Атом, атом ядросы және қарапайым бөлшектердің даму тарихы

Кіріспе

Жоғары оқу орнында оқылатын жалпы физика курсының «Атом, атом ядросы, қатты дене және қарапайым бөлшектер» физикасының негізгі мақсаты-білімгерлерді белгілі заңдылықтарды практикалық қолдануға, талдауға, табиғатта кездесетін олардың қарама-қайшылықтарын ажырата білуге, олардың қолдану аясын болжай алуға, денелерде өтетін физикалық процестері кезіндегі түрленулерді және олардың қатысуымен өтетін құбылыстарды нақты анықтауға үйретіп, түсіндіру.

Атом, атом ядросы, қатты дене және қарапайым бөлшектердегі көптеген тәжірибелерден алынатын ядролық реакциялар нәтижесінде бір химиялық элементтің ядросы басқа химиялық элемент ядросына айналатыны және басқа да бөлшектердің бөлініп шығатынын анықтайды.

Атом туралы ілім ерте заманнан-ақ басталған болатын. Гректің атақты философтары Левкипп (б.д.д. 500 жыл бұрын), Анаксагер (б.д.д. 500-428жж.), Эмпедокл (б.д.д. 492-432 жж.), Демокрит (б.д.д. 460-370 жж.), Эпикур (б.д.д. 341-270 жж.) дененің атомдық құрылысын дамытты.

Әсіресе, бұл салада Демокриттің қосқан үлесі өте зор, яғни ол әлем бос кеңістіктен және шексіз көптеген бөлінбейтін бөлшектерден, материядан, атомнан тұрады деген ойға келді. Демокриттің айтуы бойынша атомнан тұратын барлық дененің бір-бірінен өзгешелігі олардың формасы мен таралу және орналасуында. Дене атомдардың өзара қосылу немесе ыдырау нәтижесінде байқалады. Олар сырттан тосын табиғи күштер әсер етпей-ақ, атомдардың өз ішіндегі күштер нәтижесінде де қозғала алады. Демокриттің атом туралы көзқарасы - материалистік болып табылады. Бірақ, оның көзқарасында да елеулі кемшіліктер кездеседі, ол - бос кеңістіктің болатындығы туралы. Бұл пікірді ертедегі гректің ұлы ойшыл ғалымы Аристотель (б.д.д. 384 - 322 жж.) қуаттамады. Ол материя үздіксіз болса, онда бос кеңістіктің болатындығына қарсы болды, сонымен қатар бөлінбейтін атомдардың болуын да теріске шығарды.

Сонымен, ерте ғасырдың өзінде-ақ материя туралы екі түрлі көзқарастар пайда болды: бірі материяның үздіксіздігі (бөлінбейтіндігі), ал екіншісі материяның бөлінетіндігі. Ғалымдар арасындағы бұл қарама-қарсы пікірлер (ойлар) көптеген ғасырға созылды. Осылайша, көптеген жылдар өткеннен кейін ғылымдағы теріс пікірлерден кейін, физика ғылымы қайта дами бастады. Физика көптеген қиындықтарды өткеріп, диалектиканың табиғи түсінігінің негізіне сүйене отырып, осы қиындықтарды жеңді. Олай болса, материя үздіксіз (тұтас) және бөлінетін (атомдар) болып келеді.

Көп жылдардан кейін атомистикалық көзқарасты ойшыл Лукреций Кар (б.д.д. 95-55 жж.) біршама дамытты. Ол, атом - материяның өте ұсақ бөлшегі екендігі туралы ой тастады. Осыдан кейін барып, атом туралы ғылыми көзқарастар көптеген ғасырларға дейін тоқтап қалды.

Орта ғасырдағы ойшылдар мен ғалымдарда атомистикалық даму болмады, оған діни көзқарастың дамуы кедергі болды. Сонымен қатар, сол кездерде: алхимия, астрология, магия сияқты т.б. жалған ғылымдар үстемдік жасап, оның дамуына жол бермеді.

ХVII-XVIII ғасырларда ғана атомистика басқа ғылымдар сияқты біршама ғылыми жетістіктерге жете бастады. Өйткені сол аралықтарда экономика, техника және ғылымның басқа салаларының күрт даму процестерінің жалпы қозғалыстары пайда болды. Бірақ, бұл аралықта атомистикадағы жаңалықтар тәжірибе жүзінде (эксперимент бойынша) қарастырылмады. Сол кездегі Галилей, Декарт сияқты атақты ғалымдар да, атомистердің саясатын жақтамады. Бірақ, Декарттың еңбектері, ғылыми көзқарастары, материяның шексіздігі, оның ұсақ бөлшектерден тұратындығы жағына келгенде, ойлары атомистіктерге қарағанда басым екендігін аңғартады. Декарт бос кеңістіктің болатындығына келіспеді. Ал, Декарттың осы көзқарасына Ньютон келіспеді. Солай бола тұра Ньютонның механикадағы «бүкіл әлемдік тартылыс заңы» атомистиканың дамуына әсерін тигізді. Оның көзқарасы бойынша, денелер арасындағы тартылыс күші бос аралық арқылы әсер етуі мүмкін деген ойға келді.

Атом туралы ғылымның дамуына ағылшын химигі Р. Бойлю (1627-1691 жж.), ағылшын физигі Р. Гук (1635-1703 жж.) және голландық физик Х. Гюйгенс (1629-1695 жж.) еңбектерінің үлкен әсері тиді.

Орыстың ұлы ғалымы М. В. Ломоносовтың (1711-1765 жж.) материя құрылысының атомистикасына қосқан еңбегі өте зор. Ол өзінің «О составляющих телах природы нечувствительных физических частичках, в которых находится достаточное основание частичных веществ» және «Элементы математической химий» деген еңбектерінде химиялық элементтердің құрамын жіктеу нәтижесінде, қарапайым және күрделі денелердің бөлшектері арасындағы өзгешеліктерді анықтады. Сонымен қатар, молекуланың өзі өте күрделі бөлшектерден, яғни атомдардан тұратындығын талдап түсіндірді.

Он тогызыншы жүз жылдықта атомистика ғылымы интенсивті (қауырт) дамыды. Англияның химигі Д. Дальтонның ғылыми еңбектерінің арқасында атомистикалық ғылым үлкен жетістіктерге жетті. Оның көзқарасы бойынша, атом - бөлінбейтін бөлшек. Ал, ағылшын ғалымы Проуттың көзқарасы оған қарама-қарсы болды. Ол атом құрылымы өте күрделі, оның өзі басқа бөлшектерден тұрады деген қорытындыға келді.

Осы кезеңде орыстың ұлы ғалымы Д. И. Менделеевтің (1834-1907 жж.), зерттеулері нәтижесінде атом туралы өте үлкен жаңалықтар ашылып, атомистикалық ғылым саласы толықтырылды. Ол химиялық элементтерді аралық жүйеде орналастыру заңдылығын ашты.

Атомистикалық ілімнің үлкен жетістіктерінің бірі - атомның электрлік құрылымы. Атомның электрлік құрылымы, корпускулалық теорияларға негізделген. Осыған негізделіп заттың электрлік теориясы дамыды. Англияның көрнекті ғалымы М. Фарадей (1781-1867 жж.) сұйық арқылы электр тогының өтуін зерттей келіп, сол сұйықтан өткен электр мөлшеріне, электродтан бөлінген зат мөлшері тығыз байланысты екендігін анықтады. Неміс физигі Г. Гельмгольц (1821-1894 жж.) осы нәтижелерді талдау арқылы мынадай қорытындыға келді: егер электролит ерітіндісі арқылы электр тогы өтетін болса, онда ол арқылы тасымалданатын бір валентті зат атомының электр заряды бір қалыпта болып қалады, ал атом екі валентті немесе үш валентті болса, онда тасымалданатын электр зарядының мөлшері екі-үш есе артады. Мұндай зарядталған атомдар (немесе атомдар тобы) жаңа термин бойынша иондар деп аталады. Осыған байланысты Гельмгольц электр зарядыныңда атомдық құрылымы болады деген қорытындыға келді. Яғни теріс таңбалы бөлшегін - электрон деп атады, ол атоммен еркін түрде байланыста болады, ал оң таңбалы бөлігінің атоммен байланысы еркін түрде байқалмайды.

Электронның тәжірибе жүзінде дәлелденуінен электрондық теория негізі құрылды. Ағылшынның физигі Д. Д. Томсон электрон массасын, ал Милликен оның зарядын анықтады. Электрондық теорияның одан әрі дамуы өте тиімді болды. Одан әрі атомның молекулалық құрылымының электрондық теориясы жасалды.

Д. Д. Томсон атом құрылымының моделін ұсынды. Оның ұсынысы бойынша атом оң зарядты біртұтас шар, оның ішкі жағында теріс зарядты электрон орналасқан. Электрон - оң зарядты шармен электр күші арқылы байланысып тұрады деп түсіндірді. Шын мәнінде бұл модель тәжірибе жүзінде зерттелмеген еді. Томсон электронның тыныштық массасын ғана анықтады. Негізінде, электрон массасы қозғалыс жылдамдығына байланысты өзгереді.

1886 жылы француз физигі Анри Беккерель (1852-1905 жж.) радиоактивтік құбылысты ашты, бірақ ол көп жылдар түсінігін таппады. Алғаш бұл еш мәні жоқ құбылыс сияқты болып көрінді, ал шын мәнінде ол атом ғасырының жаңа дәуірлеу кезеңі екенін ешкім байқамады. Ғалымдар радиоактивтілікті зерттей келіп, атом қыртысының терең қабаттарына дейін өте алды. Осы құбылысты француз физигі П. Кюри (1859-1906 жж.) және Мария Складовская-Кюри (1867-1934 жж.) сонымен қатар көрнекті ағылшынғалымы Э. Резерфорд (1871-1937 жж.) сияқты ғалымдар зерттей келіп, радиоактивтіліктің себептерін және оның негізгі қасиеттерін анықтады. Сонымен қатар, көптеген ауыр химиялық элементтердің (уран, радий, радон, торий және т. б.) көзге көрінбей ұдайы альфа, бета және гамма сәулелерін шығарып тұратындығын анықтады. Альфа, бета және гамма сәулелерінінің ашылуы, атомды зерттеуші ғалымдарға күшті құрал болды. Резерфорд әртүрлі химиялық элементтердің атомдарын жылдам альфа бөлшегімен атқылау нәтижесінде мынадай қорытындыларға келді: біріншіден, атомдардың барлық оң зарядтарын иемделетін бөлігі кішкене көлемге шоғырланады, оның диаметрі см. Екіншіден, оң зарядталған атом бөлігінің массасы, сол атом массасына шамалас болатындығын дәлелдеді. Атомның осы бөлігі, атом өлшемінен жүздеген мың есе аз болады. Резерфорд атомның осы оң зарядты бөлігін - атом ядросы деп атады. Осының негізінде 1911 жылы атомның ядролық (планетарлық) моделін Э. Резерфорд ұсынған болатын, яғни ядролық модель-альфа бөлшектердің металл қабыршықтарында шашырайтындықтарын жақсы түсіндіреді. Сондықтан да ядролық физика осы Резерфорд моделінен басталады деп есептеуге болады. Ядролық модель Күн жүйесіне ұқсас. Күн жүйесінде планеталарға күннің тарту күші (гравитациялық) әсер етеді, ал ядро нуклондарының арасында, кулондық немесе гравитациялық күштерден басқа ерекше белгілі қашықтыққа(2·10^{-15 м) дейін әсер ететін ядролық күш болатынын түсіндіреді.}

Резерфорд альфа бөлшектермен жасаған тәжірибелерін жалғастыра отырып, азот ядросынан және басқа да заттардан ыдырау кезінде, одан оң зарядты, массасы сутек атом ядросына тең бөлшек ұшып шығатынын анықтап, бұл сутек атом ядросына тең «протон» деп атады. Осы протонның ашылуы атом ядросының протон-электорндық моделін ұсынуға мүмкіндік берді.

Боте мен Беккер кейбір жеңіл элементтерді (α) альфа бөлшектермен атқылағанда протонның орнына заттарда нашар жұтылатын бөлшектер ұшып шығатынын байқады. Ерлі зайыпты Кюрилер бұл бөлшектің жеңіл ядромен әсерлесу кезінде ядролардан тебілетінін анықтады. Импульс пен энергияның сақталу заңдарына сүйеніп зерттеу нәтижесінде Чедвик осы бөлшектің массасы протон массасына жуық екенін анықтады. Бұл бөлшек затта нашар жұтылу үшін электрбейтарап болу керек. Осы массасы протон массасына жуық электрбейтарап бөлшек «нейтрон» (оның өмір сүру уақытты τ≈16 мин.) деп аталды. Олай болса атом ядросы ұсақ бөлшектерге (протон мен нейтронға) жіктеледі. Осыдан кейін ядроның протон нейтрондық моделін Д. Д. Иваненко мен В. Гейзенберг ұсынды. Атомның бұл моделі Томсон моделін алмастырды.

Э. Резерфорд 1919 жылы жылдам альфа бөлшегімен азот атомын атқылау нәтижесінде, азот атомынан сутек атом ядросы – протон бөлініп шығатынын байқады. Бұл, атом ядросын зерттеудегі үлкен жетістік болып саналады. Осындай түрлену ядролық реакция деп аталды.

1919 жылы ағылшын физигі Астон изотопты ашты. Изотоп дегеніміз - бір химиялық элементтің массалық саны (А) әртүрлі, ал реттік саны (Z) бірдей болып келетін атом.

Француз физиктері И. Кюри, Жолио-Кюри және ағылшын физигі Чадвик жаңа қарапайым бөлшек - нейтронды ашты.

Бұл бөлшектің массасы протон массасымен шамалас, бірақ заряды жоқ (нейтраль) бөлшек.

Жолио-Кюри (1934 ж.) жеңіл ядроларды альфа бөлшектермен атқылау кезінде жасанды радиоактивтілік (позитрон) пайда болатынын ашық зертхана жағдайында бақылады.

Дирак (1928 ж.) электрон үшін релятивистік кванттық механикалық теңдеуді зерттеу кезінде зарядтан басқа қасиеттері бірдей, электр заряды оң бөлшек “позитрон” болу керек деген тұжырым жасады. Паули бета ыдыраудың тұтас спектрін түсіндіру кезінде, тағы бір қарапайым бөлшектің болуы жайлы болжам жасады. Бұл бөлшек электроннан көп жеңіл және электрбейтарап“нейтрино” болу керек деп атады.

Альварец(1938ж.)радиоактивтіліктің ерекше түрі электронды қармауды бақылады. Осы қармау кезінде ядро өзінің электрондық қабатынан (К-қабаттан) бір электронды жұтады да, қармау кезінде бета ыдыраудағыдай “нейтрино” бөліп шығарады.

Атомның жаңа моделін жасау және оның дамуын зерттеу, атомның жарық шығару мен жарық жұту процесіне тығыз байланысты. Жиырмасыншы ғасырдың басында осы нәтижелерге байланысты жарықтың кванттық табиғаты ашылды. Содан барып зат құрылысының молекулалық, атомдық және басқа бөлшектерінің кванттық қасиеттері анықталды.Кванттық теория нәтижесінде жарық табиғатының екі жақтылығы-корпускулалық және толқындық қасиеттері болатындығы анықталды. Осындай екі жақтылық тек атомдар мен молекулаларда ғана емес, заттың басқа бөлшектерінде де (электрондарда да) кездеседі.

Француз физигі Луи де Бройль (1924 ж.) әрбір қозғалған бөлшек толқын түрінде таралатындығын түсіндірді. Американ физиктері Девиссон және Джермер (1927 ж.) электронның дифракциясын эксперимент бойынша анықтап, бұл бөлшектің толқындық қасиеті болатындығын дәлелдеді. Олай болса қазіргі кездегі атомдық ядролық физиканың интенсивті дамуы ғылымның, техниканың және энергетиканың даму жетістіктерінің нәтижесі болып табылады. Егер атомдық, ядролық физика зат құрылысын оқып үйренудің негізі деп қарастырсақ артық болмайды. Олай болса кванттық физика қазіргі кездегі ғылымға үстем ететін физиканың жаңа бөлігі деп айтуға болады.

Осындай жаңалықтардың ашылу нәтижесінде атом ішіндегі процестердің жаңа кванттық теориясы жасалды.Оны атақты ірі ғалымдар: Бор, Гейзенберг, Шредингер, Дирак және басқа ғалымдардың еңбектерінен көре аламыз. Қорыта келгенде кванттық физика негізінен: фотоэффект, жылулық жарық шығару, атом, атом ядросының құрылымы, қарапайым бөлшектер, ғарыштық сәулелер және қатты денелер физикасы сияқты негізгі тарауларды қарастырады.

Жапон физигі Юкава 1935-1938 жылдар аралығында ядролық бөлшектер: протон мен нейтронның негізінде ядролық күштердің мезондық теориясын жасады. Осы протон мен нейтрон арасында қозғалыстағы жаңа қарапайым бөлшек болатындығы, оған жауапты бөлшектің массасы электрон массасынан 200-300 есе артық болатынын ( ұсынды. Осылайша, 1947 жылы ғарыш сәулесінің құрамында -мезон мен -мезон болатыны анықталды.

Американдық физик Андерсон ғарыштық сәулелерді тәжірибе жүзінде зерттеу нәтижесінде 1937 жылы мезонды ашты. Олай болса, Юкава гипотезасы тәжірибе жүзінде дәлелденді. Бұған дейін 1933 жылы Андерсон позитронды (оң зарядты электрон) ашқан болатын.

1939 жылы атом ядросының энергиясын пайдалану идеясының алға қойылуы үлкен жаңалық болды.

Неміс физхимигі Ган мен Штрассман уран ядросы жылулық нейтронмен соқтығысқанда шамамен бірдей екі жарықшаға бөлінетінін анықтады. Бұл реакция кезінде өте жоғарғы энергия (200 МэВ) бөлінеді және атом ядросынан бірнеше жаңа нейтрондар бөлінеді де, олар басқа ядроларға соқтығысып жаңа реакция тудырады, мұндай реакция тізбекті реакция деп аталады. Осы тізбекті реакция реттеліп отырмаса, онда қопарылыс болады - ол атомдық қопарылыс деп аталады. Мұндай реакция атом бомбасында орындалады. Реакцияны реттеп белгілі мөлшерде ұстаса, онда ол реттелген тізбекті реакция деп аталады. Бұл реакция бейбітшілік мақсатында (АЭС т.б.) қолданылады.

Кеңес Одағы, әлемде бірінші болып (1954ж.), атомдық электр станциясын орнатты. Осы ядролық энергияның дамуына И. В Курчатовтың еңбегі зор.

Зарядталған бөлшектерді үдету, атом ядросын және қарапайым бөлшектерді зерттеуде, өте үлкен рөл атқарады. Осы мақсатта көптеген мөлшердегі үдеткіш құралдары жасалды. 1942 жылы дүниежүзінде бірінші ядролық реактор Э. Фермидің басқаруымен Чикаго қаласында іске қосылды. Евразияда бірінші реактор 1946 жылы Мәскеуде іске қосылды.

1932 жылы Кокфорт пен Уолтон бірінші протондық үдеткішті құрып, оның көмегімен литий ядролары үдетілген бөлшектер әсерінен ыдырайтынын бақылады. Осыдан бастап физиктер ядроны түрлендірудің қуатты құралын тапты. Қазіргі кезде үдеткіштер тек протон мен электронды ғана емес, кез келген элемент ядросын үдете алатын мүмкіндігі бар. Үдетілген бөлшек энергиясы бірнеше ТЭВ-қа (тераэлектронвольтқа) дейін жетеді.

1950 жылдары бөлшектерді тіркеудің жаңа әдістері (қалың қабатты фотоэмульсия және көпіршіктік камера) табылып, оларды үдету әдістері жетілдірілді. Осылардың нәтижесінде 1960-1990 жылдар арасында көптеген жаңалықтар ашылды. Оған қарапайым бөлшектердің әлсіз әсерлесу барысында жұптылықтың сақталмайтындығы, адрондардың кварктық құрылымы, әлсіз әсерлесу кванттары және т.б. ашылды. Сонымен қатар, күшті әсерлесу теориясы ашылды.

1944 жылы бір мезгілде В. И. Векслер (КСРО) және Мак Миллан (АҚШ) жаңа әдіспен зарядталған бөлшектерді үдететін құралды ұсынды. Осындай жаңа типті үдеткіш - синхротрон деп аталды. Зарядталған бөлшектерді синхротрон жүздеген, мыңдаған, миллиондаған және миллиардтаған электронвольт энергияға дейін үдете алады.

1955 жылы Кеңес Одағында энергиясы 10 ГэВ болатын үдеткіш жасалды. Ал 1969 жылы протонды үдету арқылы энергиясы 70 ГэВ болатын үдеткіш жұмысқа қосылды.

Үдеткіштің жәрдемімен қарапайым жылдам бөлшектердің әсерін зерттеу нәтижесінде көптеген жаңа тұрақсыз қарапайым бөлшектер: мезондар, гиперондар, массасы, заряды әртүрлі басқа бөлшектер және бейтарап бөлшектер анықталды. Олардың қасиеттерін қарастыра отырып, физиканың жаңа тарауы «қарапайым бөлшектер физикасы» құрылды.

Ғарыштық сәулелерді зерттеуге қарапайым бөлшектер көп әсерін тигізді. Бұл облысты ағылшын физигі Вильсон, неміс физиктері Эльстеро және Гейтел (1901ж.) бірінші болып бақылады, жабық ыдыстағы газдардың электрөткізгіштік құбылысын анықтады. Алғаш бұл өткізгіштікті Жер бетіндегі атмосфераның радиоактивті қалдықтары иондалып ластану нәтижесі деп қарастырмақ болды. Гессон аэростатикамен ұшу кезінде бұл иондалу биіктікке байланысты жедел өсетіндігін байқап, бұл әлем кеңістігінде өтетін, ғарыштық сәуле әсері деген қорытындыға келді.

1929-1931 жылдар аралығында Д. В. Скобельцын мен Оже ғарыштық сәулелердегі бөлшектер нөсерін тапты. 1933 жылы Андерсон (жоғарыда айтылғандай) ғарыштық сәулелердегі позитрондарды, ал 1937 жылы Нидермайермен бірге мезонды глюонды ашты.

С. Н. Верновтың (1948 жылы) басшылығымен ғарыштық сәулелерді жоғарғы биіктікте, автоматты стратостат арқылы зерттеу жүргізіп, нәтижесінде ғарыштық сәуленің бірінші компоненті өте үлкен жылдамдықпен қозғалған атом ядросы екендігін дәлелдеді. Ол атмосфера арқылы өткенде, екінші ретті бөлшектер: мезондар, электрондар, гамма-фотондар атмосфераның төменгі қабатында байқалатындығын түсіндірді.

Кеңес дағында 1957 жылы 4 қазанда Жердің бірінші жасанды серігі ұшырылды. Бұл ғылым мен техниканың жаңа дәуірінің басталуы болып табылады. Осы жылы 3 қарашада - екінші, ал 1958 жылдың 15 мамырында - үшінші жасанды Жер серігі ұшырылды. Осы 2-3 жасанды Жер серіктер кең бағдарламамен ғарыштық сәулелер зерттеліп, фотондардың бірінші компонентін және ауыр атом ядролары тіркелді.

Американдық физик Ван-Аллен 1958 жылы жасанды Жер серігі арқылы зерттеулер жүргізіп, Жер шарының айналасында зарядталған бөлшектерден тұратын бірінші радиациялық шар белдеуін тапты. Сол жылы үшінші жасанды Жер серігі жәрдемімен (КСРО), зарядталған бөлшектен тұратын екінші радиациялық шар белдеуі анықталды.