Атом ядросы және оның құрылысы

Мазмұны

Кіріспе..........................................................................................................3

1. Атом ядросы............................................................................................5

1.1 Атом ядросы және оның құрылысы....................................................5

2. Атом ядросының модельдері.................................................................9

2.1 Тамшылық модел..................................................................................9

2.2 Ядролық Ферми-газ моделі.................................................................10

2.3 Ядроның қабықтық моделі..................................................................12

2.4 Бірбөлшектік қабықтық модел............................................................15

2.5 Ядроның жалпыланған моделі............................................................18

Қорытынды.................................................................................................19

Пайдаланылған әдебиеттер.......................................................................20

Кіріспе

Ядро деп, атомның барлық массасы және оның электрлік заряды жинақталған, атомның орталық бөлігін айтады.

Барлық атомдардың ядролары протон мен нейтрон деп аталатын элементар бөлшектерден тұрады. Бұл бөлшектерді көбіне нуклондар деп атайды. Ең қарапайым деп саналатын сутегі атомының ядросы бір протоннан, яғни бір нуклоннан тұрады.

Бұл жұмыстың мақсаты - ядролық құбылыстарды түсіну үшін, оның моделін, оның қасиеттерінің белгілі бір тобын жақсы бейнелейтін және жеткілікті қарапайым математикалық түсіндіруге мүмкіндік беретін, үлгілік физикалық жүйені қолдану.

Өзектілігі – ядроны құрайтын бөлшектерге сипаттама беру. Ядроның қасиеттерін ұжымдық, бір бөлшектік және жалпыланған моделдері арқылы сипаттау.

Әр модел, еркіндік дәрежелерінің белгілі бір тобына ғана негізделеді. Ондай еркіндік дәрежелерінің бір-бірімен және басқа еркіндік дәрежелерімен әрекеттесуі өте әлсіз деп есептеледі.

Ядроның еркіндік дәрежелерін бір бөлшектік және ұжымдық деп бөлуге болады. Бір бөлшектік еркіндік дәрежелері ядродағы әр бөлшектің дербес қозғалыстарын сипаттайды. Ал ұжымдық еркіндік дәрежелері бөлшектердің үлкен бөлігінің үйлескен бөлігін сипаттайды. Осыған сай моделдер де бір бөлшектік және ұжымдық болып жіктеледі. Сонымен қатар,ұжымдық қозғалыстарды ды, дербес қозғалыстарды да ішінара ескеретін жалпыланған модел пайдаланылады.

Бір бөлшектік моделді кейде тәуелсіз бөлшектер моделі деп, ал ұжымдық моделді күшті өзара әсерлесулі бөлшектер моделі деп атайды. Бұл ұғымдар ядроны тұтас денелерге ұқсатудан туған. Осыған орай, ұжымдық моделдерде ядро сұйық немесе қатты денеге, ал бірбөлшектік моделдерде газға ұқсатылады.

Ұжымдық моделдер мыналар:

1. Тамшылық модел. Ядро зарядталған сығылмайтын сұйық тамшысы ретінде қарастырылады. Осыдан, «ядроның байланыс энергиясы көлемдік, беттік және кулондық энергиядан құралады»-делінеді. Әлбетте, бұларға тамшылық көзқараспен түсіндірілмейтін, қосымша симметрия энергиясы мен қосақтасу энергиясы енгізіледі. Ақырында, байланыс энергиясының Вейцзеккерлік түрі шығарылады. Оны ядроның байланыс энергиясының А мен Z-ке тәуелділігін, ядроның беттік тербелістерін және ядроның бөлінуін сапалық түсіндіруге қолданады.

2. Сфералық емес ядро моделі. Ядро заттың кейбір себептерінен тепе-теңдік күйде сфералық емес пішін қабылдаған қойыртпағы сияқты қарастырылады. Ядроның кейбір ең төменгі энергиялық деңгейлерін сипаттауға қолданады.

Бір бөлшектік моделдің мынадай түрлері қолданылады:

1.Қалдық әсерлесусіз қабықтық модел. « Нуклондардың бір-біріне тәуелсіз қозғалыстары барлық нуклондарға бірдей өздік үйлесімді өрісте өтеді», деп есептеледі. Нуклондардың өзара әсерін әруақытта осы өздік үйлесімді әсерлесумен кейбір қалдық әсерлесудің қосындысы түрінде алуға болады. Қарастырып отырған модел үшін қалдық әсерлесу әлсіз, оны елемеуге болады деп есептеп, оны ескермейді. Оның көмегімен киелі сандарды, ядролардың негізгі және кейбір қозған түрлерінің спиндері мен жұптылықтарын, магнит моменттерін, қос киелі ядролардың негізгі күйлерінің спиндері мен жұптылықтарын есептейді.

2.Феномендік қосақтасулы қабықтық модел. Қалдық әсерлесу бірдей нуклондардың өзара қосақтасуын елеу арқылы ескеріледі. Мұнда бірдей нуклондардың спиндері мен магнит моменттері нөлге, ал жұптылықтығы оң болатын қосақтар құрайды деп алынады.

Жалпыланған моделдің мынадай түрлері бар:

1. Әлсіз әсерлесулі жалпыланған модел. Нөлдік жуықтауда ядро тұтас сфералық ірге мен бір немесе бірнеше сыртқы нуклондардан тұрады деп алынады. Ірге ұжымдық моделдердің біреуімен, ал сыртқы нуклон өздік үйлесімді өріспен бейнеленеді. Оған қоса, ірге мен сыртқы нуклонның еркіндік дәрежелері арасында әлсіз өзара әсерлесу болады деп есептеледі.

2. Күшті әсерлесулі жалпыланған модел. Қабықтық моделдегі сияқты барлық нуклондар өздік үйлесімді күш өрісінде бір-біріне тәуелсіз қозғалады деп есептеледі. Бірақ күш орталығы сфералық симметриялы емес пішінді және осыған байланысты ядро тұтас айнала алады. Айналуға барлық нуклондар қатысады. Қолдану аймағы: көптеген ядролардың төмен жатқан деңгейлерінің орны мен сипаттарын анықтау.

Атом ядросы және оның құрылысы

Ядро деп, атомның барлық массасы және оның электрлік заряды жинақталған, атомның орталық бөлігін айтады.

Барлық атомдардың ядролары протон мен нейтрон деп аталатын элементар бөлшектерден тұрады. Бұл бөлшектерді көбіне нуклондар деп атайды. Ең қарапайым деп саналатын сутегі атомының ядросы бір протоннан, яғни бір нуклоннан тұрады.

Атом ядросының құрылысы және сипаттамалары.

Протон - р

Нейтрон - n

Протон. Протон р әрпімен белгіленеді, оның заряды +e және массасы

m_p= 938,28 МэВ. (1)

Салыстыру үшін электронның массасын келтіретін болсақ, ол мынаған тең болады:

m_e= 0,511 МэВ . (2)

(1) және (2) теңдіктерінен протон мен электронның массаларының арасында мынадай қатынас орын алатынын көреміз:

m_p= 1836 m_e . (3)

Протонның спині ( S= ) және меншікті магниттік моменті бар:

_p= _я , (4)

мұндағы:

_я =5,05·10^-24 эрг/Гс (5)

ядролық магнетон деп аталатын магнит моментінің бірлігі. Бор магнетонымен ( _Б= = 0,927·10^-20 эрг/Гс) салыстырсақ, _я шамасы _Б -дан 1836 есе кіші болатындығы шығады. Демек, протонның меншікті магниттік моменті электронның магниттік моментінен шамамен 660 есе кіші болады.

Нейтрон. Нейтронды ( n ) 1932 ж. ағылшын физигі Д. Чедвик ашқaн болатын. Оның электрлік заряды жоқ, бейтарап бөлшек, ал массасына келсек, ол

m_n= 1,00867 м.а.б.=939,57 МэВ . (6)

протон массасына өте жақын. Нейтрон мен протонның массаларының айырымы m_n-m_p шамамен 2,5 m_e электронның массасына тең.

Нейтронның спині де протонның спиніндей ( S= ) және (электрлік заряды жоқ бейтарап бөлшек болғанымен) меншікті магниттік моменті бар

_n= - 1,91 _я (7)

(минус таңбасы меншікті механикалық және магниттік моменттерінің бағыттары қарама-қарсы екенін көрсетеді).

Еркіндік жағдайында (күйінде) нейтрон тұрақты емес (радиоактивті), ол өз бетімен ыдырап, электрон шығарып ( ) және протонға айналып, сонан соң тағы да антинейтрино ( ) деп аталатын бөлшек шығарады. Жартылай ыдырау периоды (яғни нейтрондардың бастапқы санының жартысының ыдырау уақыты) шамамен 12 минутқа тең. Ыдырау схемасын мына түрде жазуға болады:

(8)

Антинейтрино бөлшегінің массасы нөлге тең. Нейтронның массасы протонның массасынан 2,5 m_e -ге үлкен. Демек, (8) өрнектің оң жағында тұрған бөлшектердің массаларының қосындысынан нейтронның массасы 1,5 m_e -ге артық. Олай болса, нейтрон ыдырағанда бұл энергия түзілген бөлшектердің кинетикалық энергиясы түрінде бөлінеді.

Атом ядросының қасиеттері. Атом ядросының ең маңызды қасиеттерінің бірі – оның зарядтық саны Z. Ол заряд құрамына енетін протондардың санына және +Ze -ге тең ядро зарядын анықтайды. Z саны сонымен қатар Менделеев кестесінде орналасқан химиялық элементтердің реттік нөмірін көрсетеді. Сондықтан да оны ядроның атомдық нөмірі деп те айтады. Ядродағы нуклондар санын (яғни протондар мен нейтрондар сандарының қосындысын) А әрпімен белгілейді де, оны ядроның массалық саны деп атайды. Ядродағы нейтрондар саны N=A-Z –ке тең. Ядроның белгілеу үшін арнайы символ қолданылады: , мұндағы Х-химиялық элементтің символы. Жоғарыдағы сол жағындағы қойылған массалық сан, төменгі сол жағындағы – атомдық нөмір. Кейде былай да белгіленеді:

Z-терінің саны бірдей, бірақ А-лары әртүрлі болып келетін ядроларды изотоптар деп атайды. Химиялық элементтердің көпшілігінің тұрақты изотоптары болады. Мысалы, оттегінің , , , қалайының он тұрақты изотоптары бар. Сутегінің үш изотобы бар, олар:

- кәдімгі сутегі, немесе протий ( Z=1 , N=0 )

- ауыр сутегі, немесе дейтерий ( Z=1 , N=1 )

- тритий ( Z=1 , N=2 ).

Протий мен дейтерий тұрақты, ал тритий радиоактивті.

Массалық сандары А бірдей ядроларды изобаралар деп атайды. Мысал үшін мынаны келтіруге болады: және

Нейтрондар саны бірдей N=A-Z ядроларды изотондар деп атайды. Ең соңында, жартылай ыдырау периодында айырмашылықтары бар Z және А-сы бірдей болатын радиоактивті ядролар да болады, оларды изомерлер деп атайды. Мысалы, ядросының екі изомері бар, оның бірінің жартылай ыдырау периоды 18 минут, ал екіншісінікі – 44 сағатқа тең.

Табиғатта кездесетін 1500-дей ядроның бір-бірінен айырмашылықтары не Z-де, не А-да, немесе екеуінен де бірдей болады. Шамамен алғанда, ядролардың 1/5-і тұрақты, қалғандары радиоактивті болып келеді. Көптеген ядролар жасанды түрде ядролық реакциялар көмегімен алынады.

Табиғатта технецийден (Тс, Z=43) және прометийден (Pm, Z=61) басқа атомдық нөмірлері 1-ден басталып, 92-ге дейін жететін элементтер кездеседі. Плутонийді (Pu, Z=94) жасанды түрде алғаннан кейін, ол табиғатта смола минералында өте аз мөлшерде болатындығы анықталды. Қалған трансурандық (яғни ураннан кейінгі) элементтер (Z-тері 93-тен 107-ге дейін) жасанды түрде әр түрлі ядролық реакциялардың көмегімен алынған

Трансурандық элементтер кюрий (96 Си), эйнштейний (99 Es), фермий (100Fm) және менделеевий (101Md) элементтерінің аттары атақты ғалымдардың П. Және М. Кюрилердің, А. Эйнштейннің, Э. Фермидің, Д. И. Менделеевтің құрметтеріне байланысты аталған. Лоуренсий (103 Lw) элементі циклотронды ойлап тапқан ғалым Э. Лоуренстің құрметіне байланысты аталса, ал курчатовий (104 Ku) өзінің атын атақты кеңес физигі И. В. Курчатовтың құрметіне байланысты алған.

Кейбір трансурандық элементтер соның ішінде курчатовий де, сол сияқты 106 және 107 элементтер де Дубно қаласындағы Біріккен ядролық зерттеулер институтындағы ядролық реакциялар лабораториясында кеңес ғалымы Г. Н. Флеров және оның қызметкерлерінің жұмыстарының нәтижесінде алынған.

Ядроның өлшемі. Ядроның өлшемі ядроның радиусымен сипатталады. Ядроның шекарасы жуылған секілді болғандықтан оны жуықтап шар деп қарауға болады. Демек, сол шардың радиусын эмперикалық жолмен есептеуге болады, яғни

r= 1,3·10^-13А^1/3 см=1,3А^1/3 ферми (9)

(ферми – ядролық физикада қолданылатын ұзындықтың бірлігі, оның шамасы 10^-13см). (9) өрнегінен ядроның көлемі ядродағы нуклондарға пропорционал екендігі келіп шығады. Шын мәнінде ядроны, егер r радиусы бар сфера десек және сфера r₀ радиусы бар кішкене шарлар түріндегі А нуклондардан тұрса, онда ядроның көлемі үшін теңдеуін жазуға болады, мұндағы r₀ = 1,3·10^{-13 см}.

Ядроның тығыздығы өте үлкен шама, ол жуықтап алғанда 1,8·10¹⁷ кг/м³-ке тең және барлық ядролар үшін ол тұрақты. Мұндай тығыздығы бар заттар табиғатта кездеспейді.

Ядроның спині. Нуклондардың спиндері қосыла келіп ядроның қорытқы спинін береді. Нуклондардың спині 1/2-ге тең. Сондықтан нуклондар саны А тақ болғанда, ядро спинінің кванттық саны І бүтіннің жартысына, ал А жұп болғанда нөл не бүтін санға тең болады. Ядроның спиндері І бірнеше бірліктен аспайды. Бұл ядродағы нуклондардың көпшілігінің спиндері антипараллель болып, бірін-бірі теңгереді. Барлық жұп-жұп ядролардың (яғни жұп санды протоны бар және жұп санды нейтрондары бар ядролар) спиндері нөлге тең болады.

F кванттық санымен анықталатын ядроның механикалық моменті , атомның толық импульс моментіне және электрон қабықшасының моментіне қосындыланады.

Ядроның және электронның магниттік моменттерінің өзара әсерлесулері және (яғни F-тері түрліше) әр түрлі өзара бағытталған атомның күйіне сәйкес келгендіктен, сол атомның күйінің азғана айырмашылықтары бар энергиясы болады. Сонымен және моменттерінің өзара әсерлесулерінен спектрлердің жіңішке құрылымдарының пайда болуы түсіндіріледі. және -дің өзара әсерлерінен атом спектрлерінің асa жіңішке құрылымдары анықталады.

Спектр сызықтарының аса жіңішке құрылымдарға жіктелуіне (ангстремнің бірнеше жүзден бір бөлігіне сәйкес) байланысты оны бақылау өте жоғары ажыратқыштық күші бар құралдардың көмегімен жүргізіледі.