НЕЙТРОННЫҢ АШЫЛУЫ
Нейтронның ашылуы: ядролық физикадағы бетбұрыс
Атом ядросы физикасы тарихындағы ең маңызды кезеңдердің бірі — 1932 жылы нейтронның ашылуы. Бұл жаңалық ядроның құрылысын түсіндіруге, ядролық түрленулерді сипаттауға және кейінгі ядролық реакциялар теориясын дамытуға шешуші ықпал етті.
Ядроның жасанды түрленуі: Резерфорд тәжірибелері
Адамзат тарихында ядроның жасанды түрленуі алғаш рет 1919 жылы Э. Резерфорд тарапынан іске асырылды. Бұл кездейсоқ жаңалық емес еді: ядро аса орнықты болғандықтан, жоғары температура да, қысым да, электромагниттік өрістер де химиялық элементтердің түрленуін туғызбайды және радиоактивтік ыдыраудың жылдамдығына айтарлықтай әсер етпейді. Сондықтан Резерфорд ядроны «талқандау» немесе қайта құру үшін өте көп энергия қажет деген қорытындыға келді.
Неліктен радиоактивтік бөлшектер қолданылды?
Ол кезеңде жеткілікті энергияны тасымалдайтын ең қолайлы көз — радиоактивтік ыдырау кезінде ядродан ұшып шығатын α-бөлшектер болды.
Жасанды түрлендіруге ұшыраған алғашқы ядро — азот ядросы. Азотты радий шығаратын энергиясы жоғары α-бөлшектермен атқылағанда, Резерфорд протондардың (сутегі ядроларының) пайда болатынын байқады.
Бақылау әдістері
- Алғашқыда протондар сцинтилляция әдісімен тіркелді, бірақ нәтижелердің дәлдігі шектеулі болды.
- Кейін азоттың түрленуін Вильсон камерасында бақылау мүмкін болды.
Азот ядросының түрленуі
Камерадағы радиоактивті препарат шығарған шамамен 50 000 бөлшектің біреуі азот ядросымен әрекеттесіп, протон шығарады. Нәтижесінде азот ядросы оттегі изотопының ядросына түрленеді:
Мұндай фотосуреттерде тректің «айыр» тәрізді тармақталуы байқалады: жуан із — оттегі ядросынікі, жіңішке із — протондікі.
Басқа зерттеушілер α-бөлшектердің әсерімен фтор, натрий, алюминий сияқты элементтердің ядролары да протон шығарумен түрлене алатынын көрсетті. Ал периодтық жүйенің соңындағы ауыр элементтер көп жағдайда түрленуге ұшырамады — мүмкін, олардың үлкен электр заряды α-бөлшектің ядроға жақындауына кедергі келтірген болуы ықтимал.
Изотоптар: заряд бірдей, масса әр түрлі
Изотоптардың бар болуы атом ядросының заряды атомның барлық қасиеттерін толық анықтамайтынын дәлелдейді. Ядро заряды ең алдымен химиялық қасиеттерді (электрондар саны арқылы), ал кейбір физикалық қасиеттерді электрон қабықшасының күйі арқылы анықтайды. Бірақ атомның массасы мен радиоактивтік қасиеттері тек периодтық кестедегі реттік нөмірмен ғана анықталмайды.
Маңызды байқау: атомдық массалардың «бүтінге жақындығы»
Изотоптардың салыстырмалы атомдық массаларын дәл өлшегенде, олардың бүтін сандарға өте жақын болатыны ерекше мәнге ие. Бұл (жуықтап алғанда) ядро құрылысының дискретті екенін аңғартады.
Кейбір элементтердің орташа атомдық массасы бүтін саннан едәуір ауытқиды. Мысалы, хлордың салыстырмалы атомдық массасы 35,5-ке тең. Бұл табиғи күйде «химиялық таза» үлгі көбіне изотоптардың әр түрлі үлестегі қоспасы болатынын көрсетеді.
Анықтама
Изотоптар — ядро заряды (протон саны) бірдей, бірақ массалары (нейтрон саны) әр түрлі атомдар.
Мысалы ретінде ойлануға болатын сұрақ: салыстырмалы атомдық массасы 137,34 болатын барийдің «бір» ғана изотопы бар ма? Мұндай мән әдетте бірнеше изотоптың табиғи қоспасынан туындайды.
Нейтрон қалай ашылды: бериллий сәулесінің құпиясы
1932 жылы Резерфордтың шәкірті, ағылшын физигі Дж. Чедвик нейтронды ашты. Бериллийді α-бөлшектермен атқылағанда протондар шықпағанымен, өтімділігі өте күшті белгісіз сәуле байқалды: ол тіпті 10–20 см қорғасын пластинасы сияқты тосқауылдан өте алатын.
Алғашында бұл сәуле энергиясы өте жоғары γ-сәулелер болуы мүмкін деген жорамал жасалды. Бірақ тәжірибелер қайшылыққа әкелді: әр түрлі ядроларды (азот, аргон) қозғалта алатын «бір ғана» γ-квантқа әр түрлі, өзара үйлеспейтін энергия тағайындауға тура келді.
Жолио-Кюрилердің шешуші бақылауы
Ирен Жолио-Кюри мен Фредерик Жолио-Кюри бериллий сәулесінің жолына парафин пластина қойылса, иондаушы қабілет күрт артатынын байқады. Олар парафин сияқты сутегіге бай заттардан протондар «ыршып шығатынын» дұрыс түсіндірді.
Вильсон камерасында олар осы протондардың тректерін көріп, жүріп өткен жолына қарап энергиясын бағалады. Егер протондар γ-кванттармен соқтығысу арқылы үдетілді десек, онда квант энергиясы шамамен 55 МэВ болуы тиіс еді — бұл тым күмәнді нәтиже болды.
Чедвик азот пен аргон ядроларының тректерін талдай отырып, «гипотетикалық γ-кванттардың» энергиясы тиісінше 90 МэВ және 150 МэВ болуға мәжбүр деген қорытындыға келді. Бір ғана құбылысты әр түрлі, сәйкес келмейтін энергиялармен түсіндіру мүмкін болмады.
Қорытынды
Бериллийден ұшып шығатын бөлшек тыныштық массасы жоқ γ-квант емес, едәуір ауыр және электрлік бейтарап бөлшек болуы керек. Зарядталған бөлшек затпен күшті әсерлесіп, энергиясын тез жоғалтатын еді; ал байқалған сәуленің өтімділігі өте жоғары болды. Сондықтан жаңа бөлшек нейтрон деп аталды.
Нейтронның негізгі қасиеттері
- Заряды: 0 (электрлік бейтарап).
- Массасы протон массасынан сәл үлкен: шамамен 1838,6 me, ал протон — 1836,1 me.
- Тұрақты емес: еркін нейтрон шамамен 15 минут ішінде протонға, электронға және нейтриноға ыдырайды.
Бериллиймен реакция
α-бөлшек бериллий ядросымен әсерлескенде нейтронның пайда болуын мына реакциямен көрсетуге болады:
Мұндағы ¹₀n — нейтрон, оның салыстырмалы массасы шамамен 1-ге жуық.
Ойлануға арналған сұрақ
Нейтрон протонмен орталық соқтығысқанда оған энергиясының барлығын бере алады, ал азот ядросымен соқтығысқанда энергиясының тек бір бөлігін береді. Неліктен?
Атом ядросының құрылысы: протон–нейтрондық модель
Нейтрон ашылғаннан кейін көп ұзамай, 1932 жылы кеңес физигі Д. Д. Иваненко мен неміс ғалымы В. Гейзенберг ядроның протон–нейтрондық моделін ұсынды. Кейінгі зерттеулер бұл модельді толық қуаттады және бүгінгі таңда ол жалпы қабылданған түсінік болып саналады.
Модельдің мазмұны
Протон–нейтрондық модель бойынша ядро екі түрлі бөлшектен тұрады: протондар мен нейтрондар. Атом тұтас алғанда бейтарап болғандықтан, ядродғы протон саны атом қабықшасындағы электрон санына тең.
Негізгі шамалар
- Z — протондар саны; ол периодтық жүйедегі элементтің атомдық нөміріне тең.
- N — нейтрондар саны.
- A — массалық сан: A = Z + N.
Протон мен нейтрон массалары бір-біріне жуық және әрқайсысы жуықтап алғанда атомдық масса бірлігіне тең. Электрон массасы ядро массасымен салыстырғанда өте кіші болғандықтан, элементтің салыстырмалы атомдық массасы көбіне массалық санға жақын болады.
Изотоптар осы модельде
Z бірдей, бірақ A әр түрлі (демек, N әр түрлі) ядролар — бір элементтің изотоптары.
Ядролық күштер: ядроны не ұстап тұр?
Ядролар өте орнықты болғандықтан, протондар мен нейтрондарды ядро ішінде ұстап тұратын өте үлкен, ерекше табиғатты күштер болуы тиіс. Бұл күштердің гравитациялық күш болуы мүмкін емес, өйткені гравитациялық әсер ядролық масштабта тым әлсіз.
Демек, ядроның тұрақтылығы ядролық күштермен түсіндіріледі — олар протондар арасындағы электрлік тебілуді «жеңіп», нуклондарды (протон мен нейтронды) біртұтас жүйеге біріктіреді.