Atomda yadroning ochilishi. Atom yadrolarining tarkibi
Atom yadrolarining tarkibi
20-asrning 20-yillariga kelib fiziklar 1911-yilda E.Rezerford tomonidan kashf etilgan atom yadrolari hamda atomlarning oʻzlari murakkab tuzilishga ega ekanligiga shubha qilmay qoʻydilar. Ular bunga o'sha paytda to'plangan ko'plab eksperimental faktlar: radioaktivlikning kashf etilishi, atomning yadro modelining eksperimental isboti, nisbatni o'lchash orqali ishonch hosil qilishdi. e/m elektron uchun, α -zarralar va H-zarracha deb ataladigan narsa uchun - vodorod atomining yadrosi, sun'iy radioaktivlikni kashf qilish va yadro reaksiyalari, atom yadrolarining zaryadlarini o'lchash va boshqalar.
Bu endi qat'iy tasdiqlandi turli elementlarning atom yadrolari ikki xil - proton va neytron zarralaridan iborat.
Bu zarralarning birinchisi vodorod atomi bo'lib, undan bitta elektron chiqarilgan. Bu zarracha 1907 yilda J.Tomson tajribalarida allaqachon kuzatilgan bo'lib, uning nisbatini o'lchashga muvaffaq bo'lgan. e/m. 1919-yilda E.Rezerford koʻpgina elementlar atomlari yadrolarining boʻlinish mahsulotida vodorod atomining yadrolarini topdi. Rezerford bu zarrachani proton deb atadi. U protonlar barcha atom yadrolarining bir qismi ekanligini taklif qildi. Ruterford tajribalarining sxemasi shaklda ko'rsatilgan. 6.5.1.
Yadro parchalanish mahsulotlarida protonlarni aniqlash bo'yicha Rezerford tajribalarining sxemasi. K - radioaktiv manbaga ega bo'lgan qo'rg'oshin konteyneri α -zarralar, F - metall folga, E - rux sulfid bilan qoplangan ekran, M - mikroskop
Ruterford qurilmasi evakuatsiya qilingan kameradan iborat bo'lib, unda K konteyneri manba bilan joylashgan edi α -zarralar. Palata oynasi metall folga F bilan qoplangan, uning qalinligi shunday tanlangan α - zarralar u orqali o'ta olmadi. Deraza tashqarisida sink sulfid bilan qoplangan E ekrani bor edi. M mikroskop yordamida og'ir zaryadlangan zarrachalar ekranga uriladigan nuqtalarda sintillyatsiyalarni (ya'ni yorug'lik miltillashini) kuzatish mumkin edi. Kamerani azot bilan to'ldirganda past bosim ekranda yorug'lik miltillashlari paydo bo'ldi, bu F folga orqali o'tishga qodir bo'lgan ba'zi zarralar oqimining ko'rinishini ko'rsatib, oqimni deyarli butunlay to'sib qo'ydi. α -zarralar. E ekranni kamera oynasidan uzoqlashtirib, Rezerford havoda kuzatilgan zarrachalarning o'rtacha erkin yo'lini o'lchadi. Bu taxminan teng bo'lib chiqdi 28 sm, bu J.Tomson tomonidan ilgari kuzatilgan H-zarralar yo'lining uzunligini baholashga to'g'ri keldi. Elektr va magnit maydonlarining azot yadrolaridan chiqib ketgan zarrachalarga ta'sirini o'rganish shuni ko'rsatdiki, bu zarralar ijobiy elementar zaryadga ega va ularning massasi vodorod atomi yadrosi massasiga teng. Keyinchalik, bir qator boshqa gazsimon moddalar bilan tajriba o'tkazildi. Barcha holatlarda bu moddalarning yadrolaridan ekanligi aniqlandi α -zarralar H-zarrachalarni yoki protonlarni urib tushiradi.
Zamonaviy o'lchovlarga ko'ra, musbat zaryad proton elementar zaryadga to'liq teng e = 1,60217733ċ10 –19 C, ya'ni modul bo'yicha teng manfiy zaryad elektron. Hozirgi vaqtda proton va elektron zaryadlarining tengligi 10-22 aniqlik bilan tasdiqlangan. Ikki o'xshash bo'lmagan zarrachalar zaryadlarining bunday mos kelishi hayratlanarli va zamonaviy fizikaning asosiy sirlaridan biri bo'lib qolmoqda.
Protonning massasi, zamonaviy o'lchovlarga ko'ra, tengdir m p \u003d 1,67262ċ10 -27 kg. DA yadro fizikasi zarrachaning massasi ko'pincha massa soni 12 bo'lgan uglerod atomi massasining 112 ga teng atom massa birliklarida (a.m.u.) ifodalanadi: 1 a. e.m = 1,66057ċ10 -27 kg.
Binobarin, m p \u003d 1.007276 a. yemoq. Ko'p hollarda zarrachaning massasini formulaga muvofiq ekvivalent energiya qiymatlarida ifodalash qulay. E=mc2. Chunki 1 eV = 1,60218ċ10 -19 J, energiya birliklarida proton massasi 938,272331 MeV.
Shunday qilib, Ruterford tajribasida tez ta'sirlar paytida azot va boshqa elementlarning yadrolarining bo'linishi hodisasi aniqlandi. α -zarralar va bu ko'rsatilgan protonlar atom yadrolarining bir qismidir.
Proton kashf etilgandan so'ng, atomlarning yadrolari faqat protonlardan iborat degan fikr paydo bo'ldi. Biroq, bu taxmin asossiz bo'lib chiqdi, chunki yadro zaryadining uning massasiga nisbati turli yadrolar uchun doimiy bo'lib qolmaydi, chunki yadrolar tarkibiga faqat protonlar kiritilganda bo'ladi. Og'irroq yadrolar uchun bu nisbat engil bo'lganlarga qaraganda kichikroq bo'lib chiqadi, ya'ni og'irroq yadrolarga o'tishda yadro massasi zaryaddan tezroq o'sadi.
1920 yilda Rezerford yadrolar tarkibida qattiq bog'langan ixcham proton-elektron juftligi mavjudligini faraz qildi, bu elektr neytral shakllanish - massasi taxminan proton massasiga teng bo'lgan zarracha. U hatto bu faraziy zarracha – neytron nomini ham o‘ylab topdi. Bu juda chiroyli, ammo keyinchalik ma'lum bo'lishicha, noto'g'ri fikr edi. Elektron yadroning bir qismi bo'lishi mumkin emas. Noaniqlik munosabatiga asoslangan kvant mexanik hisoblash shuni ko'rsatadiki, yadroda lokalizatsiya qilingan elektron, ya'ni kattalik mintaqasi. R ≈ 10–13 sm, ulkan bo'lishi kerak kinetik energiya, bu zarrachadagi yadrolarning bog'lanish energiyasidan ko'p marta kattaroqdir. Biroq, og'ir neytral zarraning mavjudligi haqidagi g'oya Ruterfordga shu qadar jozibali tuyuldiki, u darhol J.Chedvik boshchiligidagi bir guruh shogirdlarini uni qidirishga taklif qildi. 12 yil o'tgach, 1932 yilda Chadwick berilliy nurlanganda paydo bo'ladigan nurlanishni eksperimental ravishda tekshirdi. α -zarralar, va bu nurlanish massasi taxminan protonning massasiga teng bo'lgan neytral zarralar oqimi ekanligini aniqladi. Neytron aynan shunday kashf etilgan. Shaklda. 6.5.2 neytronlarni aniqlash uchun sozlashning soddalashtirilgan sxemasini ko'rsatadi.
Neytronlarni aniqlash uchun qurilmaning sxematik diagrammasi Beriliy bilan bombardimon qilinganda α -radiaktiv poloniy chiqaradigan zarralar 10-20 sm qalinlikdagi qo'rg'oshin qatlami kabi to'siqni yengib o'ta oladigan kuchli penetratsion nurlanish hosil qiladi.Ushbu nurlanishni Chadvik bilan deyarli bir vaqtning o'zida turmush o'rtoqlar Iren va Frederik Joliot-Kyuri (Iren - uning qizi) kuzatgan. Mari va Per Kyuri) lekin ular shunday deb taxmin qilishdi γ katta energiya nurlari. Ular agar berilliy nurlanish yo'liga kerosin plitasi qo'yilsa, bu nurlanishning ionlashtiruvchi kuchi keskin ortadi. Ular berilliy nurlanishi ushbu vodorod o'z ichiga olgan moddada ko'p miqdorda mavjud bo'lgan protonlarni kerosindan chiqarib tashlashini isbotladilar. Protonlarning havodagi erkin yo'lidan ular energiyani taxmin qilishdi γ -to'qnashuvda protonlarga kerakli tezlikni berishga qodir kvantlar. U juda katta bo'lib chiqdi 50 MeV.
J.Chedvik 1932 yilda berilliy nurlanishidan kelib chiqadigan nurlanish xossalarini har tomonlama oʻrganish boʻyicha bir qator tajribalar oʻtkazdi. α -zarralar. Chadvik o'z tajribalarida ionlashtiruvchi nurlanishni o'rganish uchun turli usullardan foydalangan. Shaklda. 6.5.2 zaryadlangan zarralarni ro'yxatga olish uchun mo'ljallangan Geiger hisoblagichini ko'rsatadi. U ichki tomondan metall qatlam (katod) bilan qoplangan shisha naychadan va trubaning (anod) o'qi bo'ylab o'tadigan ingichka ipdan iborat. Quvur past bosimda inert gaz (odatda argon) bilan to'ldiriladi. Gaz orqali uchadigan zaryadlangan zarracha molekulalarning ionlanishiga olib keladi. Ionlanish natijasida hosil bo'lgan erkin elektronlar tezlashadi elektr maydoni anod va katod o'rtasida ta'sir ionlashuvi boshlanadigan energiyaga. Ionlarning ko'chkisi paydo bo'ladi va hisoblagich orqali qisqa oqim pulsi o'tadi. Zarrachalarni o'rganish uchun yana bir muhim vosita bu bulut kamerasi bo'lib, unda tez zaryadlangan zarracha iz (iz) qoldiradi. Zarrachalar traektoriyasini bevosita kuzatish yoki suratga olish mumkin. 1912 yilda yaratilgan bulutli kameraning harakati zaryadlangan zarrachaning traektoriyasi bo'ylab kameraning ish hajmida hosil bo'lgan ionlarda o'ta to'yingan bug'ning kondensatsiyasiga asoslangan. Bulutli kameradan foydalanib, elektr va zaryadlangan zarrachaning traektoriyasining egriligini kuzatish mumkin. magnit maydonlari.
J.Chedvik o'z tajribalarida bulut kamerasida berilliy nurlanishi bilan to'qnashuvni boshdan kechirgan azot yadrolarining izlarini kuzatdi. Ushbu tajribalar asosida u energiyani taxmin qildi γ -tajribada kuzatilgan tezlikni azot yadrolariga ma'lumot berishga qodir kvant. U teng edi 100–150 MeV. Bunday ulkan energiyaga ega bo'lish mumkin emas edi γ -beriliy chiqaradigan kvantlar. Shu asosda, Chadwick ta'siri ostida berilliy dan, degan xulosaga keldi α -chiqarayotgan zarralar massasiz emas γ -kvantlar, lekin ancha og'ir zarralar. Bu zarralar yuqori darajada kirib bordi va Geiger hisoblagichidagi gazni bevosita ionlashtirmadi, shuning uchun ular elektr neytral edi. Shunday qilib, Chedvik tajribalaridan 10 yil oldin Rezerford tomonidan bashorat qilingan zarracha neytronning mavjudligi isbotlandi.
Neytron bu elementar zarracha. Dastlab Ruterford taklif qilganidek, uni ixcham proton-elektron juftligi sifatida ko'rsatmaslik kerak.
Zamonaviy o'lchovlarga ko'ra, neytron massasi m n \u003d 1,67493ċ10 -27 kg \u003d 1,008665 a. e. m. Energiya birliklarida neytron massasi teng 939,56563 MeV. Neytronning massasi protonning massasidan taxminan ikki elektron massasi kattaroqdir.
Neytron kashf etilgandan so'ng darhol rus olimi D. D. Ivanenko va nemis fizigi V. Geyzenberglar atom yadrolarining proton-neytron tuzilishi haqidagi farazni ilgari surdilar va bu keyingi tadqiqotlarda to'liq tasdiqlandi. Proton va neytronlarga nuklonlar deyiladi.
Atom yadrolarini xarakterlash uchun bir qancha belgilar kiritiladi. Olingan protonlar soni atom yadrosi, belgisi bilan belgilanadi Z va qo'ng'iroq qiling zaryad raqami yoki atom raqami (bu Mendeleyev davriy sistemasidagi seriya raqami). Yadro zaryadi Ze, qayerda e – elementar zaryad. Neytronlar soni belgi bilan belgilanadi N.
Umumiy soni nuklonlar (ya'ni proton va neytronlar) massa soni deb ataladi A: A=Z+N.
Kimyoviy elementlarning yadrolari X Z A belgisi bilan belgilanadi, bu erda X elementning kimyoviy belgisidir. Masalan,
H 1 1 - vodorod, He 2 4 - geliy, C 6 12 - uglerod, O 8 16 - kislorod, U 92 238 - uran.
Xuddi shu kimyoviy elementning yadrolari neytronlar soni bo'yicha farq qilishi mumkin. Bunday yadrolarga izotoplar deyiladi. Ko'pgina kimyoviy elementlarning bir nechta izotoplari mavjud. Masalan, vodorodda ulardan uchtasi bor: H 1 1 - oddiy vodorod, H 1 2 - deyteriy va H 1 3 - tritiy. Uglerodda 6 ta, kislorodda 3 ta izotop mavjud.
Kimyoviy elementlar ichida tabiiy sharoitlar odatda izotoplar aralashmasi. Izotoplarning mavjudligi Mendeleyev davriy tizimidagi tabiiy elementning atom massasining qiymatini belgilaydi. Shunday qilib, masalan, nisbiy atom massasi tabiiy uglerod - 12,011.
Atom bu murakkab tizim ma'lum zarralarni o'z ichiga oladi. Ingliz fizigi E.Rezerford atom tuzilishining yadroviy (sayyoraviy) modelini taklif qildi. Atom yadro modelining asosiy qoidalari.
1. Yadro juda kichik hajmga ega (atomning diametri 10 -10 m, yadro diametri ~10 -15 m).
2. Yadro musbat zaryadga ega.
3. Atomning deyarli barcha massasi yadroda.
Yadro nuklonlardan: proton va neytronlardan tashkil topgan.
G. Mozili (Angliya) atom yadrosining musbat zaryadi (shartli birliklarda) Mendeleyev davriy sistemasidagi elementning tartib raqamiga teng ekanligini aniqladi. Har bir protonning zaryadi +1 ga teng, shuning uchun yadro zaryadi protonlar soniga teng.
Protonning massasi, xuddi neytronning massasi kabi, elektronning massasidan taxminan 1840 marta katta. Protonlar va neytronlar yadroda, shuning uchun atomning massasi deyarli yadro massasiga teng. Yadroning massasi, xuddi atomning massasi kabi, protonlar va neytronlar sonining yig'indisi bilan aniqlanadi. Bu yig'indi atomning massa soni deb ataladi. Atomning massa soni (A) = Protonlar soni (Z) + Neytronlar soni (N) A=Z+N
Har qanday yadroning bir qismi bo'lgan proton va neytronlar bo'linmas elementar zarralar emas, balki kvarklardan iborat.
Kvarklar, o'z navbatida, bir-biri bilan o'zaro ta'sir qiladi, doimiy ravishda glyuonlarni almashtiradi - chinakam kuchli o'zaro ta'sir tashuvchilar (u yadrodagi protonlar va neytronlar o'rtasida ta'sir qiluvchidan minglab marta kuchliroq). Natijada, proton va neytronlar juda kuchli bog'langan tizimlar bo'lib chiqadi, ularni tarkibiy qismlarga bo'linib bo'lmaydi.
Har xil massa raqamlariga ega bo'lgan bir xil element atomlari izotoplar deb ataladi. Xuddi shu elementning izotoplari atomlari bir xil miqdordagi protonga (Z) ega va bir-biridan neytronlar soni (N) bilan farqlanadi. Izotoplar mos keladigan elementlarning belgilari bilan belgilanadi, ularning chap tomonida yuqori qismida izotopning massa soni yoziladi. Masalan: 12 C uglerodning massa soni 12 ga teng izotopi.
Atom yadrosining kattaligi ularning massa soniga bog'liq. Yadroning hajmi A ga, chiziqli kattaligi esa A 1/3 ga proportsionaldir. Samarali radius R yadro tenglik bilan aniqlanadi: R = aa 1/3 , bu erda doimiy a o'lchanadigan fizik tajribaga qarab (1,1-1,4) x 10 -13 sm. R. Bu tenglik shundan dalolat beradi R 10 -13 dan 10 -12 sm gacha o'zgarib turadi.Yadro moddasining zichligi oddiy moddalarning zichligiga nisbatan nihoyatda yuqori va taxminan 10 14 g/sm 3 ni tashkil qiladi. Yadrodagi nuklonlarning tarqalish zichligi uning markaziy qismida deyarli doimiy bo'lib, periferiyada eksponensial ravishda kamayadi. Yadrodagi nuklonlar harakatchan. Yadroda sirt taranglik kuchlari mavjud.
Yadro KUCHLARI
Teng zaryadlangan protonlar o'rtasida elektrostatik itaruvchi kuchlar ta'sir qiladi, ammo yadro alohida zarrachalarga "tarqalmaydi", chunki yadro ichidagi protonlar va neytronlar o'rtasida mavjud. yadro kuchlari- elektrostatikdan ancha yuqori bo'lgan tortishish kuchlari. Yadro kuchlari elektrostatik kuchlardan 100 marta katta va kuchli o'zaro ta'sir deb ataladi (bu almashinuv o'zaro ta'siri).
Yadro kuchlari faqat yadro ichidagi masofalarda namoyon bo'ladi, shuning uchun ular qisqa masofali, elektrostatik kuchlar esa uzoq masofali hisoblanadi.
Yadro kuchlari tortishish kuchlaridir, chunki ular yadro ichida nuklonlarni saqlaydi (nuklonlarning juda kuchli yaqinlashishi bilan ular orasidagi yadro kuchlari itarish xususiyatiga ega).
Yadro kuchlarining xususiyatlari:
Yadro kuchlari emas elektr kuchlari, chunki ular nafaqat protonlar, balki yadro ta'sirini tushuntirish uchun juda kichik bo'lgan tortishish emas, balki zaryadsiz neytronlar o'rtasida ham ishlaydi.
Yadro kuchlarining ta'sir doirasi ahamiyatsiz. Ularning ta'sir qilish radiusi 10 -13 sm.zarrachalar orasidagi katta masofada yadroviy o'zaro ta'sir ko'rinmaydi.
Yadro kuchlari (ular harakat qiladigan hududda) juda kuchli. Ularning intensivligi elektromagnit kuchlarning intensivligidan ancha katta, chunki yadroviy kuchlar yadro ichida, xuddi zaryadlangan protonlarga o'xshab, bir-birini ulkan elektr kuchlari bilan qaytaradi.
Turli yadrolardagi nuklonlarning bog’lanish darajasini o’rganish yadro kuchlarining kimyoviy kuchlarning valentligiga o’xshash to’yinganlik xususiyatiga ega ekanligini ko’rsatadi. Yadro kuchlarining ushbu xususiyatiga ko'ra, bitta va bir xil nuklon yadroning barcha boshqa nuklonlari bilan o'zaro ta'sir qilmaydi. Lekin faqat bir nechta qo'shnilar bilan.
Yadro kuchlarining eng muhim xususiyati ularning zaryaddan mustaqilligi, ya'ni yadroviy o'zaro ta'sirning uchta turi: ikkita proton, proton va neytron va ikkita neytron o'rtasidagi o'zaro ta'sirdir.
Yadro kuchlari markaziy emas.
ATOM YADARINING BOG'LANISH ENERGYASI VA MASSA DEFEKTSI
Atomlarning yadrolari kuchli bog'langan tizimlardir katta raqam nuklonlar.
Yadroning uning tarkibiy qismlariga to'liq bo'linishi va ularni bir-biridan katta masofada olib tashlash uchun ma'lum miqdorda A ishni sarflash kerak.
Bog'lanish energiyasi - bu energiya ishlashga teng, bu yadroni erkin nuklonlarga bo'lish uchun bajarilishi kerak.
E obligatsiyalar = - A
Saqlanish qonuniga ko'ra, bog'lanish energiyasi bir vaqtning o'zida alohida erkin nuklonlardan yadro hosil bo'lganda ajralib chiqadigan energiyaga teng. Maxsus bog'lanish energiyasi - bu nuklonga to'g'ri keladigan bog'lanish energiyasi.
Eng engil yadrolardan tashqari, o'ziga xos bog'lanish energiyasi taxminan doimiy va 8 MeV / nuklonga teng. Massa sonlari 50 dan 60 gacha boʻlgan elementlar maksimal xususiy bogʻlanish energiyasiga ega (8,6 MeV/nuklon).Bu elementlarning yadrolari eng barqaror hisoblanadi.
Yadrolar neytronlar bilan haddan tashqari yuklanganligi sababli, o'ziga xos bog'lanish energiyasi kamayadi.
Davriy sistemaning oxiridagi elementlar uchun u 7,6 MeV/nuklonga teng (masalan, uran uchun).
Yadroning parchalanishi yoki sintezi natijasida energiyaning chiqishi
Yadroni parchalash uchun yadro kuchlarini engish uchun ma'lum miqdorda energiya sarflash kerak.
Alohida zarrachalardan yadro sintez qilish uchun Kulon itarish kuchlarini yengish kerak (buning uchun bu zarrachalarni yuqori tezlikka tezlashtirish uchun energiya sarflanishi kerak).
Ya'ni, yadroning bo'linishi yoki yadro sintezini amalga oshirish uchun ma'lum energiya sarflanishi kerak.
Qisqa masofalarda yadro sintezi paytida yadro kuchlari nuklonlarga ta'sir qila boshlaydi, bu esa ularni tezlanish bilan harakatga keltiradi.
Tezlashtirilgan nuklonlar energiyaga ega bo'lgan gamma kvantlarni chiqaradi. teng energiya ulanishlar.
Yadro bo'linish reaktsiyasi yoki termoyadroviy chiqishida energiya chiqariladi.
Yadro bo'linishi yoki yadro sintezini amalga oshirish mantiqan to'g'ri keladi, agar natijada, ya'ni. bo'linish yoki sintez natijasida chiqarilgan energiya sarflangan energiyadan kattaroq bo'ladi.
Grafikga ko'ra, energiyaning ortishi og'ir yadrolarning bo'linishi (bo'linishi) yoki engil yadrolarning birlashishi natijasida olinishi mumkin, bu amalda amalga oshiriladi.
Yadro massalarini o'lchash shuni ko'rsatadiki, yadro massasi (Mn) har doim uni tashkil etuvchi erkin neytron va protonlarning qolgan massalari yig'indisidan kichikdir.
Yadro bo'linishi paytida: yadro massasi doimo hosil bo'lgan erkin zarrachalarning qolgan massalari yig'indisidan kichik bo'ladi.
Yadro sintezida: hosil bo'lgan yadroning massasi har doim uni hosil qilgan erkin zarrachalarning qolgan massalari yig'indisidan kichik bo'ladi.
Massa nuqsoni atom yadrosining bog'lanish energiyasining o'lchovidir.
Massa nuqsoni yadroning erkin holatdagi barcha nuklonlarining umumiy massasi va yadro massasi o'rtasidagi farqga teng:
Bu erda Mm - yadro massasi (ma'lumotnomadan)
Z - yadrodagi protonlar soni
m p - erkin protonning qolgan massasi N - yadrodagi neytronlar soni
m n - erkin neytronning qolgan massasi
Yadro hosil bo`lishida massaning kamayishi nuklonlar sistemasi energiyasining kamayishini bildiradi. Nuklonlarning o'zaro ta'sir energiyasi yuqori; u yadro ichidagi yoki yadroviy deyiladi.
Yadro AKSIYALARI
Yadro reaktsiyasi - atom yadrolarining elementar zarralar, gamma kvantlar va bir-biri bilan o'zaro ta'sirida sodir bo'ladigan, ko'pincha ulkan energiyaning ajralib chiqishiga olib keladigan transformatsiya jarayoni. Yadrolardagi o'z-o'zidan (hodisalar zarralari ta'sirisiz sodir bo'ladigan) jarayonlar - masalan, radioaktiv parchalanish - odatda yadro reaktsiyalari deb tasniflanmaydi. Ikki yoki undan ortiq zarralar orasidagi reaksiyani amalga oshirish uchun o'zaro ta'sir qiluvchi zarralar (yadrolar) bir-biriga 10 −13 sm masofada, ya'ni yadro kuchlarining xarakterli ta'sir radiusida yaqinlashishi kerak. Yadro reaktsiyalari energiyaning chiqishi va yutilishi bilan ham sodir bo'lishi mumkin. Birinchi turdagi, ekzotermik reaktsiyalar yadro energiyasining asosi bo'lib xizmat qiladi va yulduzlar uchun energiya manbai hisoblanadi. Energiyaning yutilishi (endotermik) bilan kechadigan reaktsiyalar faqat to'qnashuvchi zarrachalarning kinetik energiyasi (massa tizimining markazida) ma'lum bir qiymatdan (reaktsiya chegarasi) yuqori bo'lsa sodir bo'lishi mumkin.
Hodisa zarrasi atom yadrosi bilan to'qnashganda, ular o'rtasida energiya va impuls almashinuvi sodir bo'ladi, buning natijasida o'zaro ta'sir hududidan turli yo'nalishlarda uchib chiqadigan bir nechta zarrachalar hosil bo'lishi mumkin. Bunday jarayonlar yadro reaksiyalari deb ataladi.
Radioaktivlik. Radioaktiv parchalanish qonuni.
Radioaktivlik- elementar zarrachalar yoki engilroq yadrolarning chiqishi bilan birga atom yadrolarining o'z-o'zidan o'zgarishi. Bunday o'zgarishlarga duchor bo'lgan yadrolar radioaktiv, transformatsiya jarayoni esa radioaktiv parchalanish deb ataladi.
Radioaktiv parchalanish faqat energetik jihatdan qulay bo'lganda mumkin, ya'ni. energiya chiqishi bilan birga keladi. Buning sharti - parchalanish mahsulotlarining m i massalari yig'indisining boshlang'ich yadrosining M massasining ortiqcha bo'lishi, ya'ni. tengsizlik:
Taxminan 3000 ta ma'lum yadrolardan (ularning aksariyati sun'iy ravishda olingan) faqat 264 tasi radioaktiv emas.
Radioaktiv yadrolar uch turdagi zarrachalarni chiqarishi mumkin: musbat va manfiy zaryadlangan va neytral. Bu uch xil nurlanish a-, b- va g-nurlanishlar deb ataldi. Ustida rasm 1. radioaktiv nurlanishning murakkab tarkibini aniqlash imkonini beradigan tajriba sxemasi ko'rsatilgan. Magnit maydonda a- va b-nurlari qarama-qarshi yo'nalishda, b-nurlari esa ko'proq og'ishadi. magnit maydondagi g-nurlari umuman chetga chiqmaydi.
20-asrning ikkinchi oʻn yilligida E.Rezerford atomlarning yadroviy tuzilishini kashf etgandan soʻng, radioaktivlik t. atom yadrolarining xossasi. Tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, a-nurlar a-zarralar oqimini - geliy yadrolarini, b-nurlari elektronlar oqimini, g-nurlari qisqa to'lqinni ifodalaydi. elektromagnit nurlanish juda qisqa to'lqin uzunligi bilan l
Radioaktiv parchalanishning asosiy turlari alfa-parchalanish (yadrolar tomonidan alfa zarrachalarining chiqishi), beta-emirilishi (elektronning emissiyasi (yoki yutilishi), shuningdek antineytrino yoki pozitron va neytrinoning emissiyasi), gamma-emirilishi (gamma emissiyasi). nurlar) va oʻz-oʻzidan boʻlinish (yadroning massasi oʻxshash ikki boʻlakka parchalanishi).
Alfa parchalanishi . Alfa-parchalanish - bu atom yadrosining protonlar soni bilan o'z-o'zidan o'zgarishi. Z va neytronlar N bir qancha protonlarni o'z ichiga olgan boshqa yadroga aylanadi Z– 2 va neytronlar N- 2. Bunda a-zarracha - geliy atomining yadrosi chiqariladi.
Umumiy sxema: z X A \u003d 2 He 4 + z -2 Y A -4.
Bunday jarayonga radiyning a-emirilishi misol bo'la oladi:
 |
a-nurlanish eng past penetratsion quvvatga ega. Havoda, normal sharoitda, a-nurlari bir necha santimetr masofani bosib o'tadi.
Radioaktiv modda bir nechta diskret energiya qiymatlariga ega bo'lgan a-zarrachalarni chiqarishi mumkin. Buning sababi shundaki, yadrolar turli xil qo'zg'aluvchan holatda bo'lishi mumkin. Yadrolarning a-emirilishi ko'p hollarda g-nurlanish bilan birga kechadi.
beta parchalanishi . Beta-emirilishda yadrodan elektron chiqariladi. Elektronlar yadrolar ichida bo'la olmaydi, ular neytronning protonga aylanishi natijasida b-emirilish paytida paydo bo'ladi. Bu jarayon nafaqat yadro ichida, balki erkin neytronlarda ham sodir bo'lishi mumkin. -> + .
b-elektronlar keng qiymat oralig'ida turli tezlikka ega bo'lishi mumkin.
b-emirilishda zaryad raqami Z birga ortadi va massa soni A o'zgarishsiz qoladi.
Z X A \u003d -1 e 0 + z +1 Y A.
b-emirilishning odatiy misoli - uranning a-emirilishidan kelib chiqadigan toriy izotopining palladiyga aylanishi.
 |
b-nurlari materiya tomonidan ancha kam so'riladi . Ular bir necha millimetr qalinlikdagi alyuminiy qatlamidan o'tishga qodir.
Elektron b-emirilish bilan bir qatorda pozitron b + yemirilish deb ataladigan narsa topildi, bunda pozitron va neytrinolar.
Pozitron elektronning qo'sh zarrasi bo'lib, undan faqat zaryad belgisi bilan farqlanadi.. Pozitronlar quyidagi sxema bo'yicha protonning neytronga aylanishi reaktsiyasi natijasida paydo bo'ladi:
|
Gamma parchalanishi . A- va b-radioaktivlikdan farqli o'laroq, yadrolarning g-radioaktivligi yadroning ichki tuzilishining o'zgarishi bilan bog'liq emas va zaryad yoki massa sonining o'zgarishi bilan birga kelmaydi. g-nurlari 5-10 sm qalinlikdagi qo'rg'oshin qatlamidan o'ta oladigan eng yuqori penetratsion kuchga ega.
Ham a-, ham b-emirilishda qiz yadro qandaydir hayajonlangan holatda bo'lishi va ortiqcha energiyaga ega bo'lishi mumkin. Yadroning qo'zg'aluvchan holatdan asosiy holatga o'tishi bir yoki bir nechta g-kvantlarning emissiyasi bilan birga keladi, ularning energiyasi bir necha MeV ga etishi mumkin.
Radioaktiv parchalanish qonuni .
Radioaktiv materialning har qanday namunasi juda ko'p radioaktiv atomlarni o'z ichiga oladi. Radioaktiv parchalanish tasodifiy bo'lgani uchun va unga bog'liq emas tashqi sharoitlar, keyin miqdorning kamayish qonuni N (t) chirimagan hozirgi moment vaqt t yadrolari muhim bo'lib xizmat qilishi mumkin statistik xarakteristikasi radioaktiv parchalanish jarayoni
Radioaktiv parchalanishning eksponensial qonuni, namunadagi radioaktiv yadrolarning N sonining (o'rtacha) t vaqti bilan qanday o'zgarishini ko'rsatadi.
Bu erda N 0 - boshlang'ich yadrolar soni (ularning hosil bo'lish momenti yoki kuzatuv boshlanishi) va parchalanish konstantasi (vaqt birligida radioaktiv yadroning parchalanish ehtimoli).
Ushbu konstanta orqali radioaktiv yadroning o'rtacha umrini ifodalash mumkin = 1/,
Amaliy foydalanish uchun radioaktiv parchalanish qonunini asos sifatida 2 raqamidan foydalanib, boshqa shaklda yozish qulay. e:
Qiymat T chaqirdi yarim hayot . davomida T radioaktiv yadrolarning dastlabki sonining yarmi parchalanadi. Miqdorlar T va t bilan bog'langan
a- va b-radioaktiv parchalanish davrida qiz yadro ham beqaror bo'lishi mumkin. Shu sababli, barqaror yadrolarning hosil bo'lishi bilan yakunlanadigan ketma-ket radioaktiv parchalanishlar seriyasi mumkin.
Radioaktiv parchalanishning xususiyatlariga, xususan, uning tezligiga (yarimparchalanish davri) parchalanishni keltirib chiqaradigan kuchlar (o'zaro ta'sirlar) sezilarli darajada ta'sir qiladi. Alfa yemirilishi dastlab kuchli kuch tomonidan boshqariladi, ammo uning tezligi Kulon to'sig'i bilan belgilanadi ( elektromagnit o'zaro ta'sir). Beta-parchalanish kuchsiz kuchdan, gamma-emirilish esa elektromagnit kuchdan kelib chiqadi.
Ilova.
Radioaktivlikning qiziqarli qo'llanilishi arxeologik va geologik topilmalarni kontsentratsiya bo'yicha aniqlash usulidir radioaktiv izotoplar. Eng ko'p qo'llaniladigan usul - bu radiokarbonni aniqlash. Kosmik nurlar ta'sirida yuzaga keladigan yadroviy reaktsiyalar tufayli atmosferada beqaror uglerod izotopi paydo bo'ladi. Bu izotopning oz qismi odatdagi barqaror izotop bilan birga havoda topiladi.O'simliklar va boshqa organizmlar havodagi uglerodni iste'mol qiladilar va ikkala izotopni ham havoda qanday nisbatda to'playdilar. O'simliklar nobud bo'lgandan so'ng, ular uglerodni iste'mol qilishni to'xtatadilar va b-emirilish natijasida beqaror izotop asta-sekin azotga aylanadi, yarimparchalanish davri 5730 yil. Qadimgi organizmlar qoldiqlarida radioaktiv uglerodning nisbiy kontsentratsiyasini aniq o'lchash orqali ularning o'lish vaqtini aniqlash mumkin.
Qo'shimcha o'qish.
Radioaktivlik hodisasi 1896 yilda A. Bekkerel tomonidan kashf etilgan. 1899 yilda E.Rezerford uran musbat zaryadli zarrachalar (-zarrachalar) va manfiy zaryadlangan zarrachalar (elektron) chiqarishini aniqladi. 1900-yilda P.Uillard uranning parchalanishini oʻrganayotib neytral zarrachalarni (-kvantlarni) topdi. Spontan yadro boʻlinishini 1940 yilda K.A. Petrzhak va G.N. Flerov.
b-emirilish jarayonida energiyaning saqlanish qonunining aniq buzilishi kuzatiladi, chunki neytronning parchalanishidan kelib chiqadigan proton va elektronning umumiy energiyasi neytron energiyasidan kamroq bo'ladi. 1931-yilda V.Pauli neytronning yemirilishi vaqtida massasi va zaryadi nolga teng boʻlgan yana bir zarracha ajralib chiqishini, u oʻzi bilan birga energiyaning bir qismini olib ketishini taklif qildi. Yangi zarrachaga nom berilgan neytrino
(kichik neytron). Neytrinoda zaryad va massa yo'qligi sababli, bu zarracha moddaning atomlari bilan juda zaif ta'sir qiladi, shuning uchun uni tajribada aniqlash juda qiyin. Neytrinolarning ionlash qobiliyati shunchalik kichikki, havodagi bir ionlanish harakati taxminan 500 km yo'lga to'g'ri keladi. Bu zarracha faqat 1953 yilda kashf etilgan.Hozirgi vaqtda neytrinolarning bir nechta navlari borligi ma'lum. Neytronning parchalanishi jarayonida zarracha hosil bo'ladi, bu deyiladi elektron antineytrino
. U belgi bilan belgilanadi. Shunday qilib, neytronning parchalanish reaktsiyasi quyidagicha yoziladi:
|
.
Pozitronning mavjudligini 1928-yilda atoqli fizik P.Dirak bashorat qilgan edi.Bir necha yil oʻtgach, pozitron kosmik nurlar tarkibida topildi.
G-fotonlardagi reaktsiyalarni alohida ajratish mumkin (yadro fotoelektrik effekti)
Qo'shimcha o'qish uchun
Yadro reaksiyalari quyidagicha belgilanadi
A 1 + a 2 b 1 + b 2 + ...,
bu yerda a 1 va a 2 reaksiyaga kiruvchi zarralar, b 1, b 2 ... esa reaksiya natijasida hosil bo‘lgan zarralardir.
Reaksiya odatda bir necha xil yo'llardan o'tishi mumkin, yakuniy holatdagi yadro reaksiyalari natijasida turli zarrachalar hosil bo'lishi mumkin.
Reaksiyaning dastlabki bosqichi deyiladi kirish kanali . Ikkinchi bosqichdagi reaktsiyaning turli mumkin bo'lgan yo'llari deyiladi chiqish kanallari .
Agar oxirgi holatda ikkita zarracha hosil bo'lsa
odatda belgidan foydalaning
Bu erda a - tushayotgan zarra, A - maqsadli yadro, b - oxirgi holatda hosil bo'lgan yorug'lik zarrasi, B - yakuniy yadro.
Tushgan zarracha E a energiyasiga qarab, A yadrosi bilan tushayotgan zarrachaning o'zaro ta'siri yakuniy holatda turli zarrachalarni hosil qilishi mumkin. Shunday qilib, proton 14 N yadro bilan o'zaro ta'sir qilganda, reaktsiyalar mumkin
| p + 14 N 14 N + p | (a) |
| p + 14 N 14 N * + p | (b) |
| p + 14 N 15 O + | (in) |
| p + 14 N 14 O + n | (G) |
| p + 14 N 13 N + p + n | (e) |
| p + 14 N 8p + 7n | (e) |
Yuqoridagi misolda protonning 14 N yadro bilan o'zaro ta'sirida reaksiyaning quyidagi chiqish kanallari kuzatiladi.
Elastik sochilish yadro reaksiyasi bo'lib, unda zarrachalar turi va ularning kvant holatlari o'zaro ta'sir natijasida o'zgarmas (a).
(b) reaksiyada bir xil zarrachalar dastlabki holatda bo'lgani kabi oxirgi holatda ham hosil bo'ladi, lekin 14N yadro qo'zg'aluvchan holatda hosil bo'ladi. Bunday jarayon elastik bo'lmagan sochilish jarayoni deb ataladi.
Reaktsiyalarda (c-e) boshlang'ich holatda bo'lmagan zarralar hosil bo'ladi.
Yakuniy holatda -kvant hosil bo'lganda (c) turdagi reaktsiyalar nurlanishni tutib olish reaktsiyalari deb ataladi.
Yakuniy holatda ham barqaror, ham radioaktiv yadrolar hosil bo'lishi mumkin. Masalan, 14,15 O yadrolari + -radioaktivdir.
(e) reaksiyada oxirgi holatda uchta zarracha hosil bo'ladi.
Tushgan zarrachaning etarlicha yuqori energiyalarida yadroning uni tashkil etuvchi alohida nuklonlarga (e) to'liq parchalanishi mumkin.
Yadro reaksiyalarining chiqish kanalida hosil bo‘lgan zarrachalar turiga ko‘ra tasnifini keltirdik. Yadro reaksiyalari kirishdagi zarrachalar turiga qarab ham tasniflanadi. Yengil zaryadlangan p, d, 3 He, 3 H(t), 4 He() zarralari taʼsiridagi reaksiyalar, masalan, shunday ajratiladi.
P + 16 O 16 F + n
+ 14 N 18 F +
-kvantlar va elektronlar ta'sirida bo'ladigan reaksiyalar fotoyadro va elektron yadro deb ataladi.
14 N 13 N + n
e - + 14 N 13 C + p + e -
Tezlashtirilgan ionlar hodisa zarralari sifatida ishlatilishi mumkin.
16 O + 14 N 13 C + 17 F
Zaryadlangan zarralar tushuvchi zarralar sifatida ishlatilsa, ular yadroning Kulon itilishini yengish va yadro kuchlari hududiga tushish uchun etarli kinetik energiyaga ega bo'lishi kerak. (Agar zaryadlangan zarrachaning energiyasi Kulon to'sig'ining balandligidan kichik bo'lsa, yadro reaktsiyasining ehtimoli kuchli tarzda bostiriladi.) Zarur energiyalarning zarrachalari nurlari zamonaviy tezlatgichlarda osonlik bilan olinadi. Agar zarrachaning energiyasi Kulon to'sig'ini yengib o'tish uchun etarli bo'lmasa, u holda u yadroning Kulon maydonida Rezerford formulasi bilan tavsiflangan elastik sochilishni boshdan kechiradi. Kam energiyali mintaqadagi atom yadrolarining xususiyatlarini o'rganish uchun neytronlar qo'llaniladi, ular Coulomb to'sig'ini engib o'tishga hojat yo'q. Kuchli neytron oqimlarining manbalari yadro reaktorlaridir.
Uran yadrolarining bo'linishi.
Zanjirli yadro reaktsiyasi.
Uran yadrolarining bo'linishi
Uran atomi neytronni yutib, qo'zg'aladi, deformatsiyalanadi (yadro cho'ziladi, yadro kuchlari nuklonlar orasidagi masofa ortishi bilan zaiflashadi) va 2-3 neytron chiqishi bilan ikki qismga bo'linadi.
Neytronni yutib, uran yadrosi nuklonlar orasidagi yadroviy tortishish kuchlarini engish uchun zarur energiyani oladi, shu bilan birga yadroning ichki energiyasi ortadi. Yadro yemirilishi jarayonida ichki energiyaning bir qismi parchalarning kinetik energiyasiga, keyin esa sekinlashishi tufayli ichki energiya muhit.
Neytron tomonidan boshlangan yadro bo'linishi natijasida boshqa yadrolarning bo'linish reaktsiyalarini keltirib chiqarishi mumkin bo'lgan yangi neytronlar paydo bo'ladi. Uran-235 yadrolarining boʻlinish mahsulotlari bariy, ksenon, stronsiy, rubidiy va boshqalarning turli izotoplari boʻlishi mumkin.Ogʻir atomlar yadrolarining boʻlinishi jarayonida juda katta energiya – har bir yadroning boʻlinishida 200 MeV ga yaqin energiya ajralib chiqadi. Bu energiyaning taxminan 80% fragment kinetik energiya shaklida chiqariladi; Qolgan 20% fragmentlarning radioaktiv nurlanish energiyasi va tezkor neytronlarning kinetik energiyasiga to'g'ri keladi. Uran yadrolarining bo'linish reaktsiyasi energiyaning asosan atrof-muhitga chiqishi bilan davom etadi.
Hozirgi vaqtda 100 ga yaqin turli xil izotoplar ma'lum bo'lib, ularning massa soni taxminan 90 dan 145 gacha bo'linish natijasida hosil bo'ladi. Ushbu yadroning ikkita tipik bo'linish reaktsiyasi shaklga ega:
Yadro zanjiri reaktsiyasi
Yadro bo'linishi paytida, bu neytron bilan to'qnashuvdan kelib chiqadi, 2 yoki 3 neytron ajralib chiqadi. Qulay sharoitlarda bu neytronlar boshqa uran yadrolariga tegib, ularning parchalanishiga olib kelishi mumkin. Bu bosqichda 4 dan 9 gacha neytronlar paydo bo'ladi, ular uran yadrolarining yangi parchalanishiga olib kelishi mumkin va hokazo. Bunday ko'chkiga o'xshash jarayon zanjirli reaktsiya deb ataladi.
Uran tabiiy ravishda ikkita izotopda uchraydi:(99,3%) va (0,7%). Neytronlar tomonidan bombardimon qilinganda, ikkala izotopning yadrolari ikkita bo'lakka bo'linishi mumkin. Bunday holda, bo'linish reaktsiyasi kinetik energiyasi 0,5 diapazonda bo'lgan sekin (issiqlik) neytronlarda eng intensiv ketadi ev - 1 Mev., yadrolari esa bo'linish reaktsiyasiga faqat energiya 1 MeV dan yuqori bo'lgan tez neytronlar bilan kiradi, aks holda hosil bo'lgan yadrolarning qo'zg'alish energiyasi bo'linish uchun etarli emas, keyin bo'linish o'rniga yadro reaktsiyalari sodir bo'ladi:
Uran izotopi b-radioaktiv, yarim yemirilish davri 23 min. Neptuniyning izotopi ham radioaktiv, yarim yemirilish davri taxminan 2 kun.
Plutoniyning izotopi nisbatan barqaror, yarim yemirilish davri 24000 yil (a-emirilish natijasida u hosil boʻladi). Plutoniyning eng muhim xususiyati shundaki, u neytronlar ta'sirida xuddi shunday bo'linadi. Shuning uchun, yordam bilan zanjirli reaktsiyani amalga oshirish mumkin.
Yuqorida ko'rib chiqilgan zanjirli reaktsiya sxemasi ideal holat bo'lib, real sharoitda bo'linish paytida hosil bo'lgan barcha neytronlar boshqa yadrolarning bo'linishida qatnashmaydi. Ulardan ba'zilari begona atomlarning bo'linmaydigan yadrolari tomonidan tutiladi, boshqalari urandan uchib ketadi (neytron oqishi). Shuning uchun og'ir yadrolarning bo'linish zanjiri reaktsiyasi har doim ham sodir bo'lmaydi va uranning har qanday massasi uchun emas. Ushbu masalani tushunish uchun yana bir tushunchani ko'rib chiqish kerak - neytronlarni ko'paytirish omili.
Zanjirli reaktsiyaning rivojlanishi neytronlarni ko'paytirish faktori K deb ataladigan narsa bilan tavsiflanadi, bu reaksiya bosqichlaridan birida moddaning yadroviy bo'linishiga olib keladigan neytronlarning Ni sonining Ni soniga nisbati bilan o'lchanadi. Reaksiyaning oldingi bosqichida parchalanishga olib kelgan -1 neytron:
Ko'paytirish koeffitsienti bir qator omillarga, xususan, parchalanuvchi materialning tabiati va miqdoriga, egallagan hajmning geometrik shakliga bog'liq. Berilgan moddaning bir xil miqdori K ning boshqa qiymatiga ega. Agar modda sharsimon shaklga ega bo'lsa, K maksimal bo'ladi, chunki bu holda sirt orqali tezkor neytronlarning yo'qolishi eng kichik bo'ladi.
Zanjir reaktsiyasi ko'payish koeffitsienti K = 1 bilan davom etadigan parchalanuvchi materialning massasi kritik massa deb ataladi. Uranning kichik bo'laklarida neytronlarning aksariyati hech qanday yadroga tegmasdan uchib ketadi.
Kritik massaning qiymati geometriya bilan belgilanadi jismoniy tizim, uning tuzilishi va tashqi muhiti. Shunday qilib, sof uran to'pi uchun kritik massa 47 kg (diametri 17 sm bo'lgan to'p). Neytron moderatorlari yordamida uranning kritik massasini ko'p marta kamaytirish mumkin. Gap shundaki, uran yadrolarining parchalanishi paytida hosil bo'lgan neytronlar juda yuqori tezlikka ega va uran-235 yadrolari tomonidan sekin neytronlarni tutib olish ehtimoli tez bo'lganidan yuzlab marta katta. Eng yaxshi neytron moderatori og'ir suv D2O (deyteriy va kislorod). Oddiy suv, neytronlar bilan o'zaro ta'sirlashganda, o'zi og'ir suvga aylanadi.
Yaxshi moderator ham grafit bo'lib, uning yadrolari neytronlarni o'zlashtirmaydi. Deyteriy yoki uglerod yadrolari bilan elastik ta'sir o'tkazganda, neytronlar issiqlik tezligigacha sekinlashadi.
Neytron moderatorlari va neytronlarni aks ettiruvchi maxsus berilliy qobig'idan foydalanish kritik massani 250 g gacha kamaytirishga imkon beradi.
Ko'paytirish omili K = 1 bilan bo'linadigan yadrolar soni doimiy darajada saqlanadi. Ushbu rejim yadroviy reaktorlarda taqdim etiladi.
Agar yadro yoqilg'isining massasi kritik massadan kichik bo'lsa, u holda ko'paytirish koeffitsienti K
Agar yadro yoqilg'isining massasi kritikdan katta bo'lsa, u holda ko'payish koeffitsienti K > 1 va neytronlarning har bir yangi avlodi hamma narsani keltirib chiqaradi. Ko'proq bo'linmalar. Zanjirli reaktsiya ko'chki kabi o'sib boradi va katta energiya chiqishi va atrof-muhit haroratining bir necha million darajaga ko'tarilishi bilan birga portlash xarakteriga ega. Bunday zanjirli reaktsiya atom bombasi portlaganda sodir bo'ladi.
Yadro reaktori. Termoyadro sintezi.
Shunday qilib, termoyadro va yadro reaktsiyalari haqida gapirishdan oldin, men sizga bir oz tahlil qilishni taklif qilaman va
ularni solishtiring.
Termoyadro reaktsiyasi - bu yadro sintezi reaktsiyasi bo'lib, unda engilroq elementlar (vodorodning og'ir izotoplari - deyteriy va tritiy) oqroq og'ir - geliyni hosil qiladi.
Yadro reaktsiyasi - bu og'irroq elementlardan engilroq elementlar hosil bo'lgan yadro zanjiri reaktsiyasi.
Amalda farq shundaki, yadro bo'linishi reaktsiyasini boshqarish nisbatan oson, uni termoyadroviy reaktsiya haqida aytib bo'lmaydi, shuning uchun harbiy ahamiyatga qo'shimcha ravishda tinch atom elektr stantsiyalari ham muhimdir.
Olimlar hali ham termoyadro termoyadroviy reaktsiyasini boshqarishning arzon usulini topish uchun kurashmoqda va hozircha hech qanday natija bermayapti. Agar ularning o'xshashliklari haqida gapiradigan bo'lsak, unda ikkala reaktsiyada ham katta miqdorda issiqlik ajralib chiqadi, ammo termoyadroviy sintezda u hali ham ko'proq.
Yadro reaktori 
Yadro reaktori yadro yoqilg'isi bo'lgan ob'ekt bo'lib, unda boshqariladigan bo'linish zanjiri reaktsiyasi sodir bo'ladi.
Yadro reaktorining ishlash printsipi
Uran U 235 ning parchalanishi paytida ikki yoki uchta neytronning chiqishi bilan birga issiqlik chiqariladi. Statistik ma'lumotlarga ko'ra - 2,5. Bu neytronlar boshqa uran atomlari U 235 bilan to'qnashadi. To'qnashuvda uran U 235 beqaror U 236 izotopiga aylanadi, u deyarli darhol Kr 92 va Ba 141 + xuddi shu 2-3 neytronga parchalanadi. Parchalanish gamma nurlanishi va issiqlik ko'rinishidagi energiyaning chiqishi bilan birga keladi.Bunga zanjir reaksiyasi deyiladi. Atomlar bo'linadi, parchalanish soni eksponent ravishda oshadi, bu bizning me'yorlarimiz bo'yicha, yashin tezligida juda katta energiya chiqishiga olib keladi - sodir bo'ladi. yadroviy portlash nazoratsiz zanjir reaktsiyasi natijasida.
Yadro reaktorlari tez va sekin neytronlarda ishlaydi:
Tez neytron reaktori - yadro reaktoriyadro zanjiri reaktsiyasineytronlarenergiya > 10 bilan 5 eV. RReaktorlar neytron spektrida - neytronlarning energiya bo'yicha taqsimlanishida va, demak, so'rilgan (yadro bo'linishini keltirib chiqaradigan) neytronlar spektrida sezilarli darajada farqlanadi. Agar yadroda elastik sochilish natijasida sekinlashuv uchun maxsus mo'ljallangan engil yadrolar bo'lmasa, u holda sekinlashuvning deyarli barchasi og'ir va o'rta massali yadrolar tomonidan neytronlarning elastik bo'lmagan tarqalishi bilan bog'liq. Bunday holda, bo'linishlarning ko'pchiligi energiyalari o'nlab va yuzlab keV ga teng bo'lgan neytronlar tomonidan sodir bo'ladi. Bunday reaktorlar tez neytron reaktorlari deb ataladi.
Sekin (termal) neytronlarda reaktor- yadro rektori saqlash uchun foydalanishyadro zanjiri reaktsiyasi neytronlar energiya spektrining termal qismi -"termal spektr". Termal spektrli neytronlardan foydalanish foydalidir, chunki uran-235 yadrolarining zanjirli reaktsiyada ishtirok etuvchi neytronlar bilan o'zaro ta'sir kesimi neytron energiyasi kamayishi bilan ortadi, uran-238 yadrolari esa past energiyalarda doimiy bo'lib qoladi. Natijada, tabiiy uran yordamida o'z-o'zini ta'minlaydigan reaktsiya bo'lib, unda parchalanuvchi izotop 235 U atigi 0,7%, tez neytronlarda (bo'linish spektri) mumkin emas va sekin (termal) neytronlarda mumkin.
Oddiy mulohazalar shuni ko'rsatadiki, uranning ikki bo'lakka bo'linishi juda katta energiya chiqishi bilan birga bo'lishi kerak. Shuning uchun uran yadrosi ikki bo'lakka bo'linganda, har bir nuklonga taxminan 1,1 MeV ga teng energiya ajralib chiqishi kerak. Hammasi bo'lib, 200 dan ortiq nuklonlarni o'z ichiga olgan uran yadrosining bo'linishi paytida 200 MeV darajasidagi energiya ajralib chiqishi kerak.
Bo'linish energiyasining asosiy qismi bo'linish bo'laklari va neytronlarning kinetik energiyasi shaklida chiqariladi. Energiyaning bir qismi gamma nurlanish shaklida chiqariladi.
Yadro reaktoridagi jarayonlar sxemasi: (reaktsiya moderatoridan foydalanganda)
O
Yadro reaktorining asosiy elementlari:
1) yadro yoqilg'isi (va boshqalar);
2) neytron moderatori (og'ir yoki oddiy suv, berilliy, berilliy oksidi va boshqalar);
3) reaktorning ishlashi paytida hosil bo'ladigan energiyani chiqarish uchun sovutish suvi (suv, suyuq natriy va boshqalar);
4) Reaksiya tezligini nazorat qiluvchi qurilma (reaktorning ish joyiga kiritilgan kadmiy yoki bor novdalari - neytronlarni yaxshi singdiruvchi moddalar).
Tashqarida reaktor himoya qobig'i bilan o'ralgan bo'lib, u g-nurlanish va neytronlarni ushlab turadi. Qobiq temir plomba bilan betondan qilingan.
neytron tutilishi- atom yadrosi neytron bilan birlashib, og'irroq yadro hosil qiladigan yadro reaktsiyasining bir turi:(A, Z) + n → ( A+1, Z) + γ.
Neytron yadroga nolga yaqin kinetik energiyada ham yaqinlasha oladi, chunki u musbat zaryadlangan protondan farqli o'laroq, elektr neytral bo'lib, uni faqat elektrostatik itarilishni yengish uchun yetarli darajada yuqori energiya bilan ushlash mumkin.
Tez neytron reaktorlari:
Afzallik:
ularning ishlashi sezilarli miqdorda plutoniy ishlab chiqaradi, keyinchalik u yadro yoqilg'isi sifatida ishlatilishi mumkin.
Bu reaktorlar selektsion reaktorlar deb ataladi, chunki ular parchalanadigan materialni ko'paytiradi.
Yengil yadrolarning birlashishi va yangi yadro hosil bo'lishi jarayonida katta miqdorda energiya ajralib chiqishi kerak. Buni o'ziga xos bog'lanish energiyasining massa soniga bog'liqligidan ko'rish mumkin A.
Massa soni 60 ga yaqin bo'lgan yadrolargacha nuklonlarning o'ziga xos bog'lanish energiyasi ortib boradi. A. Shuning uchun, bilan har qanday yadro sintezi A
Yengil yadrolarning sintez reaksiyalari deyiladi termoyadro reaksiyalari chunki ular oqishi mumkin faqat juda yuqori haroratlarda. Ikki yadro termoyadroviy reaksiyaga kirishishi uchun ular musbat zaryadlarining elektr itarishini yengib, 2·10 -15 m tartibdagi yadro kuchlarining ta'sir qilish masofasida yaqinlashishlari kerak. Buning uchun molekulalarning issiqlik harakatining o'rtacha kinetik energiyasidan oshishi kerak potentsial energiya Coulomb o'zaro ta'siri. Buning uchun zarur bo'lgan haroratni hisoblash T 10 8 -10 9 K tartibidagi qiymatga olib keladi. Bu juda yuqori harorat. Bu haroratda modda to'liq ionlangan holatda bo'ladi, bu deyiladi plazma
.5 tana holati. Dunyoda bunday haroratga bardosh bera oladigan materiallar yo'q.
Bir nuklonga termoyadro reaksiyalarida ajralib chiqadigan energiya o'ziga xos energiyadan bir necha baravar yuqori zanjir reaktsiyalari yadro parchalanishi. Masalan, deyteriy va tritiy yadrolarining sintez reaktsiyasida
|
3,5 MeV/nuklon ajralib chiqadi. Bu reaksiyada jami 17,6 MeV ajralib chiqadi. Bu eng istiqbolli termoyadro reaktsiyalaridan biridir.
Amalga oshirish boshqariladigan termoyadro reaksiyalari insoniyatga yangi ekologik toza va amalda tuganmas energiya manbasini beradi. Biroq, o'ta yuqori haroratlarni olish va plazmani milliard darajagacha qizdirish boshqariladigan termoyadro sintezini amalga oshirish yo'lidagi eng qiyin ilmiy va texnik vazifadir.
Fan va texnika taraqqiyotining ushbu bosqichida faqat nazoratsiz sintez reaktsiyasi vodorod bombasida. Yuqori harorat, yadroviy sintez uchun zarur bo'lgan bu erda an'anaviy uran yoki plutoniy bombasining portlashi yordamida erishiladi.
Koinot evolyutsiyasida termoyadroviy reaktsiyalar juda muhim rol o'ynaydi. Quyosh va yulduzlarning nurlanish energiyasi termoyadrodan kelib chiqadi.
Reaktsiya turlari:
1) Deyteriy + tritiy reaktsiyasi (yonilg'i D-T)
Eng oson amalga oshiriladigan reaktsiya deyteriy + tritiy:17,6 MeV (MeV) energiya chiqishi uchun 2 H + 3 H = 4 He + n.
Bu reaktsiya jihatidan eng oson amalga oshiriladi zamonaviy texnologiyalar, energiyaning sezilarli rentabelligini beradi, yoqilg'i komponentlari arzon. Kamchilik - kiruvchi neytron nurlanishining chiqishi.
Ikki yadro: deyteriy va tritiy birlashib geliy yadrosi (alfa zarrasi) va yuqori energiyali neytron hosil qiladi:
2) Reaksiya deyteriy + geliy-3
Deyteriy + geliy-3 reaktsiyasini amalga oshirish imkoni boricha qiyinroq.2 H + 3 He = 4 He + p 18,4 MeV energiya chiqishida.
Unga erishish shartlari ancha murakkab. Geliy-3 ham noyob va juda qimmat izotopdir. DA sanoat miqyosi hozirda ishlab chiqarilmaydi. Biroq, u atom elektr stantsiyalarida navbat bilan olingan tritiydan olinishi mumkin; yoki oyda qazib olinadi.
Termoyadro reaktsiyasini o'tkazishning murakkabligi uch martalik mahsulot bilan tavsiflanishi mumkin nt t (tutish vaqtidagi harorat uchun zichlik). Ushbu parametrga ko'ra, D- 3 He reaktsiyasi D-T ga qaraganda taxminan 100 marta qiyinroq.
3) Deyteriy yadrolari orasidagi reaksiya (D-D, monopropellant)
Deyteriy yadrolari orasidagi reaktsiyalar ham mumkin, ular geliy-3 ishtirokidagi reaktsiyalarga qaraganda biroz qiyinroq:DD-plazmadagi asosiy reaktsiyaga qo'shimcha ravishda quyidagilar ham sodir bo'ladi:
Bu reaktsiyalar asta-sekin deyteriy + geliy-3 va ular jarayonida hosil bo'lgan tritiy va geliy-3 bilan parallel ravishda boradi. ehtimoli katta deyteriy bilan darhol reaksiyaga kirishadi.
Boshqa turdagi reaktsiyalar
Boshqa bir qancha turdagi reaktsiyalar ham mumkin. Yoqilg'i tanlovi ko'plab omillarga bog'liq - uning mavjudligi va arzonligi, energiya rentabelligi, termoyadroviy reaktsiya uchun zarur bo'lgan sharoitlarga erishish qulayligi (birinchi navbatda harorat), reaktorning zarur dizayn xususiyatlari va boshqalar.Shartlar:
Bir vaqtning o'zida ikkita shart bajarilganda boshqariladigan termoyadro sintezi mumkin:
Yadrolarning to'qnashuv tezligi plazma haroratiga mos keladi:
Lawson mezoniga muvofiqligi:
Qayerda n- yuqori haroratli plazma zichligi, t - tizimda plazmani ushlab turish vaqti.
Ushbu ikki mezonning qiymati asosan ma'lum bir termoyadro reaktsiyasining tezligini belgilaydi.
ASOSIY TUSHUNCHALAR
Elementar zarracha- moddaning eng kichik zarralari, ular atom yadrolari va atomlar bo'lmasligi sharti bilan (proton bundan mustasno); shuning uchun ular subyadro deb ataladi.Spin(inglizcha spin - spin, aylanish) - elementar zarralar impulsining ichki momenti, kvant tabiati va umuman zarrachaning harakati bilan bog'liq emas. Spin, shuningdek, atom yadrosi yoki atomining to'g'ri burchak momentumi deb ataladi; bu holda spin sifatida aniqlanadi vektor yig'indisi(kvant mexanikasida momentlarni qoʻshish qoidalari boʻyicha hisoblangan) sistemani tashkil etuvchi elementar zarrachalarning spinlari va bu zarrachalarning tizim ichidagi harakatidan kelib chiqqan orbital momentlari.( S)
Antipartikul- bir xil massaga va bir xil spinga ega bo'lgan, lekin ba'zi bir o'zaro ta'sir xususiyatlarining belgilari bilan farq qiladigan boshqa elementar zarraning egizak zarrasi.
Elementar zarrachalarning tasnifi
Hozirgi bilim darajasida 12 ta zarracha va 12 ta antizarracha, shuningdek 12 ta oʻzaro taʼsir tashuvchi elementar hisoblanadi. Barcha elementar zarralar fermionlar (s=1/2ħ), barcha oʻzaro taʼsir tashuvchilari bozonlar (s=1ħ).Erkin holatda faqat 6 ta (12 tadan) elementar zarrachalar kuzatiladi. Bular leptonlar: elektron e- , muon m - , taon t - , elektron neytrino n e , muon neytrino n m , taon neytrino n t . Antineytrinolar va musbat zaryadlangan leptonlar antizarralar hisoblanadi. Leptonlar zaif o'zaro ta'sir qiluvchi zarralardir.
Qolgan 6 ta elementar zarralar - kvarklar faqat bog'langan holatda mavjud. Bu 6 ta antikvarkka ham tegishli. Kvarklar va antikvarklar kuchli o'zaro ta'sirga ega bo'lgan zarralardir.
Tasniflash turlari:
Orqa tomonning o'lchami
bozonlar - butun spinli zarralar (masalan, foton, glyuon, mezonlar)
fermionlar - yarim butun spinli zarralar (masalan, elektron, proton, neytron, neytrino)
O'zaro ta'sir turi bo'yicha
Kompozit zarralar
hadronlar - barcha turdagi fundamental o'zaro ta'sirlarda ishtirok etuvchi zarralar. Ular kvarklardan iborat bo'lib, o'z navbatida, bo'linadi
mezonlar- butun spinli adronlar, ya'ni bozonlar;
barionlar- yarim butun spinli adronlar, ya'ni fermionlar. Bularga, xususan, atom yadrosini tashkil etuvchi zarrachalar - proton va neytron kiradi.
Adronlar va leptonlar materiyani hosil qiladi. Gauge bozonlari kvant hisoblanadi turli xil turlari o'zaro ta'sirlar.
Pozitron. Yo'q qilish. Xususiyatlari bo'yicha elektronga o'xshash, ammo elektrondan farqli o'laroq musbat birlik zaryadiga ega bo'lgan zarracha pozitronning kashf etilishi fizikada juda muhim voqea bo'ldi. 1928 yilda P. Dirak relativistikni tavsiflash uchun tenglamani taklif qildi kvant mexanikasi elektron. Ma'lum bo'ldiki, Dirak tenglamasi ijobiy va salbiy energiyaga ega bo'lgan ikkita yechimga ega. Salbiy energiyaga ega bo'lgan holat elektronga o'xshash, ammo ijobiy bo'lgan zarrachani tasvirlaydi elektr zaryadi. Pozitron antizarralar deb ataladigan zarralar sinfida kashf etilgan birinchi zarra edi. Pozitron kashf etilishidan oldin tabiatdagi musbat va manfiy zaryadlarning teng bo'lmagan roli tushunarsiz bo'lib tuyulardi. Nima uchun og'ir musbat zaryadlangan proton bor va proton massasi va manfiy zaryadli og'ir zarracha yo'q? Ammo yorug'lik manfiy zaryadlangan elektron mavjud. Pozitronning kashf etilishi mohiyatan yorug'lik zarralari uchun zaryad simmetriyasini tikladi va fiziklarni proton uchun antizarrani topish muammosi bilan to'qnashdi. Yana bir ajablantiradigan narsa shundaki, pozitron barqaror zarrachadir va bo'sh fazoda cheksiz mavjud bo'lishi mumkin. Biroq, elektron va pozitron to'qnashganda, ular yo'q qilinadi. Elektron va pozitron yo'qoladi va ularning o'rniga ikkita -kvanta tug'iladi |
Beta parchalanishining paradokslari. NeytrinoBu savolga javobni 1932 yilda, neytron kashf etilganidan bir yil o'tib, italyan fizigi Enriko Fermi o'zining -parchalanish nazariyasida bergan. -Emirilish ma'lum ma'noda hayajonlangan atomlar tomonidan fotonlar chiqarishga o'xshaydi. Emissiya momentiga qadar atomda yadroda na elektronlar, na fotonlar mavjud bo'lib, parchalanish jarayonida foton ham, elektron ham hosil bo'ladi. -parchalanish jarayonini o'rganish shuni ko'rsatdiki, elektronlarning emissiyasi elektromagnit o'zaro ta'sir va yadroviy o'zaro ta'sir natijasida emas, balki fizikada hali noma'lum bo'lgan o'zaro ta'sirning yangi turidan kelib chiqadi. Ushbu o'zaro ta'sir zaif o'zaro ta'sir deb ataladi. Kelajakda u fizikaga ko'plab kutilmagan va shov-shuvli kashfiyotlar olib keldi.-parchalanish hodisasini o'rganish fiziklar uchun jiddiy muammo tug'dirdi. Eksperimental faktlar energiya, impuls va burchak momentumning saqlanish qonunlariga mos kelmaydigandek tuyuldi. Bu qonuniyatlarni saqlab qolish uchun V.Pauli 1930 yilda -parchalanish jarayonida oson kuzatiladigan elektron bilan bir qatorda zaryadi nolga teng, tinch massasi nolga teng va spini 1/2 bo'lgan yana bitta yorug'lik zarrasi tug'ilishi kerakligini taklif qildi. Neytrino parchalanish jarayonida elektron bilan birga chiqarilganligi sababli, u etishmayotgan energiyani, impulsni va burchak momentini olib ketishi mumkin edi. Pauli gipotezasini sinab ko'rish uchun neytrinolarni eksperimental ravishda aniqlash kerak edi. Biroq, Pauli tomonidan bashorat qilingan neytrinoning xususiyatlari uni aniqlashni juda qiyinlashtirdi. Gap shundaki, neytrino materiya bilan juda zaif ta'sir o'tkazishi kerak edi. U minglab kilometr materiya bo'ylab o'zaro ta'sir qilmasdan ucha oladi. Bir necha MeV energiyaga ega neytrinolarning atom yadrolari bilan o'zaro ta'siri uchun kesma ~ 10 -34 sm 2. (Fanda neytrino astrofizikasi va neytrinogeofizika kabi sohalarning rivojlanishi neytrinolarning ulkan kirib borish kuchi bilan bog'liq. Neytrinolar olib yuradi. Quyosh markazidagi jarayonlar, erta koinotda sodir bo'lgan jarayonlar va yulduzlar evolyutsiyasining so'nggi bosqichlari haqida ma'lumot.) Neytrinolarni bevosita ro'yxatga olish bo'yicha eksperimental urinishlar deyarli yigirma yil davom etdi. Faqat 1953 yilda juda murakkab tajriba natijasida F. Reyns va K. Kouen antineytrinolarni ro'yxatga olishga muvaffaq bo'ldi. (Antineytrino e + p → n + e + reaktsiyasi yordamida qayd etilgan. Antineytrinoning manbai atom reaktori bo'lib, unda antineytrinolar ko'p miqdorda ishlab chiqariladi.). Paulining gipotezasi yorqin tasdig'ini oldi. |
Peonies - yadro maydonining kvantlariAtom yadrosida neytron va protonlarning mavjudligi fiziklar oldiga yadrodagi bu zarrachalarni bog'laydigan yadroviy o'zaro ta'sirlar tabiatini o'rganish muammosini qo'ydi. 1934 yilda X.Yukava yangi zarracha - yadro maydoni kvantini bashorat qildi. Yukava gipotezasiga ko'ra, nuklonlar orasidagi o'zaro ta'sir bu zarrachalarning emissiyasi va yutilishi natijasida yuzaga keladi. Ular yadro maydonini o'xshashlik bilan belgilaydilar elektromagnit maydon, fotonlar almashinuvi natijasida paydo bo'ladi
m massali kvantlarning almashinishi natijasida nuklonlarning o'zaro ta'siri potentsialning paydo bo'lishiga olib keladi.
Bu erda g i - yadroviy o'zaro ta'sirni olib boruvchi zarralarning kvantlar maydoni bilan o'zaro ta'sirining doimiysi. E'tibor bering ma'lum faktlar Yadro kuchlari qisqa masofali va ~1 fm xarakterli diapazonga ega ekanligi haqida Yukava yadroviy maydon kvantlarining massasini ~200 MeV deb hisoblagan. Yukavaning bashorat qilingan zarrasi
elektron va proton o'rtasida oraliq massa qiymatini egallashi kerak edi va yunoncha mezo - o'rtacha so'zdan olingan mezon deb ataldi. Mezonning xususiyatlarini bashorat qilgandan so'ng, bu zarracha uchun baquvvat qidiruv boshlandi. Va ikki yil o'tgach, 1937 yilda bulut kamerasi yordamida kosmik nurlarda dam olish massasi taxminan 200 elektron dam massasiga teng bo'lgan zarracha aniqlandi. Dastlab, bu Yukava tomonidan bashorat qilingan mezon deb hisoblangan. Biroq, bu zarrachaning xususiyatlarini batafsilroq o'rganish shuni ko'rsatdiki, kosmik nurlarda topilgan mezonlar neytronlar va protonlar bilan etarlicha kuchli ta'sir o'tkazmaydi, chunki yadroviy o'zaro ta'sir tashuvchilar uchun bo'lishi kerak edi. Ular atom yadrolari tomonidan tutilmagan, balki elektronlar chiqishi bilan parchalangan. Dastlabki ishtiyoq biroz umidsizlikka almashtirildi. Nihoyat, 1947 yilda, shuningdek, kosmik nurlarda, protonlar va neytronlar bilan kuchli o'zaro ta'sir qiladigan yana bir zarracha topildi va Yukava bashorat qilgan zarracha edi. U p-mezon yoki pion deb atalgan. p mezonlar uch xil bo‘ladi: massasi ~140 MeV bo‘lgan manfiy zaryadlangan p - -mezon, uning musbat zaryadlangan antizarracha p + -mezon va massasi ~135 MeV neytral p 0 -mezon. Ular kuchli o'zaro munosabatlarga nisbatan xuddi shunday yo'l tutishadi. Demak, proton va neytron izotopik dubletga birlashganidek, pionlar ham izotopik tripletga birlashadi. |
.
Leptonlar1937 yilda topilgan zarracha mezon, m mezon deb ham atalgan. U ~106 MeV massasiga ega va ikki xil - manfiy zaryadlangan zarracha va musbat zaryadlangan antizarrachada mavjud. Bugungi kunda muonni muon deb atash afzalroq. Myuonlar beqaror zarralardir va sxema bo'yicha parchalanadim - e - + n e + m , m + e + + e + n m , Yakuniy holatda elektron (pozitron), elektron neytrino (antineytrino) va muonik antineytrino m (neytrino n m) hosil bo'lishi bilan. Elektron va muon neytrinolarining turli zarralar ekanligi birinchi marta 1957 yilda M. Markov va Yu. Shvinger tomonidan ta'kidlangan. Bu gipoteza 1962 yilda Bruxeyvendagi tezlatkichda o'tkazilgan tajribalarda tasdiqlangan. Myuon neytrinolarining oʻzaro taʼsirida myyuonlar hosil boʻlishi koʻrsatilgan n m + np + m - Va elektronlar tug'ilmaydi n m + n p + e -. Myuonlar, elektronlar va neytrinolar leptonlar oilasiga kiradi. Bu oilaning yana bir zarrasi lepton (taon) M. Perl tomonidan 1979 yilda e + + e - t + + t - reaksiyasida kashf etilgan. U protondan deyarli ikki baravar og'ir va nafaqat muon kabi leptonlarga, balki adronlarga ham parchalanishi mumkin. M(e) M( e) + m(n m) + m(n t) |
20-asrning 20-yillariga kelib fiziklar 1911-yilda E.Rezerford tomonidan kashf etilgan atom yadrolari hamda atomlarning oʻzlari murakkab tuzilishga ega ekanligiga shubha qilmay qoʻydilar. Ular bunga o'sha paytda to'plangan ko'plab eksperimental faktlar bilan ishonch hosil qilishdi: radioaktivlikning kashf etilishi, yadroning yadro modelining eksperimental isboti, elektron, a-zarracha va boshqalar uchun e / m nisbatini o'lchash. H-zarracha deb ataladigan - vodorod atomining yadrosi, sun'iy radioaktivlik va yadro reaktsiyalarining kashf etilishi, atom yadrolarining zaryadlarini o'lchash va hokazo. Hozirda qat'iy belgilangan. turli elementlarning atom yadrolari ikkita zarracha - proton va neytronlardan iborat ekanligi.
Bu zarralarning birinchisi vodorod atomi bo'lib, undan bitta elektron chiqarilgan. Bu zarracha J. Tomson (1907) tajribalarida allaqachon kuzatilgan, u undagi e / m nisbatini o'lchashga muvaffaq bo'lgan. 1919-yilda E.Rezerford koʻpgina elementlar atomlari yadrolarining boʻlinish mahsulotida vodorod atomining yadrolarini topdi. Rezerford bu zarrachani proton deb atadi. U protonlar barcha atom yadrolarining bir qismi ekanligini taklif qildi. Ruterford tajribalarining sxemasi shaklda ko'rsatilgan. o'n bir.
Rezerford qurilmasi evakuatsiya qilingan kameradan iborat bo'lib, uning ichiga a-zarrachalar manbai bo'lgan K idish qo'yilgan. Kamera oynasi metall folga F bilan qoplangan bo'lib, uning qalinligi a-zarralar u orqali o'tmasligi uchun tanlangan. Deraza tashqarisida sink sulfid bilan qoplangan E ekrani bor edi. M mikroskop yordamida og'ir zaryadlangan zarrachalar ekranga urilgan nuqtalarda ssintilatsiyani kuzatish mumkin edi. Kamera past bosimda azot bilan to'ldirilganda, ekranda yorug'lik miltillashlari paydo bo'ldi, bu F folga orqali o'tishga qodir bo'lgan ba'zi zarrachalar oqimining ko'rinishini ko'rsatib, a-zarrachalar oqimini deyarli butunlay to'sib qo'ydi.
Rezerford E ekranini kamera oynasidan uzoqlashtirgan holda o'lchadi erkin yo'l degan ma'noni anglatadi havodagi zarralar kuzatildi. Taxminan 28 sm ga teng bo'lib chiqdi, bu J. Tomson tomonidan ilgari kuzatilgan H-zarrachalarining yo'l uzunligini baholashga to'g'ri keldi. Elektr va magnit maydonlarining azot yadrolaridan chiqib ketgan zarrachalarga ta'sirini o'rganish shuni ko'rsatdiki, bu zarralar ijobiy elementar zaryadga ega va ularning massasi vodorod atomi yadrosi massasiga teng. Keyinchalik, bir qator boshqa gazsimon moddalar bilan tajriba o'tkazildi. Barcha holatlarda a-zarralar H-zarrachalarni yoki bu moddalar yadrolaridan protonlarni chiqarib yuborishi aniqlandi. Zamonaviy o'lchovlarga ko'ra, protonning musbat zaryadi elementar zaryadga to'liq tengdir e = 1,60217733 10 -19 C, ya'ni u mutlaq qiymatda elektronning manfiy zaryadiga teng. Hozirgi vaqtda proton va elektron zaryadlarining tengligi 10-22 aniqlik bilan tasdiqlangan. Ikki o'xshash bo'lmagan zarrachalar zaryadlarining bunday mos kelishi hayratlanarli va zamonaviy fizikaning asosiy sirlaridan biri bo'lib qolmoqda.
11-rasm. Yadro parchalanish mahsulotlarida protonlarni aniqlash bo'yicha Rezerford tajribalarining sxemasi. K - a-zarrachalarning radioaktiv manbai bo'lgan qo'rg'oshin idishi, F - metall folga, E - rux sulfid bilan qoplangan ekran, M - mikroskop.
proton massasi, zamonaviy o'lchovlarga ko'ra, mp = 1,67262 10 -27 kg ga teng. Yadro fizikasida zarrachaning massasi koʻpincha massa soni 12:1 a.u boʻlgan uglerod atomi massasining 1/12 qismiga teng atom massa birliklarida (a.m.u.) ifodalanadi. e.m = 1,66057 10 -27 kg.
Shuning uchun, m p \u003d 1.007276 a. e. m. Ko'p hollarda zarrachaning massasini E = mc 2 formulasiga muvofiq ekvivalent energiya qiymatlarida ifodalash qulay. 1 eV = 1,60218 10 -19 J bo'lgani uchun energiya birliklarida proton massasi 938,272331 MeV ga teng. Shunday qilib, Rezerford tajribasida tez a-zarrachalar ta'sirida azot va boshqa elementlar yadrolarining bo'linish hodisasi ochildi va protonlar atomlar yadrolarining bir qismi ekanligi ko'rsatildi. Proton kashf etilgandan so'ng, atomlarning yadrolari faqat protonlardan iborat degan fikr paydo bo'ldi. Biroq, bu taxmin asossiz bo'lib chiqdi, chunki yadro zaryadining uning massasiga nisbati turli yadrolar uchun doimiy bo'lib qolmaydi, chunki yadrolar tarkibiga faqat protonlar kiritilganda bo'ladi. Og'irroq yadrolar uchun bu nisbat engil bo'lganlarga qaraganda kichikroq bo'lib chiqadi, ya'ni og'irroq yadrolarga o'tganda yadro massasi zaryaddan tezroq o'sadi. 1920 yilda Rezerford yadrolar tarkibida qattiq bog'langan ixcham proton-elektron juftligi mavjudligini faraz qildi, bu elektr neytral shakllanish - massasi taxminan proton massasiga teng bo'lgan zarracha. U hatto bu faraziy zarrachaning nomini ham o'ylab topdi - neytron.
Bu juda chiroyli, ammo keyinchalik ma'lum bo'lishicha, noto'g'ri fikr edi. Elektron yadroning bir qismi bo'lishi mumkin emas. Noaniqlik munosabatiga asoslangan kvant-mexanik hisoblash shuni ko'rsatadiki, yadroda lokalizatsiya qilingan elektron, ya'ni o'lchami R ≈ 10-13 sm bo'lgan hududda katta kinetik energiyaga ega bo'lishi kerak. yadroviy bog'lanish energiyasi zarracha uchun. Og'ir neytral zarraning mavjudligi haqidagi g'oya Ruterfordga shu qadar jozibali tuyuldiki, u darhol Jeyms Chadvik boshchiligidagi bir guruh shogirdlarini shunday zarrachani qidirishga taklif qildi. 12 yil o'tgach, 1932 yilda Chadwick berilliyni a-zarrachalar bilan nurlantirganda paydo bo'ladigan nurlanishni eksperimental ravishda o'rganib chiqdi va bu nurlanish massasi protonnikiga teng bo'lgan neytral zarralar oqimi ekanligini aniqladi. Neytron aynan shunday kashf etilgan. Shaklda. 12 neytronlarni aniqlash uchun sozlashning soddalashtirilgan diagrammasini ko'rsatadi.
Beriliyni radioaktiv poloniy chiqaradigan a-zarralar bilan bombardimon qilganda, 10-20 sm qalinlikdagi qo'rg'oshin qatlami kabi to'siqni engib o'tishga qodir bo'lgan kuchli penetratsion nurlanish paydo bo'ladi.Bu nurlanishni Chadvik bilan deyarli bir vaqtda Joliot-Kyuri turmush o'rtoqlari Iren va Iren kuzatgan. Frederik (Iren va Per Kyurining qizi), lekin ular bu yuqori energiyali g-nurlari deb taxmin qilishgan. Ular agar berilliy nurlanish yo'liga kerosin plitasi qo'yilsa, bu nurlanishning ionlashtiruvchi kuchi keskin ortadi. Ular berilliy nurlanishi ushbu vodorod o'z ichiga olgan moddada ko'p miqdorda mavjud bo'lgan protonlarni kerosindan chiqarib tashlashini isbotladilar. Protonlarning havodagi erkin yo'liga asoslanib, ular to'qnashuvda protonlarga kerakli tezlikni berishga qodir bo'lgan g-kvantalarning energiyasini hisobladilar.
Bu juda katta bo'lib chiqdi - taxminan 50 MeV. J.Chedvik 1932-yilda berilliyning a-zarrachalar bilan nurlanishidan kelib chiqadigan nurlanish xossalarini har tomonlama oʻrganish boʻyicha bir qator tajribalar oʻtkazdi. Chadvik o'z tajribalarida ionlashtiruvchi nurlanishni o'rganish uchun turli usullardan foydalangan. Shaklda. 12-rasmda zaryadlangan zarralarni aniqlash uchun mo'ljallangan Geiger hisoblagichi ko'rsatilgan. U ichki tomondan metall qatlam (katod) bilan qoplangan shisha naychadan va trubaning (anod) o'qi bo'ylab o'tadigan ingichka ipdan iborat. Quvur past bosimda inert gaz (odatda argon) bilan to'ldiriladi. Gaz orqali uchadigan zaryadlangan zarracha molekulalarning ionlanishiga olib keladi. Ionlanish natijasida paydo bo'lgan erkin elektronlar anod va katod orasidagi elektr maydoni ta'sirida ta'sir ionlashuvi boshlanadigan energiyalarga tezlashadi. Ionlarning ko'chkisi paydo bo'ladi va hisoblagich orqali qisqa oqim pulsi o'tadi. Zarrachalarni o'rganish uchun yana bir muhim vosita bu bulut kamerasi bo'lib, unda tez zaryadlangan zarracha iz (iz) qoldiradi. Zarrachalar traektoriyasini bevosita kuzatish yoki suratga olish mumkin.
Shakl 12. Neytronlarni aniqlash uchun sozlash sxemasi.
1912 yilda yaratilgan bulutli kameraning harakati zaryadlangan zarrachaning traektoriyasi bo'ylab kameraning ish hajmida hosil bo'lgan ionlarda o'ta to'yingan bug'ning kondensatsiyasiga asoslangan. Bulutli kameradan foydalanib, elektr va magnit maydonlarda zaryadlangan zarracha traektoriyasining egriligini kuzatish mumkin. J.Chedvik o'z tajribalarida bulut kamerasida berilliy nurlanishi bilan to'qnashuvni boshdan kechirgan azot yadrolarining izlarini kuzatdi. Ushbu tajribalar asosida u azot yadrolariga tajribada kuzatilgan tezlikni bildirishga qodir bo'lgan g-kvant energiyasiga baho berdi. 100-150 MeV ga teng bo'lib chiqdi. Bunday ulkan energiya berilliy chiqaradigan g-kvantaga ega bo'lishi mumkin emas. Shu asosda Chedvik berilliydan a-zarralar taʼsirida massasiz g-kvantlar emas, balki ogʻir zarrachalar uchib chiqadi, degan xulosaga keldi.
Bu zarralar yuqori darajada kirib borgani va Geiger hisoblagichidagi gazni bevosita ionlashtirmagani uchun ular elektr neytral edi. Mavjudligi shu tarzda isbotlangan. neytron- Chadwick tajribalaridan 10 yil oldin Rezerford tomonidan bashorat qilingan zarralar. Neytron elementar zarrachadir. Dastlab Ruterford taklif qilganidek, uni ixcham proton-elektron juftligi sifatida ko'rsatmaslik kerak. Zamonaviy o'lchovlarga ko'ra, neytron massasi m n \u003d 1,67493 10 -27 kg \u003d 1,008665 a.u. e. m. Energiya birliklarida neytron massasi 939,56563 MeV ni tashkil qiladi. Neytronning massasi protonning massasidan taxminan ikki elektron massasi kattaroqdir. Neytron kashf etilgandan so'ng darhol rus olimi D. D. Ivanenko va nemis fizigi V. Geyzenberglar atom yadrolarining proton-neytron tuzilishi haqidagi farazni ilgari surdilar va bu keyingi tadqiqotlarda to'liq tasdiqlandi.
Protonlar va neytronlar deyiladi nuklonlar. Atom yadrolarini xarakterlash uchun bir qancha belgilar kiritiladi. Atom yadrosini tashkil etuvchi protonlar soni Z belgisi bilan belgilanadi va deyiladi zaryad raqami yoki atom raqami (bu Mendeleyev davriy sistemasidagi seriya raqami). Yadro zaryadi Ze, bu yerda e elementar zaryad. Neytronlar soni N belgisi bilan belgilanadi. Nuklonlarning umumiy soni (ya'ni proton va neytronlar) deyiladi. massa raqami A: A=Z+N.
Kimyoviy elementlarning yadrolari belgisi bilan belgilanadi, bu erda X elementning kimyoviy belgisidir. Masalan, - vodorod, - geliy, - kislorod, - uglerod, - uran. Xuddi shu kimyoviy elementning yadrolari neytronlar soni bo'yicha farq qilishi mumkin. Bunday yadrolar deyiladi izotoplar. Ko'pgina kimyoviy elementlarning bir nechta izotoplari mavjud. Masalan, vodorod uchta izotopga ega: - oddiy vodorod, - deyteriy va - tritiy. Uglerodda 6 ta, kislorodda 3 ta izotop mavjud. Tabiiy sharoitda kimyoviy elementlar odatda izotoplar aralashmasidan iborat. Izotoplarning mavjudligi Mendeleyev davriy sistemasidagi tabiiy elementning atom massasining qiymatini aniqlaydi. Masalan, tabiiy uglerodning nisbiy atom massasi 12,011 ga teng.
