Резерфорд тәжiрибесi. Атомның ядролық моделi

lnN =-λt + const

аламыз. Бастапқы t=0 уақыт мезетiндегi ыдырамаған радиоактивтi ядролардың санын N₀ деп белгiлей отырып, const = lnN₀ екенiн аламыз. Онда

N =N₀ e^-λt

Мiне, осы өрнек радиоактивтi ыдырау заңы болып табылады (7.10 - сурет).

Бастапқы радиоактивтi ядролардың жартысы ыдырайтын уақытты  жартылайыдырау периоды деп атап, Т_1/2 әрiпiмен белгiлейдi. Онда бұл анықтамадан

ал бұдан 

7.10 - сурет

Бүгiнгi күнге дейiнгi белгiлi радиоактивтi ядролардың жартылайыдырау периоды 3·10^-7 с-тан 5·10¹⁵ жылға дейiнгi аралықтағы мәнге ие.

Радиоактивтi заттың активтiлiгi деп  бiрлiк уақыт аралығында болатын  ыдыраудың санын айтады, яғни

Бұл жерден активтiлiктiң радиоактитi ядролардың санына пропорционал, ал жартылайыдраудың периодына керi пропорционал екенi көрiнiп тұр.

Активтiлiктiң халықаралық бiрлiктер жүйесiндегi бiрлiгi беккерель (Бк). Беккерель  деп 1 с iшiнде бiр ыдырау жасайтын радиоактивтi заттың активтiлiгi алынған. Нақтылы өмiрде активтiлiктiң кюри (Ки) деп аталатын бiрлiгi жиi қолданылады. Кюри ретiнде 1 с аралығында 3,7·10¹⁰ ыдырау жасайтын радиоакивтi заттың активтiлiгi алынған.

Кез-келген химиялық элементтiң атомының ядросы оң зарядталған протоннан  және заряды жоқ нейтроннан тұрады. Протонның заряды абсолют шамасы жағынан электронның зарядына тең. Протон мен нейтрон нуклон деп аталатын ядролық бөлшектiң әртүрлi зарядтық күйi болып табылады. Ядродағы протондардың саны Z, Менделеевтiң периодтық жүйесiндегi химиялық элементтiң атомдық нөмiрiмен сәйкес. Ядродағы нейтрондадың саны N деп белгiленедi. ¹₁Н және ³₂Не ядроларынан басқа барлық ядролар үшiн N≥Z. Менделеевтың периодтық таблицасының бiрiншi жартысында тұрған жеңiл элементтер үшiн N≈Z, ал екiншi жартысындағы элементтерде нейтронның саны артықтау N≈1,6·Z.

Ядроның массалық саны деп A=N+Z болатын нуклондардың жалпы санын айтады. Ядроны әдетте мынадай символмен белгiлейдi. Зарядтарының саны бiрдей, ал массалық саны әртұрлi ядроларды изотоптар деп атайды. Изотоптардағы протонның саны бiрдей болады да, нейтронның саны әртүрлi болады. Мысалы сутегiнiң изотоптары: , (немесе -дейтерий), (немесе - тритий); гелийдiң изотоптары: , ; уранның изотоптары: , . Бүгiнгi күнi барлық химиялық элементтердiң үшжүзге жақын орнықты, ал екi мыңға жақын орнықсыз (радиоактивтi) изотоптары белгiлi.

Электронның массасы протонның массасынан 1836 есе кiшi болғандықтан ядроның массасы атомның массасымен бiрдей десе де болады. Элементар бөлшектердiң массасын әдетте массаның атомдық бiрлiгi (м.а.б) деп аталатын жүйеден тыс бiрлiкпен өлшейдi. 1 м.а.б. ретiнде сутегiнiң изотопының массасының 1/12 бөлiгi алынған.

Ядро сонымен қатар өзiндiк  қозғалыс мөлшерi моментiмен - спинiмен  сипатталады. Ядроның спинi нуклондардың спиндерi арқылы анықталады. Әрбiр нуклонның  спинi ħ/2-ге тең. Жұп нуклоннан тұратын ядроның спинi (ħ бiрлiгiнде) бүтiн санға немесе нөлге тең. Ал тақ нуклоннан тұратын ядроның спинi (ħ бiрлiгiнде) жартылай бүтiн санға тең.

Атом ядросы алып тұрған көлемнiң  айқын шекарасы жоқ. Бұл нуклондардың толқындық қасиетiмен байланысты. Сондықтан ядроның өлшемдерiн  шартты түрде анықтайды. Ядроның көлемi нуклонның сандарына пропорционал. Сондықтан ядроны радиусы R-ға тең сфера деп есептеп, оның радиусын әдетте мынадай эмпириялық өрнекпен анықтайды

R=R₀A^1/3 мұндағы R₀ =(1,3 - 1,7)·10^-15 м

Ядроның өлшемдерi өте  аз болғандықтан ондағы протондардың кулондық тебiлу күшi өте үлкен болады. Мысалы құрамында 82 протоны бар қоғасынның ядросындағы протондардың тебiлу күшi бiрнеше мың ньтонға жетедi. Бiрақ  ядро бұл тебiлу күшiнiң салдарынан бөлшектенiп кетпейдi. Бұл протондар мен нетрондардың арасында кулондық күштен де күштi тартылу күшiнiң бар екенiн көрсетедi. Бұл күштердi ядролық күштер деп, ал бұл күштердiң арқасында әсерлесудi пәрмендi әсерлесу деп атайды. Протон мен нейтронның пәрмендi әсерлесу тұрғысынан алғанда ешқандай айырмашылығы жоқ сондықтан оларды ядролық физикада нуклон деген бiр бөлшек ретiнде қарастырады.

Ядролық күштер өте аз аралықта әсер ететiн күштер болып  табылады. Ол 10^-15 м-ге дейiнгi аралықта әсер етедi де одан тысқары жерде өте тез кемiп кетедi.

Масс-спектрограф деп  аталатын құралдардың көмегiмен  ядроның массасын өлшеу кез-келген Z протоннан және N нейтроннан тұратын  ядроның массасы бос жүрген Z протон мен N нейтронның массаларының қосындысынан аз екенiн көрсеттi. Ал масса мен энергия арасындағы байланысты ескерсек бос протондар мен нейтрондардың энергияларының қосындысы олардан құралған ядроның энергиясынан артық екенi шығады. Олай болса, ядроны оны құрайтын бөлшектерге ажырату үшiн осы энергиялардың айырымына тең энергия жұмсау керек. Мұндай энергияны DЕбай ядроның байланыс энергиясы деп атайды.

ΔE_бай =Zm_p c² +Nm_n c² -m_я с² =Δmc²

мұндағы Δm=Zm_p+Nm_n-m_я массалар ақауы деп аталады. Ядродағы бiр нуклонға келетiн орташа байланыс энергиясын Δε_бай деп белгiлеп, ядроның меншiктi байланыс энергиясы деп атайды.

Резерфорд тәжiрибелерiнен  атомның өлшемдерi өте кiшi ядродан  және оны қоршаған электрондық бұлттан  тұратыны анықталды. Ендi физиктердiң  алдында жаңа физикалық нысанды, атом ядросының құрылымы мен қасетiн  зертеу мәселесi туды. Атом ядросының негiзгi сипаттамасының бiрi оның заряды. Ядроның зарядын өлшеу оның мәнi элементар зарядты сәйкес химиялық элементтiң реттiк номерiне көбейткенге тең екенiн, яғни q=Ze екенiн көрсеттi.

Бөлшектердiң атом ядросымен  әсерлесуiнiң нәтижесiнде оны басқа ядро мен бөлшекке өзгертуi ядролық реакция деп аталады. Ядролық реакцияны символдық түрде былайша жазады A+a->B+b немесе A(a,b)B. Ядролық реакция кейбiр жағдайда бiрмәндi болып өтпейдi, яғни A+a->B+b схемасымен қатар A+a->C+c схемасы да жүзеге асуы мүмкiн. Реакцияның мүмкiн болатын жолдары оның каналдары деп аталады.

Ядролық реакция кезiнде  толық заряд және нуклондар саны сақталады. Сонымен қатар бұл  кезде энергияның, импульстiң және импульс моментiнiң сақталу заңы орындалады.

Ядролық реакциялар энергия бөлiне немесе жұтыла отырып өтуi мүмкiн. Бұл жағдайлардың қайсысының жүзеге асатынын реакцияға түсетiн және реакциядан шығатын бөлшектердiң массаларының айырымын бiле отырып өө өрнегiнен есептеп табуға болады.

Әртүрлi ядролық реакциялардың iшiнде кейбiр ауыр ядролардың бөлiну реакциясының маңызы ерекше. Ауыр ядролар ондағы нейтронның ара салмағы үлкен болғандықтан орнықсыз болып келедi. Бұл ауыр ядролардың меншiктi байланыс энергиясының орташа ядролармен салыстырғанда аз болатынан көрiнiп түр. Сондықтан мұндай ядроларға тағы бiр нейтрон келiп қосылса ол бөлшектенiп кетедi. Осының бiр мысалы, уран ядросының нейтрондармен атқылаған кезде бөлiну реакциясы алғаш рет 1939 жылы ашылған болатын. Бастапқы ядрода нейтрондар артық болғандықтан реакция кезiнде бөлшектенген ядролармен қатар бiрнеше нейтрон да ұшып шығады. Мысалы уран бөлшектенген кезде бiр бөлшектену актiсiнде 2-3 нейтрон бөлiнедi. Егер дұрыс жағдай болса бұл нейтрондар уранның басқа ядроларына барып түсiп, оларды бөлшектейдi. Сөйтiп бұл үрдiс тасқынды түрде күрт өседi. Бұлай жалғасқан реакцияны тiзбектi реакция деп атайды.

Тiзбектi реакцияны нақтылы  жүзеге асыру оңай шаруа емес. Уранның  бөлшектенуi кезiнде бөлiнетiн нейтрондар тек уранның 235 изотопын ғана бөлшектей алады. Оның энергиясы 238 изотопты бөлшектеуге жеткiлiксiз. Ал табиғи уранда 238 уранның үлесi 99,3% те 235 уранның үлесi бар болғаны 0,7%. Сондықтан бiрiншiден тiзбектi реакцияны жүзеге асыру үшiн 235 уранды таза түрде бөлiп алу қажет. Екiншiден оның мөлшерi жеткiлiктi болуы тиiс, себебi оның мөлшерi аз болса реакция кезiнде туындылайтын нейтрондар уран ядроларына жолықпай тысқары шығып кетедi. Тiзбектi реакция басталатын ең аз массасын критикалық масса деп атайды. Мысалы 235 уран үшiн оның мәнi бiрнеше ондаған килограмм. Тiзбектi реакция кезiнде орасан көп энергия бөлiнедi. Уранның температурасы миллиондаған градусқа көтерiлiп, пайда болған от шар маңындағының бәрiн күйдiрiп, қиратады.

Уранның бiр ядросы бөлшектенген кезiнде 200 МэВ-қа жуық энергия бөлiнедi. Оның 165 МэВ-қа жуығы реакциядан шығатын бөлшектердiң кинетикалық энергиясы түрiнде болады да қалғаны таза гамма-кванттардың энергиясы болады. Осы энергияны бiле отырып 1 кг уран бөлшектенгенде бөлiнетiн энергияны есептеп табуға болады, ол 80 миллиард джоулға тең. Ол 1 кг көмiр немесе мұнай жаққан кезде бөлiнетiн энергиядан бiрнеше миллион есе артық. Сондықтан ядролық энергияны пайдалану өте тиiмдi.

Ядролық жарылыстың энергиясын бейбiт мақсатта қолдану мүмкiн  емес. Сондықтан ядролық реакция  кезiнде бөлiнетiн энергияны пайдалана алу үшiн тiзбектi реакцияны еркiмiзше басқара алатындай болуымыз қажет. Мұндай басқарылатын тiзбектi реакцияны ядролық реакторлар немесе атомдық қазандықтар деп аталатын қондырғыда жүзеге асырады. Ядролық реактордың жұмыс iстеу принципiн мына жерден қарап көруге болады. Реактордың негiзгi элементтерi: ядролық отын, нейтрондарды шағылдырғыш және баяулатқыш, реакторда бөлiнетiн жылуды тасымалдағыш, тiзбектi реакцияның жылдамдығын реттегiш. Реакторлар шабан және шапшаң нейтрондармен жұмыс iстейтiн реакторлар болып бөлiнедi. Алғашқы жасалған реактор шабан нейтрондарды қолданатын реактор. Уран ядросы бөлшектенгенде бөлiнетiн нейтрондардың энергиясы шамамен 1-2 МэВ. Сәйкес олардың жылдамдықтары 10⁷ м/с, сондықтан оларды шапшаң нейтрондар деп атайды. Мұндай энергиядағы нейтрондар ²³⁵U және ²³⁸U ядроларымен бiрдей қарқындылықпен әсерлеседi. Ал табиғи уранда ²³⁵U уранның ара салмағы аз болғандықтан нейтрондар негiзiнен ²³⁸U уранмен әсерлеседi де тiзбектi реакция жүзеге аспайды. Ал жылулық қозғалыстың жылдамдығындай (шамамен 2·10³ мӨс) жылдамдықпен қозғалатын нейтрондар шабан немесе жылулық нейтрондар деп аталады. Жылулық нейтрондарды ²³⁵U ядросы шапшаң нейтрондарға қарағанда 500 есе қарқындырақ жұтады. Сондықтан табиғи уранды шабан нейтрондармен сәулелендiргенде оның көп бөлiгi ²³⁸U ядросымен емес ²³⁵U ядросына жұтылады. Сондықтан тiзбектi реакцияны жүзеге асыру үшiн нейтрондарды баяулату қажет.

Реактордағы нейтрондардың  жылдамдығын төмендету үшiн баяулатқыштар деп аталатын заттар қолданылады. Нейтрондарды қарқынды баяулату үшiн баяулатқыштың атомының массасы нейтрон массасымен шамалас болуы керек. Әдетте баяулатқыш ретiнде кәдiмгi немесе ауыр суды және графиттi пайдаланады.

Тiзбектi реакция өтiп  жатқан кеңiстiктi активтi аймақ деп атайды. Активтi аймақтан нейтрондардың шығып кетпеуiн қамтамасыз ету үшiн оны нейтрон шағылдырғыштармен қаптайды. Берилий жақсы нейтрон шағылдырғыш болып табылады.

Реакторды басқару арнайы жасалған басқару бiлiктерi арқылы жүзеге асады. Басқару бiлiктерi жылулық нейтрондарды қарқынды жұтатын бор мен кадмийдiң қоспаларынан жасалады.

Егер ядролық отын ретiнде уранның ²³⁵U изотопымен едәуiр байытылған отын пайдаланылатын болса, реактор шапшаң нейтрондармен де жұмыс iстей алады. Бұл шапшаң нейтрондардың ²³⁸U ядросымен әсерлесуiнiң нәтижесiнде мынадай реакция тiзбегi жүзеге асады

Яғни уранның ²³⁸U изотопы шапшаң нейтрондарды жұтудың нәтижесiнде плутонийдiң ²³⁹Pu изотопына айналады. Ал бұл изотоп нейтрондармен әсерлесу тұрғысынан уранның ²³⁵U изотопына өте ұқсас. Сонымен шапшаң нейтрондарға арналған реактор тек ²³⁵U изотопымен тiзбектi реакцияны жүргiзiп қана қоймайды, сонымен қатар аса арзан және табиғатта кең тараған ²³⁸U изотопынан жаңа ядролық отын ²³⁹Pu алуға мүмкiндiк бередi.

Энергия тек ауыр ядролар  бөлiнген кезде ғана емес, сонымен  қатар аса жеңiл ядролар бiрiккен кезде де бөлiнедi. Бұлай болуының принципиальды мүмкiндiгi меншiктi байланыс энергиясының жеңiл ядролар үшiн  артып, ауыр ядролар үшiн кемуiмен  байланысады. Жеңiл ядролардың бiрiгiунiң (синтезiнiң) салдарынан энергияның бөлiнуiнiң мына жерде келтiрiлген. Бұл термоядролық реакцияның мысалы болып табылады.

§ 7.12 Радиоактивтi сәулелердiң  биологиялық әсерi. Биологиялық қорғаныс

Радиоактивтi сәулелер өздерi түскен затқа, әсiресе тiрi тканьга өте күштi әсер етедi. Радиоактивтi сәулелердiң организмге әсерi оларда бос химиялық радикалдардың пайда болуымен және клеткадағы мутациямен байланысты. Ал бұл өте қатерлi. Ол сәуле ауруына немесе қатерлi iсiкке алып келуi мүмкiн. Иондаушы сәулелердiң әсерi сәулелену дозасы деп аталатын ерекше шамамен бағаланады.

Сәулелену дозасы D деп сәулелену энергиясының сәулеленген дененiң массасына қатынасын айтады. Доза бiрлiгi ретiнде грей деп аталатын шама алынады. Грей деп массасы 1 кг денеге 1 Дж энергия түскен кезде, шамасы сол затқа жұтылған энергияға тең болатын шаманы айтады.

Жұтылған сәуле дозасының  сәулелену уақытына қатынасын сәулелену дозасының қуаты деп атайды.

Иондаушы сәулелердiң  кез-келген затқа әсерi бәрiнен бұрын атомдар мен молекулалардың иондалуымен анықталады. Сондықтан иондаушы сәулеленiң сандық өлшемi ретiнде экспозициялану дозасы деп аталатын шаманы алады. Ол иондаушы сәуленiң ауаға әсерiмен анықталады, яғни экспозициялану дозасы деп ауаны фотондармен сәулелендiру кезiнде құрғақ ауада туындылайтын бiртектi зарядтардың сол ауа массасына қатынасын айтады.

X=q/M

Күнi бүгiнге дейiн экспозициялау  дозасының рентген деп аталатын жүйеден тыс бiрлiгi қолданылады. 1 Р = 2,58·10^-4 Кл/кг

Жұтылған доза мөлшерi бiрдей болғанымен әртүрлi сәулелердiң  биологиялық әсерi әртүрлi болады. Мысалы альфа-сәуленiң 1Гр-нiң тiрi организмге әсерi гамма-сәуленiң 20 Гр-нiң әсерiндей болады. Әртүрлi сәулелердiң әртүрлi биологиялық әсерi k - сапа коэффициентiмен сипатталады. Жұтылған дозаның сапа коэффициентiне көбейтiндiсi эквиваленттi доза Н деп аталады. H=D· k. Эквиваленттi дозаның өлшем бiрлiгi зиверт (Зв).

Жоғарыда айтқанымыздай  радиоактивтi сәулелердiң тiрi организмге әсерi клеткадағы атомдар мен молекулаларды  иондауымен байланысты. Бұл сәуленiң  тiрi клеткаға әсерiнiң бiр қатерлi салдары осы клетканың бөлiну арқылы жаңа клетка пайда болу функциясының бұзылуы. Қатердiң кебiр белгiлерi сәулелене салысымен бiлiнсе, кейбiрi бiраз уақыттан соң ғана белгi бередi.Мысалы сәуле әсерiне ұшыраған адам лейкоздан орташа алғанда 10 жылдан кейiн қайтыс болады. Iсiк ауруына шалдығудың ықтималдылығы алған дозаның мөлшерiне пропорционал.