Атом ядросының құрылысы. Ядро моделі.

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.

Протон. Протон р әрпімен белгіленеді, оның заряды және массасы

938,28 МэВ[1] . (1)

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

0,511 МэВ . (2)

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

1836 . (3)

Протонның спині ( ) ж»не меншікті магниттік моменті бар:

, (4)

мұндағы:

=5,05·10^-24 эрг/Гс (5)

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

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

1,00867 м.а.б.=939,57 МэВ . (6)

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

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

. (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 -ге үлкен. Демек, (8) өрнектің оң жағында тұрған бөлшектердің массаларының қосындысынан нейтронның массасы 1,5 -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 -ге тең ядро зарядын анықтайды. Z саны сонымен қатар Менделеев кестесіндегі 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 , , , қалайынынң он тұрақты изотоптары бар. Сутегінің үш изотобы бар, олар:

- кәдімгі сутегі, немесе протий ( , )

- ауыр сутегі, немесе дейтерий ( , )

- тритий ( , ).

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

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 радиусы бар сфера десек және сфера радиусы бар кішкене шарлар түріндегі А нуклондардан тұрса, онда ядроның көлемі үшін теңдеуін жазуға болады, мұндағы 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. Оны былай анықтайды: 1,8·10¹⁷ кг/м³. 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 асы 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.

Ядроның массасы.Масса ядроны сипаттайтын шамалардың ең маңыздыларының бірі. Ол оның екпіндік, күш әсерінен қозғалыс күйінің өзгерісіне қарсыласу қабілетін сипаттайды. Ядроның массасын массаның атомдық бірлігімен (м.а.б.) өлшеген ыңғайлы. Оған ХБЖ-же 1,66·10^{-27 кг сәйкес келеді.}

Атом ядросының массалары оны құраушылардың массаларының қосындысына тең емес, одан аздап болса да кіші

. (10)

Тәжірибенің көрсетуіне қарағанда, күрделі ядроның массасы әрқашанда оның құрамына кіретін протондар мен нейтрондардың массаларының қосындысынан кіші болады. Мұнын себебін нуклондарды ядроға біріктіргенде сол нуклондардың бір-бірімен байланыс энергиясының бөлініп шығатындығымен түсіндіруге болады. Демек, тыныштықта тұрған ядроның энергиясы тыныштықта тұрған өзара әсерлеспеген нуклондардың энергияларының қосындысынан мынадай шамаға аз болады

. (11)

Бұл шама ядродағы нуклондардың байланыс энергиясы болып табылады. Сонымен, ядроның байланыс энергиясы деп ядроны оны құрайтын нуклондарға бөлшектеуге қажетті энергияның шамасын айтады. Егер (11) өрнектегі протон массасы -ны сутегі атомының массасы -пен, ал ядро массасы -ны атом массасы -мен алмастырса, одан теңбе-теңдік өзгермейді. Соның нәтижесінде (16) теңдеу былай жазылады

. (12)

(12) өрнек өте ыңғайлы, себебі көбіне анықтама кестелерде ядролардың массалары емес, атомдардың массалары беріледі.

Бір нуклонның үлесіне тиісті байланыс энергиясын, яғни шамасын ядродағы нуклондардың меншікті байланыс энергиясы деп атайды. Оны деп белгілейді. Мына шаманы

(13)

ядроның масса ақауы деп атайды. Сонымен масса ақауы байланыс энергиясымен мынадай қатынаста болады

. (14)

Масса ақауы ядроның байланыс энергиясының өлшемі болғандықтан оны былай жазуға болады:

. (15)

ядросындағы нуклондардың байланыс энергиясын есептейік. Ядроның құрамына екі протон (Z=2) және екі протон (A-Z=2) кіреді. -дің атомдық массасы 4,00260 м.а.б.=3728,0 МэВ. сутегі атомының массасы 1,00815 м.а.б.=938,7 МэВ. Нейтронның массасы 1,00867 м.а.б.=939,57 МэВ. Сонда (17) өрнек бойынша

(2·938,7+2·939,5)-3728,0=28,4 МэВ.

Гелий ядросының бір нуклонына шаққанда келетін ядроның байланыс энергиясы 7,1 МэВ.

Тамшы үлгісі. Ядроның бұл үлгісін 1939 ж. Я. И. Френкель ұсынған болатын. Кейіннен оны Н. Бор және т.б. ғалымдар дамытты. Ядроның бұл үлгісінің пайда болуына түрткі болған 1938 ж. неміс ғалымдары Ган және Штрассман ашқан уран ядросының оны нейтрондармен атқылағанда бөлінуі жөніндегі жаңалық болатын. Сонда ядроның құрамындағы нуклондарды ұстап тұратын ядролық күштердің әсер радиусы өте аз болады екен. Іс жүзінде әр нуклон өзінің жақын көршісімен өзара әсерлесетіндігін анықталды. Міне, ядролық күштердің осындай қасиеттері кеңес ғалымы Я. И. Френкельге ядроны сұйық тамшысы түрінде қарауға мүмкіндік берді. Сұйық тамшылары тек қана өзінің жақын көршілерімен әсерлеседі. Демек, ядроның сұйық тамшысымен ұқсастығы мынада екен. Сұйықтың құрамындағы бөлшектер – молекулалар және соған ұқсас ядродағы нуклондар арасындағы өзара әсер күштері өте қысқа қашықтықтан әсер ететіндігінде. Сонымен қатар іс жүзінде әр түрлі ядролар затының бірдейлігі, ядро затының шектен тыс өте аз сығылатындығы. Олай болса, сондай сығылмаушылық қасиет сұйықта да бар. Міне, осындай ұқсастықтар ядроны зарядталған тамшыға теңеуге негіз болды.

Тамшы үлгісі ядродағы бөлшектердің байланыс энергиясын есептеу үшін жартылай эмперикалық өрнекті шығаруға мүмкіндік береді. Сонымен қатар бұл үлгі көптеген құбылыстарды түсіндіруге көмектесті, мысалы, ауыр элементтердің ядроларының бөліну процесі.

Қабықша үлгісі. Қазіргі кездегі ядроның қабықша үлгісі 1948-1949 ж.ж. пайда болды. Осы үлгінің дамуына елеулі үлес қосқан америка физигі М. Гепперт-Майер және неміс физигі Х. Иенсен болды. Бұл үлгі бойынша нуклондар орталық симметриялы өрісте бір-бірінен тәуелсіз қозғалып жүреді деп есептелінеді. Осыған сәйкес Паули принципіне бағынатын нуклондармен толған дискретті энергиялық деңгейлер (атом деңгейлеріне ұқсас) болады. Бұл деңгейлер құбықшаларға топталады. Ол қабықшаларда белгілі бір нуклондар саны да бола алады. Нуклондармен толық толған қабықша ерекше орнықты болып шығады.

Тиісті тәжірибелердің қорытындысына қарағанда, мұндай ерекше орнықты ядроларға протондар саны немесе нейтрондар саны (немесе екеуі де)

2, 8, 20, 28, 50, 82, 126

болып келетін ядролар жатады екен. Бұл сандарды физиктер сиқырлы деп атайды. Протондар саны Z немесе нейтрондар саны N сиқырлы болған жағдайда (яғни өте орнықты ядролар) ядролар да сиқырлы болады. Ядроның протондар саны Z те және нейтрондар саны N де сиқырлы болса, онда оны екі ретт сиқырлы деп атайды.

Екі ретті сиқырлы ядролардың бізге бесеуі белгілі, олар

( , )