Ядролық күштер. Ядролық реакциялар

Ядродағы нуклондардың өте үлкен байланыс энергиясының болуы нуклондар арасында ұдайы өте интенсивті өзара әсерлесудің бар екендігін көрсетеді. Бұл өзара әсерлесудің сипаты тартылыс болып табылады. Протондар арасында өте күшті кулондық тебілу күші болғанына қарамастан, тартылыс күші нуклондарды бір-бірінен ~10^{-13 см қашықтықта ұстап тұрады. Нуклондар арасындағы осындай ядролық өзара әсерлесулерді күшті өзара әсерлесулер деп атайды. Енді осы ядролық өзара әсерлесулерді ядролық күштер өрісінің көмегімен сипаттайық. Ол үшін осы күштердің айрықша белгілеріне тоқталамыз.}

1. Ядролық күштер қысқа әсерлесушілер болып табылады. Олардың әсерлесу радиусының реті 10^{-13 см. Осы 10-13} см-ден аз қашықтықта нуклондардың бір-біріне тартылуы тебілуге ауысады.

2. Күшті өзара әсерлесу нуклондардың зарядтарынан тәуелсіз. Протондар мен протондардың, протондар мен нейтрондардың, ең соңында нейтрондар мен нейтрондардың арасында әсер ететін ядролық күштердің шамалары бірдей. Ядролық күштердің мұндай қасиетін зарядтан тәуелсіздігі деп атайды.

3. Ядролық күштер нуклондардың спиндерінің өзара бағытталуынан да тәуелді, мысал үшін, егер нейтрон мен протонның спиндері бір-біріне параллель болса, онда екеуі бірігіп, сутегінің ауыр ядросы дейтеронды түзеді.

4. Ядролық күштер орталықтанған (центрлік) емес. Оларды нуклондардың орталықтарын (центрлерін) қосатын түзудің бойымен бағытталған деп көзге елестетудің еш мүмкіндігі жоқ. Ядролық күштердің орталықтық еместігі бұл күштердің нуклондар спиндерінің бағдарлауынан тәуелді болуынан келіп шығады.

5. Ядролық күштердің қанығу қасиеті де бар (бұл ядродағы әрбір нуклон шектелген нуклондар санымен әсерлеседі деген мағынада). Қанығудың байқалуы ядрода нуклондар саны өскенде, нуклондардың байланыс энергиясының өзгеріссіз өспей тұрақты болып қалуынан. Сонымен қатар ядролық күштердің қанығуының болуының тағы бір себебі, ядроның көлемінің оны құрайтын нуклондар санына пропорционалдығы.

Ядролық реакциялар.Атом ядроларының элементар бөлшектермен немесе бір-бірімен өзара әсерлесуі кезінде болатын өзгерістер ядролық реакциялар деп аталады.

Ядролық реакцияны алғаш рет 1919 жылы Э. Резерфорд жүргізді. Ол азот атомнының ядросы альфа-бөлшектермен атқылау нәтижесінде өттегі изотобы мен протонды мына реакция бойыша алды:

. (16)

Энергияның сақталу заңына сәйкес ядроның реакция процесінде кинетикалық энергияның өзгеруі реакция қабысқан ядролар мен бөлшектердің тыныштық энергиясының өзгерісіне тең. Егер ядролар мен бөлшектердің реакцияға қатысқаннан кейінгі кинетикалық энергиясы реакцияға қатысқанға дейінгі энергиядан көп болса, онда энергия бөлінеді де, реакция экзотермиялық болады, кері жағдайда энергия жұтылады да, реакция эндотермиялық деп аталады.

Жалпы ядролық реакциялар төмендегі белгілеріне қарай былайша сипатталады.

1. Реакцияға қатысатын бөлшектің тегіне байланысты. Мыс.протон, нейтрон, α бөлшектер, γ кванттар арқылы өтетін реакциялар.

2. Бөлшектерді бөліп шығаратын энергияның түріне байланысты өте аз энергия арқылы өтетін реакциялар, орташа энергияның көмегімен болатын реакциялар. Мыс. γ сәулелері, зарядталған α бөлшектері, протондар арқылы өтеді, өте жоғары энергия арқылы жүретін реакциялар.

3. Реакцияға қатысатын ядролардың тегіне байланысты жеңіл ядролар қатысуымен өтетін реакциялар, орташа салмақты ядролар арқылы жүретін реакциялар және өте ауыр ядролар арқылы өтетін реакциялар.

4. Ядролық түрленудің сипатына байланысты өтетін реакциялар Мыс. Түрлену кезінде нейтрон, зарядталған α бөлшектер, протон, т.б. бөлінуі мүмкін.

Көптеген ядролық реакциялардың механиздерін түсіндіруде 1936 ж Бордың айтқан мынадай жорамалы негізгі роль атқарады. Онда реакция мынадай екі жолмен жүретіндігі айтылады., х+а → с у+в, мұндағы х пен у реакцияларындағы алғашқы және соңғы ядролар, ал а- атқылаушы, в- ұшып шығатын бөлшектер, с- реакция аралық ядро. Элементтерді нейтрондар арқылы атқылау жасанды радиоактивті элементтердің изотобын алуға болады. ₃Li⁶ + ₀n¹ → ₁H³ +₂He⁴ ядролық реакцияның нәтиежесінде алынған өнімдер радиоактивті болып келеді. Сондықтан оларды жасанды радиоактивті заттар д.а. ₁₃Al²⁷+2α⁴ → ₁₅P³⁰+n¹

Кейбір ауыр элементтердің ядроларын нейтрондармен атқылағанда олар екі бөлікке бөлініп, 2-3 нейтронмен сәулелер шығарады және өте көп энергия бөлінеді. Уран ядроларының бөлінетіндігін 1938ж неміс ғалымдары Ган және Штрасман ашқан. Олар уранды нейтрондармен атқылағанда периодттық жүйенің орта бөлігінде барий, криптон және т.б элементтердің пайда болатындығын тапты. ₉₂U²³⁵+₀n¹ → ₅₄Xe¹³⁹ + ₃₈Sr⁹⁵+2₀n¹

Сонымен ядроның энергиясын арттыра отырып қоздырады да, он екі бөлікке ыдыратуға болады. Уран ядросын нейтронмен атқылағанда, ядро нейтронды жұтып, деформацияланады. Ядроның қабылдаған энергиясы онша көп болмаса өзінен фотон шығарады да артық энергиядан арылып бастапқы қалпына қайта келеді. Ал қоздырғыш энергия көп болса, онда ядро екі бөлікке ыдырап, олар үлкен жылдамдықпен қарама-қарсы жаққа қозғалады. Осы кезде 2-3 нейтрон бөлінеді. Оны лездік нейтрондар д.а. Бөліктер радиоактивті болғандықтан, одан β бөлшектер, γ – фотондар және нейтрондар бөліп шығарады. Осы нейтрондарды кешіккен нейтрондар дейді. Сөйтіп, уран ядросының өздігінен (спантанды) бөлінетіндігін орыс физигі Флеров, Петржак 1940ж ашқан болатын. Өздігінен бөлінудің жартылай периоды 10¹⁶ жылға тең. Осы уақыт уранның α ыдырауы периодынан екі милион есе көп.