Атом ядросының массасы, байланыс энергиясы, меншікті байланыс энергиясы

Атом ядролары бақыланатын элементар бөлшектер-протондар мен нейтрондардан тұрады. Протон мен нейтронның m_р және m_n массалары өзара жуық және электронның массасынан 2000 есе дерлік артық: m_p=1836,1m_e=1,007276 м.а.б., m_n=1838,6m_e = 1,0086652 м.а.б.

Масса ядроны сипаттайтын шамалардың ең маңыздыларының бірі. Ол оның екпіндік, күш әсерінен қозғалыс күйінің өзгерісіне қарсыласу қабілетін сипаттайды. Ядроның массасын массаның атомдық бірлігімен (м.а.б.) өлшеген ыңғайлы. Оған ХЖ-де 1.66×10^-27кг сәйкес келеді. Атом ядроларының массалары оны құраушылырдың массаларының қосындысына тең емес, одан аздап болса да кіші:

(1.1)

Салыстырмалық теориясы бойынша кез келген массасы М дененің Е=Мс² энергиясы болады. Мұндағы с = 3×10⁸м/с вакуумдағы жарық жылдамдығы. Атом ядросынада осындай энергия сәйкес келеді. Және ядроның қозған күйінің энергиясы, оның негізгі күйінің энергиясынан қозу энергиясына жоғары болады. Егер ядроның қозу энергиясын алсақ, онда қозған күйдегі ядроның массасы оның негізгі күйдегі массасынан -қа артық болады. Бұл жерде, біз тұтас күйінде (массалар центрі) тыныш тұрған ядролар жайында әңгімелеп отырмыз. Молекулалық физикада тұтас күйінде тыныш тұрған дененің энергиясын оның ішкі энергиясы деп атайды. Осыған орай ядроның да тыныш күйіндегі энергиясын оның ішкі энергиясы дейді. Кейде бұл энергияны потенциялық деп те атайды. Бұл жерде, күрделі дененің ішкі энергиясы оның бөліктерінің потенциялық энергиясынан ғана емес, олардың ішкі, инерция центріне қатысты қозғалыстарының кинетикалық (идеал газ үшін тек кинетикалық) энергиясынан да құралатынын естен шығармау керек.

Сонымен, ядроның негізгі күйіне оның энергиясының, демек массасының ең кіші мәні сәйкес келеді. Бұл ядроға да, бүкіл табиғатқа сияқты, өзінің ішкі энергиясының ең кіші мәніне ұмтылу тән екенін дәлелдейтін сияқты.

Ядролық физикада масса ұғымын негізінен ядроның негізгі күйі үшін қолданып, ал оның қозған күйлерін оның негізгі күйлеріне сәйкес энергиядан бастап есептелген қозу энергиясымен сипаттайды.

Ядролық физикада массаны өлшеудің алуан түрлі әдістері қолданылады. Олардың негізгілері мыналар: а) масс-спектроскопия, б) ұшу уақыттық масс-спектроскопия, в) ядролық реакцияларды энергиялық талдау, г) a- және b-ыдыраудың энергия балансы, д) микротолқындық радиоспектроскопия, е) фазалық кеңістік немесе инварианттық массалар әдісі.

Кез келген ядроның М_я(А,Z) массасы оның құраушыларының Zm_p+(A-Z)m_n массаларының қосындынсынан аз. Демек, ядроны дербес құраушыларға жіктеу үшін, оған осы массалардың айырмасына сәйкес энергия жұмсау керек. Осы, ядроны дербес құраушыларға толық жіктеу үшін жасалатын жұмысқа тең

(1.2)

энергия ядроның байланыс энергиясы деп аталады. Дәл осындай энергия ядроны дербес протондар мен нейтрондардан құрастырғанда бөлініп шығады.

Іс жүзінде анықтамаларда, көбінесе, бейтарап атомдардың массалары беріледі. Сондықтан ядронының байланыс энергиясын бейтарап атомдардың массалары арқылы

(1.3)

түрінде өрнектеген ыңғайлы. Мұнда M(¹₁H) - сутегі атомының, М(А,Z) - байланыс энергиясы анықталатын (А,Z) ядроға сәйкес атомның массасы. (1.2)-нің орнына (1.3)-ті пайдаланғанда, біз (А,Z) атомға Z электрондардың байланыс энергиясы мен Z сутегі атомына электрондардың байланыс энергияларының айырмасына тең:

қате жібереміз. Бірақ ол қате ядроның байланыс энергиясын тәжірибелерде анықтау кезінде жіберілетін статистикалық қателіктерден әлдеқайда кем, оны елемеуге болады.

(1.3) формуласы кез келген бірліктер жүйесінде пайдалануға болатын әмбебап өрнек. Бірақ ол ядролық физикада пайдалануға ыңғайсыз. Ядролық физикада массаның бірлігі үшін массаның атомдық бірлігі (м.а.б), энергия үшін мегаэлектронвольт (МэВ) қолданылады. (1.3) өрнегін осы бірліктерге бейімдеп жазсақ:

МэВ (1.4)

шығады. Бұл өрнекке қойылатын массалар массаның атомдық бірлігімен (м.а.б) өлшенген болуы керек.

Ядролардың нықтығын дәлірек сипаттайтын, қолдануға ыңғайлы шама меншікті байланыс энергиясы

ε=Е_б/A (1.5)

ядроның бір бөлшегіне тиісті орташа байланыс энергиясы.

Байланыс энергиясының анықтамасынан меншікті байланыс энергиясының екі тәуелсіздің - ядроның электр және бариондық зарядтарының - функциясы екені көрінеді. Егер барлық белгілі ядролар (2000 жуық) үшін меншікті байланыс энергиясының зарядтарға тәуелділігін сызсақ, ол энергетикалық деп аталатын бет береді. Ол беттін түрі суретте көрсетілгендей жота сияқты болады. Жотаның қырында жататын нүктелер меншікті байланыс энергиясы ең үлкен, яғни b-ыдырауға нық, ядроларға сәйкес келеді.

Меншікті байланыс энергиясының ядрның зарядтарына тәуелділігі ε=ƒ(Z_, А) энергиялық бетпен өрнектеледі.

Энергиялық беттің А=const жазықтықпен қиылысы А-тақ ядролар үшін бір, ал А-жұп ядролар үшін екі параболамен өрнектеледі. Жұп-жұп ядролар үшін парабола А-тақ ядролардыкінен жоғары, ал тақ-тақ ядролар үшін одан төмен орналасады. Демек жұп-жұп ядролардың байланыс энергиялары көршілес А-тақ ядролардыкінен үлкен, ал тақ-тақ ядролардыкі одан кіші.

Z₀ = А/1,98+0,01А^2/3 өрнегімен анықталатын баттің, энергиялық бетпен қиылысында жататын β-нық ядролар үшін ε=ƒ(А) тәуелділігі А-өскенде алдымен күрт өсіп, А≈ 60 мәнінде өзінің ең үлкен 8,8 МэВ мәнін қабылдайды. Кейін А~240 үшін ~ 7,6 МэВ – ке дейін төмендейді.

ε, МэВ

8,8

7,6

60 240 А

Осыдан β-нық ядролардың меншікті байланыс энергиялары бірдей дерлік, ε=8 МэВ деп қабылдауға болады.

Гамма-нұрдың зат арқылы өтуі. Гамма-нұрдың затпен әсерлесу түрлері. Зат арқылы өткен гамма-нұрдың әлсіреуі.

Гамма-нұрлану деп ядролардың өздігінен гамма-нұр шығаруын атайды. Гамма-квант шығару процесінде ядро қозған күйінен энергиясы азырақ күйге көшеді (радиациондық көшу). Ядро қозған күйінен негізгі күйге бірден бір g-квант шығарып (3.14-а-сурет) немесе сатылап, бірінен кейін бірі шығатын бірнеше квант шығарып (3.14-б-сурет), өтуі мүмкін.

қасиеттері нашар байқалады, оның бөлшектік қасиеттері басымырақ сезіледі. Гамма-кванттарға, кезкелген фотонға сияқты, энергия, импульс пен L спин тән.

Гамма-кванттың энергиясының мөлшері, арасында радиациялдық көшу өтетін, ядроның деңгейлерінің энергияларының айырмасымен анықталады. Энергия мен импульстің сақталу заңына сәйкес тыныш тұрған ядроның нұрлануы үшін

E=E_γ+T_яд

0=р_γ+p_яд (2.1)

Мұндағы Е мен Е_g - сәйкес ядроның күйлерінің энергияларының айырмасы (көшу энергиясы) мен g-кванттың энергиясы, р_γ - g-кванттың импульсы, Т_{я д} мен p_яд –ядроның тебілу энергиясы мен импульсы. Осылардан ядроның тебілу энергиясы

(2.2)

мардымсыз болады. Мұның шамасы, Е=0.1¸1 МэВ, А=100 үшін, Т_яд =(0.1¸100) эВ=(10^-6¸10^-5)Е болады. Демек, нұрлану энергиясы тұтас дерлік g-кванттың еншісіне тиеді.

Гамма-нұрлану электромагниттік әсерлесудің салдарынан өтеді. Демек, бұл құбылыста жұптылық сақталады. Радиациондық өту үшін жұптылықтың сақталу заңы:

(2.3)

түрінде жазылады. Мұнда ядроның бастапқы және ақырғы күйлерінің жұптылықтары. - гамма-кванттың жұптылығы.

Гамма-нұр мен бөлшектер зат арқылы өткенде олар оны құрайтын атомдармен, яғни электрондармен және атом ядроларымен (кейде нуклондармен) әсерлеседі. Осының нәтижесінде бөлшектердің де, заттың да кейбір сипаттамалары өзгереді. Зарядталған бөлшектер мен g-кванттардың затпен әсерлесуіне негізгі үлесті электромагниттік әсерлесу қосады. Ядролық әсерлесудің үлесі оның қысқа қашықтықтығы мен ядролардың санының электрондардың санынан едәуір аздығынан мардымсыз болады. Әрине, зарядталған бөлшектер үшін кулондық тосқауыл, ал g-кванттардың ядролық әсерлесуге қатыспайтыны да өз ықпалдарын тигізеді. Нәзік әсерлесудің тұрақтысы электромагниттік әсерлесу тұрақтысынан 10¹³ есе кем. Сондықтан, оларды зарядталған бөлшектердің зат арқылы өтуі кезінде елемеуге болады. g-квант нәзік әсерлесуге қатыспайды. Сондықтан, нұрдың затпен әсерлесуін олардың электромагниттік әсерлесуімен ауыстыруға болады.

Гамма-нұрға электромагниттік нұрдың толқын ұзындығы қысқа бөлігін жатқызады. Мұндай қысқа толқындардың толқындық қасиеттерінен бөлшектік қасиеттері басым болады. Осы тұрғыдан гамма-нұрды гамма-квант деп аталатын бөлшектердің ағыны деп ұғады. Гамма квантқа, басқа кезкелген бөлшектерге сияқты, энергия, импульс және момент тән.

Гамма кванттарға тән энергиягың ең кіші мәні ондаған кэВ, ал жоғары мәні анықталмаған, қазіргі үдеткіштерде алынатын g-кванттардың энергясы ондаған ГэВ. Тәжірибеде маңызы бар гамма-кванттардың энергиялары бірнеше кэВ-тан 200-300 МэВ-ке дейін созылады. Гамма-кванттардың затпен әсерлесуінде, зарядталған бөлшектерге ұқсас, электромагниттік күштердің әсері басым болады. Бірақ, бұл әсерлесудің өзіндік ерекшеліктері бар. Біріншіден, g-квант зарядсыз бөлшек, ол затпен кулондық электр өрісі арқылы әсерлеспейді. Гамма-бөлшектер электрондармен 10^-13 м қашықтықта әсерлеседі. Бұл заттың атомаралық қашықтығынан мың есе кіші. Сондықтан, гамма-кванттар заттың электрондарымен, ядроларымен сирек соқтығысады. Есесіне, соқтығысу нәтижесінде, әлбетте, таралу бағытын күрт өзгертіп, шоқтан шығып кетеді. g-кванттың екінші ерекшелігі оның массасы жоқ , ол еш уақытта жарық жылдамдығынан кем жылдамдықпен қазғала алмайды. Демек, затта ол баяулатылмайды. Соқтығысуда ол жұтылады немесе шашыратылады (көбіне үлкен бұрышқа).

Гамма-кванттар үшін жол, ең ұзын жол, меншікті энергия шығыны ұғымдарының мәні жоқ. Гамма-кванттар шоғы зат арқылы өткенде олардың энергиясы өзгермейді, тек шоқтың қарқыны төмендейді. N -заттың х -қалыңдығын өткен бөлшектердің ағыны, яғни бөлшектердің уақыт бірлігі ішінде бірлік бет арқылы өтетін саны болсын. d х қалыңдық өткенде шоқтың ағыны d N -ға кемиді. Ол, әрине, бөлшектердің ағыны мен өткен d х қалыңдыққа пропорционал болады:

(2.4)

Ал, орта біртекті болса, m-тұрақты болады да, оңай интегралданып,

(2.5)

шығады. Мұндағы N ₀ – заттың бетіне түсетін бастапқы ағын. m шамасын жұту коэффициенті дейді. Көбіне массалық жұту коэффициентін пайдаланады. Бұл жағдайда заттың қалыңдығы ретінде беттік тығыздықты алған ыңғайлы. Жұту коэффициенті g-нұрдың зат арқылы өтуін толық сипаттайды. Ол заттың қасиеттері мен гамма-кванттың энергиясына тәуелді болады.

Егер нұрдың затта жұтылуы әртүрлі құбылыстардың нәтижесінен болатын болса, әр құбылыстың өзіне тән жұту коэффициенті болады. Ал толық жұту коэффициенті m осы құбылыстардың жұту коэффициенттерінің қосындысына тең болады:

(2.6)

Жұту коэффициентінің бірлігі м^-1, немесе см^-1, ал массалық жұту коэффициентін м²/кг немесе см²/г-мен өлшейді.

Белгілі құбылысқа тән жұту коэффициентінің заттың көлем бірлігіндегі жұту центрлерінің санына қатынасы, осы құбылыстың қимасын береді:

(2.7)

Сөйтіп, жұту коэффициентін анықтау үшін, жұтүға үлес қосатын құбылыстарды және бұл құбылыстардың қимасының гамма-кванттардың энергиясы мен заттың тегіне тәуелділігін білу керек.

Гамма-кванттардың затта жұтылуы негізінен үш құбылыстың: фотоэффект, комптон эффект, электрон-позитрондық қосақтар туғызу әсерінен болады.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: