Табиғи және жасанды радиоактивтілік.

Радиоактивті ыдырау заңы. Радиоактивті ыдырау нəтижесінде радиактивті элементтің атом саны азая береді. Радиоактивті элемент атомының саны 2 есе азаюға кеткен уақытты жартылай ыдырау периоды (Т) деп атайды.Мысалы, полоний элементтерінің жартылай ыдырау периоды 140-күнге тең. 1г. полонийдің 140 күн өткеннен кейін 0,5 грамы қалады. Ал уранның периоды Τ = 4.5⋅10⁹ жыл. dt уақыт ішінде ыдырайтын атомдар саны dN радиоактивті элементтің атомдар санына (N) жəне уақытқа тура пропорционал болады, яғни осыдан қысқа тура пропорционал болады, яғни осыдан

dN ≈ N,dN ≈ dt,dN = −λdtN ;

мұндағы: λ -берілген элементтің ыдырау тұрақтысы. «-»-уақыт өткен сайын радиоактивті элемент атомының азая беретінін көрсетеді. , егер осы теңдеуді 0-ден t-ға дейін интегралдасақ, онда мына теңдеуден шығады

N=-N₀ e^-λt

мұндағы: N0 -бастапқы кездегі элементтің атом саны, N-t уақыт өткеннен кейінгі қалған атом саны, бұл қатынас радиоактивтік ыдырау заңы деп аталады. Заңның графигі көрсетілген. Радиоактивті элементте 1 секунд ішінде атомдардың ыдырау санын осы элементтің активтігі деп атайды, яғни: A=

Активтіктің бірлігіне Беккерель (Бк) алынады. Ядролық физика – ең жас ғылымдардың бірі, ол атом ядросының құрылымымен қасиеттері жəне ауысулары жайлы ғылым. ІХ ғасырдың аяғына дейін атом ядросы туралы мəліметтер белгісіз болды: атом заттың ұсақ, бөлінбейтін бөлшегі болып саналады. 1895 жылы катод жəне рентген сəулелерінің жəне 1896 жылы табиғи радиоактивтіліктің ашылуы, барлық элементтердің атомдарының құрылымдарында ұқсастық бар екендігін көрсетті. Қазіргі кезде көптеген процестер өз еркінсіз, ешқандай əсерсіз (спонтанно) жүретіні белгілі. Олар радиоактивті ыдырау заңы арқылы өтетін болғандықтан, бұл заңды радиоактивтілік деп атаған. Радиоактивті процестерге α - ыдырау, β - ыдырау жəне γ - сəулелену жатады. Атом ядросындағы бета-ыдырау - əлсіз əсерлер тудырушы процесс. Əлсіз əсерлесу күшті жəне электромагниттіктен бірнеше есе əлсіз, бірақ гравитациялықтан көбірек күшті. Əлсіз əсерлесудің қарапайым актілері, əлсіз өрістің фундаментальды квант бөлшектерінің (фермиондармен) – қадай-да бір үш көлемді базондардың («+» немесе «-» зарядталған жəне нейтрал) шығарылуы немесе жұтылуы болып табылады. Фундаментальды бөлшектердің ішінде салыстырмалы жеңіл (электрон, позитрон,мюон) жəне мүлдем массасы болмайтын (нейтрино), сонымен қатар əрдайым нуклондарға жəне басқа қарапайым бөлшектерге байланысқан ауырлау күшті əсерлесуші кварктар болады. Сондықтан əлсіз əсерлер (атом ядросындағы) кварктық жүйеге байланысқан ыдырау кезінде, жекеше қарастырғанда атом ядросындағы еркін нуклондар, сонымен қатар, əлсіз əсерлесу нəтижесінде жүретін кейбір реакцияларда қарастырылады. Əлсіз өріс кванттарының массасының үлкен болғандығынан бұл əсердің радиусы өте кішкентай (≤ 10^-15 см), сондықтан осы уақытқа дейін оны кеңістіктегі уақыт бойынша, қандай-да бір нүктедегі ядродағы протонның позитрон мен нейтрино шығаратын (бөлінетін), нейтронға айналатын нүктелік 4 фермионды əсер деп қарастыруы ядроның бета-ыдырауына байланысты көптеген сұрақтарда əлсіз əсерлесуді нүктелік жуықтап қарастыру ретінде негізделген. Бұл дипломдық жұмыста атом ядросындағы бета-ыдырау үшін əлсіз əсерлесулер қарастырылады.

Альфа-ыдырау. Химиялық элементтердің радиоактивті ядроларының изотоптары альфа-бөлшектерді бөледі. Ауыр ядролар үшін альфа-ыдырау сипаты тән.

Бета-ыдырау. Бұл кезде ядро изотоптарының элементтері өзбеттерімен электрондарды шығарады.

Гамма–ыдырау. Атомдардың номерлерімен массалар санының өзгертілуінсіз, массасы мен зарядтары жоқ, фотонның элементарлы бөлшектері түріндегі изотоп элементтерінің көп мөлшердегі энергияларының ядролардың қозулары нәтижесінде шығарылатын жағдай.

Ядролык реакциялар

Ядролық реакциялар. Радиоактивтік құбылыс негізінде элементтер ядроларын түрлендіруге мүмкін болады. Энергиясы үлкен, мысалы, α -бөлшектермен атом ядроларын атқылау арқылы жасанды жолмен бір элемент ядросын екі элемент ядросына түрлендіруге болады. Осы құбылысты ядролық реакциялар деп атайды. Ядролық реакцияны ең алғаш 1919 жылы Резерфорд жүзеге асырды. Ол азот атомының ядросын α -бөлшектермен атқылау нəтижесінде оттегі азоты мен протон алды.

+ = +Pнемесе + = + осы сияқты + = +

қысқаша былай жазуға болады: ( )¹⁷O, ( )³⁰S

Жасанды ядролық реакцияларды зерттеудің нəтижесінде жаңа қарапайым бөлшек-нейтрон ашылды. Берилийді α -бөлшектермен атқылағанда берилий ядросы α -бөлшектерді жұтып, өзінен нейтрон (n) бөліп шығарады да, көміртегі ядросына айналады.

+ = +

Нейтрон-радиоактивті. Оның жартылай ыдырау периоды - Т=11,7 мин. Ядролық реакция ұғымын əртүрлі түсінуге болады. Ең кең жалпы мəнінде оған ядролық əсерлесудің қатысуымен өтетін кезкелген екі немесе одан көп бөлшектердің (қарапайым немесе күрделі) соқтығысуынан туатын құбылыстарды жатқызады. Бұл тұрғыдан ядролық реакциялар қатарына басқалармен бipгe, мысалы, нуклон-нуклондық шашыратылу, пион нуклондық соқтығысуда жаңа пион тууы жəне т.б. жатады. Бұл тұрғыдан, əрине, ядроның қатысуымен өтетін соқтығысулар да ядролық реакция. Кейде осы ядроның қатысуымен өтетін құбылыстарды ғана ядролық реакция деп түсінеді. Ядролық физикада ядролар да, қарапайым бөлшектер де зерттеледі, сондықтан "ядролық реакция" ұғымын, оның кең мəнінде қолданады. Бұл тарауда ядролық реакциялар олардың тар мəнінде, яғни, ядролар мен кезкелген микробөлшектердің (нуклон, дейтрон, γ-квант, пион, басқа ядро жəне т.б.) соқтығысуынан басталатын құбылыстар есебіндеқарастырылады. Ал, қарапайым бөлшектердің өзарасоқтығулары тиісті, оларға арналған тарауда беріледі. Тəжірибелерде соқтығулар, көбіне, лабораториялық санақ жүйесінде өтеді. Бұл жүйеде, əлбетте, соқтығысатын бөлшектердің ауыры тыныштық күйінде болады. Оны нысана деп атайды. Жеңілірек бөлшектер оған ұшып келіп тиеді. Оларды оқ деп атайды. Жоғары энергиялы үдеткіштерде өтетін, eкi бөлшекте қозғалыста болатын жүйеде, оларды нысана мен оқ депайырудың, əрине, мəні жоқ. Ядролық реакциялардың пайдалану алқабы əртүрлі. Физиктер оларды жаңа изотоптардың, жаңа бөлшектердің, ядроның əртүрлі күйлерін, қарапайым бөлшектердің қасиеттерін зерттеу үшін қолданады. Олар ядролар мен қарапайым бөлшектердің қасиеттері туралы мəліметтердің негізгі көзі. Ядролық реакцияларды ядролық энергияны өндipy, радиоактивті изотоптар өндіру жəне заттардың элементтік құрамын зерттеуге пайдаланады. Ядролық реакцияларды белгілеудің бipнeшe əдісі бар. Оның ең көрнекі жəне əмбебап түpi, химиялық реакциялардың белгілеуіне ұқсас. Реакцияның бағытын көрсететін сілтеменің сол жағына реакцияға қатысатын бастапқы бөлшектердің қосындысын, ал оң жағына ақырғы бөлшектердің қосындысын жазады. Мысалы, нəтижесінде 2 альфа-бөлшек беретін протон мен ядросының соқтығысуы p+ = (1)түрде, дейтрон мен тритонның соқтығысуынан α-бөлшек пен нейтронның тууымен аяқталатын реакция + = +n (2)түрінде жазылады. Əрине, нəтижесінде екіден көп бөлшектер беретін реакциялар да осылай жазылады. Мысалы, кальций ядросынан протон мен нейтронды гамма-кванттың көмегімен ұшырып шығару реакциясы:

= +p+n (3)

Қарапайым бөлшектердің өзара соқтығысуларын да осылайша жазуға болады. Мысалы, нəтижесінде бейтарап пион мен нейтрон беретін протон мен тepic зарядты пионның əсерлесуі ^-+p=n+ ⁰ (4)түрінде жазылады. Тар мəндегі (ядролар қатысатын) реакциялардың басқаша белгілеуі де жиі қолданылады. Жақшаның сол жағына реакцияға қатысатын алғашқы ядро, жақшаның ішіне оған қатысатын үтірмен бөлінген алғашқы жəне ақырғы жеңіл бөлшектер, жақшаның оң жағына ақырғы ядро жазылады. Бұл белгілеуде (1) мен (3) реакциялар He, K түрінде беріледі. Кейде одан да қысқа жазулар қолданады. Онда реакцияға қатысатын ядролар көрсетілмейді. Мысалы, фото ядролық реакцияны (γ, р), (γ, n) немесе (γ, N), ал ядродан протонды нейтронмен атып шығару реакциясын (n, р) түрінде жазады. Ядролық реакцияның қарқыны мен басқа қасиеттерін сипаттайтын сандық шамалардың ең маңыздыларының бipi оның əсерлік дифференциалдық σ(θ) жəне əсерлік толық σ қималары. Реакцияның толық қимасын көбіне оның қимасы дейді. Бастапқы жəне ақырғы жүйелері екі-екі бөлшектерден тұратын a+A=b+B (5) реакциясы үшін осы реакция нəтижесінде b (немесе В) бөлшектің полярлық θ (θ а-бөлшектің ұшу бағытынан саналады) жəне азимутал ϕ бұрыштармен анықталатын бағытта бірлік денелік бұрыш ішінде шығарылу ықтималдылығын анықтайды. Нысанаға ағыны F бөлшектер шоғы түссін. Ағын деп бірлік уақыт ішінде бірлік, шоққа перпендикуляр бeттi тесіп өтетін бөлшектер санын атайды. Егер шоқ біртекті жəне оның көлем бірлігінде ni бөлшек, ал олардың нысанаға қатысты жылдамдығы v болса, ағын F = ni v (6) тең. Кейде бұл шаманы ағынның тығыздығы деп те атайды.

Ядролық реакциялардағы сақталу заңдары.Ядролық реакцияларда əртүрлі сақталу заңдары орындалуы тиіс. Ол заңдар бойынша белгілі физикалық шаманың реакцияға дейінгі жəне одан кейінгі мəндері бірдей болуы керек. Шамалардың сақталу талабы, реакцияның ақырғы өнімдерінің сипатына шектеулер қояды. Мұндай шектеулер тыйымдау деп аталады. Ядролық реакцияларда кейбір сақталу заңдары дəл, кейбір сақталу заңдары ішінара орындалады. Ол ядролық реакциялардағы іргелі əсерлесулердің үлесіне тəуелді. Бұл тарауда тар мəніндегі (яғни ядролар қатысатын) ядролық реакцияларда орындалатын сақталу заңдары қарастырылады.

Ядролық реакциялардың механизмі. Ядролық реакциялар кезінде ядроның ішінде күрделі құрылымдық өзгерістер өтеді. Ядроның құрылымын бейнелегендегі сияқты ядролық реакциялар туралы eceптi дəл шешу мүмкін емес дерлік. Сондықтан, ядроның құрылымын сипаттағанда əртүрлі моделдерді қолданған сияқты, ядролық реакцияларды сипаттау үшін əртүрлі механизмдер қолданады. Ядролық реакциялардың əртүрлі механизмдері ұсынылған. Біз олардың бастыларын қарастырамыз. Бұл бапта олардың жіктелуі қарастырылып, əркайсысы егжей-тегжейлі келесі баптарда талданады. 1936 жылы Нильс Бор ядролық реакцияның құрама ядролық механизмін ұсынды. Ол бойынша ядролық реакция екі кезеңмен өтеді. Бipiншi кезеңде тиетін бөлшек пен нысана ядро құрама ядро құрады. Екінші кезеңде құрама ядро ыдырайды a+A=0=b+B(12) Əрине, бұл механизмді қолдану үшін құрама ядроның өмipi жеткілікті ұзақ ядролық əсерлесуге тəн τяд = 10^-21c уақытқа қарағанда мəңгі дерлік болуы керек. Құрама ядро арқылы өтетін реакциялардың eкi түpi болады: резонанстық жəне резонанстық емес. Ядролардың қозған күйлеріне (кейбір нық емес ядролардың негізгі күйлеріне де) табиғи ен Г тəн. Ядроның деңгейлерінің арақашықтығы ∆ мен деңгейдің Генінің ара қатынасына байланысты ядроның cпeктpi дискретті (∆ > Г) жəне үздіксіз (∆ < Г) болады. Егер реакция барысында аралық (құрама) ядро спектрдің дискретті бөлігінде туса, реакция резонанстық ал үздіксіз бөлігінде туса резонанстық емес болады. Егер тиетін бөлшектің ядромен əсерлесу уақытты сипаттық ядролық уақыттан көп үлкен болмаса, əсерлесу механизмі мүлдем басқаша болады.

Олардың ішіндегі талдауға ең оңайы тіке реакциялар. Тіке реакцияларда тиетін бөлшектер бip-eкi нуклонмен ғана соқтығысып, басқаларына тимей өтіп кетеді. Мысалы, (р, n) реакциясы кезінде протон бip ғана нейтронға тиіп, оны ядродан жұлып шығаруы мүмкін. Тисе реакциялардың ішінде жұлу (d, p), (d, n) жəне оған қарсы іліктіру (p, d), (n, d) реакцияларын ерекше бөледі.

Тіке реакциялар қатарына тиген бөлшек ядродан бірнеше нуклоннан тұратын бөлшек жұлып шығаратын жаңқалау реакциясын да жатқызады.

Əрине, шектік, құрама ядролық реакциялар мен тіке реакциялардың арасында жататын реакциялар да кездеседі. Ондай реакцияларды тепе-теңдік алдылық реакциялар деп атайды. Ядролық реакциялардың аталғандардан басқа механизмдері де бар. Резонанстар бойынша орташаланған серпімді шашыратылуды оптикалық моделмен түсіндіреді. Онда ядро түсетін бөлшектердің де Бройль толқынын жұта жəне сындыра алатын тұтас орта ретінде қарастырылады. Егер тиетін бөлшек зарядталған жəне ауыр (протондар, альфа-бөлшектер мен əcipece иондалған ауыр ядролар) болса, онда кулондық қоздыру мүмкін болады. Бұл қоздыру кезінде бөлшек ядроға тым жақындамай-ақ оған өзінің кулондық өpicімeн ғана əсер етеді.

Жоғары энергиялы (қатты) гамма-кванттар ядромен соқтығысқанда өтетін, фотоядролық реакциялардың өзіндік ерекше қacиeттepi бар.

Егер тиетін бөлшектің энергиясы жеткілікті жоғары (бірнеше жүз МэВ) болса, онда оның əсерінен, ядро жарылып, көп жарқыншақтар туады.

Мұндай процестерді жұлдыздар туу процесі дейді.

98.Элементар бөлшектер.Онын классификациясы.

^{Атом құрамына кіретін элементар бөлшектерді 1895жылы ағылшын ғалымы Дж Томсон ашты.Ол өзі егжей-тегжейлі зерттеген катод сәулелерінің электр заряды теріс, массасы сутегі атомының массасынан 1840есе кем,бөлшектер ағыны екенін анықтады.Элементар бөлшектер ағыны атағын оған 1911жылы Р,Милликен оның заряды мен массасын анықтағаннан кейін ғана берілді. Электр заряды е=1,6*10*-19 кл, массасы м =9,1*10-31кг жеңіл бөлшек.Элементар бөлшектер қатарына 1900жылы Планк абсолют қара дененің нұрлану спектрін түсіндіру үшін фотонды жатқызды.Фотонға тән қасиеттер;массасы 0ге тең,жарық жылдамдығынан төмен жылдамдықпен қозғала алмайды,массасының жоқтығына қарамастан оған энергия мен импульс тән.Элементар бөлшектердің бірі- протонның қасиеттері:бариондық заряды:в=1.изотоптық спині-1/2,массасы-1,00726 м.а.б. электр заряды-q=+l,спині s-1/2,магнит моменті м-2,79 нық бөлшік ,ішкі жұптылығы П-+1 деп қабылданған.Элементар бөлшектердің келесі түрі-нейтрон протоннан аздап ауыр(массасы m= 1.00862 м.а.б.бариондық заряды в-1,изотоптық спині -1/2, магнит моменті м-1,91) Элементар бөлшектер өмір сүру уақыты бойынша;тұрақты(нык)-қазіргі өлшеу дәлдіктеріне сәйкес фотон электрон -5*10*21жыл,протон-10*31жыл, олардың антибөлшектері нейтринолар саналады ,нықсыз(квазистуракты) нәзік және электормагниттік әсерлесулер салдарынан ыдырайтын бөлшектерді жатқызамыз.Өмір суру уакыты-10*-20 жыл ,тураксыз(ныксыз)-нық емес элементар бөлшектер резонанстар ядролардың әсерлесу салдарынан ыдырайды.Оларға тән ыдырау уақыттары 10*-23/10*-24 секунд .}Қарапайым бөлшектерді қозғалыстағы атом ядроларын тіркеп отыратын кез келген құрылғы, шүріппесі басуға даяр тұрған, оқталған мылтық сияқты.Мылтықтың шүріппесін сəл ғана күшпен басып қалса болды, жұмсалған күшпен салыстыруға келмейтін эффект пайда болады, яғни мылтық атылады.Тіркегіш прибор бұл орнықсыз күйде тұра алатын күрделі макраскопиялық жүйе. Ұшып өткен бөлшектердің туғызған аз ғана ауытқуынуынан, тез арада жүйенің жаңа, едауір орнықты күйге өтуі басталады. Осы процесс бөлшекті тіркеуге мүмкіндік береді. Қазіргі кезде бөлшектерді тіркеудің алуан түрлі əдістері пайдалынылады. Эксперименттің мақсаттары мен оны жүргізетін жағдайларына қарай негізгі сипаттамалары жөнінен бір-бірінен айырмашылығы бар, əр түрлі тіркегіш

құрылғылар қолданылады. Нейтронның электр заряды болмайды, оның массасы протонның массасына шамамен 2,5 электрон массасына артық. Енді ұлы данышпандарды қандай үлес қосқандарын көрейік