Резерфорд тәжiрибесi. Атомның ядролық моделi

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=E_n- E_m

Мұндағы E_n және E_n осы стационар күйлердiң энергиясы, ал h – Планк тұрақтысы.

Атомдардың энергетикалық  күйлерiн энергия деңгейлерi арқылы белгiлеп, сәуле шығару және жұту үрдiстерiн көрнектi түрде көрсету ыңғайлы.

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.

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.

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