Ядроның байланыс энергиясы және потенциалдық энергиясы.
Байланыс энергиясы — байланысқан жүйені (мысалы, атом, молекула, атом ядросы, т.б.), оны құрайтын бөлшектерге (құраушыларға) жіктеуге және оларды бір-бірінен арасында өзара әсер болмайтындай қашықтыққа алыстату үшін жұмсалатын энергия; біртұтас жүйе болып байланысқан бөлшектер жиынтығының сипаттамасы.Байланыс энергиясы — теріс таңбалы шама. Өйткені байланысқан жүйенің түзілуі кезінде энергия бөлініп шығады. Байланыс энергиясының абсолют шамасы жүйе байланысының беріктілігін және жүйенің орнықтылығын сипаттайды. Басқаша айтқанда, Байланыс энергиясы артқан сайын жүйе берік болады, яғни жүйені оны құрайтын бөлшектерге жіктеу үшін жұмсалатын энергия да көп болады. Мысалы, молекулалардың химикалық Байланыс энергиясы бірнеше эВ болса, ядролық Байланыс энергиясы миллиондаған эВ-қа дейін жетеді. Сондықтан атом ядросы өте берік жүйе болып есептеледі. Атом ядросының Байланыс энергиясы ядродағы нуклондардың күшті өзара әсеріне байланысты анықталады. Ядроның Байланыс энергиясы: толық, меншікті және жеке бөлшектіктің Байланыс энергиясы болып ажыратылады. Толық Байланыс энергиясы — ядроны жеке нуклондарға ыдырату үшін жұмсалатын энергияға немесе жеке нуклондардан ядро құралғанда бөлініп шығатын энергияға тең. Меншікті Байланыс энергиясының шамасы өте жеңіл және аса ауыр ядролардан басқалары үшін тұрақты шама (жуық шамамен 8,6 МэВ) болады. Меншікті Байланыс энергиясы ауыр ядролар үшін біртіндеп кеми келе уран ядросында (238U) 7,5 МэВ-қа жуықтайды. Бұл байланыстың сипатынан энергия алу үшін, ауыр ядролардың бөлінуі және жеңіл ядролардың бірігуі тиімді екендігі көрінеді. Ауыр ядроларды бөлу арқылы энергия алу ядролық реакторда жүзеге асырылады. Ал жеңіл ядролардың бірігуі кезіндегі энергияның бөлініп шығу процесі термоядролық реакцияда байқалады. Ядро құрамындағы жеке бөлшектің (протон, нейтрон, α-бөлшек т.б.). Байланыс энергиясы деп сол жеке бөлшекті ядродан бөліп алуға қажетті энергия мөлшерін айтады. Атом ядросын түгелімен жеке нуклондарға ыдырату үшін қажетті минимал энергияны ядроның байланыс энергиясы деп атайды. Ядролық тарту күшінің жұмысы есебінен нуклондардан атом ядросы түзілгенде пайда болатын массалар айырымын массалар ақауы деп атайды. Массалар ақауын есептеу формуласын жазайық:
Енді ядроның байланыс энергиясын есептеп шығаруға болады:
Ядролық физикада массаның атомдық бірлігі (1 м.а.б.), ал энергия үшін мегаэлектронвольт (МэВ) қолданылатынын ескеріп, (8.8) формуланы осы бірліктер үшін бейімдеп жазайық:
Сонымен, дербес нуклондардан ядро түзілгенде ядроның Еб байланыс энергиясына тең энергия бөлініп шығады. Энергияның бөлініп шығуы ядро массасының массалар ақауы деп аталатын шамаға кемуіне әкеледі: Ядроның байланыс энергиясы ядроның тұрақтылығын сипаттайтын аса маңызды шама болып есептеледі. Сонымен қатар, ядролық физикада меншікті байланыс энергиясы деген ұғым қолданылады. Меншікті байланыс энергиясы деп ядроның байланыс энергиясының А массалық санға қатынасын, яғни бір нуклонға сәйкес келетін байланыс энергиясын айтады:
Нуклондардың меншікті байланыс энергиясы түрлі атом ядроларында бірдей емес. Ядродағы нуклондардың меншікті байланыс энергиясының массалық А санға тәуелділігі 8.5-суретте көрсетілген. Массалық А санының артуына байланысты меншікті байланыс энергиясы 21 H дейтерийдің ядросында 1,1 МэВ/нуклон мәнінен темірдің 5626Fe изотопы үшін 8,8 МэВ/нуклон мәніне дейін арта бастайды. Меншікті байланыс энергиясы максимал болатын элементтердің ядролары ең тұрақты ядролар болып келеді. Енді массалық сан А артқанымен меншікті байланыс энергиясы кеми береді, мысалы, уранның 23892 Uизотопында Ем.б = 7,6 МэВ/нуклон.Протондар санының артуына байланысты ауыр элементтердің ядроларындағы нуклондардың меншікті байланыс энергиясы кемиді. Соның әсерінен олардың арасында кулондық тебілу күштерінің шамасы өседі. Ядродағы нуклондардың меншікті байланыс энергиясы атомдағы электрондардың байланыс энергиясынан жүз мыңдаған есе артық екенін айта кеткеніміз жөн болар. Жеңіл элементтердің меншікті байланыс энергиясының кемуі беттік құбылыстармен байланысты. Ядроның бетіне жақын орналасқан нуклондардың ядроның ішіндегі нуклондарға қарағанда өзара әрекеттесетін көршілерінің саны азырақ болады. Өйткені ядролық күштер қысқа қашықтықта ғана әрекет етеді. 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. Протондар санының өсуі кулондық тебілу күшінің артуына әкеледі, нәтижесінде ауыр элементтер (Z>82) ядроларының меншікті байланыс энергиясы кемиді. Олай болса, ауыр элементтер ядросы тұрақсыздау болып келеді. Кулондық күштер ядроны ыдыратуға тырысады. 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: 42He,168O,4020Cr,20882Pb.
Киелі ядролардың тұрақты болып келуін ядроның кабықтық моделі негізінде түсіндіруге болады.
Массалар дефектісі.
Массалаар дефектісі-массалар ақауы. Масс-спектрограф көмегімен жүргізілген өте дәл өлшеулер кез келген химиялық элементтің тыныштықтағы атомы ядросының массасы оны құрайтын дербес протондар мен нейтрондар массаларының қосындысынан кіші екенін көрсетті:
Сонда массалардың айырымы қайда кетті? Оның жауабын масса мен энергияның өзара байланысын тағайындаған Эйнштейннің формуласы негізінде түсінуге болады. Атом ядросынан бір нуклонды бөліп алу үшін, оны ұстап тұрған ядролық күшке қарсы жұмыс атқарылуы, яғни ядроға белгілі мөлшерде энергия берілуі қажет. Атом ядросын түгелімен жеке нуклондарға ыдырату үшін қажетті минимал энергияны ядроның байланыс энергиясы деп атайды. Энергияның сақталу заңы бойынша дәл осындай энергия дербес протондар мен нейтрондар ядроға біріккенде бөлініп шығады. Ядролық тарту күшінің жұмысы есебінен нуклондардан атом ядросы түзілгенде пайда болатын массалар айырымын массалар ақауы немесе массалар дефектісі деп атайды. Масса дефектісі — атом ядросын құраушы нуклондар (нейтрондар мен протондар) массаларының қосындысы мен ядро массасының (М) арасындағы айырым. Массалар дефектісі байланыс энергиясының өлщемі болып саналады. Массалар ақауын есептеу формуласын жазайық: Мұндағы Z — ядродағы протондардың саны, , Мр мен Мn — протон мен нейтронның массалары.
Енді ядроның байланыс энергиясын есептеп шығаруға болады:
Ядролық физикада массаның атомдық бірлігі (1 м.а.б.), ал энергия үшін мегаэлектронвольт (МэВ) қолданылатынын ескеріп, (8.8) формуланы осы бірліктер үшін бейімдеп жазайық:
Сонымен, дербес нуклондардан ядро түзілгенде ядроның Еб байланыс энергиясына тең энергия бөлініп шығады. Энергияның бөлініп шығуы ядро массасының массалар ақауы деп аталатын шамаға кемуіне әкеледі:
Масса ақауы массаның атомдық бірлігімен өрнектеледі және ол ядродағы нуклондардың байланыс энергиясына тең (кері таңбамен алынған). Масса ақауы неғұрлым үлкен болса, солғұрлым байланыс энергиясы жоғары және ядро орнықты болады.
Ядролық күштер
Ядронын ішіндегі нуклондардың бірімен-бірін байланыстырып, ұстап тұратын күштерді ядролық күштер деп атайды. Оның бірнеше қасиеті бар:
1. Ядролық күштер өте кішкене қашықтықта əсер етеді, оның əсер ету радиусы r=2.2*10-15м.
2. Ол күштер тартылыс күштеріне жатады.
3. Ядролық күштер нуклондардың зарядтарына байланысты болмайды, яғни екі протонның, екі нейтронның жəне нейтрон мен протонның тартылу күштері бірдей болады. Бұл қасиет ядролық күштердің табиғатының электромагнит табиғатынан басқа екенін аңғартады.
4. Бұл күштер қанығу қасиетіне ие болады. Бір нуклон тек белгілі нуклондармен ғана əсерлеседі. Ол нуклонның барлық нуклондарымен əсерлесуі міндетті емес
5.Ядролық күштер гравитациялық жəне кулон күштері сияқтыбөлшектердің ара қашықтығына байланысты болмайды.
6. Нуклондар əсерлескенде біріне-бірі қарапайым бөлшек (мезон) беріп отырады.
7. Ядролық күштер өте қуатты күштердің қатарына жатады.
8. Ядролық күштер спиннің бағытына байланысты болады.
Ядролық күштердің басқа күштерден (мысалы, гравитациялық және электр-магниттік күштер) өзгеше қасиеттері бар. Оларды қысқаша айтсақ төмендегідей:
1) ядродағы нуклондар арасында әсер ететін күштің шамасы атомның электрондық қабықтарында әсер ететін күштің шамасынан әлдеқайда артық. Сондықтан да нуклонды атом ядросынан сыртқа қарай бөлініп шығару үшін млн-даған эВ-қа тең энергия жұмсалуы керек.
2) Ядролық күштер электр-магниттік және гравитациялық күштерге қарағанда өте қысқа қашықтыққа әсер ететін күш болып есептеледі. Егер екі нуклонның арасындағы қашықтық 10–13 см-ден асса, онда ядролық күштердің шамасы нөлге дейін кемиді. Нуклондар арасындағы қашықтық артқан жағдайда, Ядролық күштердің шамасы кеми бастайды. Ядролық күштердің кенет кеми бастайтын қашықтығын ядролық күштердің әсер ету радиусы (r0~2–3 10–13 см) деп атайды.
3) Ядродағы нуклондар өзіне жақын орналасқан нуклондармен ғана әсерлеседі. Ядролық заттың тығыздығы әр түрлі ядрода да шамамен бірдей.
4) Нуклондар арасындағы өзара әсер күші қашықтыққа ғана байланысты емес, сонымен бірге нуклондар спиндерінің бағдарлануына да байланысты.
5) Ядролық күштердің шамасы өзара әсерлесетін нуклондардың электр зарядына тәуелді емес. Ядролық күштердің дәйекті теориясы әзірше жасалып біткен жоқ. Алайда тәжірибелер ядродағы нуклондардың өзара әсерлері пиондар алмасу арқылы жүзеге асатынын дәлелдейді