Атом ядросының физикасы
Кванттық идеялар: жылулық сәуледен ядролық реакторларға дейін
Бұл мәтін ХХ ғасыр басындағы кванттық түсініктердің қалыптасуын және олардың жарық, атом, ядро физикасындағы қолданылуын қысқаша жүйелейді.
Кванттық төңкеріс және жылулық сәуле шығару
Физикадағы ең ірі төңкерістердің бірі ХХ ғасырдың басына сәйкес келеді. Сол кезеңде тәжірибеде байқалған жылулық сәуле шығару спектрлерінде энергияның қалай үлестірілетінін классикалық теория дәл түсіндіре алмады.
Максвеллдің сан рет тексерілген электромагнетизм заңдары радиотолқындардың таралуын тамаша сипаттағанымен, оларды қызған денелердің қысқа толқынды сәуле шығаруы мәселесіне тікелей қолдану күтпеген қиындықтарға әкелді. Кейбір классикалық қорытындылар қисынсыз көрінді: мысалы, қызған дене үздіксіз сәуле шығара отырып энергиясын тауысып, ақырында абсолют нөлге дейін салқындауы тиіс деген сияқты тұжырымдар пайда болды.
Классикалық көзқарас бойынша зат пен сәуле шығару арасында толық жылулық тепе-теңдік орнығуы қиын еді. Ал күнделікті тәжірибе керісінше: қызған дене өзінің барлық энергиясын бірден сәуле шығаруға жұмсамайды, тепе-теңдік жағдайы сақталады. Дәл осы теория мен тәжірибе арасындағы қайшылық жаңа идеяны талап етті.
Түйін: мәселе Максвелл теңдеулерінің «қате» болуында емес, классикалық үздіксіздік жорамалдарының микродүниеде толық жұмыс істемеуінде еді.
Планк гипотезасы және квант ұғымы
Осы қайшылықтан шығудың жолын іздеген неміс физигі Макс Планк батыл болжам ұсынды: атомдар электромагниттік энергияны үздіксіз емес, жеке порциялармен — кванттармен шығарады.
Әрбір кванттың энергиясы сәуленің жиілігіне пропорционал:
h — Планк тұрақтысы,
ν — сәуле жиілігі.
Планктың кванттық жорамалдары жылулық сәуле шығарудың спектрлік заңдылықтарын түсіндіруге жол ашып, кванттық физиканың негізін қалады.
Жарық қысымы: Лебедев тәжірибесі
Жарықтың тек энергия тасымалдап қана қоймай, механикалық әсер ететіні де маңызды. Жарық қысымын тәжірибеде алғаш өлшеген — орыс физигі П.Н. Лебедев (1900).
Толқынның электр өрісі денедегі электрондарды тербеліске келтіреді де, электр тогын тудырады. Реттелген қозғалыстағы электрондарға магнит өрісі тарапынан Лоренц күші әсер етеді. Сол қол ережесі бойынша бұл күш толқынның таралу бағытымен бағыттас болады — осы әсер жарық қысымы ретінде байқалады.
Максвелл теориясының дұрыстығын тексеру үшін жарық қысымын өлшеу өте маңызды еді, бірақ ол өте кіші шамалармен сипатталады. Ашық күнде 1 м² ауданға шамамен 4·10−6 Н шамасындағы күш әсер етеді.
Жарықтың химиялық әсері және фотосурет
Табиғаттағы мысалдар
Молекулалардың кез келген түрленуі — химиялық процесс. Көбіне жарық әсерінен молекулалар ыдырағанда, тізбектелген химиялық реакциялар басталады. Матаның оңуы немесе күнге күйіп, тотығу — жарықтың химиялық әсерінің қарапайым мысалдары.
Өсімдіктер жапырақтарында күн сәулесінің әсерінен аса маңызды реакциялар жүреді: жапырақтар ауадан көмірқышқыл газын сіңіріп, оны құрамдас бөліктерге ажыратады. К.А. Тимирязев көрсеткендей, бұл үрдісте хлорофилл молекулалары күн спектрінің қызыл бөлігін ерекше тиімді пайдаланады.
Нәтижесінде өсімдіктер адам мен жануарларға қажет қоректік заттарды (белоктар, майлар, көмірсулар) түзіп, сондай-ақ тіршілік үшін маңызды оттегін бөліп шығарады.
Фотопластина қалай жұмыс істейді?
Фотопластинаның (немесе фотопленканың) сезгіш қабаты — желатинге енгізілген бромды күмістің майда кристалдары. Кристалдарға жарық кванттары түскенде, электрондар бром иондарынан бөлініп шығады. Бұл электрондарды күміс иондары қармап алып, кристалдар ішінде аз мөлшерде бейтарап күміс атомдары пайда болады.
Алғаш түзілген күміс өте аз болғандықтан, пластинада пайда болған бейне бірден анық көрінбейді — ол жасырын кескін деп аталады.
Пластина айқындағыш ерітіндіге (мысалы, гидрохинон, метол) салынады. Жарық түскен кристалдардан металл күміс көптеп бөлініп, негатив кескін айқындалады.
Қалған бромды күміс кристалдары ерітіліп жуылады. Осыдан кейін пластина жарыққа сезімтал болмай қалады. Бекіту үшін гипосульфит ерітіндісі қолданылады.
Дайын негатив фотоқағазға түсіріліп, жарықтандыру және химиялық өңдеу арқылы дұрыс реңкті (айналдырылмаған) позитив кескін алынады.
Бордың кванттық постулаттары және сутегі атомы
Кванттық түсініктерді әрі қарай дамыта отырып, 1913 жылы даниялық физик Нильс Бор атом сәуле шығаруының күрделі мәселесіне жаңа көзқарас ұсынды. Эйнштейн Бор еңбегін жоғары бағалап, оны «ақыл-ой саласындағы жоғары музыкалық дарын» деп атағаны белгілі.
1-постулат: стационар күйлер
Атомдық жүйе тек ерекше стационар (кванттық) күйлерде ғана бола алады. Әр күйге белгілі бір энергия En сәйкес келеді. Стационар күйде атом сәуле шығармайды.
2-постулат: сәуле шығару және жұту
Атом энергиясы үлкен Ek күйден энергиясы кіші En күйге ауысқанда фотон шығарады. Фотон энергиясы екі күй энергияларының айырмасына тең:
Жұтылу кезінде кері процесс жүреді: атом төмен энергиялы тұрақты күйден жоғары энергиялы тұрақты күйге өтеді.
Атом ядросы физикасы: нені зерттейді?
«Атом ядросы» және «элементар бөлшектер» ұғымдары физика курсында жиі кездеседі. Атом ядросының өзі де элементар бөлшектерден тұрады. Ядролардың құрылысы мен түрленуін зерттейтін физика бөлімі ядролық физика деп аталады.
Радиоактивтіктің ашылуы
Атомдардың толық тұрақты емес екені XIX ғасырдың соңында анықталды. Бұл жаңалықтан кейін ядролық физика жедел дамыды: арада бірнеше онжылдық өткен соң ядролық реакторлар жасалды.
Радиоактивтіктің ашылуы белгілі бір дәрежеде сәтті сәйкестікке де байланысты болды. Рентген сәулелерінің алынуы кезінде разрядтық түтіктің қабырғалары жарық шығаратыны байқалған. Осыған ұқсас құбылыстарды ұзақ уақыт зерттеген А. Беккерель күн сәулесімен алдын ала сәулелендірілген кейбір заттардың кейін де сәуле шығара алатынын қарастырды. Кейін бұл бағыт ядроның күрделі құрылысын дәлелдейтін радиоактивтік құбылыстарға ұласты.
Изотоптар: бір элемент, әртүрлі ядро
Радиоактивтікті зерттеу ядро табиғаты туралы маңызды жаңалықтарға әкелді. Радиоактивтік қасиеттері мүлде әртүрлі, бірақ химиялық қасиеттері бірдей заттар бар екені анықталды. Оларды химиялық тәсілдермен ажырату мүмкін болмады.
Осыған сүйеніп, 1911 жылы Ф. Содди химиялық қасиеттері бірдей, бірақ ядролық қасиеттері (соның ішінде радиоактивтілігі) әртүрлі элементтер болуы мүмкін деген болжам айтты. Мұндай түрлер Менделеевтің периодтық жүйесіндегі бір ұяшыққа орналастырылады, сондықтан олар изотоптар деп аталды.
Ядролық реактор: басқарылатын бөліну
Ядролық (атомдық) реактор — ядролардың басқарылатын бөліну реакциясын жүзеге асыратын құрылғы. Уран ядросы, әсіресе U-235 изотопы, баяу нейтрондарды тиімдірек қармап алады.
Баяу нейтрондарды қармап алу ықтималдығы шапшаң нейтрондарға қарағанда жүздеген есе артық болуы мүмкін. Сондықтан табиғи уранмен жұмыс істейтін реакторларда нейтрондардың көбею коэффициентін арттыру үшін нейтрон баяулатқыш пайдаланылады.
Реактор ішіндегі процестер әдетте схемалық түрде көрсетіледі: нейтрондардың туындауы, баяулауы, ядроға жұтылуы және жаңа бөлінулердің іске қосылуы бір-бірімен байланысқан тізбек ретінде қарастырылады.
Маңызды идея
Реактордың негізгі мақсаты — тізбекті реакцияны басқарылатын режимде ұстап тұру: тым әлсіз болса тоқтайды, тым күшейсе қауіпті деңгейге өтеді. Осы баланс нейтрондар ағынын реттеу арқылы қамтамасыз етіледі.
Мәтін редакцияланды: емле, тыныс белгілері және қайталанулар түзетілді, мазмұн логикалық бөлімдерге бөлінді.