дегеніміз ядро массасы мен оның протондары мен электрондарының қосындысы арасындағы айырмашылық. Масса мен энергия арасындағы байланысты (E=mc 2) пайдалана отырып, ядроның пайда болуы кезінде пайда болатын энергияны есептеуге болады.
Ядроның байланыс энергиясының күшін келесі мысалмен бағалауға болады: бірнеше грамм гелийдің түзілуі бірнеше тонна көмірді жағу кезіндегідей энергияны береді.
Ядролық реакциялар
Атомдардың ядролары басқа атомдардың ядроларымен әрекеттесе алады. Мұндай әрекеттесулер ядролық реакциялар деп аталады. Реакциялардың екі түрі бар.
- Бөліну реакциялары. Олар ауыр ядролардың өзара әрекеттесу нәтижесінде жеңіліректерге ыдырауы кезінде пайда болады.
- Синтез реакциялары. Бөлінудің кері процесі: ядролар соқтығысады, осылайша ауыр элементтер түзеді.
Барлық ядролық реакциялар кейіннен өнеркәсіпте қолданылатын энергияның бөлінуімен бірге жүреді. әскери сала, энергияда және т.б.
Атом ядросының құрамымен танысқаннан кейін келесі қорытынды жасауға болады.
- Атом протондар мен нейтрондардан тұратын ядродан және оның айналасындағы электрондардан тұрады.
- Атомның массалық саны оның ядросындағы нуклондардың қосындысына тең.
- Нуклондар күшті өзара әрекеттесу арқылы біріктіріледі.
- Атом ядросына тұрақтылық беретін орасан зор күштерді ядролық байланыс энергиялары деп атайды.
Атом ядросы протондар мен нейтрондарға бөлінген нуклондардан тұрады.
Атом ядросының символдық белгісі:
А - нуклондар саны, яғни. протондар + нейтрондар (немесе атомдық масса)
Z- протондар саны (электрондар санына тең)
N - нейтрондар саны (немесе атомдық нөмір)
ЯДРОЛЫҚ КҮШТЕР
Ядродағы барлық нуклондар арасында әрекет етеді;
- тартылыс күштері;
- қысқа мерзімді
Нуклондар бір-біріне ядролық күштермен тартылады, олар гравитациялық немесе электростатикалық күштерге мүлдем ұқсамайды. . Ядролық күштер қашықтыққа қарай өте тез ыдырайды. Олардың әсер ету радиусы шамамен 0,000 000 000 000 001 метрді құрайды.
Атом ядроларының өлшемін сипаттайтын бұл өте кішкентай ұзындық үшін арнайы белгілеу енгізілді - 1 фм (итальян физигі Э. Фермидің құрметіне, 1901-1954). Барлық ядролардың өлшемдері бірнеше Фермиден тұрады. Радиус ядролық күштернуклонның өлшеміне тең, сондықтан ядролар өте тығыз заттардың шоғырлары болып табылады. Мүмкін жер бетіндегі ең тығыз.
Ядролық күштер - күшті өзара әрекеттесу. Олар Кулон күшінен бірнеше есе артық (бірдей қашықтықта). Қысқа қашықтықтағы әрекет ядролық күштердің әсерін шектейді. Нуклондар саны артқан сайын ядролар тұрақсыз болады, сондықтан ауыр ядролардың көпшілігі радиоактивті, ал өте ауырлары мүлде болмайды.
Табиғаттағы элементтердің шектеулі саны ядролық күштердің қысқа қашықтықтағы әрекетінің салдары болып табылады.
Атомның құрылымы - Салқын физика
Сіз білесіз бе?
20 ғасырдың ортасында ядролық теория атомдық нөмірлері Z = 110 -114 болатын тұрақты элементтердің болуын болжады.
Дубнада атомдық массасы A = 289 болатын 114-ші элемент алынды, ол бар болғаны 30 секунд «өмір сүрді», бұл ядросы осындай өлшемдегі атом үшін керемет ұзақ.
Бүгінде теоретиктер салмағы 300, тіпті 500 болатын аса ауыр ядролардың қасиеттерін талқылап жатыр.
Атомдық нөмірлері бірдей атомдар изотоптар деп аталады: периодтық жүйеде
олар бір ұяшықта орналасады (грек тілінде isos – тең, topos – орын).
Изотоптардың химиялық қасиеттері дерлік бірдей.
Табиғатта 100-ге жуық элемент болса, онда 2000-нан астам изотоптар бар.Олардың көпшілігі тұрақсыз, яғни радиоактивті және ыдырайтын, сәуле шығаратын әртүрлі түрлерірадиация.
Бір элементтің изотоптары құрамы жағынан тек ядродағы нейтрондар санымен ерекшеленеді.
Сутегінің изотоптары.
Егер сіз барлық атомдардан кеңістікті алып тастасаңыз адам денесі, сонда қалғаны иненің көзінен өте алады.
Қызыққандар үшін
Ұшу машиналары
Ылғал жолда көлікті жоғары жылдамдықпен жүргізіп келе жатып, күрт тежеуіш жасасаңыз, машина планер сияқты әрекет етеді; оның доңғалақтары судың жұқа қабықшасында, іс жүзінде жолға тигізбестен сырғана бастайды. Неліктен бұл болып жатыр? Неліктен көлік тежегіш басылмаса да, ылғалды жолда әрдайым сырғып кетпейді? Бұл әсерді азайтатын протектор үлгісі бар ма?
Шықты...
Гидроплантация ықтималдығын азайту үшін бірнеше протектор үлгілері ұсынылды. Мысалы, ойық суды протектордың жолдың артқы жанасу нүктесіне бағыттауы мүмкін, ол жерде су лақтырылады. Басқа, кішірек ойықтар суды бүйірлеріне ағызуы мүмкін. Ақырында, протектордағы кішкене ойықтар, протектордың жол төсемімен негізгі жанасу аймағына дейін тиіп, жолдағы су қабатын «дымқылдата» алады. Барлық жағдайларда мақсат суды жанасу аймағынан мүмкіндігінше тезірек алып тастау және гидроплантацияны болдырмау болып табылады.
Академик A. F. IOFF. «Ғылым және өмір» No1, 1934 ж
Академик Абрам Федорович Иоффенің «Атом ядросы» мақаласы 1934 жылы жаңадан шыққан «Ғылым және өмір» журналының бірінші нөмірін ашты.
Э.Резерфорд.
Ф.В.Астон.
ЗАТТЫҢ ТОЛҚЫНДЫҚ СИПАТЫ
20 ғасырдың басында материяның атомдық құрылымы гипотеза болудан қалып, атом бізге ортақ фактілер мен құбылыстар нақты шындыққа айналды.
Атом өте күрделі түзілім болып шықты, оның құрамына электр зарядтары, мүмкін тек электр зарядтары ғана кіретіні сөзсіз. Бұл атомның құрылымы туралы мәселені табиғи түрде көтерді.
Атомның алғашқы моделі кейін үлгіленді күн жүйесі. Алайда, атом құрылымы туралы бұл идея көп ұзамай ақталмайтын болып шықты. Және бұл табиғи нәрсе. Атомның күн жүйесі ретіндегі идеясы астрономиялық масштабтармен байланысты суретті атомның масштабтары сантиметрдің жүз миллионнан бір бөлігін құрайтын аймаққа таза механикалық көшіру болды. Мұндай күрт сандық өзгеріс сол құбылыстардың сапалық қасиеттерінің өте елеулі өзгеруіне әкеп соқтырмауы мүмкін емес еді. Бұл айырмашылық, ең алдымен, атомның күн жүйесінен айырмашылығы, күн жүйесінің планеталарының орбиталарын анықтайтын заңдарға қарағанда әлдеқайда қатаң ережелерге сәйкес салынуы керек екеніне әсер етті.
Екі қиындық туындады. Біріншіден, барлық атомдар осы түрдегі, берілген элементтің физикалық қасиеттері бойынша абсолютті бірдей, сондықтан бұл атомдардағы электрондардың орбиталары абсолютті бірдей болуы керек. Сонымен қатар қозғалысты басқаратын механика заңдары аспан денелері, олар бұған мүлдем негіз бермейді. Бастапқы жылдамдыққа байланысты планетаның орбитасы осы заңдарға сәйкес толығымен ерікті болуы мүмкін; планета Күннен кез келген қашықтықта, кез келген орбитада сәйкес жылдамдықпен әр уақытта айнала алады. Егер атомдарда бірдей ерікті орбиталар болған болса, онда бір заттың атомдары өздерінің қасиеттері бойынша соншалықты бірдей бола алмайды, мысалы, қатаң бірдей люминесценция спектрін береді. Бұл бір қайшылық.
Екіншісі, электронның атом ядросының айналасындағы қозғалысы, егер оған зертханалық тәжірибелерде немесе тіпті астрономиялық құбылыстарда жақсы зерттеген заңдарды қолданатын болсақ, үздіксіз энергия сәулеленуімен бірге жүруі керек еді. Демек, атомның энергиясы үздіксіз таусылып тұруы керек еді және атом өзінің қасиеттерін ғасырлар мен мыңдаған жылдар бойы бірдей және өзгермейтін етіп сақтай алмайды, ал бүкіл әлем және барлық атомдар үздіксіз әлсіретті, олардағы энергияның үздіксіз жоғалуы. Бұл атомдардың негізгі қасиеттерімен де сәйкес келмейді.
Соңғы қиындық әсіресе қатты сезілді. Ол бүкіл ғылымды шешілмейтін тұйыққа апарып соқты.
Бұл туралы әңгімемізді көрнекті физик Лоренц былай аяқтады: «Мен осыдан бес жыл бұрын, бұл қайшылық әлі болмаған кезде өлмегеніме өкінемін, сонда мен шындықтың бір бөлігін ашқаныма сенімді болып өлетін едім. табиғат құбылыстары».
Сонымен бірге, 1924 жылдың көктемінде Лангевиннің жас студенті де Бройль өзінің диссертациясында оның одан әрі дамуы жаңа синтезге әкелді деген ойды білдірді.
Де Бройльдің идеясы, содан кейін айтарлықтай өзгерді, бірақ әлі де айтарлықтай сақталған, атомдағы ядроның айналасында айналатын электронның қозғалысы, бұрын елестетілгендей, белгілі бір шардың қозғалысы ғана емес, бұл қозғалыс кейбір қозғалыстармен бірге жүреді. қозғалыстағы электронмен бірге таралатын толқын. Электрон шар емес, кеңістікте бұлыңғырланған кейбір электрлік зат, оның қозғалысы бір уақытта толқынның таралуын білдіреді.
Бұл идея тек электрондарға ғана емес, сонымен қатар кез келген дененің - электронның, атомның және атомдардың тұтас жиынтығының қозғалысына қатысты - дененің кез келген қозғалысының екі жағы бар екенін айтады. кейбір жағдайлардабіз бір жағын әсіресе анық көре аламыз, ал екіншісі айтарлықтай көрінбейді. Бір жағдайда біз таралатын толқындарды көреміз және бөлшектердің қозғалысын байқамаймыз, екінші жағдайда, керісінше, қозғалыстағы бөлшектердің өзі алдыңғы қатарға шығады, ал толқын біздің бақылауымыздан қашады.
Бірақ шын мәнінде, бұл екі жақ та әрқашан қатысады, және, атап айтқанда, электрондардың қозғалысында зарядтардың өздерінің қозғалысы ғана емес, толқынның таралуы да бар.
Орбиталарда электрондардың қозғалысы жоқ деп айтуға болмайды, тек пульсация, тек толқындар, яғни басқа нәрсе. Жоқ, бұлай айту дұрысырақ болар еді: біз электродтардың қозғалысын жоққа шығармаймыз, оны планеталардың Күн айналасындағы қозғалысына теңейміз, бірақ бұл қозғалыстың өзі пульсация сипатына ие емес, пульсация сипатына ие. қозғалыс глобусКүннің айналасында.
Мен бұл жерде атомның құрылымын, оның барлық негізгісін анықтайтын электрондық қабықшасының құрылымын сипаттамаймын физикалық қасиеттері- адгезия, серпімділік, капиллярлық, Химиялық қасиеттеріт.б. Мұның бәрі электрон қабықшасының қозғалысының немесе қазір айтып отырғанымыздай, атомның пульсациясының нәтижесі.
АТОМ ЯДРАСЫ МӘСЕЛЕСІ
Атомдағы ең маңызды рөлді ядро атқарады. Бұл барлық электрондар айналатын және оның қасиеттері, сайып келгенде, қалғанның бәрін анықтайтын орталық.
Ядро туралы білуге болатын бірінші нәрсе - оның заряды. Біз атомда теріс зарядталған электрондардың белгілі бір саны бар екенін білеміз, бірақ атомның тұтастай алғанда электр заряды жоқ. Бұл бір жерде сәйкес оң зарядтар болуы керек дегенді білдіреді. Бұл оң зарядтар ядрода шоғырланған. Ядро – оң зарядты бөлшек, оның айналасында ядроны қоршап тұрған электрон атмосферасы пульсацияланады. Ядроның заряды электрондардың санын да анықтайды.
Темір мен мыстың, шыны мен ағаштың электрондары бірдей. Атомның бірнеше электрондарын жоғалтуы немесе тіпті барлық электрондарын жоғалтуы проблема емес. Оң зарядталған ядро қалғанша, бұл ядро қоршаған басқа денелерден қанша қажет болса, сонша электрон тартады және атом сақталады. Темір атомы ядросы бүтін болғанша темір болып қала береді. Егер ол бірнеше электронын жоғалтса, ядродағы оң заряд қалған теріс зарядтардың қосындысынан көп болады және тұтас атом артық оң зарядқа ие болады. Сонда оны атом емес, оң темір ионы дейміз. Басқа жағдайда, атом, керісінше, оң зарядтарға қарағанда, өзіне теріс электрондарды көбірек тарта алады - сонда ол теріс зарядталады және оны теріс ион деп атаймыз; ол сол элементтің теріс ионы болады. Демек, элементтің даралығы, оның барлық қасиеттері бар және ең алдымен ядромен, осы ядроның зарядымен анықталады.
Әрі қарай, атом массасының басым көпшілігі электрондармен емес, ядромен дәл анықталады - электрондардың массасы бүкіл атом массасының мыңнан бір бөлігінен аз; жалпы массаның 0,999-нан астамы ядроның массасы. Мұның бәрі маңыздырақ, өйткені біз массаны берілген заттың энергия қорының өлшемі деп санаймыз; масса – энергияның эрг, киловатт-сағат немесе калория сияқты өлшемі.
Ядроның күрделілігі біздің ғасырдың бас кезінде рентген сәулелерінен кейін көп ұзамай ашылған радиоактивтілік құбылысында анықталды. Радиоактивті элементтер альфа, бета және гамма-сәуле түрінде үздіксіз энергия бөлетіні белгілі. Бірақ энергияның мұндай үздіксіз сәулеленуінің қандай да бір көзі болуы керек. 1902 жылы Резерфорд бұл энергияның жалғыз көзі атом, басқаша айтқанда, ядролық энергия болуы керек екенін көрсетті. Радиоактивтiлiктiң екiншi жағы – бұл сәулелердiң сәулеленуi периодтық жүйеде бiр жерде орналасқан элементтi басқа химиялық қасиеттерi әртүрлi элементке айналдырады. Басқаша айтқанда, радиоактивті процестер элементтерді түрлендіреді. Егер атомның ядросы оның даралығын анықтайтыны және ядро бүтін болған кезде атом басқа біреу емес, берілген элементтің атомы болып қалатыны рас болса, онда бір элементтің екінші элементке ауысуы оның өзгеруін білдіреді. атом ядросының өзі.
Радиоактивті заттар шығаратын сәулелер ядрода не бар екендігі туралы жалпы түсінік алуға бірінші көзқарасты қамтамасыз етеді.
Альфа сәулелері гелий ядролары, ал гелий периодтық жүйенің екінші элементі болып табылады. Сондықтан ядрода гелий ядролары бар деп ойлауға болады. Бірақ альфа сәулелерінің таралу жылдамдығын өлшеу бірден өте күрделі қиындыққа әкеледі.
ГАМОВТЫҢ РАДИАКТИВТІЛІК ТЕОРИЯСЫ
Ядро оң зарядталған. Оған жақындаған кезде кез келген зарядталған бөлшек тартылу немесе тебілу күшін сезінеді. Үлкен зертханалық масштабта электр зарядтарының өзара әрекеттесуі Кулон заңымен анықталады: екі заряд бір-бірімен олардың арасындағы қашықтықтың квадратына кері пропорционал және бір және екінші зарядтың шамасына тура пропорционал күшпен әрекеттеседі. Бөлшектердің ядроға жақындаған кездегі тартылу немесе тебілу заңдарын зерттей отырып, Резерфорд ядроға өте жақын арақашықтыққа дейін 10-12 см-ге дейін сол Кулон заңының әрекет ететінін анықтады. Егер солай болса, онда ядродан шығып, лақтырылған кезде оң зарядты итеру үшін ядроның қанша жұмыс істеу керектігін оңай есептей аламыз. Ядродан қашып шыққан альфа бөлшектері мен зарядталған гелий ядролары оның зарядының итеру әсерінен қозғалады; және сәйкес есеп көрсеткендей, тек қана итеру әсерінен альфа бөлшектері кем дегенде 10 немесе 20 миллион электрон вольтқа сәйкес кинетикалық энергия жинақталған болуы керек, яғни зарядқа тең заряд өткен кезде алынатын энергия. электронның потенциалдар айырымы 20 млн вольт. Бірақ шын мәнінде атомнан ұшып шыққанда олар әлдеқайда аз энергиямен, небәрі 1-5 миллион электрон вольтпен шығады. Бірақ, сонымен қатар,
Ядро альфа-бөлшекті шығарғанда, оған қосымша тағы бір нәрсе береді деп күту табиғи болды. Эжекция сәтінде ядрода жарылыс сияқты нәрсе пайда болады және бұл жарылыс өзі қандай да бір энергия береді; бұған итеруші күштердің жұмысы қосылып, бұл энергиялардың қосындысы бір ғана итеру беруі керек шамасынан аз болып шығады. Бұл қарама-қайшылық біз қозғалыстың толқындық сипатын ескермейтін үлкен денелерді зерттеу тәжірибесінен жасалған көзқарастарды осы аймаққа механикалық түрде беруден бас тартқан кезде жойылады. Бірінші болып Г.А.Гамов берді дұрыс түсіндіруДәл осы қайшылық ядро мен радиоактивті процестердің толқындық теориясын тудырды.
Белгілі болғандай, жеткілікті үлкен қашықтықта (10 -12 см-ден астам) ядро өзінен оң зарядты қайтарады. Екінші жағынан, көптеген оң зарядтарды қамтитын ядроның өзінде олар қандай да бір себептермен кері итермейтініне күмән жоқ. Ядроның бар болуының өзі ядроның ішіндегі оң зарядтардың бір-бірін өзара тартатынын, ал ядроның сыртында бір-бірін тебетінін көрсетеді.
Сіз қалай сипаттай аласыз энергетикалық жағдайларядроның өзінде және айналасында? Гамов келесі көріністі жасады. Біз диаграммада (5-сурет) оң зарядтың энергетикалық мәнін бейнелейміз осы жеркөлденең сызықтан арақашықтық А.
Ядроға жақындаған сайын зарядтың энергиясы артады, өйткені итеруші күшке қарсы жұмыс жасалады. Ядроның ішінде, керісінше, энергия қайтадан азаюы керек, өйткені бұл жерде өзара итеру емес, өзара тартылыс болады. Ядроның шекараларында энергетикалық құндылықтың күрт төмендеуі байқалады. Біздің суретіміз ұшақта бейнеленген; шын мәнінде, әрине, оны барлық басқа бағыттар бойынша энергияның бірдей таралуымен ғарышта елестету керек. Сонда біз ядроның айналасында «Гамов тосқауылы» деп аталатын оң зарядтардың енуінен ядроны қорғайтын қандай да бір энергетикалық тосқауыл сияқты жоғары энергиясы бар сфералық қабат бар екенін көреміз.
Егер біз дененің қозғалысы туралы әдеттегі көзқарастар тұрғысынан тұрсақ және оның толқындық табиғатын ұмытып кететін болсақ, онда энергиясы ядродан кем емес осындай оң зарядтың ғана еніп кетуін күтуіміз керек. тосқауылдың биіктігі. Керісінше, ядродан шығу үшін заряд алдымен тосқауылдың жоғарғы жағына жетуі керек, содан кейін ол кинетикалық энергияядродан алыстаған сайын көбейе бастайды. Егер тосқауылдың жоғарғы жағында энергия нөлге тең болса, атомнан шығарылған кезде ол ешқашан байқалмайтын 20 миллион электрон вольтты алады. Гамов енгізген ядро туралы жаңа түсінік келесідей. Бөлшектердің қозғалысын толқын ретінде қарастыру керек. Демек, бұл қозғалысқа тек бөлшек алып жатқан нүктеде ғана емес, сонымен қатар жеткілікті үлкен кеңістікті қамтитын бөлшектің бүкіл диффузиялық толқынында энергия әсер етеді. Толқындық механика концепцияларына сүйене отырып, егер берілген нүктедегі энергия тосқауылдың төбесіне сәйкес келетін шекке жетпесе де, бөлшек оның екінші жағына аяқталуы мүмкін, бұл жерде ол жоқ. онда әрекет ететін тартымды күштер өзекке ұзағырақ тартылды.
Келесі эксперимент ұқсас нәрсені көрсетеді. Бөлменің қабырғасының артында бір бөшке су бар деп елестетіңіз. Бұл бөшкеден құбыр тартылады, ол қабырғадағы тесік арқылы жоғарыдан жоғары өтіп, суды береді; астынан су ағып жатыр. Бұл сифон деп аталатын танымал құрылғы. Егер сол жағындағы бөшке құбырдың ұшынан жоғары орналасса, онда су ол арқылы бөшкедегі су деңгейінің айырмашылығы мен құбырдың ұшымен анықталатын жылдамдықпен үздіксіз ағып тұрады. Бұл жерде таңқаларлық ештеңе жоқ. Бірақ егер сіз қабырғаның екінші жағында бөшкенің бар екенін білмесеңіз және тек су ағатын құбырды көрген болсаңыз. биіктік, онда сіз үшін бұл факт бітіспес қайшылық болып көрінеді. Су үлкен биіктіктен ағып кетеді және сонымен бірге құбырдың биіктігіне сәйкес келетін энергияны жинамайды. Дегенмен, бұл жағдайда түсініктеме анық.
Бізде де өзекте де осындай құбылыс бар. Қалыпты күйінен зарядтаңыз Аүлкен энергия күйіне көтеріледі IN, бірақ тосқауылдың жоғарғы жағына мүлдем жетпейді МЕН(Cурет 6).
Мемлекеттен INальфа-бөлшек тосқауылдан өтіп, ең жоғарғы жағынан емес, ядродан итермелей бастайды. МЕН, және төменгі энергия биіктігінен B 1. Сондықтан сыртқа шыққанда бөлшек жинақтаған энергия биіктікке тәуелді болмайды МЕН, және төменгі биіктіктен тең B 1(Cурет 7).
Бұл сапалық пайымдауды сандық түрге келтіруге болады және энергияға байланысты альфа-бөлшектердің кедергіден өту ықтималдығын анықтайтын заң беруге болады. IN, ол ядрода иеленеді, демек, атомнан шыққан кезде алатын энергиядан.
Бірқатар тәжірибелер арқылы радиоактивті заттар шығаратын альфа-бөлшектердің санын олардың энергиясымен немесе жылдамдығымен байланыстыратын өте қарапайым заң анықталды. Бірақ бұл заңның мәні мүлдем түсініксіз болды.
Гамовтың бірінші жетістігі альфа-бөлшектердің шығарылуының бұл сандық заңының оның теориясынан толығымен дәл және оңай орындалу фактісі болды. Енді «Гамов энергетикалық тосқауыл» және оның толқындық интерпретациясы біздің ядро туралы барлық идеяларымыздың негізі болып табылады.
Альфа-сәулелердің қасиеттері Гамов теориясымен сапалық және сандық жағынан жақсы түсіндіріледі, бірақ радиоактивті заттар да бета сәулелерін - жылдам электрондар ағындарын шығаратыны белгілі. Модель электрондардың эмиссиясын түсіндіре алмайды. Бұл атом ядросы теориясындағы ең күрделі қайшылықтардың бірі, ол соңғы уақытқа дейін шешілмей келген, бірақ шешімі қазір көзге көрінетін сияқты.
ЯДЕКТІҢ ҚҰРЫЛЫМЫ
Енді ядроның құрылысы туралы не білетінімізді қарастыруға көшейік.
100 жылдан астам уақыт бұрын Прут периодтық жүйенің элементтері мүлдем бөлек емес, бір-бірімен ортақ ештеңе жоқ деген ойды білдірді. байланысты формаларзат, бірақ сутегі атомының әртүрлі комбинациялары ғана. Егер бұл солай болса, онда барлық ядролардың зарядтары сутегі зарядының бүтін еселіктері ғана емес, сонымен қатар барлық ядролардың массалары сутегі ядросының массасының бүтін еселіктері ретінде өрнектелетін болар еді, яғни, барлық атомдық салмақтар бүтін сандармен өрнектелуі керек еді. Шынында да, егер сіз атомдық салмақтар кестесіне қарасаңыз, көре аласыз үлкен санбүтін сандар. Мысалы, көміртегі - дәл 12, азот - дәл 14, оттегі - дәл 16, фтор - дәл 19. Бұл, әрине, кездейсоқ емес. Бірақ әлі де бүтін сандардан алыс атомдық салмақтар бар. Мысалы, неонның атомдық салмағы 20,2, хлор - 35,46. Сондықтан Пруттың гипотезасы ішінара болжам болып қала берді және атом құрылысының теориясына айнала алмады. Зарядталған иондардың әрекетін зерттей отырып, атом ядросының қасиеттерін оларға әсер ету арқылы, мысалы, электр және магнит өрісімен зерттеу әсіресе оңай.
Астон өте жоғары дәлдікке әкелген осыған негізделген әдіс атомдық массалары бүтін сандармен көрсетілмеген барлық элементтердің шын мәнінде біртекті зат емес, екі немесе одан да көп қоспасы - 3, 4 екенін анықтауға мүмкіндік берді. , 9 - әртүрлі түрлеріатомдар. Мысалы, хлордың атомдық салмағы 35,46, өйткені хлор атомдарының бірнеше түрі бар. Атомдық салмағы 35 және 37 болатын хлор атомдары бар және хлордың бұл екі түрі олардың орташа атомдық салмағы 35,46 болатындай пропорцияда араласады. Бұл белгілі бір жағдайда ғана емес, атомдық салмақтар бүтін сандармен көрсетілмейтін барлық жағдайларда, бізде изотоптардың қоспасы, яғни заряды бірдей атомдар бар, сондықтан бірдей элементті білдіреді, бірақ әртүрлі массалармен. Атомның әрбір жеке түрінің әрқашан толық атомдық салмағы болады.
Осылайша, Пруттың гипотезасы бірден айтарлықтай күшейтілді және бір ерекшелік болмаса, мәселе шешілді деп санауға болады, атап айтқанда сутегінің өзі. Өйткені, біздің атомдық салмақтар жүйеміз сутегіге емес, бір деп алынған, бірақ шартты түрде 16 деп алынатын оттегінің атомдық салмағына негізделген. Бұл салмаққа қатысты атомдық салмақтар дәл дерлік бүтін сандар түрінде өрнектеледі. Бірақ бұл жүйедегі сутегінің атомдық салмағы бір емес, одан да көп, атап айтқанда 1,0078. Бұл сан бірліктен айтарлықтай ерекшеленеді - 3/4%, бұл атомдық салмақты анықтаудағы барлық мүмкін қателерден әлдеқайда асып түседі.
Оттегінің де 3 изотопы бар екені белгілі болды: басымнан басқа, атомдық салмағы 16, екіншісінің атомдық салмағы 17, үшіншісінің атомдық салмағы 18. Егер біз барлық атомдық салмақтарды 16 изотопына жатқызатын болсақ, онда сутегінің атомдық салмағы әлі де аз болады. біреуден көп. Одан кейін сутегінің екінші изотопы табылды – атомдық салмағы 2 сутегі – оны ашқан американдықтардай дейтерий немесе ағылшындар айтқандай диплоген деп атады. Бұл дейтерийдің шамамен 1/6000 бөлігі ғана араласады, сондықтан бұл қоспаның болуы сутегінің атомдық салмағына өте аз әсер етеді.
Сутегінің жанында гелийдің атомдық салмағы 4,002. Егер ол 4 сутектен тұратын болса, онда оның атомдық салмағы 4,031 болатыны анық. Демек, бұл жағдайда бізде атомдық салмақта біршама жоғалту бар, атап айтқанда: 4,031 - 4,002 = 0,029. Бұл мүмкін бе? Біз массаны материяның қандай да бір өлшемі ретінде қарастырмайынша, әрине, бұл мүмкін емес еді: бұл материяның бір бөлігі жоғалып кетті дегенді білдіреді.
Бірақ салыстырмалылық теориясы массаның материя санының өлшемі емес, бұл материяға ие энергияның өлшемі екенін күмәнсіз бекітті. Материя массасымен емес, сол затты құрайтын зарядтардың санымен өлшенеді. Бұл зарядтардың энергиясы көп немесе аз болуы мүмкін. Бірдей зарядтар жақындағанда энергия өседі, ал алыстағанда энергия азаяды. Бірақ бұл, әрине, материя өзгерді дегенді білдірмейді.
4 сутектен гелий түзілген кезде 0,029 атомдық салмақ жоғалды десек, бұл осы шамаға сәйкес келетін энергияның жоғалғанын білдіреді. Заттың әрбір граммының энергиясы 9-ға тең екенін білеміз. 10 20 эрг. 4 г гелий түзілгенде жоғалған энергия 0,029 болады. 9 . 10 20 эргама. Бұл энергияның азаюына байланысты 4 сутегі ядросы жаңа ядроға біріктіріледі. Артық энергия қоршаған кеңістікке шығарылады, ал энергиясы мен массасы азырақ қосылыс қалады. Сонымен, егер атомдық салмақтар 4 немесе 1 бүтін сандарымен дәл өлшенбей, 4,002 және 1,0078 сандарымен өлшенсе, онда дәл осы мыңдық ерекше мәнге ие болады, өйткені олар ядроның пайда болуы кезінде бөлінетін энергияны анықтайды.
Ядроның пайда болуы кезінде энергия неғұрлым көп бөлінсе, яғни атомдық салмақ жоғалтқан сайын, ядро соғұрлым күшті болады. Атап айтқанда, гелий ядросы өте күшті, өйткені ол пайда болған кезде атомдық салмағын жоғалтуға сәйкес энергия бөлінеді - 0,029. Бұл өте жоғары энергия. Оны бағалау үшін мына қарапайым қатынасты есте ұстаған жөн: атом салмағының мыңнан бір бөлігі шамамен 1 миллион электрон вольтқа сәйкес келеді. Сонымен 0,029 шамамен 29 миллион электрон вольтты құрайды. Гелий ядросын қайта 4 сутегіге ыдырату үшін жою үшін орасан зор энергия қажет. Ядро мұндай энергияны алмайды, сондықтан гелий ядросы өте тұрақты, сондықтан радиоактивті ядролардан сутегі ядролары емес, тұтас гелий ядролары, альфа-бөлшектері бөлінеді. Бұл ойлар бізді атом энергиясын жаңа бағалауға жетелейді. Атомның барлық дерлік энергиясы ядрода шоғырланғанын біз қазірдің өзінде білеміз және бұл жерде орасан зор энергия. 1 г зат, егер көрнекі тілге аударсақ, 100 вагон мұнайдың 10 пойызын жағудан алуға болатындай энергияға ие. Демек, ядро мүлдем ерекше энергия көзі болып табылады. 1 г 10 пойызбен салыстырыңыз - бұл біздің технологияда қолданатын энергиямен салыстырғанда ядродағы энергия концентрациясының қатынасы.
Алайда, егер сіз қазір қарастырып жатқан фактілер туралы ойлансаңыз, сіз, керісінше, ядро туралы мүлдем қарама-қарсы көзқарасқа келе аласыз. Ядро, бұл тұрғыдан алғанда, энергия көзі емес, оның зираты: ядро - бұл энергияның орасан зор мөлшері бөлінгеннен кейінгі қалдық және онда бізде энергияның ең төменгі күйі бар.
Демек, егер ядролық энергияны пайдалану мүмкіндігі туралы айтатын болсақ, онда барлық ядролар өте төмен энергияға жетпеген деген мағынада ғана: сутегі де, гелий де табиғатта бар, демек, барлық сутегі емес. гелийге біріктірілген, бірақ гелийдің энергиясы аз. Егер біз бар сутекті гелийге айналдыра алсақ, белгілі бір мөлшерде энергия алар едік. Бұл майы бар 10 пойыз емес, бірақ бәрібір майы бар 10 вагон болады. Ал егер 1 г заттан 10 вагон мұнайды жағудан сонша энергия алуға болатын болса, бұл жаман емес.
Бұл ядролардың қайта орналасу кезіндегі мүмкін болатын энергия қорлары. Бірақ мүмкіндік, әрине, шындықтан алыс.
Бұл мүмкіндіктерді қалай жүзеге асыруға болады? Оларды бағалау үшін атом ядросының құрамын қарастыруға көшейік.
Енді біз барлық ядролардың құрамында протондар деп аталатын, бірлік атомдық массасы (дәл 1,0078) және бірлік оң заряды бар оң сутегі ядролары бар деп айта аламыз. Бірақ ядро тек протондардан тұруы мүмкін емес. Мысалы, периодтық жүйеде 92-ші орында тұрған ең ауыр элементті, атомдық салмағы 238-ге тең уранды алайық. Егер осы 238 бірліктің барлығы протондардан тұрады деп есептесек, уранның 238 заряды болады, ал оның тек 92. Демек, не ондағы бөлшектердің барлығы зарядталған емес, не 238 протоннан басқа 146 теріс электрон бар. Сонда бәрі жақсы: атомдық масса 238, оң зарядтар 238 және теріс 146 болар еді, демек, жалпы заряд 92. Бірақ біз ядрода электрондардың болуы туралы болжам біздің идеяларымызбен үйлеспейтінін қазірдің өзінде анықтадық: бірде-біреуі жоқ. ядродағы электрондардың өлшемдері де, магниттік қасиеттері бойынша да орналастыра алмайды. Қандай да бір қайшылық қалды.
НЕЙТРОНДЫҢ АШЫЛУЫ
Бұл қайшылықты екі жылдай бұрын Ирен Кюри мен оның күйеуі Жолио (Ирен Кюри – радийді ашқан Мари Кюридің қызы) ашқан жаңа эксперименттік факті жойды. Ирен Кюри мен Жолио бериллийді (периодтық жүйенің төртінші элементі) альфа бөлшектерімен бомбалағанда бериллий материяның үлкен қалыңдықтарына енетін кейбір оғаш сәулелер шығаратынын анықтады. Олар заттарға оңай енетіндіктен, олар онда ешқандай елеулі әсер етпеуі керек сияқты көрінетін еді, әйтпесе олардың энергиясы таусылып, олар затқа енбейді. Екінші жағынан, бұл сәулелер атомның ядросымен соқтығысқанда, оны ауыр бөлшек соққандай орасан зор күшпен қабылдамайды. Сонымен, бір жағынан, бұл сәулелерді ауыр ядролар деп ойлау керек, ал екінші жағынан, олар ешқандай әсер етпей, орасан зор қалыңдықтан өтуге қабілетті.
Бұл қайшылықтың шешімі бұл бөлшектің зарядталмағанында табылды. Егер бөлшекте электр заряды болмаса, онда оған ештеңе әсер етпейді, ал оның өзі ештеңеге әсер етпейді. Қозғалыс кезінде ол бір жерде зеңбірек оғымен соқтығысқанда ғана оны лақтырып жібереді.
Осылайша жаңа зарядсыз бөлшектер – нейтрондар пайда болды. Бұл бөлшектің массасы шамамен сутегі бөлігінің массасымен бірдей екені белгілі болды - 1,0065 (протоннан мыңнан бір бөлігі аз, сондықтан оның энергиясы шамамен 1 миллион электрон вольтқа аз). Бұл бөлшек протонға ұқсас, бірақ тек оң заряды жоқ, ол бейтарап, оны нейтрон деп атады.
Нейтрондардың бар екендігі белгілі болғаннан кейін, ядроның құрылымы туралы мүлдем басқа идея ұсынылды. Оны алдымен Д.Д.Иваненко білдірді, содан кейін, әсіресе, алған Гейзенберг дамытты Нобель сыйлығыөткен жылы. Ядрода протондар мен нейтрондар болуы мүмкін. Ядро тек протондар мен нейтрондардан тұрады деп болжауға болады. Сонда периодтық жүйенің бүкіл құрылысы мүлдем басқа, бірақ өте қарапайым болып көрінеді. Мысалы, уранды қалай елестету керек? Оның атомдық салмағы 238, яғни 238 бөлшек бар. Бірақ олардың кейбіреулері протондар, кейбіреулері нейтрондар. Әрбір протонның оң заряды бар, ал нейтрондардың заряды мүлдем жоқ. Егер уранның заряды 92 болса, бұл 92 протон, ал қалғаны нейтрон дегенді білдіреді. Бұл идея қазірдің өзінде бірқатар керемет жетістіктерге әкелді, ол бірден нақтыланды тұтас сызықбұрын мүлдем жұмбақ болып көрінген периодтық жүйенің қасиеттері. Протондар мен нейтрондар аз болған кезде, толқындық механиканың қазіргі тұжырымдамаларына сәйкес, ядродағы протондар мен нейтрондардың саны бірдей болады деп күту керек. Тек протонның заряды бар, ал протондар саны атомдық нөмірді береді. Ал элементтің атомдық салмағы протондар мен нейтрондардың салмақтарының қосындысы, өйткені екеуінің де бір атомдық салмағы бар. Осы негізде атомдық сан атом салмағының жартысы деп айта аламыз.
Енді бір қиындық, бір қарама-қайшылық бар. Бұл бета бөлшектерімен жасалған қайшылық.
ПОЗИТРОНДЫҢ АШЫЛУЫ
Біз ядрода оң зарядталған протоннан басқа ештеңе жоқ деген қорытындыға келдік. Егер ядрода теріс зарядтар мүлдем болмаса, теріс электрондар ядродан қалай шығарылады? Өздеріңіз көріп отырғандай, біз қиын жағдайда тұрмыз.
Бізді одан тағы да жаңа эксперименттік факт, жаңа ашылым алып шықты. Бұл жаңалықты, бәлкім, алғаш рет Д.В.Скобельцын жасады, ол ұзақ уақыт бойы ғарыштық сәулелерді зерттей келе, ғарыштық сәулелер шығаратын зарядтардың ішінде оң жарық бөлшектері де бар екенін анықтады. Бірақ бұл жаңалық берік бекітілген барлық нәрсеге қайшы болғаны сонша, Скобельцын алғашында өз бақылауларына мұндай түсініктеме бермеді.
Бұл құбылысты ашқан келесі адам болды американдық физикАндерсен Пасаденада (Калифорния), одан кейін Англияда, Резерфорд зертханасында, Блэкетт. Бұл оң электрондар немесе олар онша жақсы аталмағандықтан, позитрондар. Бұл шын мәнінде оң электрондар екенін олардың магнит өрісіндегі әрекетінен оңай көруге болады. Магнит өрісінде электрондар бір бағытта, ал позитрондар екінші бағытта ауытқиды және олардың ауытқу бағыты олардың таңбасын анықтайды.
Бастапқыда позитрондар өткен кезде ғана байқалды ғарыштық сәулелер. Жақында бірдей Ирен Кюри мен Жолио жаңа керемет құбылысты ашты. Бар екені белгілі болды жаңа түрірадиоактивтілік, альфа-сәулелерімен бомбалау кезінде өздігінен радиоактивті емес алюминий, бор, магний ядролары радиоактивті болады. 2-ден 14 минутқа дейін олар өз бетінше бөлшектерді шығаруды жалғастырады және бұл бөлшектер енді альфа және бета сәулелері емес, позитрондар болып табылады.
Позитрондар теориясы позитронның өзі табылғаннан әлдеқайда ертерек жасалған. Дирак толқындық механиканың теңдеулерін салыстырмалылық теориясын да қанағаттандыратындай етіп беру міндетін қойды.
Бұл Дирак теңдеулері өте таңқаларлық нәтижеге әкелді. Масса оларға симметриялы түрде енеді, яғни массаның таңбасы керісінше өзгерсе, теңдеулер өзгермейді. Массаға қатысты теңдеулердің бұл симметриясы Диракқа оң электрондардың бар болу мүмкіндігін болжауға мүмкіндік берді.
Ол кезде ешкім оң электрондарды байқамады және оң электрондар жоқ деген қатты сенім болды (бұны Скобельцын да, Андерсен де бұл мәселеге сақтықпен қарағанымен бағалауға болады), сондықтан Дирактың теориясы қабылданбады. Екі жылдан кейін оң электрондар шынымен табылды және, әрине, олардың пайда болуын болжайтын Дирак теориясын есіне алды.
«МАТЕРИАЛДАНУ» ЖӘНЕ «ЖОЮ»
Бұл теория оны барлық жағынан қоршап тұрған бірқатар негізсіз түсіндірулермен байланысты. Бұл жерде мен Кюри ханымның бастамасымен аталған материалдану процесін талдағым келеді – гамма сәулелері материя арқылы бір мезгілде оң және теріс электрондар жұбының пайда болуы. Бұл эксперименттік факт электромагниттік энергияның бұрын болмаған заттың екі бөлігіне айналуы ретінде түсіндіріледі. Демек, бұл факт сол басқа сәулелердің әсерінен материяның пайда болуы және жойылуы ретінде түсіндіріледі.
Бірақ біз шын мәнінде байқаған нәрсеге мұқият қарасақ, жұптардың пайда болуын мұндай түсіндірудің ешқандай негізі жоқ екенін байқау қиын емес. Атап айтқанда, Скобельцынның жұмысы гамма-сәулелерінің әсерінен зарядтар жұбының пайда болуы бос кеңістікте мүлдем болмайтынын, жұптардың пайда болуы әрқашан атомдарда ғана байқалатынын анық көрсетеді. Демек, бұл жерде біз энергияның материалдануымен, қандай да бір жаңа материяның пайда болуымен емес, тек атомда бұрыннан бар материяның ішіндегі зарядтардың бөлінуімен айналысамыз. Ол қайда болды? Оң және теріс зарядтың бөліну процесі ядродан алыс емес, атом ішінде, бірақ ядроның ішінде емес (салыстырмалы түрде өте үлкен емес 10 -10 -10 -11 см қашықтықта, ал радиус ядросы 10 -12 -10 -13 см).
Дәл осыны «материя аннигиляциясының» кері процесі туралы айтуға болады - екі квант электромагниттік гамма-сәуле түрінде бір миллион электрон вольт энергияның бөлінуімен теріс және оң электронның қосылуы. Және бұл процесс әрқашан атомда болады, шамасы оның ядросының жанында.
Бұл жерде біз жоғарыда атап өткен қарама-қайшылықты шешу мүмкіндігіне келеміз, ол ядроның теріс электрондардың бета-сәулелерін шығаруынан туындайды, біз ойлағандай оның құрамында электрондар жоқ.
Әлбетте, бета бөлшектері ядродан ұшып шықпайды, бірақ ядроның арқасында; Ядро ішінде энергияның бөлінуіне байланысты оң және бөліну процесі теріс заряд s, ал теріс заряд шығарылады, ал оң заряд ядроға тартылып, нейтронмен байланысып, оң протонды құрайды. Бұл жақында жасалған болжам.
Міне, біз атом ядросының құрамы туралы білеміз.
ҚОРЫТЫНДЫ
Қорытындылай келе, болашақ перспективалар туралы бірнеше сөз айтайық.
Егер атомдарды зерттеу барысында сандық өзгерістер одан әрі жаңа сапалық қасиеттерге айналатын белгілі бір шекараларға жететін болсақ, онда атом ядросының шекарасында атом қабығында біз ашқан толқындық механиканың сол заңдары өз қызметін тоқтатады; өзегінде жаңа, одан да жалпылаушы теорияның әлі де анық емес контурлары сезіле бастайды, оған қатысты толқындық механика құбылыстың бір жағын ғана бейнелейді, оның екінші жағы енді ашыла бастады - және басталады, әдеттегідей, қайшылықтармен.
Атом ядросындағы жұмыстың технологияның дамуымен тығыз байланысты тағы бір өте қызықты жағы бар. Өзек Гамов тосқауылымен сыртқы әсерлерден өте жақсы қорғалған. Егер радиоактивті процестердегі ядролардың ыдырауын бақылаумен шектелмей, біз ядроға сырттан еніп, оны қайта құрғымыз келсе, онда бұл өте күшті әсерді қажет етеді.
Ядро проблемасы ең шұғыл түрде одан әрі талап етеді технологияны дамыту, жоғары вольтты технологиямен игерілген кернеулерден бірнеше жүз мың вольттық кернеулерден миллиондаған вольтке көшу. Технологияда жаңа кезең құрылуда. Миллиондаған вольтты жаңа кернеу көздерін құру бойынша бұл жұмыс қазір барлық елдерде - шетелде де, осында да, атап айтқанда, бұл жұмысты алғаш бастаған Харьков зертханасында және Ленинград физика-техникалық институтында жүргізілуде. , және басқа жерлерде.
Ядро мәселесі - ең көп кездесетін мәселелердің бірі ағымдағы проблемаларфизикадағы біздің уақытымыз; асқан қарқынды және табандылықпен жұмыс істеу керек және бұл жұмыста үлкен ой батылдығы қажет. Мен өз презентациямда жаңа таразыларға көшкен кезде логикалық әдеттеріміздің, шектеулі тәжірибеге негізделген барлық идеяларымыздың жаңа құбылыстар мен жаңа масштабтарға сәйкес келмейтініне көз жеткізген бірнеше жағдайды атап өттім. Біз әрқайсымызға тән осы парасатты консерватизмді жеңуіміз керек. Жалпы ақыл- бұл өткеннің шоғырланған тәжірибесі; бұл тәжірибе болашақты толығымен қамтиды деп күтуге болмайды. Өзекті аймақта басқаларға қарағанда, жаңа сапалы қасиеттердің мүмкіндігін үнемі есте ұстау және олардан қорықпау керек. Меніңше, дәл осы жерде диалектикалық әдістің, қазіргі физиканың бүкіл даму барысын болжаған консерватизмнен ада әдістің күшін сезіну керек сияқты. Әрине, бұл жерде диалектикалық әдіс деп отырғаным Энгельстен алынған сөз тіркестерінің жиынтығы емес. Оның сөздері емес, олардың мағынасы біздің жұмысымызға көшуі керек; Бір ғана диалектикалық әдіс бізді ядро мәселесі сияқты мүлде жаңа әрі озық салада алға жылжыта алады.
Атом ядросының құрамы. Протондар мен нейтрондарды есептеу
Қазіргі ұғымдар бойынша атом ядро мен оның айналасында орналасқан электрондардан тұрады. Атомның ядросы, өз кезегінде, белгілі бір саннан кішірек элементар бөлшектерден тұрады протондар мен нейтрондар(жалпы қабылданған атауы нуклондар), өзара ядролық күштермен байланысқан.
Протондар саныядрода атомның электрондық қабатының құрылымын анықтайды. Ал электронды қабық анықтайды физикалық-химиялық сипаттамаларызаттар. Протондар саны Менделеевтің химиялық элементтердің периодтық жүйесіндегі атомның реттік нөміріне сәйкес келеді, оны заряд нөмірі, атом нөмірі, атом нөмірі деп те атайды. Мысалы, гелий атомындағы протондар саны 2. Периодтық жүйеде ол 2 саны болып табылады және He 2 ретінде белгіленеді. Протондар санының таңбасы латынның Z әрпі болып табылады. Формулаларды жазғанда жиі көрсететін сан болады. протондар саны элемент символының астында немесе оң немесе сол жағында орналасқан: He 2/2 He.
Нейтрондар саныэлементтің белгілі бір изотопына сәйкес келеді. Изотоптар - атомдық нөмірлері бірдей (протондар мен электрондардың саны бірдей), бірақ массалық сандары әртүрлі элементтер. Масс саны– атом ядросындағы нейтрондар мен протондардың жалпы саны (белгіленген Латын әрпі A). Формулаларды жазу кезінде массалық санэлемент белгісінің жоғарғы жағында бір жағында көрсетілген: He 4 2 / 4 2 He (гелий изотопы - гелий - 4)
Осылайша, белгілі бір изотоптағы нейтрондардың санын білу үшін жалпы масса санынан протондар санын шегеру керек. Мысалы, гелий-4 He 4 2 атомында 4 бар екенін білеміз элементар бөлшектер, өйткені изотоптың массалық саны 4-ке тең. Оның үстіне, біз He 4 2-де 2 протон бар екенін білеміз. 4-тен (жалпы массалық саннан) 2-ден (протондар саны) шегерсек, 2 - гелий-4 ядросындағы нейтрондар санын аламыз.
АТОМ ЯДРЫНДАҒЫ ФАНТОМДЫ БӨЛШЕКТЕР САНДЫН ЕСЕП АЛУ ПРОЦЕСІ. Мысал ретінде, ядросы екі протон мен екі нейтроннан тұратын Гелий-4 (He 4 2) деп бекер айтылмаған. Альфа-бөлшегі (α-бөлшегі) деп аталатын гелий-4 ядросы ядролық реакциялардағы ең тиімді болғандықтан, ол осы бағыттағы тәжірибелер үшін жиі қолданылады. Айта кетейік, ядролық реакциялардың формулаларында He 4 2 орнына жиі α таңбасы қолданылады.
Дәл альфа-бөлшектердің қатысуымен Э.Резерфорд бірінші орындады ресми тарихядролық түрленудің физикалық реакциясы. Реакция кезінде альфа бөлшектері (He 4 2) азот изотопының (N 14 7) ядроларын «бомбалады», нәтижесінде оттегі изотопы (O 17 8) және бір протон (p 1 1) түзілді.
Бұл ядролық реакция келесідей көрінеді:
Осы түрлендіруге дейінгі және кейінгі фантомдық Po бөлшектерінің санын есептейік.
ФАНТОМДЫ БӨЛШЕКТЕР САНЫН ЕСЕПТЕУ ҮШІН СІЗГЕ КЕРЕК:
1-қадам. Әрбір ядродағы нейтрондар мен протондардың санын есептеңіз:
- төменгі көрсеткіште протондар саны көрсетіледі;
- жалпы массалық саннан (жоғарғы көрсеткіш) протондар санын (төменгі көрсеткіш) шегеру арқылы нейтрондар санын табамыз.
2-қадам. Атом ядросындағы фантомдық Po бөлшектерінің санын есептеңіз:
- протондар санын 1 протонның құрамындағы фантом Po бөлшектерінің санына көбейту;
- нейтрондар санын 1 нейтронның құрамындағы фантомдық Po бөлшектерінің санына көбейту;
3-қадам. Фантомдық Po бөлшектерінің санын қосыңыз:
- реакцияға дейін ядролардағы нейтрондардағы протондардағы фантомдық Po бөлшектерінің алынған санын қосыңыз;
- реакциядан кейін ядролардағы нейтрондардағы протондардағы фантомдық Po бөлшектерінің алынған санын қосыңыз;
- реакцияға дейінгі фантом Po бөлшектерінің санын реакциядан кейінгі фантом Po бөлшектерінің санымен салыстыру.
АТОМ ЯДРЫНДАҒЫ ФАНТОМДЫ БӨЛШЕКТЕР САНЫ ДАМЫҒАН ЕСЕПТІЛІКТІҢ МЫСАЛЫ.
(1919 жылы Э.Резерфорд жүргізген α-бөлшегі (He 4 2) қатысатын ядролық реакция)
РЕАКЦИЯҒА ДЕЙІН (N 14 7 + He 4 2)
N 14 7
Протондар саны: 7
Нейтрондар саны: 14-7 = 7
1 протонда – 12 Po, яғни 7 протонда: (12 x 7) = 84;
1 нейтронда – 33 Po, яғни 7 нейтронда: (33 x 7) = 231;
Ядродағы фантомдық Po бөлшектерінің жалпы саны: 84+231 = 315
Ол 42
Протондар саны – 2
Нейтрондар саны 4-2 = 2
Фантомдық Po бөлшектерінің саны:
1 протонда – 12 Po, яғни 2 протонда: (12 x 2) = 24
1 нейтронда – 33 Po, яғни 2 нейтронда: (33 x 2) = 66
Ядродағы фантомдық Po бөлшектерінің жалпы саны: 24+66 = 90
Реакцияға дейінгі фантом Po бөлшектерінің жалпы саны
N 14 7 + Ол 4 2
315 + 90 = 405
РЕАКЦИЯДАН КЕЙІН (O 17 8) және бір протоннан (p 1 1):
O 17 8
Протондар саны: 8
Нейтрондар саны: 17-8 = 9
Фантомдық Po бөлшектерінің саны:
1 протонда – 12 Po, яғни 8 протонда: (12 x 8) = 96
1 нейтронда – 33 Po, яғни 9 нейтронда: (9 x 33) = 297
Ядродағы фантомдық Po бөлшектерінің жалпы саны: 96+297 = 393
б 1 1
Протондар саны: 1
Нейтрондар саны: 1-1=0
Фантомдық Po бөлшектерінің саны:
1 протонда 12 Po бар
Нейтрондар жоқ.
Ядродағы фантомдық Po бөлшектерінің жалпы саны: 12
Реакциядан кейінгі фантом Po бөлшектерінің жалпы саны
(O 17 8 + p 1 1):
393 + 12 = 405
Реакцияға дейінгі және одан кейінгі фантомдық Po бөлшектерінің санын салыстырайық:
ЯДРОЙ РЕАКЦИЯСЫНДАҒЫ ФАНТОМДЫ БӨЛШЕКТЕРДІҢ САНЫ ЕСЕПТЕУ ҮШІН ҚЫСҚА ФОРМА МЫСАЛЫ.
Атақты ядролық реакциянейтрон алғаш рет ашылған, ядролық түрлену нәтижесінде тәуелсіз бөлшек ретінде көрінетін α-бөлшектердің бериллий изотопымен әрекеттесу реакциясы. Бұл реакцияны 1932 жылы ағылшын физигі Джеймс Чедвик жүргізді. Реакция формуласы:
213 + 90 → 270 + 33 - ядролардың әрқайсысындағы фантомдық Po бөлшектерінің саны
303 = 303 - жалпы сомареакцияға дейін және одан кейінгі фантом Po бөлшектері
Реакцияға дейінгі және одан кейінгі фантомдық Po бөлшектерінің саны тең.
АТОМ ЯДРЫНЫҢ ҚҰРАМЫ. БАЙЛАНЫС ЭНЕРГИЯСЫ
1. Атом ядросының құрамы. Нейтрон ашылғаннан кейін көп ұзамай (1932 ж.) кеңес физигі Д.Д.Иваненко және біраз уақыттан кейін неміс физигі В.Гейзенберг атом ядросы протондар мен нейтрондардан тұрады деген болжам жасады. Бұл бөлшектер нуклондар деп аталады. Протондар саны З, ядроға енгізілген, оның зарядын анықтайды, ол тең +Ze. Сан Затомдық нөмір деп аталады (ол химиялық элементтің атомдық нөмірін анықтайды мерзімді кестеМенделеев) немесе ядроның заряд саны.
Ядродағы А нуклондарының саны (яғни протондар мен нейтрондардың жалпы саны) ядроның массалық саны деп аталады. Ядродағы нейтрондар саны тең N=A-Z.
Ядроларды белгілеу үшін қолданылатын таңба
мұндағы X элементтің химиялық белгісін білдіреді. Оның массалық нөмірі жоғарғы жағында, ал атомдық нөмірі төменгі жағында орналасқан.
2. Изотоптар. Бір химиялық элементтің барлық атомдарының массасы бірдей емес екені 1906 жылдан бері белгілі. Мысалы, хлор атомдарының ішінде массасы 35-ке жақын, массасы 37-ге жақын атомдар бар.Уран атомдарының ішінде массасы 234, 235, 238 және 239. Басқа заттардың атомдары арасында массалық айырмашылықтар бар.
Бір элементтің барлық изотоптары өте ұқсас химиялық қасиеттерге ие, бұл олардың электрондық қабықшаларының құрылымының бірдей екендігін, демек ядролық зарядтардың бірдей және ядролардағы протондардың бірдей санын көрсетеді. Міне, олардың атауы гректің «isos» - бірдей және «topos» - жер сөзінен шыққан: Д.И.Менделеевтің химиялық элементтердің периодтық жүйесіндегі бір орын.
Изотоптар арасындағы массалық айырмашылық мынадан туындайды әртүрлі санолардың құрамында нейтрондар бар. Сонымен, изотоптар дегеніміз - ядроларының массасы бойынша ерекшеленетін берілген химиялық элементтің сорттары.
Радиоактивті ыдырау заңын Ф.Содди бекітті. Эмпирикалық түрде Э.Резерфорд радиоактивті ыдырау белсенділігі уақыт өткен сайын төмендейтінін анықтады. Әрқайсысы үшін радиоактивті затБелсенділік 2 есе төмендейтін уақыт аралығы бар, яғни. Жартылай шығарылу кезеңі Тосы заттан. Радиоактивті атомдар саны N, уақыт t =0 болсын. t 1 =T кейін ыдырамаған ядролар саны N 1 = N 0 /2, t 2 =2T кейін қалады
Уақыт өткен соң t=nT, яғни. кейінірек nжартылай ыдырау Т, радиоактивті атомдар қалады:
Өйткені n=t/T,
Бұл негізгі заң радиоактивтіыдырау.
4. Ядролық күштер. Қарапайым фактілератом ядроларының күшін көрсетеді: бізді қоршаған заттар бөлшектерге ыдырамай ұзақ уақыт өмір сүреді. Бірақ бұл фактілерді қалай түсіндіруге болады? Өйткені, атом ядроларында протондар бар, ал электростатикалық итеруші күштер оларды «итермелеуі» керек. Бұдан шығатыны, ядролардың ішінде нуклондар арасында электростатикалық тебілу күштерінен асып түсетін кейбір күштер әрекет етеді. Бұл күштер ядролық күштер деп аталады. Ядролық күштер кез келген нуклондар арасында (протондар арасында, нейтрондар арасында және протондар мен нейтрондар арасында) әрекет етеді. Сипаттама қасиетіЯдролық күштер олардың қысқа әрекеті: 10-15 м қашықтықта олар электростатикалық әсерлесу күштерінен шамамен 100 есе көп, бірақ 10-14 м қашықтықта олар шамалы болып шығады.
5. Байланыс энергиясы. Протонды немесе нейтронды ядродан шығару үшін қысқа қашықтықтағы ядролық күштерді жеңу үшін жұмыс істеу керек. Нәтижесінде «қалған ядро – жойылған нуклон» жүйесінің энергиясы артады ∆Е, сыртқы күштердің жұмысына тең.
Ядроны жеке протондар мен нейтрондарға толық бөлу үшін қажет энергия ядролық байланыс энергиясы деп аталады.
Масса мен энергия арасындағы байланыс заңы бойынша бөлшектердің массасы да артады
Демек, ядроның массасы әрқашан жеке алынған оны құрайтын бөлшектердің массаларының қосындысынан аз болады. IN ядролық физикаБөлшектердің массасы атомдық масса бірліктерімен өрнектеледі. Атомдық масса бірлігі көміртегі-12 изотопының атомының массасының 1/12 бөлігіне тең.
1 аму = 1,6605655·10 -27 кг
Кестеде кейбір тұрақты ядролардың және элементар бөлшектердің массалары көрсетілген.
Кесте
| Негізгі символ | Масса, а. жеу. | Негізгі символ | Масса, а. жеу. |
| 1,008665 | 14,003242 | ||
| 1,007825 | 16,999134 | ||
| 4,002603 | 235,043933 |
Офсеттік ереже. Ядролық түрлендірулер бірінші рет Содди тұжырымдаған орын ауыстыру ережесіне бағынады: а-ыдырау кезінде ядро өзінің оң зарядын 2e жоғалтады және оның массасы шамамен төрт атомдық массалық бірлікке азаяды. Нәтижесінде элемент екі ұяшыққа периодтық кестенің басына жылжытылады. Символдық түрде оны былай жазуға болады:
Бұл жерде элемент химиядағы сияқты жалпы қабылданған белгілермен белгіленеді: ядро заряды таңбаның төменгі сол жағында индекс ретінде, ал атомдық масса таңбаның жоғарғы сол жағында индекс ретінде жазылады. Мысалы, сутегі таңбамен берілген. Үшін а- гелий атомының ядросы болып табылатын бөлшек, белгілеу қолданылады және т.б. β - ыдырау кезінде электрон ядродан ұшып шығады. Нәтижесінде ядро заряды бір есе артады, бірақ массасы дерлік өзгеріссіз қалады:
Мұнда электронды білдіреді: жоғарғы жағындағы «0» индексі оның массасы атомдық масса бірлігімен салыстырғанда өте аз екенін білдіреді. β ыдырауынан кейін элемент бір ұяшықты периодтық жүйенің соңына жақындатады. Гамма сәулелену зарядтың өзгеруімен бірге жүрмейді; ядроның массасы елеусіз өзгереді.
Орын ауыстыру ережелері радиоактивті ыдырау кезінде электр зарядыжәне ядролардың салыстырмалы атомдық массасы шамамен сақталады.
Радиоактивті ыдырау кезінде пайда болған жаңа ядролар өз кезегінде әдетте радиоактивті болып табылады.
Мысал.Осы кестедегі мәліметтерді пайдалана отырып, гелий атомының ядросының байланыс энергиясын есептейміз:
Гелий ядросының массасы 4,002603 аму.
Жеке нуклондардың массасы
Массалар айырмасы: ∆ m = (4,032980 - 4,002603) a.m.u. =0,030377 аму және байланыс энергиясы:
Өйткені: 1 аму = 1,660566*10 -27 кг, және с = 3*10 8 м/с, онда ∆ E = 0,030377*1,660566*10 -27 кг * 9 10 16 м 2 / с 2 немесе ∆E = 0,030377 * 1,660566 9 10 -11 Дж.
Ядролық физикада энергия әдетте электронвольтпен өрнектеледі. 1 эВ=1,60219·10 -19 Дж болғандықтан, онда
Бөлшек екенін көру оңай
мәселенің жағдайына байланысты емес. Сондықтан, одан әрі есептеулер атомдық реакцияларбіз мұны келесідей жасаймыз:
∆E = ∆m a.m.u. 931 МэВ/аму
Сонымен, гелий атомының ядросының байланыс энергиясы:
Атом ядросының жалпы байланыс энергиясын ондағы нуклондар санына бөлу арқылы біз меншікті байланыс деп аталатын энергияны аламыз. Гелий атомының ядросы үшін меншікті байланыс энергиясы бір нуклонға МеВ тең.
Жауап:Гелий атомының ядросының меншікті байланыс энергиясы шамамен бір нуклонға 7 МэВ құрайды.
Жүктелуде...
