25 Лекция. Атомдық ядролар құрылысы. Ядролық күштер. Ядролық күштердің алмасулық сыйпаттамасы. Ядро модельдері.

25.1. Ядроның негізгі қасиеттері мен құрылысы.

25.2. Изотоп. Изотоп және изобара

25.3. Ядро өлшемі.

25.4. Ядро спині.

25.5. Ядроның байланыс энергиясы.

Ядроның негізгі қасиеттері мен құрылысы.

Атомның орталық бөлігі -ядрода іс жүзінде атомның барлық массасы және оның оң электрлік заряды шоғырланған. Бір протоны бар сутегі атомының ядросынан басқа ядролардың барлығы нуклондардан – протон мен нейтрондардан (Иваненко-Гейзенберг моделі) тұрады.

Ядро заряды Ze-ге тең, мұнда е –протон зарядының шамасы, Z – зарядтық сан, ол Менделеевтің периодтық жүйесіндегі химиялық элементтің реттік нөмірі (атомдық нөмір). Қазіргі уақытта Z-тің мәні 1-ден (сутегі) 118-ге дейінгі (юнуноктий) ядролар белгілі.

Ядродағы нуклондар санын A = N + Z массалық сан дейді, мұнда N –нейтрондар саны. Z- тері бірдей, бірақ әрбасқа массалық саны А бар ядролар, изотоптар деп аталады; А-лары бірдей, бірақ Z-тері әрбасқа ядролар - изобралар; Нейтрон сандары N бірдей ядролар- изотондар; бұдан басқа A және Z сандары бірдей радиоактивті ядролар- изомерлер бар, олардың жартылай ыдырау периодтары әртүрлі.

Қазіргі уақытта 300-ге жуық орнықты және 2000-нан астам химиялық элементтердің радиоактивті изотоптары бар.

Ядроларды белгілеу үшін келесі _ZX^A немесе ^A _ZX, символдар қолданылады, мысалы, ₁Н¹.

Ядроның радиусы келесі эмпириялық формуламен беріледі: r = r₀A^1/3, мұндағы r₀ = (1,3-1,7)10^-15 м. Сонымен, ядроның көлемі нуклондардың санына пропорционал, яғни, ядролық заттың тығыздығы тұрақты болады, ол шамамен 10¹⁷ кг/м³.

Ядродағы нуклондар-фермиондар. Ядроның спині – ядроның меншікті импульсының моменті, мұндағы I – ішкі (толық) спиндік кванттық сан. Ядроның спині нуклондардың санымен анықталады.

Нуклондардың меншікті магниттік моменттері бар, олар ядроның меншікті моментін анықтайды, өлшем бірлігі ядролық магнетон , m_p –протонның массасы.

Ядроның байланыс энергиясы нуклондарды бөлуге кететін жұмыс. Ол еркін нуклондардың энергиясы мен олардың ядродағы энергияларының айырмасына тең.

(25.1)

мұндағы Δm – массаның ақауы, ол нуклондардың ядро құрағандағы энергияларының азаюын сипаттайды, с – электродинамикалық тұрақты.

(25.2)

m_p, m_n –протонның және нейтронның массалары, М_Я –ядроның массасы. Массалар массаның атомдық өлшем бірлігімен өлшенуі мүмкін.

Кей кезде ядроның және протонның массаларын атомның массасымен М_а және сутегі атомының массасымен m_H алмастырады, онда

(25.3)

меншікті байланыс энергиясыныңмассалық санға А тәуелділігі көрсетілген. Массалық сандары 50≤А≥ 60 (Cr-Zn) аралықтағы нуклондардың байланыстары күшті екені көрініп тұр. Олар үшін Е_св = 8,7 МэВ/нуклон. Ең ауыр табиғаттық ядро үшін Е_св = 7,5 МэВ/нуклон.

Мұндай тәуелділік ауыр ядролардың бөлінуінің және жеңіл ядролардың қосылуының 25.1-сурет (синтез) энергиялық мүмкіндігін көрсетеді.

26 Лекция. Ядролық күштер. Ядроның моделі.

26.1. Ядролық күштердің негізгі қасиеттері

26.2. Ядролық күштердің алмасуы

26.3. Ядроның модельдері.

Атомдық ядроларда ерекше ядролық тарту күштері әсер етеді, олар гравитациялық және электромагниттік күштерден бөлекше келеді, олардан әлдеқайда асып түседі. Бұлар күшті өзара әрекеттесетін күштер класына жатады.

Ядролық күштердің негізгі қасиеттері:

1. Ядролық күштер аз қашықтықта әсер етеді. Олардың әсерлік радиусы шамамен 1ферми (10^-15 м ).

2. Олар зарядқа тәуелді емес, яғни екі протонның, екі нейтронның немесе протон мен нейтронның әсерлесу күштері бірдей.

3. Ол күштердің қанығу қасиеттері бар, яғни, әрбір нуклон саны шектеулі басқа нуклондармен ғана әсерлеседі.

4. Ядролық күштер әсерлесетін нуклондардың спиндерінің бағыттарына тәуелді.

Мысалы, протон мен нейтроннан тұратын ₁Н² изотопы олардың спиндері параллель болғанда ғана дейтрон ядросын құрайды.

5.Ядролық күштер орталық күштер емес, яғни нуклондардың центрлерін қосатын сызықтар бойынша әсерлеспейді.

Ядролық күштердің алмасулық сипаттамалары бар. Бүгінгі көзқарастар бойынша нуклондар өзара виртуал π-мезондармен- ядролық өріс кванттарымен алмасады. Мұндай гипотезаны бірінші рет 1935 ж. жапон физигі Х.Юкава айтты, ол 1947 ж. Оккиалини мен Поуэлл тәжірибелерімен дәлелденді.

Виртуал процестер нәтижесінде нуклон виртуал π-мезондардың ядролық өріс бұлтымен қоршалған сияқты:

; ; ; .

Нуклондар арасындағы алмасулық әсерлесуді виртуал процестермен суреттеуге болады: ; ;

Күшті өзара әрекеттің өте күрделілігіне байланысты осы уақытқа дейін атомдық ядроның қалыптасқан теориясы жоқ. Көптеген ядро модельдерінің ішіндегі екеуіне ғана тоқталамыз: тамшылы және қабықшалар модельдері.

Бор мен Френкельдің (1936) тамшылы моделі ядродағы нуклондар мен сұйық тамшысындағы молекулалардың арасындағы ұқсастыққа негізделген – аз қашықтықта әсерлесу, қанығу қасиеті, тұрақты тығыздық, көлемнің бөлшектердің санына пропорционалдығы. Бұл модель ядроның байланыс энергиясының формуласын алуға мүмкіндік берді және ядролардың бөліну реакциясын түсіндіре алды. Бірақ ол сиқырлы санды (2,8,20,28,50,82,126) нуклондары бар ядролардың аса орнықтылығын түсіндіре алмады.

Мария Гепперт-Майер және басқалардың (1949) қабықшалар моделінде нуклондар дискретті энергиялық деңгейлерде Паули принципі бойынша орналасады. Деңгейлерден қабықшалар жасалады, оларда саны анықталған нуклондар ғана орналаса алады. Қабықшалары толық толтырылған ядролар аса орнықты болады. Сонымен қатар, осы модель ядролардың спиндерінің және магниттік моменттерінің бар болатынын, ядролардың қасиеттері периодты түрде өзгеретінін түсіндірді.