57. Атом ядросы. Атом ядросының құрылысы жəне сипаттамалары. Резерфорд тəжірибесі.

Атом ядросы - протондар мен нейтрондардан  (нуклондардан) құралатын атомның ең ауыр, орталық бөлігі. Атом ядросының негізгі сипаттамаларының бірі оның  электр заряды  болып табылады. Атом ядросының зарядын алғаш рет 1913 жылы Г.Мозли өлшеген. Ал ядроның зарядын тікелей өлшеуді ағылшын физигі Дж.Чедвик 1920  жылы жүзеге асырды. Атом ядросының заряды элементар электр зарядының Менделеев кестесіндегі  химиялық элементтің  реттік нөміріне көбейтіндісіне тең болады: Сонымен, Менделеев кестесіндегі  химиялық элементтің реттік нөмірі кез келген элемент атомының ядросындағы оң зарядтардың санымен анықталады. Сондықтан элементтің  реттік нөмірін зарядтық caн деп атайды. Атом ядросының физикалық қасиеттері оның зарядымен қатар массасымен де анықталады. Ядроны сипаттайтын шамалардың ең маңыздыларының бірі — масса. Ядролық физика иондар мен атом ядросының массасын көбінесе масс-спектрографтың көмегімен анықтайды. Ядро да нейтрал атомның символымен белгіленеді:

мұндағы- химиялық элементтің символы;-атомдық нөмір (ядродағы протондар саны);- массалық (ядродағы нуклондар саны));- ядродағы нейтрондар саныайырымына тең болады.

Өлшем бірліктерінің Халықаралык жүйесіндегі қолданылатын ұзындықтың, массаның және т.б. өздеріңе таныс өлшем бірліктерімен қатар, ядролық физикада арнайы бірліктер қолданылады. Бұл қажет-тілік ядролық процестердің субатомдық әлемде өтетінінен туындайды.

Мысалы, ядролық физикадағы ең үлкен қашықтық атом радиусының өзі 10^-10 м-ге тең. Ұзындық бірлігі ретінде ферми алынады: 1фм = 10^-15 м. Массаның бірлігі ретінде көміртегі атомы массасының бөлігі алынады, ол массаның атомдық бірлігі болып табылады:

1 м.а.б.=1,660546 · 10^-27 кг, 1 кг=6,023091 · 10²⁶ м.а.б.

Салыстырмалы атомдық масса атомның абсолюттік массасында неше массаның атомдық бірлігі бар екенін көрсетеді. Мысалы, сутегі үшін A_r= 1,00783, көміртегі үшін A_r = 12,0 , оттегі үшін A_r = 15,99482.

Ядролық физикада энергияны  электронвольтпен  өлшейді,1 эВ = 1,6 · 10^-19 Дж.

Еселік мәндер де қолданылады:

1 кэВ =10³ эВ; 1 МэВ =10⁶ эВ;1 ГэВ =10⁹ эВ.

Көбінесе элементар бөлшектердің массаларын массаның атомдық бірлігімен қатар энергияның өлшем бірлігі МэВ немесе ГэВ-пен де өлшейді. Сондықтан массаның атомдық бірлігіне сәйкес болатын энергияның эквивалентін анықтайық.  Масса мен энергияның өзара байланыста болатыны  Эйнштейннің   формуласынан белгілі.

Атомдағы электрондар массасы ядроның массасымен салыстырғанда өте аз, оны ескермеуге болады. Сондықтан массаның атомдық бірлігімен алынған және атом массасына ең жақын бүтін санды массалық сан деп атайды. Оны әрпімен белгілейді. Ол жоғары дәлдікті қажет етпейтін есептеулерде, әсіресе массалардың қатынасы кіретін өрнектерде ядро массасының шамасы ретінде қолданылады. Мысалы, гелий атомының массасы M_He = 4,0026 м.а.б. болса, массалық саны A = 4 болады.

Ядроның массасының ахауы:

мүндағы - зарядтық сан (ядродағы протондар саны);- массалық сан (ядродағы нуклондар саны);- ядродағы нейтрондар саны;- нейтронның массасы;- протонның массасы;ядроның массасы.

• Ядроның байланыс энергиясы:

мұндағы - ядроның массасының ахауы;- вакуумдегі жарық жылдамдығы.

Жүйеден тыс бірліктерде ядроның байланыс энергиясы болады, мұндағы- массаның ахауы, м.а.б.-мен (1м.а.б.931 МэВ).

Резерфорд тәжірибесі

1911 жылы ағылшын физигі Резерфорд атомның ядролық моделін ұсынды. Резерфорд өзінің шәкірттері Г.Гейгер және Э. Марсденмен бірге альфа-бөлшектер шоғын өте жұқа алтын фольгадан өткізіп, бірнеше тәжірибелер жасады. Осы тәжірибелерді зерделеу нәтижесінде атомның ядролық, басқаша айтсақ, планетарлық моделі өмірге келді.

Тәжірибе барысында өте жұқа (l=6*10^-7 м) алтын фольганы энергиясы 7,68 МэВ жылдам альфа бөлшектермен атқылаған. Қорғасын контейнердің түбінде орналасқан ²¹⁴₈₄ Ро радиоактивті элементтен шыққан альфа-бөлшектердің жіңішке шоғы алтын фольгадан өткенде шашырайды, яғни алғашқы бағытынан ауытқиды. Ол кезде альфа-бөлшектердің оң заряды (2е) гелий иондары екені белгілі болатын. Фольгадан шашыраған альфа-бөлшектердің қаншасы қандай бұрышқа ауытқығанын есептей отырып, осы ауытқуларды тудырған нысана-атомдардың құрылымы анықталады. Фольганың қалыңдығы өте аз болғандықтан, одан өткенде әрбір альфа-бөлшек тек бір атоммен ғана әсерлеседі, яғни бір-ақ рет шашырауға ұшырайды деп есептеуге болады. Шашыраған альфа-бөлшектер күкіртті цинкпен (ZnS) қапталған экранға келіп соғылады. Күкіртті цинк молекулаларының альфа-бөлшекпен соқтығысқанда сәуле шығаратын қасиеті бар. Сондықтан экранның альфа-бөлшек соғылған жерлерінде сцинтилляция, яғни өте әлсіз жарқыл байқалады. Тәжірибенің мақсаты берілген уақыт аралығында байқалатын жарқылдардың φ ауытқу бұрышына тәуелділігін анықтау.

Тәжірибенің нәтижесінде альфа-бөлшектердің басым көпшілігі фольгадан өткенде алғашқы бағыттан ауытқымайтыны (φ≈1 – 2°) анықталды. Бұл нәтиже, негізінен, Томсон моделіне сүйеніп жасалған есептеулермен дәл келді. Бірақ, альфа-бөлшектердің мардымсыз аз бөлігі 90°-тан артық бұрышқа ауытқитыны, яғни олар фольгаға соғылып, кері бағытта ұшатыны таңдандырды. Сегіз мыңға жуық бөлшектердің біреуі ғана осындай үлкен бұрышқа ауытқиды екен! Мұны Томсон моделі негізінде түсіндіру тіпті мүмкін болмады.

Тәжірибеде алынған нәтижелерді зерделей отырып Резерфорд өз моделін ұсынды. Ол атомның оң заряды оның ортасында орналасқан радиусы шамамен 10^-15 м өте аз көлемге жинақталған деген қорытындыға келді. Бірақ орталық бөлшекті Резерфорд ядро деп атады. Атомның массасын түгел дерлік ядрода шоғырланған. Ядроны айнала әр түрлі орбиталармен электрондар қозғалып жүреді. Бұл үлгі Күн жүйесінің құрылымына ұқсайтын болғандықтан, оны атомның планетарлық моделі деп те атайды. Модель бойынша атом көлемінің басым көпшілік бөлігі «бос» болып шығады, ядроның радиусы атомның радиусынан 100000 есе кіші. Орбиталардағы электрондардың теріс зарядтарының қосындысы ядроның оң зарядына тең, атом электрлік бейтарап.

Атомның ішіндегі бос кеңістік «өте үлкен». Сондықтан, фольга арқылы өткенде альфа-бөлшектерінің көбі ядродан алыс өтеді де, шашырамайды. Электрондар альфа-бөлшектен 8 мың еседей жеңіл болғандықтан, оның қозғалыс траекториясын өзгерте алмайды. Тек ядроға тікелей қарсы келіп қалған альфа-бөлшектер ғана онымен әсерлесін, кері ұшады. мұндай бөлшектер саны ядро радиусының атом радиусына қатынасымен анықталады.

Жоғарыда біз тәжірибеге тек сапалық талдау жүргіздік. резерфорд сонымен қатар өз моделінің және Томсон моделінің негізінде есептеу жұмыстарын жүргізді, олардың нәтижесінде Резерфорд үлгісінің дұрыстығын көрсетті. Бірақ классикалық физика тұрғысынан мұндай атомның орнықты болуы мүмкін емес. Бұдан бұрын айтылғандай, зарядталған бөлшек үдемелі қозғалса, міндетті түрде сәулеленуі керек. Бұл сәулеленудің жиілігі электронның ядро маңында айналу жиілігіне тең болуы тиіс. Электрон ядроны айнала дөңгелек орбитамен қозғалса, оның центрге тартқыш үдеуі бар. Олай болса, электрон сәуле шығара отырып, өз энергиясын азайтуы тиіс. Энергияның азаюы электронның ядроға кулон күшінің әсерінен біртіндеп жақындап, ақыры оған құлап түсуіне әкеп соғады. бұған бар болғаны 10^-8 с-қа тең уақыт кетеді екен және классикалық теория бойынша мұндай атомның сәулелену спектрі тұтас болу керек

58. Ядроның массасы жəне байланыс энергиясы. Масcалар ақауы. Ядролық күштер.

Ядродағы нуклондардың байланыс энергиясы Байланыс энергиясы — байланысқан жүйені оны құрайтын бөлшектерге жіктеуге және оларды бір-бірінен арасында өзара әсер болмайтындай қашықтыққа алыстату үшін жұмсалатын энергия; біртұтас жүйе болып байланысқан бөлшектер жиынтығының сипаттамасы.

Байланыс энергиясының шамасы бөлшектер арасындағы өзара әсерге байланысты анықталады. Егер бөлшектер жиынтығы молекула құрайтын атомдар болса, онда Байланыс энергиясы ретінде химикалық байланыстың, ал бөлшектер жиынтығы ядро құрайтын нуклондар (протондар мен нейтрондар) болса, онда ядролық байланыстың энергиясы қарастырылады.

Байланыс энергиясы — теріс таңбалы шама. Өйткені байланысқан жүйенің түзілуі кезінде энергия бөлініп шығады. Байланыс энергиясының абсолют шамасы жүйе байланысының беріктілігін және жүйенің орнықтылығын сипаттайды. Басқаша айтқанда, Байланыс энергиясы артқан сайын жүйе берік болады, яғни жүйені оны құрайтын бөлшектерге жіктеу үшін жұмсалатын энергия да көп болады. Мысалы, молекулалардың химикалық Байланыс энергиясы бірнеше эВ болса, ядролық Байланыс энергиясы миллиондаған эВ-қа дейін жетеді. Сондықтан атом ядросы өте берік жүйе болып есептеледі.

Атом ядросының Байланыс энергиясы ядродағы нуклондардың күшті өзара әсеріне байланысты анықталады. Ядроның Байланыс энергиясы: толық, меншікті және жеке бөлшектіктің Байланыс энергиясы болып ажыратылады. Толық Байланыс энергиясы — ядроны жеке нуклондарға ыдырату үшін жұмсалатын энергияға немесе жеке нуклондардан ядро құралғанда бөлініп шығатын энергияға тең.

Меншікті Байланыс энергиясының шамасы өте жеңіл және аса ауыр ядролардан басқалары үшін тұрақты шама (жуық шамамен 8,6 МэВ) болады. Меншікті Байланыс энергиясы ауыр ядролар үшін біртіндеп кеми келе уран ядросында (²³⁸U) 7,5 МэВ-қа жуықтайды. Бұл байланыстың сипатынанэнергия алу үшін, ауыр ядролардың бөлінуі және жеңіл ядролардың бірігуі тиімді екендігі көрінеді. Ауыр ядроларды бөлу арқылы энергия алу ядролық реакторда  жүзеге асырылады. Ал жеңіл ядролардың бірігуі кезіндегі энергияның бөлініп шығу процесі термоядролық реакцияда байқалады. Ядро құрамындағы жеке бөлшектің Байланыс энергиясы деп сол жеке бөлшекті ядродан бөліп алуға қажетті энергия мөлшерін айтады.

Атом не молекула электрондарының Байланыс энергиясы электр магниттік өзара әсер арқылы анықталады және ол әрбір  электронның иондалу  потенциалына пропорционал болады. Молекула мен кристалдардың  Байланыс энергиясы да осындай әсерлерге байланысты болып келеді. Ал гравитациялық өзара әсердің Байланыс энергиясының шамасы өте аз және ол кейбір ғарыштық объектілерде ғана байқалады.