Атом және атом ядросы
________________________________________
§ 7.1 Резерфорд тәжiрибесi. Атомның ядролық моделi
Барлық заттар бөлiнбейтiн аса ұсақ бөлшектерден – атомдардан тұрады деген ұғым ерте қалыптасқан болатын. Егер атом шындығында заттың бөлiнбейтiн алғашқы кiрпiштерi болса табиғаттағы кездесетiн сан алуан заттарға сан алуан атомдар сәйкес қойылуы тиiс. Бұлай болуы бiр жағынан күмән туғызады.
Физика ғылымының дамуы барысында ХIХ ғасырдың аяғына қарата атомның қасиеттерiне байланысты жаңа тәжiрибелiк деректер жинала бастады. Мысалы М.Фарадей 1833 жылы электролиз құбылысын зерттеу барысында электролит ертiндiлерiндегi ток иондардың реттелген қозғалысы екенiн анықтады. Ал 1897 жылы Дж.Томсон сиретiлген газдардағы электр разрядын зерттеу барысында қыздырылған немесе ультракүлгiн жарықпен сәулелендiрiлген кез-келген химиялық элементтiң атомы өзiнен терiс зарядталған бөлшектердi шығатынын анықтады. Осылай алғашқы элементар бөлшек – электрон ашылды. Атом құрлысының күрделiлiгiне нұсқайтын тағы бiр бұлтартпас факт 1869 жылы орыс ғалымы Д.И.Менделеев ашқан химиядық элементтердiң периодтылық заңы. Атомдық масса өскен кезде элементтердiң қасиеттерiнiң қайталануын атомның құрамына кiретiн бөлшектердiң саны өскен кезде оның iшкi құрылымының қандай да бiр ерекшелiгiнiң қайталануымен түсiндiруге болатындай.
7.1 - сурет
Атомды күрделi жүйе деп ұйғарып, оның алғашқы моделiн ұсынған ғалым – Дж.Томсон. Томсон моделi бойынша атом дегенiмiз радиусы шамамен 10-10 м болатын шар. Бұл шардың бүкiл көлемi оң зарядталған, ал терiс зарядталған электрондар оның iшiнде су тамшысының iшiнде жүзiп жүрген түйiршiктер тәрiздi қозғалып жүредi (7.1 - сурет) . Томсон моделi атомның бiрқатар қарапайым қасиеттерiн сәттi түсiндiргенiмен көп жағдайда қиыншылыққа тiрелетiн.
7.2 - сурет
Осы тұрғыдан атом құпиясына тереңiрек үңiлiп, оның жаңа бiр моделiн ұсынған ғалым ағылшын оқымыстысы Э.Резерфорд болатын. Ол өз тәжiрибелерiнде аса шапшаң α-бөлшектер жұқа алтын фольгадан шашыраған кездегi бұрыштық таралуын зерттей келе атомның планетарлық моделi деп аталатын моделiн ұсынды. Резерфордтың бұл моделi бойынша атомдағы оң зарядтар Томсон моделiндегiдей бүкiл көлемде таралмай, керiсiнше, оның орталығында жинақталады. Оны атом ядросы деп атайды. Ал электрондар болса Күн жүйесiндегi планеталар тәрiздi ядроны айнала қозғалып жүредi (7.2 - сурет). Электрондардың массасы аса аз болғандықтан атомның бүкiлдей дерлiк массасы ядрода шоғырланған. Ядроның өлшемi атомның өлшемiмен салыстырғанда шамамен 105 еседей кiшi.
§ 7.2 Бор постулаттары. Бор жасаған сутегi атомының моделi
Атомның ядролық моделi α-бөлшектердiң жұқа алтын фольгадан шашырауын дұрыс түсiндiргенiмен екiншi жағынан басқа қиындыққа жолықты. Оның мәнiсi мынада болатын. Классикалық электродинамика заңдары тұрғысынан атомның планетарлық моделi тәрiздес жүйелер орнықты болмауы тиiс едi. Себебi, электрон ядроны айнала үдей қозғалатын болғандықтан өзiнен электромагниттiк сәуле шығаруы тиiс. Ал бұлай сәуле шашу оның энергиясын кемiтедi де соның салдарынан электронның айналу радиусы бiрте-бiрте кемiп, түбiнде ол ядроға құлап түсуi тиiс болатын. Бiрақ тәжiрибе бұған мүлдем керi нәтиже бередi. Атом орнықты жүйе және ол қозбаған күйде болса өзiнен ешқандай да сәуле шығармайды.
Теория мен тәжiрибенiң арасындағы осындай қарама-қайшылықты шешу жолында ғалымдарға бiраз тер төгуге тура келдi. Бұл бағыттағы зерттеулер барысында алғашқы елерлiктей табысқа дат ғалымы Нильс Бор жеттi. Ол классикалық физиканың атомдық жүйеге қатысты барлық көзқарастарын қайта қарай келiп, оның атомдарға қатысты жаңа тәжiрибелiк деректердi түсiндiруде дәрменсiз екенiне көзi жеттi. Бұл жерде классикалық физика ұғымдарының ауқымынан тысқары шығу қажет болатын. Нильс Бор 1913 жылы солай жасады да, ол атомның жарықты шығаруы мен жұтуы жөнiндегi өзiнiң түсiнiгiн мынадай екi постулат түрiнде тұжырымдады :
1. Атомдар, тек стационарлық күйлер деп аталатын қандай да бiр күйлерде ғана бола алады. Бұл күйдегi электрондар ядроны айнала үдей қозғалғанымен өзiнен сәуле шығармайды.
2. Сәуле шығару немесе жұту тек бiр стационарлық күйден екiншi стационарлық күйге өткен кезде ғана болады. Ал шығарылған немесе жұтылған сәуленiң жиiлiгi мына шарттан анықталады
hv=En- Em
Мұндағы En және En осы стационар күйлердiң энергиясы, ал h – Планк тұрақтысы.
Атомдардың энергетикалық күйлерiн энергия деңгейлерi арқылы белгiлеп, сәуле шығару және жұту үрдiстерiн көрнектi түрде көрсету ыңғайлы.
§ 7.3 Франк және Герцтiң тәжiрибелерi
Сутегi атомы үшiн есептелген спектрлердiң тәжiрибе нәтижесiмен сәйкес келуi Бор теориясының үлкен табысы едi. Бiрақ бұл әлi де стационар күйлердiң болатындығының, атом энергиясының квантталатынының айқын дәлелi емес-тiн. Атомның энергетикалық күйiнiң дискреттi болатынын алғаш рет дәлелдеген тәжiрибе – Дж.Франк және Г.Герц тәжiрибесi. 1913 жылы орындалған бұл тәжiрибеде электрондардың сынап атомынан шашырауы зерттелген болатын.
§ 7.4 Шығару және жұтылу спектрлерi. Спектр түрлерi. Спектр аппараты
Интерференция, дифракция және дисперсия тәрiздi құбылыстар кезiнде ақ жарықтың бiрнеше түске жiктелетiнi тәжiрибеден белгiлi. Дисперсия құбылысын пайдалана отырып, Ньютонның ақ жарықты жiктегенiн бiлемiз. Тәжiрибе жалпы спектрлердi мынадай бiрнеше топқа бөлуге болатынын көреттi : тұтас спектр, сызықтық сектр жiне жолақты спектрлер.
Тұтас спектрдi қатты дене, сұйық және сығылған газды жоғарғы температураға дейiн қыздырған кезде бередi. Тұтас спектр шартты түрде жетi түске бөлiнедi : қызыл, оранж, сары, жасыл, көгiлдiр, көк және күлгiн. Бұл түстердiң арасында айқын шекара жоқ. Бiр түс екiншi түске бiрте-бiрте өтедi. Спектрдiң тұтас болуы оның құрамында барлық толқын ұзындығындағы жарықтың бар екенiн көрсетедi. Бұлай болуының басты себебi жарық шығарып тұрған атомдар бiр бiрiмен күштi байланыста. Осы күштi байланыстың салдарынан әрбiр атом шығарған монохроматты жарықтар ұйытқып, бiр-бiрiмен тұтасып кетедi.
Сиретiлген газды жоғарғы температураға дейiн қыздырып, спектроскоп арқылы қарасақ жiңiшке сызықтардан тұратын спектрдi байқаймыз. Мұндай сызықтық спектрдiң байқалуы жарық шығарып тұрған зат осы сызықтарға сәйкес келетiн жиiлiктегi ғана жарықты шығарып тұрғанының дәлелi. Бұл спектрлердi газдың жекелеген атомдары шығарады. Газ жақсы сиретiлген болғандықтан оаның атомдары бiр-бiрiмен әсерлеспейдi десе де болады. Ал мұндай сызықтық спектрдiң болуы және бұл сызықтарға сәйкес келетiн жиiлiктiң мәнi Бордың теориясынан анықталады.
Егер жарық шығарып тұрған газдың тығыздығын бiрте-бiрте арттыратын болсақ, онда спектр сызықтарының енi бiрте-бiрте артып, тұтасып кетедi.
Тағы бiр байқалатын спектрдiң түрi жолақ спектрлер. Олар аралары бiр бiрiнен бөлiнген енi едәуiр үлкен жолақтардан тұрады. Ажыратқыштық қабiлетi жоғары спектроскоптың көмегiмен жеке жолақтарды бажайлап қарайтын болсақ, олардың өте тығыз орналасқан жеке сызықтардың жиынтығы екенiне көз жеткiзуге болады. Сызықтық спектрлердi жеке атомдар беретiн болса, жолақ спектрлердi бiр-бiрiмен байланыспаған немесе әлсiз байланысқан молекулалар туғызады.
7.3 - сурет
Осы кезге дейiнгi қарастырғанымыз жарықтың шығару спектрлерi (7.3 - сурет). Жарықты атомдар тек белгiлi жиiлiкте шығарып қана қоймайды, сонымен қатар осындай жиiлiктерде жұтады да. Мысалы ақ жарықты температурасы төмен, өзiнен жарық шығарып тұрмаған газ арқылы жiберетiн болсақ, жарықтың үздiксiз спектрiнiң бетiнде қара сызықтар пайда болады. Бұл жұтылу спектрлерi (7.4 - сурет).
7.4 - сурет
Сызықтық спектр оны шығарып тұрған атомның құрлысымен тiкелей байланысты. Ал әрбiр заттың атомы бiр-бiрiнен ерекше, олай болса әрбiр заттың беретiн спектрi де ерекше. Бұл белгiсiз заттың спектрiн зерттей отырып, оның химиялық құрамын анықтауға мүмкiндiк бередi. Бұл әдiстi спектрлiк сараптау деп атайды.
§ 7.5 Жарықтың кванттық көздерi. Лазерлер
ХХ ғасырдың екiншi жартысындағы физиканың iрi табыстарының бiрi оптикалық кванттық генератор, немесе басқаша айтқанда лазердiң ойлап табылуы. "Лазер" деген сөз ағылшынның "Light Amplificatoin by Stimulated Emission of Radiation" деген сөйлемiнiң алғашқы әрiптерiнен алынған (LASER). Бұл "мәжбүрленген сәуле шашудың көмегiмен жарықты күшейту" дегендi бiлдiредi. Мәжбүрленген сәуле шығару үрдiсi лазелердiң физикалық негiзi болып табылады.
Атомдардағы электрондардың бiр деңгейден екiншi деңгейге еркiн өткен кездегi сәуле шығаруын өз еркiмен немесе спонтанды сәуле шығару деп атайды. Атомдар бұл жағдайда сәуленi бiр-бiрiнен тәуелсiз шығаратын болғандықтан ол сәуле толқындары когеренттi болмайды.
1916 жылы А.Эйнштейн, атом электрондарының жоғарғы деңгейден төменгi деңгейге өте отырып өзiнен сәуле шығаруы бұл атомға сырттан әсер ететiн электромагниттiк өрiстiң әсерiнен де болу мүмкiндiгiн болжады. Мұндай сәуле шығаруды мәжбүрленген немесе индуцирленген сәуле шығару деп атайды.
Егер сыртқы өрiстiң жиiлiгi қозған атомның өзiндiк жиiлiгiмен сәйкес келсе, онда резонанстық эффекттiң салдарынан мәжбүрленген сәуле шығарудың ықтималдылығы күрт өседi. Яғни, жиiлiгi қозған атомның өзiндiк жиiлiгiмен дәл келетiн фотон осы атомның электронымен әсерлескен кезде ол атом қозған күйден төменгi энергетикалық күйге өтедi де бiр фотонның қасында жиiлiгi тура сондай екiншi фотон пайда болады. Бұл үрдiс бұдан әрi басқа атомдармен де қайталанып тасқынды түрде өтедi де жарық күрт күшейедi. Бұл жөнiнде мына жерден қарап көруге болады.
7.5 - сурет
Әдетте жарық зат арқылы өткен кезде заттағы негiзгi күйде тұрған атомдар жарықты жұтады да, қозған атомдар өзiнен мәжбүрленген сәуле шығарады. Сондықтан жарық зат арқылы өткен кезде күшею үшiн заттағы атомдардың тең жартысынан көбi қозған күйде болуы тиiс. Заттардың мұндай күйi - деңгейлерi инверсиялы қоныстанған күй деп аталады (inversio – латынша «төңкерiлген» деген ұғымды бiлдiредi). Атомдар әдетте қозған күйде өте аз, 10-9 – 10-7 с уақыт ғана болатындықтан деңгейлерi инверсиялы қоныстанған күйлердi алу оңай шаруа емес. Бiрақ кейбiр атомдардың қозған күйде ұзақ, шамамен 10-3 с бола алатын күйлерi болады. Ондай күйлердi метатұрақты күйлер деп атайды. Осындай метатұрақты күйлерi бар заттарды жарықты күшейтуге қолданады. Алғашқы лазерлер ретiнде рубиннiң кристаллдары пайдаланылды. Ондағы атомдарды қоздыру үшiн рубин бiлiктi сыртынан импульстi түрде жұмыс iстейтiн, спираль шаммен орады. Шам жарқ етiп жанған кездегi шыққан энергияны рубин атомдары жұтып, метатұрақты күйлерге өтедi. Атомдарды бұлай қоздыру оларды үрлеу деп аталады. Бүкiл қозған атомдардың сәуле шығаруы бар болғаны 10-8 – 10-10 с уақытқа созылады. Осы кездегi жарық сәулесiнiң қуаты өте үлкен 109 Вт-қа дейiн жетуi мүмкiн. Бұл үлкен электростанциялардың қуатынан да үлкен.
Лазер сәулесiнiң негiзгi қасиеттерi оның аса жоғарғы монохроматтылығы, шашырамайтын сәуле түрiнде алу мүмкiндiгi және аса қуаттылығы.
Бүгiнгi күнде кристаллдардағы лазерден өзгеше, газдағы және сұйықтардағы (бояғыштардағы) лазерлер жасалған. Бояғыштағы лазерлердiң ерекшелiгi, олардың шығаратын сәулелерiнiң жиiлiгiн кең ауқымда өзгертудiң мүмкiндiгi бар.
Лазерлер бүгiнгi күнде сан алуан салада қолданылады. Олар заттарды өңдеу, медицина және голография. Монохроматты когеренттi лазерлiк сәуленiң көмегiмен волоконды оптикада кабельдiк, телефондық және теледидарлық байланысты жүзеге асыруға болады. Тасымалдаушы жиiлiктiң аса жоғары (1013 – 1014 Гц) болуы бiр жарыққұбыры арқылы миллиардқа дейiнгi музыкалық хабарды немесе миллионға дейiнгi телехабарды бiрмезгiлде тасымалдауға мүмкiндiк бередi.
Бұл күндерi лазерлiк термоядролық синтездi жүзеге асыру мүмкiндiктерi зерттелуде.
§ 7.6 Зарядталған бөлшектердi бақылау мен тiркеудiң әдiстерi
Бөлшектердiң қасиеттерiн қарастырғанда олардың бiр-бiрiмен әсерлесу сипатын бiлудiң және осы әсерлесу кезiндегi олардың сан алуан түрленулерiн т.с.с. зерттеудiң маңызы зор. Ол үшiн бiз оларды тiркеп, әрi бақылай бiлуiмiз қажет. Сондықтан, ядролық физиканың туындылап, даму кезеңiнен бастап-ақ бөлшектердi тiркеп, оны бақылаудың әдiстерi де қалыптаса бастады. Бұл бағыттағы алғашқы қолданылған әдiстiң бiрi фотоэмульсия әдiсi. Радиоактивтiлiк құбылысының өзi ядролық сәулелердiң фотопластинкаға әсерi негiзiнде кездейсоқ ашылған болатын. Бұл әдiс күнi бүгiнге дейiн элементар бөлшектер физикасында, ғарыштық сәулелердi зерттеуде кеңiнен қолданылады. Әдiстiң мәнi мынада: зарядталған шапшаң бөлшек фотоэмульсияның қабаты арқылы өткен кезде өзi өткен траекторияның бойында көрiнбейтiн iз қалдырады да бұл iз фотопластинканы өңдегеннен соң айқын траектория түрiнде көрiнедi. Қалдырған iздiң қалыңдығы және ұзындығы арқылы бөлшектiң зарядын және энергиясын анықтаудың мүмкiндiгi бар.
7.6 - сурет
Тәжiрибелiк ядролық физиканың тамаша құралдарының бiр – Вильсон камерасы. Оның жұмыс iстеу принципi мынадай: Қақпағы әйнектен жасалған цилиндр тектес ыдыстың iшiнде спирттiң буымен қаныққан ауа бар. Егер поршендi тез қозғап, цилиндрдiң көлемiн кенет ұлғайтсақ, адиабаталық үрдiстiң салдарынан ондағы ауа мен бу салқындайды да аса қаныққан күйге өтедi. Егер дәл осы мезетте камера арқылы зарядталған бөлшек өтсе, оның қозғалысының бойындағы аса қаныққан бу бөлшектерi конденсацияланып, ұсақ тамшылар пайда болады. Ол тамшыларды трек деп атайды. Осы сәтте бүкiл камераны жарқ еткен жарықпен сәулелендiрсек, бұл тректер суреттiң қара фонындағы ақ жолақтар түрiнде көрiнедi (7.6-сурет). Дәл өлшеулер жүргiзу үшiн әдетте Вильсон камерасын тұрақты магнит өрiсiне орналастырады. Онда бұл өрiстiң салдарынан қозғалып бара жатқан зарядталған бөлшектердiң траекториясы қисаяды. Сыртқы магнит өрiсiнiң индукциясы белгiлi болған жағдайда бөлшек траекториясының қисықтық радиусын өлшеу арқылы оның массасы мен зарядын және энергиясын анықтаудың мүмкiндiгi бар.
7.7 - сурет
Зарядталған бөлшектердi бақылауға мүмкiндiк беретiн тағы бiр құрал – көпiршiктi камера. Көпiршiктi камераны температурадасы өзiнiң қайнау температурасына өте жақын тұрған сұйықпен толтырады. Мұндай сұйық ретiнде әдетте сұйылтылған сутегi, пропан, ксенон т.с.с қолданады. Камера арқылы зарядталған бөлшек өткен кезде ол өткен жолдың бойындағы сұйық бөлшектерiнiң температурасы кенет артып, қайнайды да бу көпiршiктерi пайда болады. Ал оны жоғарыдағы Вильсон камерасындағыдай жолмен суретке түсiрiп алуға болады (7.7-сурет). Көпiршiктi камерадағы сұйықтың тығыздығы Вильсон камерасындағы газдың тығыздығынан әлде қайда артық болғандықтан мұнда аса дәл өлшеулер жүргiзудiң мүмкiндiгi бар.
7.8 - сурет
Шапшаң зарядталған бөлшектер мен γ-кванттарды тiркеуде Гейгер-Мюллер есептегiштерi қолданылады (7.8-сурет). Ол iшi өте аз қысымдағы (шамамен 0,1 атм) газ қоспасымен, мысалы аргон мен метил спиртiнiң буының қоспасымен толтырылған цилиндр трубкадан тұрады. Цилиндрдiң ортасында одан изолятор арқылы оқшауланған жiңiшке сым бар. Бұл жiңiшке сым анодтың, ал цилиндрдiң корпусы катодтың ролiн атқарады. Анод пен катодтың арасына аса жоғары кернеу берiлген. Есептегiштiң жұмыс көлемi арқылы зарядталған бөлшек өткен кезде ол өз жолындағы газ бөлшектерiн иондайды да, пайда болған электрон мен оң ион жоғарғы кернеудiң салдарынан туындылаған өрiстiң әсерiнен сәйкес анод пен катодқа қарата үдей қозғалады. Бұл бөлшектер өз кезегiнде жолында кездескен газдың басқа атомдарын иондайды, сөйтiп бұл үрдiс тасқынды сипат алады. Иондалған бөлшектер тасқыны анод пен катодқа келiп жеткенда тiзбек өте аз уақытқа тұйықталады да, бөлшек тiркеледi.
7.9 - сурет
Ядролық сәуле шашудың кез-келген түрiн тiркеу үшiн иондаушы камералар қолданылады (7.9-сурет). Иондаушы камераның жұмыс iстеу принципi Гейгер-Мюллер есептегiштерiнiң жұмыс iстеу принципiне ұқсас. Мұнда тек анод пен катодтың арасына берiлетiн кернеудiң шамасы аса үлкен емес. Сондықтан тiзбекте пайда болатын токтың шамасы аса аз. Оны арнайы күшейткiштердiң көмегiмен өлшеп, иондаушы бөлшектердiң қарқыны жөнiнде баға беруге болады.
§ 7.7 Табиғи радиоактивтiлiк. α, β, γ – сәуле шығару
Құрамындағы протондар мен нейтрондардың саны әртүрлi болғанымен олардың қосындысы, яғни нуклондардың саны бiрдей болатын ядролар изобаралар деп аталады. Мысалы нуклондарының саны 10-ға тең болатын изобаралар мыналар : , және . Тәжiрибе, негiзiнен бiр массалық санға сәйкес келетiн бiрнеше изобарлардың тек бiреуi ғана орнықты болатынын көрсетедi. Мысалы жоғарыдағы изобарлардың iшiнен тек ғана орнықты. Атом ядросының орнықтылығын анықтайтын принцип мынау : ядро орнықты болу үшiн оның энергиясы осы ядро өз еркiнше өзгере алатын басқа барлық ядролардың энергиясынан аз болуы тиiс.
Изобарлардың энергиясының әртүрлi болуы протон мен нейтронның массаларының әртүрлi болуымен және протонның электр заряды болуымен түсiндiрiледi. Мұндай энергиясы жоғары орнықсыз ядро өзiндегi артық энергиядан басқа орнықты ядроларға ыдырау арқылы немесе өз зарядын бiр бiрлiкке өзгерту арқылы құтылады. Орнықсыз ядролардың осылай өз бетiнше басқа ядроға өзгеруi радиоактивтiлiк деп аталады. Табиғатта кездесетiн изотоптардың радиоактивтiлiгi табиғи радиоактивтiлiк деп аталады. Ал зертханада ядролық реакцияның көмегiмен алынған изотоптардың радиоактивтiлiгiн жасанды радиоактивтiлiк деп атайды. Радиоактивтiлiктi табиғи және жасанды деп бөлу тек шартты түрде, олардың бiр-бiрiнен принципиальдi айырмашылығы жоқ. Мұндай түрленулердiң мысалы α-ыдырау және β-ыдырау болып табылады.
Альфа-ыдырау деп берiлген ядроның өз еркiмен альфа-бөлшекке және ядро-қалдыққа мына түрдегi түрленуiн айтады
Альфа-ыдырау кезiнде ыдырайтын (аналық) ядроның заряды екiге, ал массалық саны төртке кемидi. Тәжiрибе Zi82 болатын барлық ядролардың альфа-радиоактивтi екенiн көрсетедi. Мұның бiр мысалы ядросы. Бұл ядроның альфа ыдырауының нәтижесiнде альфа бөлшектi және торий ядросының изотопын аламыз
Бұл ыдыраудың нәтижесiнде альфа-бөлшектiң кинетикалық энергиясы 4,18 МэВ, ал сәйкес торий изотопының кинетикалық энергиясы 0,07 МэВ болады.
Альфа-ыдыраудың механизмiн классикалық физика түсiндiре алмайды. Классикалық көзқарас тұрғысынан альфа-бөлшек ядродан бөлiнiп шығу үшiн ядролық тартылыс күшiне қарсы жұмыс жасауы қажет. Ал бiрақ шындығында мұндай жұмыс жасалынбайды. Бұлай болуының себебi кванттық механикадағы бөлшектiң толқындық қасиетiмен байланысқан туннельдiк құбылыс арқылы түсiндiрiледi.
Бета-ыдыраудың үш түрiн ажыратады. Олар электрондық, позитрондық және К-қармау бета-ыдыраулары. Электрондық бета-ыдырау кезiнде ядро өз бетiнше зарядын бiр бiрлiкке арттыра отырып өзiнен электронды ұшырып шығарады. Бұл құбылыстың негiзiнде протон мен нейтронның бiр-бiрiне айнала алатын қасиетi жатыр. Бос нейтронның массасы бос протон мен электронның массаларының қосындысынан үлкен. Сондықтан энергетикалық тұрғыдан мұндай ыдырау тиым салынбаған. Тәжiрибе нәтижелерiн терең талдау бұл ыдырау кезiнде протон мен электронмен қатар заряды мен массалық саны нөлге тең тағы бiр бөлшек бөлiнетiнiн көреттi. Э.Фермидiң ұсынысы бойынша нейтрино деп аталған бұл бөлшектi 1956 жылы тәжiрибеден байқады. Сонымен нейтронның ыдырау реакциясы
мұндағы - электрондық антинейтрино.
Ядроның байланыс энергиясының болуынан ядро құрамындағы протондар мен нейтрондардың массасы бұл бөлшектiң бос күйiндегi массасынан негiзiнен аз екенi шығады. Осы себептен де ядро құрамындағы барлық нейтрондар бiрдей бета-ыдырауға түсiп кетпейдi. Тек энергиясы жоғары кейбiр ядроларда ғана мұндай түрлену энергетикалық тұрғыдан мүмкiн болады. Мұндай ядроларды бета-радиоактивтi ядролар деп атайды. Бета-ыдырау кезiнде ядродағы нуклондардың саны өзгермей қалатын болғандықтан ядроның массалық саны өзгерiссiз қалады.
Массасы нейтронның массасынан аз болғандықтан бос протон орнықты. Бiрақядродағы протонның массасы кванттық механиканың анықталмағандық принципiне сәйкес кейбiр сәтте нейтронның массасынан артық болып кетуi де мүмкiн. Бұл жағдайда мына түрде
позитрондық бета-ыдырау жүзеге асады.
Ал К-қармау немесе электрондық қармау кезiнде атомның К-қабатындағы электронның бiрi ядроға жұтылады.
Ал γ - сәуле шығару радиоактивтiлiктiң дербес түрi болып табылмайды. Әдетте γ - сәуле шығару альфа- және бета-ыдыраумен қатар жүредi.Бұл ыдыраулардың нәтижесiнде алынған еншiлес ядро әдетте қозған күйде болады. Ал ол қозған күйден негiзгi күйiне өткен кезде қозған күйден негiзгi күйге өткен том тәрiздi өзiнен γ - сәуле шығарады. Бiрақ бұл γ-кванттардың энергиясы атом шығаратын γ-кванттардың энергиясынан әлде қайда үлкен болады.
§ 7.8 Радиоактивтiлiк ыдырау заңы. Ығысу ережесi
Радиоактивтi ыдырау заңы деп радиоактивтi ядролардың санының уақыт бойынша өзгеру заңдылығын айтады. Бұл заңды оңай анықтауға болады. Шындығында, егер қандай да бiр уақыт мезетiнде радиоактивтi ядролардың саны N болса онда dt уақыт аралығында ыдырайтын ядролардың саны dN мынаған тең болады
dN=-λN•dt
мұндағы минус таңбасы dN – дi ыдырамаған ядролардың өсiмшесi ретiнде қарастырумен байланысты. Ал λ, радиоактивтi ядроның бiрлiк уақыт аралығында ыдырау ықтималдылығы. Оны әдетте ыдырау тұрақтысы деп атайды. Бұл өрнектi интегралдай отырып
lnN =-λt + const
аламыз. Бастапқы t=0 уақыт мезетiндегi ыдырамаған радиоактивтi ядролардың санын N0 деп белгiлей отырып, const = lnN0 екенiн аламыз. Онда
N =N0 e-λt
Мiне, осы өрнек радиоактивтi ыдырау заңы болып табылады (7.10 - сурет).
Бастапқы радиоактивтi ядролардың жартысы ыдырайтын уақытты жартылайыдырау периоды деп атап, Т1/2 әрiпiмен белгiлейдi. Онда бұл анықтамадан
ал бұдан
7.10 - сурет
Бүгiнгi күнге дейiнгi белгiлi радиоактивтi ядролардың жартылайыдырау периоды 3•10-7 с-тан 5•1015 жылға дейiнгi аралықтағы мәнге ие.
Радиоактивтi заттың активтiлiгi деп бiрлiк уақыт аралығында болатын ыдыраудың санын айтады, яғни
Бұл жерден активтiлiктiң радиоактитi ядролардың санына пропорционал, ал жартылайыдраудың периодына керi пропорционал екенi көрiнiп тұр.
Активтiлiктiң халықаралық бiрлiктер жүйесiндегi бiрлiгi беккерель (Бк). Беккерель деп 1 с iшiнде бiр ыдырау жасайтын радиоактивтi заттың активтiлiгi алынған. Нақтылы өмiрде активтiлiктiң кюри (Ки) деп аталатын бiрлiгi жиi қолданылады. Кюри ретiнде 1 с аралығында 3,7•1010 ыдырау жасайтын радиоакивтi заттың активтiлiгi алынған.
§ 7.9 Атом ядросының құрылысы. Атом ядроларының байланыс энергиясы
Кез-келген химиялық элементтiң атомының ядросы оң зарядталған протоннан және заряды жоқ нейтроннан тұрады. Протонның заряды абсолют шамасы жағынан электронның зарядына тең. Протон мен нейтрон нуклон деп аталатын ядролық бөлшектiң әртүрлi зарядтық күйi болып табылады. Ядродағы протондардың саны Z, Менделеевтiң периодтық жүйесiндегi химиялық элементтiң атомдық нөмiрiмен сәйкес. Ядродағы нейтрондадың саны N деп белгiленедi. 11Н және 32Не ядроларынан басқа барлық ядролар үшiн N≥Z. Менделеевтың периодтық таблицасының бiрiншi жартысында тұрған жеңiл элементтер үшiн N≈Z, ал екiншi жартысындағы элементтерде нейтронның саны артықтау N≈1,6•Z.
Ядроның массалық саны деп A=N+Z болатын нуклондардың жалпы санын айтады. Ядроны әдетте мынадай символмен белгiлейдi. Зарядтарының саны бiрдей, ал массалық саны әртұрлi ядроларды изотоптар деп атайды. Изотоптардағы протонның саны бiрдей болады да, нейтронның саны әртүрлi болады. Мысалы сутегiнiң изотоптары: , (немесе -дейтерий), (немесе - тритий); гелийдiң изотоптары: , ; уранның изотоптары: , . Бүгiнгi күнi барлық химиялық элементтердiң үшжүзге жақын орнықты, ал екi мыңға жақын орнықсыз (радиоактивтi) изотоптары белгiлi.
Электронның массасы протонның массасынан 1836 есе кiшi болғандықтан ядроның массасы атомның массасымен бiрдей десе де болады. Элементар бөлшектердiң массасын әдетте массаның атомдық бiрлiгi (м.а.б) деп аталатын жүйеден тыс бiрлiкпен өлшейдi. 1 м.а.б. ретiнде сутегiнiң изотопының массасының 1/12 бөлiгi алынған.
Ядро сонымен қатар өзiндiк қозғалыс мөлшерi моментiмен - спинiмен сипатталады. Ядроның спинi нуклондардың спиндерi арқылы анықталады. Әрбiр нуклонның спинi ħ/2-ге тең. Жұп нуклоннан тұратын ядроның спинi (ħ бiрлiгiнде) бүтiн санға немесе нөлге тең. Ал тақ нуклоннан тұратын ядроның спинi (ħ бiрлiгiнде) жартылай бүтiн санға тең.
Атом ядросы алып тұрған көлемнiң айқын шекарасы жоқ. Бұл нуклондардың толқындық қасиетiмен байланысты. Сондықтан ядроның өлшемдерiн шартты түрде анықтайды. Ядроның көлемi нуклонның сандарына пропорционал. Сондықтан ядроны радиусы R-ға тең сфера деп есептеп, оның радиусын әдетте мынадай эмпириялық өрнекпен анықтайды
R=R0A1/3 мұндағы R0 =(1,3 - 1,7)•10-15 м
Ядроның өлшемдерi өте аз болғандықтан ондағы протондардың кулондық тебiлу күшi өте үлкен болады. Мысалы құрамында 82 протоны бар қоғасынның ядросындағы протондардың тебiлу күшi бiрнеше мың ньтонға жетедi. Бiрақ ядро бұл тебiлу күшiнiң салдарынан бөлшектенiп кетпейдi. Бұл протондар мен нетрондардың арасында кулондық күштен де күштi тартылу күшiнiң бар екенiн көрсетедi. Бұл күштердi ядролық күштер деп, ал бұл күштердiң арқасында әсерлесудi пәрмендi әсерлесу деп атайды. Протон мен нейтронның пәрмендi әсерлесу тұрғысынан алғанда ешқандай айырмашылығы жоқ сондықтан оларды ядролық физикада нуклон деген бiр бөлшек ретiнде қарастырады.
Ядролық күштер өте аз аралықта әсер ететiн күштер болып табылады. Ол 10-15 м-ге дейiнгi аралықта әсер етедi де одан тысқары жерде өте тез кемiп кетедi.
Масс-спектрограф деп аталатын құралдардың көмегiмен ядроның массасын өлшеу кез-келген Z протоннан және N нейтроннан тұратын ядроның массасы бос жүрген Z протон мен N нейтронның массаларының қосындысынан аз екенiн көрсеттi. Ал масса мен энергия арасындағы байланысты ескерсек бос протондар мен нейтрондардың энергияларының қосындысы олардан құралған ядроның энергиясынан артық екенi шығады. Олай болса, ядроны оны құрайтын бөлшектерге ажырату үшiн осы энергиялардың айырымына тең энергия жұмсау керек. Мұндай энергияны DЕбай ядроның байланыс энергиясы деп атайды.
ΔEбай =Zmp c2 +Nmn c2 -mя с2 =Δmc2
мұндағы Δm=Zmp+Nmn-mя массалар ақауы деп аталады. Ядродағы бiр нуклонға келетiн орташа байланыс энергиясын Δεбай деп белгiлеп, ядроның меншiктi байланыс энергиясы деп атайды.
Резерфорд тәжiрибелерiнен атомның өлшемдерi өте кiшi ядродан және оны қоршаған электрондық бұлттан тұратыны анықталды. Ендi физиктердiң алдында жаңа физикалық нысанды, атом ядросының құрылымы мен қасетiн зертеу мәселесi туды. Атом ядросының негiзгi сипаттамасының бiрi оның заряды. Ядроның зарядын өлшеу оның мәнi элементар зарядты сәйкес химиялық элементтiң реттiк номерiне көбейткенге тең екенiн, яғни q=Ze екенiн көрсеттi.
§ 7.10 Уран ядросының бөлiнуi. Ядролық реакцияда энергияның бөлiнуi
Бөлшектердiң атом ядросымен әсерлесуiнiң нәтижесiнде оны басқа ядро мен бөлшекке өзгертуi ядролық реакция деп аталады. Ядролық реакцияны символдық түрде былайша жазады A+a->B+b немесе A(a,b)B. Ядролық реакция кейбiр жағдайда бiрмәндi болып өтпейдi, яғни A+a->B+b схемасымен қатар A+a->C+c схемасы да жүзеге асуы мүмкiн. Реакцияның мүмкiн болатын жолдары оның каналдары деп аталады.
Ядролық реакция кезiнде толық заряд және нуклондар саны сақталады. Сонымен қатар бұл кезде энергияның, импульстiң және импульс моментiнiң сақталу заңы орындалады.
Ядролық реакциялар энергия бөлiне немесе жұтыла отырып өтуi мүмкiн. Бұл жағдайлардың қайсысының жүзеге асатынын реакцияға түсетiн және реакциядан шығатын бөлшектердiң массаларының айырымын бiле отырып өө өрнегiнен есептеп табуға болады.
Әртүрлi ядролық реакциялардың iшiнде кейбiр ауыр ядролардың бөлiну реакциясының маңызы ерекше. Ауыр ядролар ондағы нейтронның ара салмағы үлкен болғандықтан орнықсыз болып келедi. Бұл ауыр ядролардың меншiктi байланыс энергиясының орташа ядролармен салыстырғанда аз болатынан көрiнiп түр. Сондықтан мұндай ядроларға тағы бiр нейтрон келiп қосылса ол бөлшектенiп кетедi. Осының бiр мысалы, уран ядросының нейтрондармен атқылаған кезде бөлiну реакциясы алғаш рет 1939 жылы ашылған болатын. Бастапқы ядрода нейтрондар артық болғандықтан реакция кезiнде бөлшектенген ядролармен қатар бiрнеше нейтрон да ұшып шығады. Мысалы уран бөлшектенген кезде бiр бөлшектену актiсiнде 2-3 нейтрон бөлiнедi. Егер дұрыс жағдай болса бұл нейтрондар уранның басқа ядроларына барып түсiп, оларды бөлшектейдi. Сөйтiп бұл үрдiс тасқынды түрде күрт өседi. Бұлай жалғасқан реакцияны тiзбектi реакция деп атайды.
Тiзбектi реакцияны нақтылы жүзеге асыру оңай шаруа емес. Уранның бөлшектенуi кезiнде бөлiнетiн нейтрондар тек уранның 235 изотопын ғана бөлшектей алады. Оның энергиясы 238 изотопты бөлшектеуге жеткiлiксiз. Ал табиғи уранда 238 уранның үлесi 99,3% те 235 уранның үлесi бар болғаны 0,7%. Сондықтан бiрiншiден тiзбектi реакцияны жүзеге асыру үшiн 235 уранды таза түрде бөлiп алу қажет. Екiншiден оның мөлшерi жеткiлiктi болуы тиiс, себебi оның мөлшерi аз болса реакция кезiнде туындылайтын нейтрондар уран ядроларына жолықпай тысқары шығып кетедi. Тiзбектi реакция басталатын ең аз массасын критикалық масса деп атайды. Мысалы 235 уран үшiн оның мәнi бiрнеше ондаған килограмм. Тiзбектi реакция кезiнде орасан көп энергия бөлiнедi. Уранның температурасы миллиондаған градусқа көтерiлiп, пайда болған от шар маңындағының бәрiн күйдiрiп, қиратады.
Уранның бiр ядросы бөлшектенген кезiнде 200 МэВ-қа жуық энергия бөлiнедi. Оның 165 МэВ-қа жуығы реакциядан шығатын бөлшектердiң кинетикалық энергиясы түрiнде болады да қалғаны таза гамма-кванттардың энергиясы болады. Осы энергияны бiле отырып 1 кг уран бөлшектенгенде бөлiнетiн энергияны есептеп табуға болады, ол 80 миллиард джоулға тең. Ол 1 кг көмiр немесе мұнай жаққан кезде бөлiнетiн энергиядан бiрнеше миллион есе артық. Сондықтан ядролық энергияны пайдалану өте тиiмдi.
§ 7.11 Ядролық реактор. Термоядролық реакциялар
Ядролық жарылыстың энергиясын бейбiт мақсатта қолдану мүмкiн емес. Сондықтан ядролық реакция кезiнде бөлiнетiн энергияны пайдалана алу үшiн тiзбектi реакцияны еркiмiзше басқара алатындай болуымыз қажет. Мұндай басқарылатын тiзбектi реакцияны ядролық реакторлар немесе атомдық қазандықтар деп аталатын қондырғыда жүзеге асырады. Ядролық реактордың жұмыс iстеу принципiн мына жерден қарап көруге болады. Реактордың негiзгi элементтерi: ядролық отын, нейтрондарды шағылдырғыш және баяулатқыш, реакторда бөлiнетiн жылуды тасымалдағыш, тiзбектi реакцияның жылдамдығын реттегiш. Реакторлар шабан және шапшаң нейтрондармен жұмыс iстейтiн реакторлар болып бөлiнедi. Алғашқы жасалған реактор шабан нейтрондарды қолданатын реактор. Уран ядросы бөлшектенгенде бөлiнетiн нейтрондардың энергиясы шамамен 1-2 МэВ. Сәйкес олардың жылдамдықтары 107 м/с, сондықтан оларды шапшаң нейтрондар деп атайды. Мұндай энергиядағы нейтрондар 235U және 238U ядроларымен бiрдей қарқындылықпен әсерлеседi. Ал табиғи уранда 235U уранның ара салмағы аз болғандықтан нейтрондар негiзiнен 238U уранмен әсерлеседi де тiзбектi реакция жүзеге аспайды. Ал жылулық қозғалыстың жылдамдығындай (шамамен 2•103 мӨс) жылдамдықпен қозғалатын нейтрондар шабан немесе жылулық нейтрондар деп аталады. Жылулық нейтрондарды 235U ядросы шапшаң нейтрондарға қарағанда 500 есе қарқындырақ жұтады. Сондықтан табиғи уранды шабан нейтрондармен сәулелендiргенде оның көп бөлiгi 238U ядросымен емес 235U ядросына жұтылады. Сондықтан тiзбектi реакцияны жүзеге асыру үшiн нейтрондарды баяулату қажет.
Реактордағы нейтрондардың жылдамдығын төмендету үшiн баяулатқыштар деп аталатын заттар қолданылады. Нейтрондарды қарқынды баяулату үшiн баяулатқыштың атомының массасы нейтрон массасымен шамалас болуы керек. Әдетте баяулатқыш ретiнде кәдiмгi немесе ауыр суды және графиттi пайдаланады.
Тiзбектi реакция өтiп жатқан кеңiстiктi активтi аймақ деп атайды. Активтi аймақтан нейтрондардың шығып кетпеуiн қамтамасыз ету үшiн оны нейтрон шағылдырғыштармен қаптайды. Берилий жақсы нейтрон шағылдырғыш болып табылады.
Реакторды басқару арнайы жасалған басқару бiлiктерi арқылы жүзеге асады. Басқару бiлiктерi жылулық нейтрондарды қарқынды жұтатын бор мен кадмийдiң қоспаларынан жасалады.
Егер ядролық отын ретiнде уранның 235U изотопымен едәуiр байытылған отын пайдаланылатын болса, реактор шапшаң нейтрондармен де жұмыс iстей алады. Бұл шапшаң нейтрондардың 238U ядросымен әсерлесуiнiң нәтижесiнде мынадай реакция тiзбегi жүзеге асады
Яғни уранның 238U изотопы шапшаң нейтрондарды жұтудың нәтижесiнде плутонийдiң 239Pu изотопына айналады. Ал бұл изотоп нейтрондармен әсерлесу тұрғысынан уранның 235U изотопына өте ұқсас. Сонымен шапшаң нейтрондарға арналған реактор тек 235U изотопымен тiзбектi реакцияны жүргiзiп қана қоймайды, сонымен қатар аса арзан және табиғатта кең тараған 238U изотопынан жаңа ядролық отын 239Pu алуға мүмкiндiк бередi.
Энергия тек ауыр ядролар бөлiнген кезде ғана емес, сонымен қатар аса жеңiл ядролар бiрiккен кезде де бөлiнедi. Бұлай болуының принципиальды мүмкiндiгi меншiктi байланыс энергиясының жеңiл ядролар үшiн артып, ауыр ядролар үшiн кемуiмен байланысады. Жеңiл ядролардың бiрiгiунiң (синтезiнiң) салдарынан энергияның бөлiнуiнiң мына жерде келтiрiлген. Бұл термоядролық реакцияның мысалы болып табылады.
§ 7.12 Радиоактивтi сәулелердiң биологиялық әсерi. Биологиялық қорғаныс
Радиоактивтi сәулелер өздерi түскен затқа, әсiресе тiрi тканьга өте күштi әсер етедi. Радиоактивтi сәулелердiң организмге әсерi оларда бос химиялық радикалдардың пайда болуымен және клеткадағы мутациямен байланысты. Ал бұл өте қатерлi. Ол сәуле ауруына немесе қатерлi iсiкке алып келуi мүмкiн. Иондаушы сәулелердiң әсерi сәулелену дозасы деп аталатын ерекше шамамен бағаланады.
Сәулелену дозасы D деп сәулелену энергиясының сәулеленген дененiң массасына қатынасын айтады. Доза бiрлiгi ретiнде грей деп аталатын шама алынады. Грей деп массасы 1 кг денеге 1 Дж энергия түскен кезде, шамасы сол затқа жұтылған энергияға тең болатын шаманы айтады.
Жұтылған сәуле дозасының сәулелену уақытына қатынасын сәулелену дозасының қуаты деп атайды.
Иондаушы сәулелердiң кез-келген затқа әсерi бәрiнен бұрын атомдар мен молекулалардың иондалуымен анықталады. Сондықтан иондаушы сәулеленiң сандық өлшемi ретiнде экспозициялану дозасы деп аталатын шаманы алады. Ол иондаушы сәуленiң ауаға әсерiмен анықталады, яғни экспозициялану дозасы деп ауаны фотондармен сәулелендiру кезiнде құрғақ ауада туындылайтын бiртектi зарядтардың сол ауа массасына қатынасын айтады.
X=q/M
Күнi бүгiнге дейiн экспозициялау дозасының рентген деп аталатын жүйеден тыс бiрлiгi қолданылады. 1 Р = 2,58•10-4 Кл/кг
Жұтылған доза мөлшерi бiрдей болғанымен әртүрлi сәулелердiң биологиялық әсерi әртүрлi болады. Мысалы альфа-сәуленiң 1Гр-нiң тiрi организмге әсерi гамма-сәуленiң 20 Гр-нiң әсерiндей болады. Әртүрлi сәулелердiң әртүрлi биологиялық әсерi k - сапа коэффициентiмен сипатталады. Жұтылған дозаның сапа коэффициентiне көбейтiндiсi эквиваленттi доза Н деп аталады. H=D• k. Эквиваленттi дозаның өлшем бiрлiгi зиверт (Зв).
Жоғарыда айтқанымыздай радиоактивтi сәулелердiң тiрi организмге әсерi клеткадағы атомдар мен молекулаларды иондауымен байланысты. Бұл сәуленiң тiрi клеткаға әсерiнiң бiр қатерлi салдары осы клетканың бөлiну арқылы жаңа клетка пайда болу функциясының бұзылуы. Қатердiң кебiр белгiлерi сәулелене салысымен бiлiнсе, кейбiрi бiраз уақыттан соң ғана белгi бередi.Мысалы сәуле әсерiне ұшыраған адам лейкоздан орташа алғанда 10 жылдан кейiн қайтыс болады. Iсiк ауруына шалдығудың ықтималдылығы алған дозаның мөлшерiне пропорционал.
Иондаушы сәулелердiң биологиялық әсерi және олардың адам өмiрiне қауiпсiз дозасы жөнiндегi мәселе Жер бетiнде иондаушы радиацияның табиғи фонының болуымен байланысты. Бұл радиация Жер бетiнде саналы өмiр қалыптаспай тұрып та болған. Бүкiл өмiр эволюциясы осы табиғи радиация фонында қалыптасты. Сондықтар табиғи фон деңгейiндегi радиация адам өмiрiне ешқандай қауiп тудырмайды. Радиацияның табиғи фоны бiр жағынан Жер қыртысындағы радиоактивтi элементтердiң ыдырауымен екiншi жағынан ғарыштан келетiн сәулелермен байланысты. Сонымен қатар радиация деңгейiнiң артуына ядролық жарылыстардың да әсерi мол.
Кейбiр мамандық иелерi өз кәсiбiне байланысты табиғи фонға қосымша сәуле әсерiне ұшырайды. Олар, мысалы, рентгенолог-дәрiгерлер, атом станцияларының қызметкерлерi, ғарышкерлер, ғалым-физиктер т.с.с. Сондықтан, сәулеленудiң адам өмiрiне қауiпсiз деңгейiн анықтау қажет болатын. Оның мәнi бiр жыл үшiн 50 мЗв-ға тең.
§ 7.13 Элементар бөлшектер. Бөлшектер мен электромагниттiк сәулелердiң өзара түрленуi
Физиканың даму барысында элементар бөлшектер ұғымы бiраз өзгерiске ұшырады. Алғашқы кезде элементар деп iшкi құрылымы жоқ, басқа құрамдас бөлiктерге ыдырамайтын бөлшектердi түсiндi. Бүгiнгi күннiң түсiнiгi бойынша элементар бөлшектерден олардың iшкi құрылымының болмауы талап етiлмейдi. Элементар бөлшектер деп, физика ғылымының қазiргi даму дәрежесiнде бос күйiнде кездесетiн қарапайым бөлшектерден тұрады деп есептеуге болмайтын бөлшектердi айтады. Элементар бөлшектердi кейде субъядролық бөлшектер деп те атайды.
Қазiргi заманның элементар бөлшектер физикасы осы бөлшектердiң қасиеттерiн анықтайды, оларды классификациялайды, iргелi әсерлесудiң қасиеттерiн зерттейдi және осы әсердiң салдарынан олардың бiр бiрiне ауысуларын зерттейдi. Соңғы кездерi элементар бөлшектердiң iшкi құрылымдары да кеңiнен зерттелуде.Бұл бөлшектердiң көптеген ерекшелiктерi, соның iшiнде iшкi құрылымы тек жеткiлiктi жоғарғы энергияда ғана көрiнiс табады. Сондықтан элементар бөлшектер физикасын жоғарғы энергия физикасы деп те атайды.
Кейбiр элементар бөлшектер табиғатта бос немесе босаң байланысқан күйде кездеседi. Бiздi қоршаған дүние негiзiнен осы бөлшектерден құралған. Мұндай бөлшектердiң қатарына ядро құрамына кiретiн протондар және нейтрондар, атомның қабыршығын құрайтын электрондар, электромагниттiк өрiстiң кванттары болып табылатын фотондар (γ-кванттар) жатады. Сәл кейiнiрек ядроның β-ыдырауы кезiнде туатын νe нейтрино және антинейтрино, ядролық әсерлесудiң тасымалдаушылары болып табылатын пи-мезондар ( π+ , π0 , π-) ашылды. Бұдан әрi осы бөлшектердiң антибөлшектерi ашылды
Уақыт өте келе элементар бөлшектердiң саны күрт өстi. Бүгiнгi күнде олардың жалпы саны антибөлшектерiн қоса есептегенде 350 ден асып түседi. Бiрақ олардың аса көп бөлiгi орнықсыз бөлшектер. Олар табиғатта бос күйiнде кездеспейдi. Оларды тек арнайы зертханаларда үлкен жылдамдықтағы орнықты бөлшектердi соқтығыстыру арқылы алады. Осылай туындылаған орнықсыз бөлшектер тез арада ыдырап кетедi де ақырында орнықты бөлшектер пайда болады.
Бөлшек пен антибөлшек кездесетiн болса жойылып, екi кейде үш фотонға айналады. Бұл құбылысты аннигиляция деп атайды. Мысалы электрон мен оның антибөлшегi позитрон кездескен кезде мынадай түрлену болады
Бұл үрдiс кезiнде электр зарядының, энергияның, импульстiң және импульс моментiнiң сақталу заңы орындалады. 1933 жылы Ф. и И.Жолио-Кюри керi процесс – атом ядросының маңындағы гамма кванттан электрон-позитронның тууын
байқады. Энергияның сақталу заңы бойынша мұндай гамма-кванттың энергиясы электрон мен позитронның тыныштық энергияларының қосындысынан артық болуы керек.
Антибөлшектерден атом құралуы мүмкiн. Мысалы антисутегiнiң атомында терiс зарядталған антипротонның маңында оң зардталған позитрон қозғалып жүредi.
Элементар бөлшектердiң кестесiнде өмiр сүру 10-20с-тан артық болатын элементар бөлшектер жөнiнде деректер келтiрiлген. Ол жердегi бөлшектер олардың массаларының өсу ретiмен келтiрiлген. Мұндағы жеңiл бөлшектер лептондар, ал одан ауырырақтары мезондар, ал ең ауырлары бариондар деп аталады. Мезондар мен бариондар адрондар деп аталатын топқа кiредi. Бұл кестедегi топтардың еш қайсысына кiрмейтiн фотон ерекше тұр.
Табиғаттағы барлық заттар, бөлшектер бiр-бiрiмен әсерлеседi. Бiр қарағанда осындай сан-алуан болып келетiн әсерлесулер негiзiнен iргелi әсерлесу теп аталатын төрт түрлi әсерлесудiң нақтылы жағдайда көрiнiс табуы болып табылады. Iргелi әсерлесуге гравитациялық, электромагниттiк, күштi және әлсiз әсерлесулер жатады.
Гравитациялық әсерлесу 1687 жылы И.Ньютон ашқан бүкiл әлемдiк тартылыс заңымен анықталады. Гравитацилық күштер кез-келген денелердiң арасында әсер етедi. Бiрақ массалары өте аз болғандықтан элементар бөлшектердiң арасында бұл күш ешқандай роль атқармайды. Бұл күш аспан механикасында, астрофизикада шешушi роль атқарады.
Кез-келген зарядталған дене немесе бөлшек электромагниттiк әсерлесуге қатысады. Атомдардың, молекулалардың кристаллдардың болуы газ, сұйық және қатты денелердiң қасиеттерi осы күштiң негiзiнде анықталады.
Күштi әсерлесу мезондар мен бариондарға, яғни адрондарға тән. Лептондар мен фотон күштi әсерлесуге қатыспайды. Ол қысқа аралықта ғана, шамамен 10-15м, әсер етедi. Бұл аралықтағы оның мәнi гравитациялық және электромагниттiк күштермен салыстырғанда өте үлкен.
Әлсiз әсерлесуге фотоннан басқа кез-келген бөлшек қатысады. Бұл күштердiң әсер ету аймағы 10-18м. Әлсiз әсерлесудiң мысалдары нейтронның, мюонның және зарядталған пиондардың төмендегi ыдыраулары
Қазiргi заман физикасының ең күштi теориялары кванттық механикада, кванттық электродинамика мен кванттық хромодинамикада бөлшектердiң өзара әсерлесуi олардың арасында болатын бөлшек алмасу арқылы түсiндiрiледi. Осы тұрғыдан алғанда электромагниттiк әсерлесу ол бөлшектер арасында фотонның алмасуы арқылы, ядролық күштер нуклонның арасында пи-мезондардың, ал жалпы күштi әсерлесу бұл өрiстiң кванттары глюондардың алмасуы, әлсiз әсерлесу өте ауыр бөлшектер W+, W- және Z0 векторлық мезондардың алмасуы арқылы түсiндiрiледi.
Ендi элементар бөлшектерге қысқаша шолу жасай кетелiк. Лептондар – жоғарыда айтқанымыздай, күштi әсерлесуге қатыспайтын бөлшектер. Олардың қатарына жататындар : электрон e-, электрон нейтриносы νe, мюон μ-, мюон нейтриносы νμ, таон τ- және таон нейтриносы ντ. Әрине барлық лептондардың антибөлшектерi бар. Нейтринолардың массасының неге тең екендiгi жөнiндегi мәселе бүгiнгi күнге дейiн шешiмiн тапқан жоқ.
Элементар бөлшектердiң ең көп тараған тобы адрондар. Адрондар барлық iргелi әсерлесулерге қатысады. Адронның протоннан басқасы орнықсыз. Олар белгiлi бiр уақыттан кейiн басқа бөлшектерге ыдырап кетедi. Олардың жартылай ыдыру периоды 10-20 – 10-24 с аралығында болады. Бұл бөлшектердi резонанстар деп атайды. Спинiнiң мәнiне байланысты адрондар спинi нөлге тең болатын мезондар және спинi 1/2 болатын бариондар болып бөлiнедi.
Энергиясы ондаған гигаэлектронвольт болатын электрондардың протоннан және нейтроннан шашырауын зерттеу бұл бөлшектердiң iшкi құрылымы бар екенiне нұсқайды. Жалпы адрондардың қандай да бiр iргелi бөлшектен құралғаны жөнiнде бiрнеше теория ұсынылған болатын. Соның ең жемiстiсi кварктар теориясы болды.
Кварктар деп нағыз элементар бөлшектердi айтады. Барлық адрондар, яғни мезондар, бариондар және резонанстар осы кварктардан тұрады. Бүгiнгi күнде алты кварк бар деп есептелiнедi. Олады сәйкес латынның u, d, s, c, b, t әрiптерiмен белгiлейдi. Бұл кварктардың қасиеттерi және олардан адрондардың қалай құралатыны төмендегi кестелерде келтiрiлген.
Но протон отличается от электрона не только знаком заряда, но и массой. Открытие позитрона, частицы действительно симметричной электрону, заставило по-новому оценить теорию Дирака, которая по существу предсказывала существование позитрона и других античастиц.
На Ленинградской конференции 1933 года Дирак следующим образом излагал сущность теории позитрона: «Допустим, что в том мире, который мы знаем, почти все электронные состояния с отрицательной энергией заняты электронами. Эта совокупность электронов, сидящих на отрицательных уровнях энергии, вследствие своей однородности не может восприниматься нашими чувствами и измерительными приборами, и только лишь не занятые электронами уровни, являясь чем-то исключительным, каким-то нарушением однородности, могут быть замечены нами совершенно таким же образом, как мы замечаем занятые состояния электронов с положительными энергиями. Незанятые состояния с отрицательной энергией, т. е. «дырка» в распределении электронов с отрицательной энергией будет восприниматься нами как частица с положительной энергией; ведь отсутствие отрицательной кинетической энергии равносильно присутствию положительной кинетической энергии, так как минус на минус дает плюс... Представляется разумным отождествить такую «дырку» с позитроном, т. е. утверждать, что позитрон есть «дырка» в распределении электронов с отрицательной энергией».
«Согласно теории Дирака, — писал Ф. Жолио, — положительный электрон при столкновении со свободным или слабо связанным отрицательным электроном может исчезать, образуя два фотона, испускаемых в противоположных направлениях».
Существует и обратный процесс — «материализация» фотонов, когда «фотоны с достаточно большой энергией при столкновении с тяжелыми ядрами могут создавать положительные электроны... Фотон, взаимодействуя с ядром, может создать два электрона с противоположными зарядами».
Выведенное английским ученым и опубликованное в 1928 году уравнение называется теперь уравнением Дирака. Оно позволило достичь согласия с экспериментальными данными. В частности, спин, бывший ранее гипотезой, подтверждался уравнением Дирака. Это было триумфом его теории. Кроме того, уравнение Дирака позволило предсказать магнитные свойства электрона (магнитный момент).
Дираку же принадлежит теоретическое предсказание возможности рождения электрон-антиэлектронной пары из фотона достаточно большой энергии. Предсказанный Дираком антиэлектрон был открыт в 1932 году Карлом Д. Андерсеном и был назван позитроном. Позднее подтвердилось и предположение Дирака о возможности рождения пары. Впоследствии Дирак выдвинул гипотезу о том, что и другие частицы, такие, как протон, также должны иметь свои аналоги из антиматерии, но для описания таких пар частиц и античастиц потребовалась бы более сложная теория. Существование антипротона было подтверждено экспериментально в 1955 году Оуэном Чемберленом. В настоящее время известны и многие другие античастицы.
