14.3 Атом ядроларының синтез реакциясы

Әртүрлі ядролық алмасулар арасынан термоядролық синтез деп аталатын реакция өте үлкен қызығушылықты туғызады. Жеңіл ядролардан орташа ядроларға көшкен кезде, яғни екі жеңіл ядролардың бірігуінен ауыр ядроның пайда болу реакциясында энергия бөлінеді. Осы түрдегі реакцияның мүмкін болатын үлкен санына қатысты жиынтығын келесі үш синтез реакциясы арқылы беруге болады:

(14.3)

мұндағы – бөліну энергиясы.

Синтез реакциясы кезінде бір нуклонға бөлінетін энергия ауыр ядроның бөліну кезіндегі ядродан едәуір артық болады. Мысалы, уран ядросының бөлінуі кезінде 1 нуклонға бөлінетін энергия шамамен 0,84 МэВ-қа тең болады, ал синтез реакциясында бұл шама 2,5 МэВ-ті құрайды. Бірақ бұл реакцияларды іске асыру үшін байқағыш ядролардың бір-біріне қатысты жылдамдықтары олардың өзара электростатикалық тебуін жеңу үшін өте жоғары болу керек. Осыған сәйкес есептеулер газ тәріздес сутегінде бұл процесс басталып, берілген процесс өзін-өзі бөлетін энергиямен қамтамасыз ету үшін газ 10⁷ К температураға дейін қызуы қажет және одан жоғары. Жеңіл атом ядроларында өте жоғары температураларда (10⁷ К және одан да жоғары) өтетін ауыр ядролардағы синтез реакциясы термоядролық реакция деп аталады. Күннің және жұлдыздардың энергия көздері термоядролық реакциялар болып табылады деп ұйғарылады. Термоядролық реакцияны басқаруды іске асыру адам баласын энергияның таусылмас көзімен қамтамасыз етуі мүмкін. Бұл бағыттағы жұмыстар көптеген ғылыми зертханаларда жүргізілуде.

14.4 -ыдыраудың заңдылығы

Қазіргі кезде –активті ыдыраудың 200 астам түрі белгілі, негізінен олар ауыр ядролар (). Радиоактивті ядроның-ыдырау процесі кезінде гелий ядросышығады (немесе-бөлшек), ол екі протоннан және екі нейтроннан құралады.-ыдырау мүмкін болады, өйткені -радиоактивті ядроның массасы(тыныштық энергиясы) -бөлшегінің массасы мен-ыдырау кезінде пайда болатын туынды ядро массасының қосындысынан артық болады. Бастапқы ядроның артық энергиясы - туынды ядро мен-бөлшегі – кинетикалық энергия түрінде босатылады.-бөлшегінің кинетикалық энергиясы 4 тен 8,8 МэВ қа дейін шамада болады; ұшып шыққан -бөлшегінің жылдамдығы 1,4·10⁷ ден 2·10⁷м/с ке дейін жетеді, яғни бұл өте үлкен шама. Ал -бөлшегінің белгілі бір ядро шығаратын кинетикалық энергиясы қатаң түрдегі белгілі шама болады. Яғни-бөлшегінің дискретті спектрінің болуы – атомдық ядроның дискретті энергиялық деңгейлерге ие болатындығын көрсетеді.

-бөлшегі екі еселік оң зарядқа ие болатындықтан, әртүрлі орталарда қозғалған кезде, жолдың белгілі бір қысқа аралығында кинетикалық энергиясын жоғалта отырып, күшті ионизация жасайды. Бірнеше МэВ кинетикалық энергиясы бар -бөлшегі ауада бірнеше сантиметр жол жүреді.-сәулеленудің жартылай ыдырау периоды кең интервалда (с тенжылға дейін) өзгереді.-ыдырауы үшін жартылай ыдырау период пен ұшып шыққан бөлшек энергиясы арасында өте үлкен тәуелділік сипаты бар. Бұл тәуелділік Гегер-Нэттолланың эпмириялық заңымен анықталады:

, (14.4)

мұндағы А және В – эмпириялық тұрақты шамалар, – ыдырау тұрақтысы,–-бөлшегінің ауадағы жүрісі.

(14.4) өрнек бойынша, радиоактивті элементтің жартылай ыдырау периоды неғұрлым аз болса, соғұрлым жүріс үлкен болады, сондықтан да бөлінетін -бөлшегінің энергиясы да үлкен болады. Ауада-бөлшегі бірнеше сантиметр жүреді, ал тығыз орталарда мм-дің бөлігін жүреді, яғни-бөлшегі бір жапырақ қағазбен толық жұтылады. Резерфорд 8,8 МэВ энергиясы бар-бөлшектерінің шашырауы бойынша ядролық күштердің әсеріне дейінгі аймаққа бармай ядролық кулондық күштер әсері жағдайында тәжірибелер жүргізген. Сонда ядроның потенциалдық энергиясы мен ара қашықтыққа байланысты оң зарядталған бөлшектің тәуелділік функциясы потенциалдық тосқауыл өрнегіне сәйкес келген.-бөлшегінің потенциалдық тосқауыл арқылы өту ықтималдығы Шредингер теңдеуі арқылы есептеледі.

14.5 -ыдырауы кезіндегі ядродағы өтетін процестер

-сәулелері – электрондар ағыны, бірақ ядрода протондар мен нейтрондардың болатындығын, ал электрондардың жоқ екендігін білеміз. -бөлшегі ядроның электронды қабыршағының электроны бола алмайды, өйткені электронның қабықшадан қашықтауы (атомның ионизациясы) атомдардың химиялық табиғатын өзгертпейді.

Сонымен қатар, электронның электронды қабықшадан шығуы оптикалық және рентгендік сәулелену арқылы іске асады, бұл -ыдырау кезінде байқалмаған.-ыдырау кезінде массалық сан өзгермейді, ал ядро заряды бірге артады. -ыдырау нәтижесінде нуклондардың жалпы саны тұрақты болады, протондар саны бірге артады, ал нейтрондар саны бірге кемиді, яғни ядрода нейтрон протонға ауысады, осы ауысу кезінде энергия бөліну нәтижесінде, ядро сыртында -бөлшегі (электрон) пайда болады. Бірақ мұндай ретті түсіндіру кезінде-ыдырауда қиыншылықтар туды: өйткені шығарылған электрондардың энергетикалық спектрлерінің үздіксіздігінің себебін түсіндіру қажет және ядроспинінің сақталмауын меншікті механикалық моментті білу керек болды.

1931 жылы В. Паули мынадай болжам (гипотез) ұсынды: -ыдырау процесі кезінде электронмен бірге, тағы бір нейтраль бөлшек – нейтрино шығарылады деді. Ол былай белгіленеді:,. Нейтриноның зарядыжоқ, оның спині , өте кіші (ықтималдығы нолге тең) тыныштық массасы нолге тең болады. Бұдан әрі -ыдырау процесі кезінде антинейтрино(нейтриноға қарағандаға антибөлшек) шығарылады. Нейтриноның электр заряды мен тыныштық массасының болмағандығы себепті оны анықтау өте қиын. Нейтриноның бар болуы туралы тәжірибелі дәлелдеме тек 1956 жылы ғана алынды.

-ыдырауының теориясын 1934 жылы Э. Ферми жасады. Бұл теория шығарылған электрондардың энергиялық спектрінің үздіксіздігін оңай түсіндірді:-ыдырауы кезінде бөлінетін энергия электрон мен антинейтрино арасында таралады, және энергияның таралуы ықтималдық сипатта болады. Екі бөлшектің энергияларының қосындысы тұрақты және-ға тең. Егер антинейтрино энергиясы нолге тең болса, онда электрон энергиясы -ға тең.14.1-суретте -бөлшегінің энергиясы бойынша таралу қисығы кескінделген.

Нейтриноны (антинейтриноны) енгізумен спиннің сақталмайтындығы да түсіндірілді. 1959 жылы еркін нейтрондардың радиоактивті ыдырауы байқалды. Ядролық реакторларда интенсивтігі үлкен нейтрондар болатындығы анықталды.

14.1-сурет. -бөлшегінің энергия бойынша таралу қисығы.