Атом ядросының моделі

Жоғарыда айтылғандай нейтрон ашылғаннан кейін, совет физигі Д.Д.Иваненконың ұсынған гипотезасы бойынша атом ядросы протон мен нейтроннан тұрады. Бірақ, бұл гипотезада ядродағы бөлшектердің орналасуы және оның қозғалысы жөнінде еш сөз болған жоқ.

Атом ядросының құрылымында атом құрылымымен салыстырғанда принциптік айырмашылық бар. Яғни, атом центрінде заряды оң кішкене көлемде ауыр (электрон массасынан көп үлкен) бөлшектер орналасқан, ол протон мен нейтроннан тұрады. Атом ядросында центрге тартқыш күш жоқ. Олай болса ядролық күш (бұрын айтылғандай) өте жақын аралыққа ғана әсер етеді, ондағы нуклондар тек өзінің жақын орналасқан бөлшектерімен әсерлеседі. Атом ядросы, атом сияқты планетарлық құрылымдық сипатқа ие бола алмайды. Яғни, ол өзінің құрылымы жағынан молекула құрылымына ұқсас. Молекула құрайтын бөлшектер массасы және күштері жақын келетін бөлшектермен өзара әсерлеседі, олай болса атом ядросын құратын нуклондарда жақын орналасқан бөлшектермен ғана әсерлесе алады. Принцип бойынша атом ядросы үшін молекула моделін қолдануға болады. Онда атом ішіндегі пайда болған электрондық қабатты атом ядросы үшін қолдануға келмейді.

Атом ядросының даму сатысына байланысты атом ядросы планетаралық моделден, молекулалық моделге жақын болғанымен, оған атом ішіндегі электрондық қабаттардың кейбір жағдайларын қолдануға келеді. Ядролық қабаттардағы толтыру құбылыстарында белгілі мерзімділік байқалатындығы анықталғанымен ядролық қабат идеясы, яғни нуклондардардың механикалық және магниттік моменттері болады, олар кванттық заңдылық бойынша қосылады. Атом ядросы қозған күйде бола алады, одан ауысқанда γ-сәулесін шығарады. Атом ядросындағы нуклондар күйін, бас кванттық сан арқылы анықтауға болады.

Олай болса нуклонның орбита бойындағы қозғалысын анықтайтын орбиталдық кванттық санды (l), бас кванттық сан ( n) арқылы алмастырайық. Онда атом ядросының ішіндегі нуклондар, атомның қабатындағы электрондар сияқты күйде болады. Егер кванттық сан жиынтығын n_e, l_e, j_e, m_e бас кванттық сан, орбиталдық, толық және магниттік кванттық сан түрінде сипаттасақ, онда нуклондарды n_k, l_k, j_k, m_k кванттық сандармен өрнектеуге болады.

Олай болса, атомның электрондық қабатын N_n= 2n² бас кванттық сан арқылы анықтасақ, қабықшаны N_l=Σ2(2l+1) орбиталдық кванттық сан арқылы анықтаймыз, ал атом ядросындағы нуклондар бас кванттық және орбиталдық кванттық сандар арқылы топқа бөлінеді. Сонымен қатар, электрондық қабат ұқсастығы, атом ядросының ішіндегі (протондар мен нейтрондар) бөлшектер саны бойынша топ- қабатын түзетіндігін күтуге болады:

N₁=2,1s қабықшада

т.б.

Олай болса әрбір атом ядросындағы толтырылған қабаттар мынадай: 2 (1s қабықшада); 8 (2s, 2р қабықшада); 18 (3s, 3р, 3d қабықшада); 32 (4s, 4р, 4d, 4f қабықшада); 50 (5s, 5р, 5d, 5f, 5g қабықшада); 72 (6s, 6р, 6d, 5f, 6g, 6h қабықшада); 98 (7s, 7p, 7d, 7f, 7g, 7h, 7k- қабықшада) болу керек.

Шын мәнінде атом ядросындағы қабықшада орналасқан нуклондар саны: 2, 8, 14, 20, 28, 50, 82, 126, 152 болады. Бұл сандар аздап 2n² заңдылығынан ауытқиды. Мұндай аздаған ауытқулар электрондық қабаттада кездеседі, оны Паули сұлбасы бойынша қосымша электрондардың өзара әсерлесуінен деп түсіндіреді. Бұл атом ядросында да орын алады. Ядролық қабат идеясын алғаш 1932ж. Совет физигі Д. Д. Иваненко ұсынады да, артынша протон мен нейтроннан тұратын атом ядросының моделін тұжырымдады. Д. Д. Иваненкодан басқа ядролық физиканың бұл саласында үлкен еңбек қосқан ғалымдар (КСРО-да): А. П. Знайко, М. А. Левитская, А. А. Соколов және т.б.

Қазіргі кезде атом ядросының моделі ядролық қабат жүйесінде толық түсіндірілмейді, оны ғалымдар мойындайды.

Протондар қабаты немесе нейтрондар қабаты жоғары да айтылған киелі сандарға тең болса, ондай атом ядросы өте орнықты болады. Егер, нейтрондар санымен протондар саны киелі санға сәйкес келсе, ондай атом ядросы ерекше орнықты болып саналады. Бұл тек мынадай санға(₂Не⁴-екі нейтрон және екі протон); (₈О¹⁶- сегіз протон және сегіз нейтрон); (₂₀Са⁴⁰ - жиырма протон және жиырма нейтрон). Ал, елу (50) санына сәйкес келетін нейтрондармен протондар жоқ, онда нейтрон саны протон санынан басым болады. Сондықтан ядроның толтырылған нуклондары протоны Z=50; Z=82; N>50 және N>82, (нейтрондары) немесе N= 50; N= 82; N= 126 және Z<50; Z<82; Z<126 болуы мүмкін. Осындай изотоптарға қалайы және қорғасын сонымен қатар, стронций (₃₈S_r⁸⁸), иттрий (₃₉Y⁸⁹), цинк (₄₀Zn⁹⁰), молибден (₄₂Мо⁹²), барий (₅₆Ва¹³⁸), церий (₅₈Се¹⁴⁰), лантан (₅₇La¹³⁹), празеодим (₅₉Pr¹⁴¹), неодим (₆₀Nd¹⁴²), қорғасын (₈₂Pd²⁰⁸), висмут (₈₃Вi²⁰⁹) сәйкес келеді.

Атом ядросының қабықша моделі, атом ядросының механикалық және магниттік моменттерін түсіндіруге мүмкіндік береді. Соның негізінде атом ядросындағы зарядтардың таралу заңдылығын түсіндіру мүмкіндігін, атом ядросының әртүрлі орнықтылығын, атом ядросының сфералық симметриядан ауытқуын және көптеген басқа да ядролық құбылыстарды түсіндіреді. Әсіресе массалық санының өсуіне байланысты атом ядросының құбылыстарының өзгеру мерзімділігі электрондық қабаттың қасиеттерін табуы өте ерекше болып табылады. Егер, атом ядросындағы нуклондардың таралуы бірқалыпты болса, яғни сфералық еркін сұйық тамшысы тәрізді деп қарастырсақ, онда ядроның беттік керілу күші сұйықтың беттік керілу күшінен миллион есе үлкен болады. Заттың атом ядросының тығыздығы (ρ_я), атом ядросының радиусы (r) болса, онда атом ядросының массасы:

(5.4.1)

Егер бір нуклонға келетін орташа массаны - m₁десек, онда

m_я=Am₁

онда атом ядросының радиусы:

(5.4.2)

Сонымен атом ядросының радиусы, атом ядросындағы бөлшектер санының куб түбіріне пропорционал. N=1.

(5.4.3)

сонда:

Осы модель арқылы анықталған зат ядросының тығыздығы бұл үлкен шама.