Білім және ғылым министрлігі а.Қ. Ахметов
жүктеу/скачать 13,36 Mb. Pdf көрінісі
|
- Бұл бет үшін навигация:
- > і п , р ) и6С
(77-1) 403 Тыныш тықта түрған электронньщ энергиясынан фотон мен элек тронның энергиясыньщ қосындысы кѳп. Демек, (77.1) теңцеуімен си патталатын түрленулердің жүруі, энергияньщ сақталу заңына қайшы келеді. Алайда, бұл виртуальды фотондар үш ін занды бүзушылық секідді ғана болып көрінеді. Кванттық механикадағы Гейзенбергтің анықтап- мағандық қатынастарынан At уақыт аралығындағы ДѴ^ энергиясы ньщ дәл анықталуы төменгі өрнек арқылы жазылады A W A t - П -
(77.2)
Бүл қатынастан жүйенің энергиясыньщ At уақыт аралығындағы ауытқу өзгерісі AW -ден аспауы керек. Демек, егер электроннан үшып ш ы ққа н виртуальды фотон, осы не басқа электронмен, At = f i l e (мүндағы e
= Һсо )
уақыт өткенше жұтылса, онда энергияньщ сақталу заңының орындалмауы байқалмайды. Электронға қосымша энергия бергенде (бүл мысалы, электрондар бір-бірімен соқтығысқанда болуы м үм кін), виртуальды фотонньщ ор нына үзақ, шектеусіз уақыт өмір сүретін нақты фотон шағарылуы мүмкін. (77.2) шартынан анықталатын At = Й / е
， уақытында, виртуаль ды фотон төмендегідей қаш ы қты қпен бөлінген екі нүкте арасында өзара әсерлесулерді бере алады . r
Й I = с- At = с — . Фотонньщ энергиясы ѳте аз шама болуы да м үм кін ( (О ж и іл ігі О ден ©о -ке дейін ѳзгереді). Сондықтан электромагниттік күш тің эсер- лесу радиусы шектелмейді. Егер массасы т нөлден айрықша болатын бөлшектер өзара әсерлесетін электрондармен алмасып түрса, онда тиісті күштердің әсерлесу радиусы мынадай шамамен шектелген болар еді . Һ
Һ 、 r = c A t mx = C --------- = C 7
= — — 二人 K ， £mn nie mc мүндағы Хк-берілген бөлшектің ком птонды қ толқын үзындығы. Біз мүнда өзара әсерлесулерді тасымалдаушы бөлшек с
жары қ жылдам- дығымен қозғалады деп есептедік. 1934
ж. кеңес ғалымы И.Е. Тамм нуклондар арасындағы өзара эсерлесулер белгілі бір виртуальдық бөлшектер арқылы беріледі деген болжам айтқан болатын. Ол кезде нуклондардан басқа фотон, элект рон, позитрон жэне нейтрино белгілі болатын. Ең ауыр деген бѳлшек электронный, толқын ұзындығы Х к = 3,8 •10 11 см болды. Бул ядро- 404
;іық күштердің эсер ету қаш ы қты ғы нан 100 есе көп сан. Сонымен к лтар, арнайы есептеулерге қарағанда, виртуальды электрондарға бай- панысты күш тің шамасы шектен тыс аз болып ш ы қты. Сондықтан, чдроның күштерді түсіндірудегі алғашқы виртуальдық бөлшектермен нуклондар арасында алмасу жүреді деген п ікір дүрыс болмай қалды. 1935 ж. жапон физигі X. Юкава табиғатта әлі күнге дейін байқал- маған, массасы электрон массасынан 200-300 есе үлкен бѳлшек болуы керек жэне ол электромагниттік ѳзара эсерлесулерді тасымалдаушы фотонға үқсас, ядролық өзара әсерлесулерді тасымалдаушының рөлін .гі қарады деп, өте батыл болжам айтқан болатын. Юкава бұл гипотети- К； ш ы қ бөлшекті ауыр фотондар деп атаған еді. Бүл бөлшектер өздерінің массаларыньщ шамаларына қарай электрондар мен нуклондардың ара- иығында орын алғандықтан, олар кейіннен мезондар (ерекше “ мезос” <»рташа деген сөз) деп аталып кетті. 1936 ж. Андерсон мен Недцермейер космос сәулелерінің құрамы- нан массасы 207 т е
болатын бөлш екті тапты. Алғаш қыда, бұл (»олшектерді Юкава болжап айтқан өзара әсерлесулерді тасымалдаушы Ц -мезондар немесе мюондар ма деген жорамалдар да болды. Алайда, кгйіннен анықталғандай мюондар нуклондармен өте әлсіз әсерлесетін (»олып ш ы қты, сондықтан да олардың ядролық өзара әсерлесулерге імиқандай қатысы ж о қ болды. К е йін е н 1947 ж. О ккиалини және I Іоуэлл космос сәулелерінің қүрамынан мезондардың тағы бір түрін П -іиезондарды немесе пиондарды ашты. Бүл бөлшектер осыдан 12 жыл (»урын Юкава болжап айтқан ядролық күштерді тасымалдаушы бөлшек- іср болып шықты. п -мезондардың оң {я +), теріс (л:- ) жэне бейтарап ( я 0 ) түрлері (юлады. Осы л +
жэне п~ мезондардьщ зарядтары элементар заряд е -
гс тең. З арядталған п и о н д а р д ы ң м ассалары б ір д е й ж э н е 11Ъте
(140 М эВ ).
Ал мезонньщ массасы 2 6 4 т е(\3 5 М э В ). За-
рядталған жэне бейтарап пиондардьщ спиндері (5 = 0 ) нѳлге тең. Ііолшектің үшеуі де тұрақсыз. 7Г+ және п мезондардың өмір сүру уақыты 2,60 10 8с, ал п °
мезондікі- 0,8 •10 -16с
. ； Г“-мезондардың кө пш іл ігі төмендегідей схемамен ьщырайды л + !Л+ + v , パ - +ѵ
(77.3) ( W және jl T
405 Орташа шамамен алғанда миллион ыдыраудың 2,5-і басқа түрлі схемаменжүреді (мысалы, к е-\-Ѵ\ п —> 71° + e + ѵ
жэне т.б., п +
жағдайында е+ позитрон түзіледі, ал жағдайында е一 электрон түзіледі). Ал
л ° мезондардьщ 98,8 % -наж уы гы екі У кванттарға ьщырайды 7 1 ° + ү . (77.4)
Ыдыраудың қалған 1,2 % -і мынадай схемамен жүреді n 0 ~ ^ е + +е~ + у ; л 0 ~ ^ е + +е~ + е + +е~ ; 7Г° у + у + у _ Мюондар, яғни パ —мезондар деп аталатын бѳлшектер элементар бөлшектердің лептондар класына жатады. Сондықтан біз бѵдан әрі қараіі мюондар деп атаймыз. Мюондардың оң ("+ ) жэне теріс зарядта пы бар. Олардын, да зарядтары элементар заряд е -ге тең. Бейтарап \Li0J деген ж о қ . М ю о н н ь щ массасы 2 0 1 т е (106М э В ), с п и н і = 1 / 2 ) жартыға тең. Мюондар да п -мезондар сияқты түрақсыз, олар тѳмендегідей схемамен ьщырайды /л+ —>
е+ + ѵ + ѵ ，
—>
е 一 + ѵ + ѵ . (77.5) Е кі мюонньщ да ѳмір сүру уақыты бірдей және 2 ,2 .1 0 一 6 с -ке тең. Енді нуклондар арасындагы өзара алмасударды қарастырайық. Вир туальды процестер нәтижесінде р п + п +,
(77.6)
п <=> р + 7і~,
(77.7) р <=> р + 7і° п <=> п + 7 1 °
(77. ядролы қ күш те р өрісінде пайда болатын нуклондар виртуальды п -мезондар бүлты мен қо рш ал ған болып ш ығады. Бүл м езон дардьщ басқа нуклондармен ж үты луы (77.1-сурет) нуклондар ара- ® Ө Ө 0 ө 0-* - ®
@ ө 0 0 Ө а) б) в) 77.1 406
сывда күш ті өзара әсерлесуге алып келеді де, ол мынадай схемамен жүреді:
1) р + п
п + п + + п п + р •
Протон виртуальды тс+
-мезонды шығарып, нейтронға айналады. Ней- грон мезонды ж үты п, кейіннен протонға айналады. Одан әрі бұл про цесс кері бағытта жүреді (71.1, а-сурет). Әрбір өзара әсерлесетін н у к лондар уақыттың бір бөлігінде зарядталған күйде, ал қалған бөлігін бейтарап күйде өткізеді. 2)
п + р ^ р +7Т~ + р <^=> р + п- Нейтрон жэне протон 7Г°-мезонмен алмасады (77.1, б-сурет). I 3)
р + п <^> р + п ° -\-п р + п , Р + Р ^ р + л ° + р р + р ^ п + п ^ п + л ° + п ^ = > п + п- Нуклондар 71 0 -мезондармен алмасады (77.1, в-сурет). Жоғарыда қарастырылған нейтрондардың протондардан шашырау ын сипаттайтын үш процесс тәжірибе жүзінде дәлелдеген. Сутегі ар кылы нейтрондар шоғы өткенде, осы шоқта, протондар пайда болады. Протондардың кө п ш іл ігін ің энергиясы, қозғалыс бағыты сутегі аркы лы өткен нейтрондардыкіндей болады. Нейтрондар протондардың жа- нынан өткенде, виртуальды п + -мезондардьщ бірін қармалайды. Соның нәтижесінде, нейтрон протонға айналады, ал зарядынан айрылған про тон нейтронға айналады (77.2-сурет). Егер нуклонға к -мезон мас сасына эквивалент энергия берсе, ------
© - - @ 一 ト онда виртуальды п -мезон нақты - п ^ лы п -мезонға айналады. Ж еткілікті ^ шамаға дейін үдетілген нуклондар リ
リ (немесе ядролар) соқтығы сқан кез- ” 0
де немесе нуклондар Y квантты жұтқанда қажетті энергия берілуі мүмкін. Соқтығысқан бөлшектердің энергиясы өте үлкен болған жағдайда, бірнеше нақты тс -мезондар да пайда болуы м үм кін. Енді бізге нейтронның магниттік моментінің бар болуын және протонньщ магниттік моментінің ауытқу (аномалия) шамасыньщ болу 407
м үм кіндігін түсіндіруімізге м үм кін д ік болады (§ 74-ті қараңыз). (77.7) процесіне сэйкес нейтрон уақытының бөлігін виртуальды жағдайда өткізеді ( Р + 7 Г—). Мүндағы 7Г_ мезонның орбиталық қозғалысы ба- қыланылатын нейтронның теріс магнитгік моментінің байқалуына әкеліп соғады. Протон виртуальдық күйде (тг +л: + ) болғанда, протонньщ аномальдық м агн и ттік м ом ентінің (ядролық м агнетонның орнына 2,79 Мя ) болуын осы уақыт ішіндегі я + -мезонның орбиталық қоз- ғалысымен түсіндіруге болады. §78. Радиоактивтілік Атомдардың ядроларының өз бетімен екінш і бір атомдардың ядро- ларына бөлініп, соның нәтижесінде элементар бөлшектерді шығару қүбылысын радиоактивтілік деп атайды. Осы процесс кезінде орны қ- сыз ядролар өзінің бойындағы артық энергиядан арылып, орнықты ядролы қ күй ге көш еді. Т абиғи жағдайда, ядроларда кездесетін радиоактивтілікті табиғи деп атайды. Ал ядролық реакциялардьщ көмегімен алынатын ядролардьщ радиоактивтілігі, жасанды болып са налады. Табиғи жэне жасанды радиоактивтіліктер арасында ешқандай принципиальдық айырмашылық ж оқ. Е кі жағдайдағы да радиоактивтік түрленулердің заңдьшықтары бірдей. Ең алғашқы байқалған радиоактивтілікте (мұны 1896 ж. француз ғалымы А. Беккерель ашқан) атомның бір түрі, е кін ш і түріне оңай айналатын қабілеті бар екендігін көрсетті. Радиоактивтілікті зерттеуге зор үлес қосқан француз ғалымдары Мария Кюри-Складовская және Пьер К ю ри болды. Табиғатта радиоактивті элементтер тау жыныстарында (1 тонна гранитте шамамен алғанда ІОг торий, 5г уран, және 1,3 мг радий бар), жер қыртысында, мүхит суларында, теңіздер мен өзендерде және ауа атмосферасында (радиокөміртегі 1 ご С ), сол сияқты метеориттерде де бар екен. Космос сәулелерімен бірге табиғаттағы радиоактивті заттар- дың сәуле шығаруы табиги радиоактивтік фонды құрады. Заттың радиоактивтілігіне температура, қысым және т.б. физикалық фактор- лар еш эсер етпейді. Радиоактивтілік химиялық реакциялар процесі кезіңде де еш өзгеріске ұшырамайды. Бүл радиоактивтік қүбылыстың сыртқы электрондық қабықшаларының өзгерісімен анықталмай, тек ядролық процестермен анықталатынын көрсетеді. Радиоактивтік ыдырау кезінде пайда болған ядро да радиоактивті болады. Ыдырау процесі тізбекті радиоактивті түрлену түрінде жүріп, ақыр соңында тұрақты изотоптың түзілуімен аяқталады. Әрбір аралық 408
ядроның ө з ін ің ыдырау жылдамдығы болады. Осындай тізбекті і үрленулерді басынан өткізген элементтердің тізбегін радиоактивтік түқымдар деп атайды. Табиғи уран 2Ц и
тізбектің басынан 15 түрлену- лер (уран тұқымдарын) беріп, ең соңында орнықты қорғасын изо- гобына айналады. Сол сияқты радиоактивтік түқымдарды торий 2ЦТҺ
жэне актиноуран 2^ U
-те түзеді. Радиоактивтік процестер санына мыналар ж атады :1 ) ос -ы ды рау ， 2)
ß -ыдырау (оның ішінде электроңдық қармалау), 3) ядронын, ү - сәуле шығаруы, 4) ауыр ядролардьщ ѳздігінен (спонтанды) бөлінуі, 5) ііротондық радиоактивтілік. Радиоактивтік түрленудің заңы. Радиоактивті сәуле шығарудың интенсивтілігі уақыт өткен сайын нашарлай береді. Радиоактивтік яд- ролардың жалпы санынан біреуі ерте, біреуі кеш ыдырауы м үм кін, сондықтан қарастырылатын ядроның дәл қай уақытта ьщырайтынын алдын ала айту м үм кін емес. Алайда, олардың саны өте көп болғанда, ыдыраудың статистикалық заңын тағайындауға болады. Демек, өте аз dt уақыт аралығында ьщыраған ядролар саны dN , ядроның барлық саны N
dt уақыт аралығына пропорционал болады мүндағы Я -әрбір радиоактивті затқа тиесілі константа, оны ыдырау түрақтысы деп атайды. Минус таңбасының алынуы dN -ДІ ьщырамаған N ядросыньщ өсімшесі деп қарастыру үш ін алынған, Я -шамасы уақыт бірлігінде ядролардьщ қандай үлесі ыдырағанын көрсетеді, былайша айтқанда 1 с.-ғы ядронын, ыдырау ықтималдығын сипаттайды. (78.1) теңдеуіндегі айнымалыларды бѳліп интегралдаймыз, сонда dN = -X N d î (78.1)
немесе һ
- h А^0 = - X t
• Осыдан
N = N 0e (78.2)
мұндағы N q
-бастапқы уақыт кезеңіндегі ядролар саны, N - t
уақыт кезеңіндегі ыдырамаған ядролар саны. (78.2) ѳрнегі ядролардьщ радиоактивті түрленулерінің заңдылығын сипаттайды. Бұл заң ѳте қара-
пайым: ьщырамаған ядролар саны уақытқа байланысты экспоненциал- ды қ заңмен ѳзгереді. Уақы т аралығы t болганда, ьщыраған ядролар саны мынадай ѳрнек пен анықталады N 0 - N = N J l - e - 人 , ）
.
(78.3) Радиоактивті препараттың толық ьщырауы (ІѴ —> О) шын мәніндс, өте үзақ уақыт (t —^ =») жүреді. Сондықтан ыдырау жылдамдығы Т -
жарты ыдырау периодымен сипатталады. Ядроның алғашқы саныньщ жартысы ьщырайтын уақытты жарты ыдырау периоды (Т )
деп атайды (78.1-сурет). Бүл уақыт мына шарттан анықталады l / 2 N0 = N 0e~"T, осьщан
т
Ь і2 0 ,6 9 3 Т = - Г = — Г - -
(78.4)
т = —
— J td N (t ) = — — J tÀ N ( t)d t . N q o
N q o Б ү г ін г і к ү н г е д ей ін бізге белгілі радиоактивтік ядролардьщ жарты ыдырау периоды
3 .1 0 7 с -те н 5-10 ж ы л аралығында болады. Енді радиоакгивтік яд ронын, орташа ѳмір сүру уақытын анықтайық. (78.1) өрнегіндегі модуль арқылы анықталатын t және
t + dt -ға дейінгі уақыт аралығындағы түрленуге тиісті ядролар саны d N (t) = À N (t)d t. Бұл ядролардьщ әрқайсының өмір сүру уақыты t -ға тең. Демек, барлық бастапқы N Q ядролар саны ньщ өмір сүру уақытының қосындысы td N (t) өрнегін интегралдағанда алынады. Осы қосы нды ны ядролар саны N 0 -ге бөлу арқы лы, радиоактивті ядроньщ т орташа өмір сүру уақытын анықтаймыз (78.2) өрнегіндегі 7V -Д І N ( t)
-н ің орнына қойсақ, сонда 410
( jc
= Xt айнымалы шамаға кѳ ш іп жэне бөлшектеп интегралдауды жүргіземіз). Сонымен радиоактивті ядроньщ орташа өмір сүру уақыты Я ыдырау түрақтысына кері шама болып шығады екен (78.4) тендеуімен салыстырсақ Т жарты ыдырау периоды т -дан In 2 - ге тең көбейткіш пен ғана айырмашылығы бар екендігі көрінеді. Радиоактивті ядроньщ саныньщ e ~ 2,72 есе азаюын көрсететін уақыт саны т -ға тең, яғни осы уақыт ішінде ядроның 60 %-дан артығы ьщырайды (78.1-суретті қараңыз). Радиоактивті препарат уақыт бірлігі ішіндегі ыдырау санына тең болатын, A өршігіштігімен (активтілігімен) сипатталады А = ^ - (78.6)
Өршігіштігінің уақыттан тәуелділігін (78.1) және (78.2) өрнектерінен шығарып алуға болады А = 入
= ^ N 0e~Àt = A^e~h . (78.7)
Препараттьщ ѳрш ігіш тігі де радиоактивтік ядро саны сияқты экс- понендиалдық заңмен өзгеріп және f —> оо -те ол да нөлге үмтылады. (Ө рш ігіш тіктің бірлігіне К ю ри (Кы )
алынады, яғни \ К и
дегеніміз lc -та, радиоактивті препараттың 3,7 •10ю ьщырауы өтетінін көрсетеді. Д е м е к ,1 ぬ = 3 ， 7 .1 0 1
。 c _1)•
(78•7) тендеуінен өрш ігіш тік атомньщ тегінен ғана емес, сонымен қатар оның 7V санынан да тәуелді екені көрінеді. Егер бір препараттьщ әр түрлі массасы болса, онда олардьщ ѳрш ігіш тігі де эр түрлі болады. Егер қандай да болмасын объект (қоршаған ортаның бөлігі, меха- низмдер жэне т.б) радиоактивтілікпен ластанған болса, онда адамға бүл зонаға белгілі бір т уақытынан кейін ғана кіруге болады, яғни бүл кезде өрш ігіш тік адам өміріне қауіпсіздік жағдайға Л-Үді
жетеді, демек,
_ 1 i Тез ьщырайтын изотоптар үш ін т -дың кіш і болатындығы түсінікті. Ө р ш іг іш т ік т ің б ір л ігі ретінде беккерель (Б к ) алынады. Сонда радиоактивті ядролық изотоптың өрш ігіш тігі lc -та бір ыдырауға жет кен жағдай, бір беккерелге тең болады. Ө рш ігіш тік 400 Бк-ден аспайтын жағдайда, адам препаратпен еш қорқы ны ш сыз жүмыс істеуге болады. А ) 103 Б к болғанда, сақтану шараларын жасау керек. Ал егер А ) 107 Бк болса (радиоактивтілігі үлкен камераларда), онда сақтану ережелерін ѳте м үқият орындауды қажет етеді. Практикада қолданылатын радиоизотоптардың массалары өте үлкен болмайды. Мысалы, иодтың изотобы Ц і -дің өрш ігіш тігі 107 Б к бол са, оның массасы небәрі 10 一 8 г шамасында • Радиоактивтік құбылыс ашылған соң көп кеш ікпей, радиоактивті заттар үш түрлі сэулелер шығаратыны, ол сәулелердің заттардан өту қабілеті түрліше екені және бір қатар басқа да қасиеттері бар екені табылды. Оның бірі a -сәулелері деп аталды. Альфа - сәулелері магнит өрісінде, оң зарядталған бөлшектер ағыны бүрылатын ж а ққа қарай бүрылды. Е кін ш ісі, )3-сәулелері, олар магнит өрісінде теріс бөлшектер ағыны бұрылатын бағытқа бүрылды. Ең соңында, радиоактивті сәу- ленің үш інш і түрі, у-сәулелері магнит өрісіне ешқандай сыр бермейді, яғни ешқандай бағытқа бұрылмайды. Кейіннен бүл Y -сәулелерінің өте қ ы с қ а т о л қ ы н ұ з ы н д ы қ т ы (10 3 -н е н 1 А° -ға д е й ін ) электромагниттік толқындар екені анықталады. Т ә ж ір и б е ле рд ің қо р ты нд ы л а р ы н а қарағанда р а д и о а кти в ті сәулелердің бәрінің де а) белгілі бір дәрежеде заттарға химиялық әсері бар, мысалы фо- топластинканың қараюын тудырады; б) өзі тесіп өтетін газдарды, кейде конденсацияланатын денелерді иондайды; в) бірқатар қатты денелердің және сұйықтардың флуоресцентік жарқылын тудырады. Альфа-ьщырау. Радиоактивті а -ыдырау массалық саны А ) 200
жэне. заряды 乙ノ 82 ауыр ядролардьщ қасиеті болып табылады. Ауыр ядролардьщ ішінде екі протонная жэне екі нейтроннан тұратын а -
Осыдан т уақытын анықтаймыз, сонда 412
бөлшектерін түзу процесі жүреді. Ол түзілген a -бөлшекгері ^Не гелий ядросының ағыны болып саналады. Ыдырау мына схема түрінде жүреді 2 Х -> 2 -2 Ғ + 2Яе . (78.8) X -әрпімен ыдырайтын (аналық) ядроның элементінің символы, ү -
әрпімен түзілетін (туынды) ядроның элементінің символы белгіленген. Альфа-ьщырау көбінесе туынды ядроның ү сәулелерін шығаруымен жүреді. Схемаға қарағанда, бастапқы ядро затымен салыстырғанда, туын ды ядронын, атомдық нөмірі 2-ге, ал массалық саны 4-ке кемиді. Соның мысалы ретінде ыдырау кезінде торийді түзетін U уран изотобын қарастыруға болады 2 次
• Ыдырайтын ядродан a -бөлшектің ұшып шығу жылдамдығы өте үлкен Ю 9 см/с; кинетикалы қ энергиясы бірнеше ретті М эВ). Зат арқылы өткен
сс -бѳлшектері зат молекулаларын иондауға өзінің энергиясын жоғалтады, соның нәтижесінде ол ақыр соңында тоқтайды. Ауада қос ион түзу үш ін ол, орта шамамен алғанда 35 эВ энергиясын жоғалтады. Сонымен a -бѳлшегі өзінің жолында жобалап есептегенде, ю " Қ ° с иондарды тудырады. Альфа-бѳлшегі ѳтетін заттың тығыздығы жоғары болған сайын, оның тоқтағанға дейін ж үріп ѳту жолы да азаяды. М ы салы, қалыпты қысымда ауада ос -бөлшегінің ж үр іп ѳтуі бірнеше см болса, оңда қатты денелерде бұл сан ^ q -3 см-ге жетеді ( а -бөлшегін дәптердің парағы да ұстап қалады). Альфа-бөлшегінің кинетикалы қ энергиясы, аналық ядроның ты- ны ш ты қ энергиясыньщ, туынды ядроның тыныш тық энергиясы жэне a -бөлшектің энергиясыньщ қосындысынан артық болуы нәтижесінде шығады. Бүл артық энергия ОС
-бѳлшек пен туынды ядроньщ арала рында; олардын, массаларына кері пропорционал болатын жағдайда та ралады. Радиоактивті зат шығарған a -бөлшектің энергиясы (жылдам- дығы) дәлме-дәл анықталатын болады. К ѳ п ш іл ік жағдайда, радиоак- тивті зат энергиялары түрліше болатын бірнеше, бір-біріне ж ақы н а -
бѳлшектер тобын шығарады. Демек, будан туынды ядро қалыпты жағ- 413
6,086 М эВ энергия тиеді (бұл топ схемада び 0 арқылы белгіленген). Егер қалыпты күйдегі энергия дан энергиясы 0,617 М эВ-ке артық болатын туынды ядро, қозған күйде пайда болса, онда бѳлінетін энергия шамасы 6,203-0,617=5,586 М эВ болады. Соның нәтижесінде, ос - бөлшектің үлесіне 5,481 МэВ ( а 5 - ті топ бѳлшектер) энергия тиеді. Альфа нѳл ( а 0 )-үш ін бөлшектердің салыстырмалы саны 27%, а ] үш ін
70%, тек а 5
үш ін небәрі 0,01%. Ал а 2,сс3, а л-те р д ің салыстырмалы саны ѳте аз (0,1-1% аралығында). К ѳ п ш іл ік ядролар ү ш ін қозу кү и ін щ орташа өмір сүру уақыты т Ю -8 -нен Ю _15с - қ а дейінгі ара- лықта. Орташа т уақытына тең уақытта, туынды ядро қалыпты жағ- дайға келеді немесе Y фотонын шығарып, одан да төмен қозған күйге көшеді. 78.2-суретте алты түрліше энергиядағы у -фотондарының шығарылуы көрсетілген. Сонымен 013 фотондар да, a -бѳлшектер де атом ядросында дайын күйінде болмайтындығын, оларды радиоактивті ядро ьщыраған кезде шығаратынын кѳрдік. Ядроны тастап ш ы ққа н a -бөлшегінің орташа £,Мэв 6,203
7 7 1 7 7 7 дайда гана пайда болмайды, ол қозған күйде де пайда болады деп саналады. 78.2-суретте (висмут-212) ядросыньщ ьщырауы кезіндегі шы- ғарылатын a -бөлшектердің ( сс -спектрдің жіңіш ке қүрылымының пайда болуы) эр түрлі топтарының пайда болуын түсіндіретін схема келті- рілген. Схеманың сол жағында туынды ядро 2>f'TÏ -дің (талий-208) энер- гиялы қ деңгейі кѳрсетілген. Энергияньщ негізгі к ү й і үш ін нөл алын- ған. Аналық ядроның тыныш тық энергиясыньщ қалыпты жағдайдағы a -бөлшек пен туынды ядроньщ ты ны ш ты қ энергияларынан артық- шылығы о メ 03 М эВ -ті құрайды. Егер туынды ядро қозбаған күйде пайда болса, онда барлық бөлінетін энергия кинетикалы қ болады, де мек,
a -бөлшектің үлесіне төменде келтірілген 414
.ni ганда 6 МэВ энергиясы болып, ол өзінің жолында і»іііктігі a -бөлшектің орта ша энергиясынан кѳп бола- I мн потенциалық тосқауыл- ііі кездеседі (78.3-сурет). Іосқауылдың сыртқы нөлге қарай т ү с іп бара ж атқан .ісимптотасы (х -бөлшек пен туынды ядроньщ кулондық тебілуінің себебін білдіреді. Aji тосқауылдың іш к і жағы ядролық күштермен сипатталады. Ауыр ОС -радиоактивті ядролардан (I -бөлшектердің шашырауы жөніндегі тәжірибелер, ыдырау кезіндегі үіиып ш ы ққа н a -бөлшектерінің эне.ргиясы, тосқауылдың биіктігінен .шағұрлым аз екендігін көрсетеді. Классикалық көзқарас бойынша, Оолшектің мұндай тосқауылдан өтіп кетуі м үм кін емес， яғни бөлшекті юсқауылдың екінш і жағында кездестіру ықтималдьшығы нөлге тең. Aji кванттың механика a -бөлшекті толқын ретінде қарап, оның тос- қауылдан өтіп кету ықтимадцығы нөлден өзгеше екенін дәлелдеген. Ііүл туннельдік қүбылыс деп аталған жағдайды біз жоғарыда, 52-ші параграфта қарастырғанбыз. Бета-ыдырау. Бета-ьщыраудың үш түрі белгілі. Оның бірі түрле- пуге ұшыраған ядро, электрон ұшырып шығарса, екінш і жағдайда по- штронды ұшырады, үшінш ісінде электрондық қармалау ( е -қармалау) дсп аталатын жағдайында, ядро к қабықш асының бір электронын жүтады, сол сияқты l -және м қабықшаларындағы электрондарды да жүтады, бірақ ол сирек болады ( е -қармалаудың орнына мүнда к _ қармалау, 乙 -қармалау немесе м -қармалау дейді). Ыдыраудың бірінш і түрі ( ß ~
-ыдырау немесе электрондық ыдырау) мына схема түрінде жүреді I z X - ^ ^ Y + ^ e + v ■ (78.9) (78.9)
схемасынан аналық ядроға қарағанда, туынды ядроньщ атом- дық нөмірі бірге артық та, екеуінің де массалық сандары бірдей. Элек троннан басқа мұнда ѵ антинейтрино да үш ы п ш ы ққан. 415
Бета-ыдырау ү -сәулелерін шығара да алады. М ү н ы ң шы ғу механизмі де а -ыдырау кезіндегі сияқты, яғни туынды ядро қалыпты жағдайда ғана пайда болып қоймайды, ол қозған күйде де пайда бола ды. Одан әрі төменгі энергиялық күйге өткенде, ядро У -фотондарды үш ырып шыгарады. Торийдің 2иТІі протактинийге 234р а түрленуі электрон мен ан- тинейтриноның ұшып шығуы, осы ß
一 -ыдыраудың мысалы бола ала- в + V ' Альфа-бөлшегімен салыс- тырғавда ß -электрондардьщ О -ден -ге дейінгі ара- лықта эр түрлі энергиялары болады. 78.4-суретінде ядро ньщ ß
ға р ға н эл е ктр он д а ры ньщ э н е р г и я л ы қ с п е к т р і келтірілген. Қ и с ы қ т ы қ п е н к ө м к е р іл ге н аудан у а қы т бірліпнде ұшып ш ы ққан электрондардьщ жалпы санын береді. Мұндағы dN дегеніміз dW энергия интервалындағы электрондар саны. Wmix энергиясы аналық ядро, электрон жэне туынды ядро массалары ньщ айрымына сэйкес келеді. Сондықтан да электронньщ W энергия сы Wmx
-нан к іш і болатын ыдыраулар кезінде, энергияньщ сақталу заңы орындалмаған секілді болып көрінеді. WITHX — W айырымыньщ жоғалып кету себебін түсіндіру үшін 1932 ж. В. Паули ß -ыдырау кезінде, электронмен қатар әлі бізге белгісіз, өзімен бірге — W энергияны алып кететін бөлшек болуы керек деген болжам айтты. Ондай бөлшектің көрінуі қи ы н болғандықтан, оны бейтарап, массасы ѳте аз деп түсіну керек (қазіргі кезде бул бөлшектің тыныш тық массасы нөл екені тағайыңдалған). Э . Фермидің ұсынысы бойынша бұл гипотетикалық бөлшекті нейтрино1) ( “ кіш кене ' ) Қазіргі кездегі қабылданған классификация бойынша ß -ыдырау кезінде үшып шығатын нейтрино емес, антинейтрино болып табылады. ДЫ ^ Т Һ ^ Р а + ^ 416
нейтрон” деген сѳз) деп аталды. Сонымен ß -ыдырауда, тағы бір болшектің қатысуын импульс моментінің сақталу заңы мәжбүр етеді. Бүл бөлшекке 1/2 (немесе 3/2) спинін жазуымыз керек. Кейіннен анықтағанда нейтриноның (және антинейтриноның) спині 1/2-ге тең болып шықты. Нейтриноның бар екендігі тек 1956 ж. тәжірибе жүзінде дәлелденді. Ыдыраудың екінш і түрі ( ß + -ыдырау немесе позитрондық ыдырау) төмендегідей схемамен жүреді ^ X ^ Y + ^ + v . (78.10) Мысал ретінде, 13дг азоттың 13 с көміртегіге түрленуін қарас- тырайық ^ N ^ C + ^ e + v (78.10) схемада туынды ядроның атомдық нөмірі аналық ядронікінен бірге кем. Процессте е+ позитрон (78.10 өрнегінде ол +1е символымен белгіленген) жэне ѵ нейтрино, кейде ү -сэулелер шығарумен жүреді. Демек, (78.10) ьщырауы кезінде үш ып шығатын екі бөлшекте, (78.9) орнегіндегі шығарылатын бөлшектерге қарсы антибөлшекгер болады. Осы ß +
-ьщыраѵ процесі кезінде бастапқы адродағы протондардың бірі нейтронға айналған секілді болып көрінеді. Бұл кезде одан позит рон жэне нейтрино үш ы п шығады р
п + е+ + Ѵ •
(78.11) Бета-ыдыраудың (электрондық қармалау) үш інш і түрінде ядро өз атомының бір К-электроны н ( L -жэне
М -электрондарын сирек) жұтып қояды. Соның нәтижесінде протонньщ бірі нейтрино шыға- рып, нейтронға айналады р + е~ —>
n + Ѵ
• Пайда болған ядро қозған күйде болуы м үм кін. Одан әрі ол төменгі энергиялық күйге көш іп, у -фотондарды шығарады 2 Х + _ ^ Д У + ѵ . (78.12)
Электрон қабықшасында электронньщ қармалануы нәтижесінде босаған орынға жоғарғы электрондар қабатынан келетін электрон мен толтырылады, соның нәтижесінде, рентген сәулелері пайда бо лады. Электронньщ қармалануын рентген сәулесінің ш ығуынан ба рып білуге болады. Дәл осындай жолмен Альварецтің К-қармалауы 1937 ж. ашылды. 27-27 417
Электрондыққармалаудыңмысалыретінде ( 40К )
калийдің ( 40Л г ) аргонға түрленуін қарастырайық Ауыр ядролардьщ спонтанды бөлінуі.1940 ж. кеңес физиктері Г.Н Флеров жэне К .А . Петржак уран элементінің бірдей екі бөлікке өздігінен бөліну процесін ашты. Кейіннен бүл қү б ь ты с көптеген ауыр ядролар үш ін де байқалды. Спонтанды бөліну өзінің сипатына қарай салыстырғанда, ядроны еріксіз бөлуге ж а қы н деуге болады. Протондық радиоактивтілік. Ө зінің аты айтып түрғандай, протон- д ы қ радиоактивтілікте ядроның түрленуге үшырауы кезінде, онан бір не екі протон (соңғыны екі протондық радиоактілік деп атайды) үшып шығады. Радиоактивтіліктің бүл түрін алғаш рет 1963 ж. Г.Н. Флеров басқарған кеңес физиктері бақылады. §79. Ядролық реакциялар Ядролық реакция деп, атом ядросыньщ элементар бѳлшектермен немесе басқа ядромен кү ш ті өзара әсерлесуін, соның нәтижесінде яд- роның (не ядролардьщ) түрлену процесін айтады. Реакцияға түсетін бөлшектердің өзара әсерлесуі, олар 10 13 см қа ш ы қты ққа дейін жа- қындағанда, ядролық күштердің әсерінен болады. Ядролық реакциялардьщ ең көп тараған лтүрінің бірі, жеңіл ОС -
бөлшегінің X ядросымен әсерлесіп, соның нәтижесінде Ь жеңіл
бөлшегін және ү ядросын түзуі Х + а - ^ Ү + Ь - Мүндай реакцияның теңдеуін қысқартып, былай жазу қабылданьшған X (a ,b )Y .
(79.1)
Жақшаның ішіңдегі жазылғандар реакцияға қатьшасатьш жеңіл бөлшек- тер, бірінш ісі бастапқы бөлшек те, екінш ісі - соңғысы. Жеңіл бөлшектердің а және わ -н ің орындарын ядролық реакция- ларда нейтрон (« ), протон ( p ) ， дейтон
(d ), a -бѳлшек ( a ) ，Y -фото
ны (у)
ауыстыра алады. Ядролық реакцияларда энергияны жұту не шыгару процестері жүріп жатады. Ш ығарылған энергияның санын реакцияньщ энергиясы деп атайды. Ол бастапқы жэне ақырғы ядролардьщ массалар айырымымен (ѳлшемі энергия бірлігімен) анықталады.
1936 ж. Н. Бор баяу бөлшектермен жүретін ядролық реакциялар гкі сатылы болып келуі керек деп қортынды жасады. Бірінш і сатыда X ядроға ж ақы н келген a бөлшегінің қармаланып, д аралық ядро- пың пайда болуы. Аралық ядроны қүрама ядро немесе компаунд-ядро деп атайды. Жеңіл a бөлшегі экелген энергия (ол бөлшектің кинети- калық энергиясынан жэне ядроньщ байланыс энергиясыньщ қосынды- t'bi нан түрады) ѳте аз уақыт ішінде құрама ядроның барлық нуклонда- рының арасында бөлісіледі, соның нәтижесінде бұл ядро қозу күйіне кошеді. Е кін ш і сатысында құрама ядро Ь бөлшегін шығарады. Ядро- мық реакцияның мүндай екі сатылы өтуін мына түрде жазады X + а - ^ А - ^ Ү + b .
(79.2)
. Егер үшып ш ы ққа н бөлшек қармаланған бөлшекпен теңбе-тең (/, =
а) болса, онда (79.2) процесін шашырау деп атайды. Айталық, осы кезде Ь бөлш егінің энергиясы a б өлш егінің энергиясына - W a) тең болса, онда шашырауды серпімді, ал керісінше жағдай- да (яғни Wb ^ Wa )-серпімсіз деп атайды. Ядролық реакция, егер Ь болщегі
a бѳлшегіне тең болмаганда да орындала береді. Энергиясы 1 М эВ болатын нуклонға (нуклонны ң \ ( ў с м /с жыл- дамдығына сэйкес) ядроньщ диаметріне тең қа ш ы қты қты (~ \Ç)~X2 cm ) оту үш ін қажетті Тя уақыт аралығын, ядролық уақыт (немесе үшудьщ мдролык уақыты) деп атайды. Оны былай анықтайды. -12
10" см I 几 1 0 ^ / с 10_ С
(79 3) Үшудың ядролық уақытынан (тя ), қүрама ядроньщ орташа өмір суру уақыты (1 0 -14 —10 一 12с -ке тең) өте көп санға артық деуге бола ды. Сондықтан да, қүрама ядроның ыдырауы (яғни оның b бөлшегін үшырып шығаруы), ядролық реакцияның бірінш і сатысындағы а болшегін қармалаудан, тәуелсіз процесс болып табылады. Жылдам нуклондармен жэне дейтрондар мен жүретін ядролық реак цияларда аралық ядролардьщ түзілу процесі болмайды. Мүндай реак- циялар тікелей ядролық өзара эсерлесулер деп аталады. Ядро мен дейт- ронның центрлік емес соқтығысулары кезінде, бақыланылатын реак- цияның тоқтап қалуы әдетте тікелей өзара әсерлесу реакцияларында болады. Осындай соқтығысулар кезінде дейтронның нуклондарының бірі ядролық күштер әсерінің зонасына түсіп кетіп, ядромен қармала- иады. Сол кезенде басқа бір нуклон ядролық күштер әсерінің зонасы нан тыс қалып, ядроның жанынан үш ы п өтеді.
Бул реакцияны символды түрде былай жазуға болады (d, р )
не месе
(d ,n ). Тоқтап қалу реакциясына керісінше өтетін процесті, іліп әкету реак циясы деп атайды. Ү ш ы п келіп со қты ққа н нуклон ( п немесе р ) яд
родан нуклондардын бірін ( р немесе п ) үзіп әкетіп бүл жағдайда дейтонға айналады: (n, d )
немесе (p, d ).
Ядролық физикада өзара әсерлс су ы қ т и м а л д ы ғы н сг қим аны ц тиімділігі (эффектифтілігі) арқылы си паттау орын алған. Оның мәнісі мы надай. А йталы қ бөлшектер ағыны, мысалы, нейтрондар бірін-бірі қалқа- ламайтын сонш алы қты ж ұ қа ядро нысанаға келіп соғьшсын (79.1 сурет). Егер ядро нысана көлденең қимасы (7 -ға тең қатты шарик болса, ал келіп соғылатын бөлшектерді өте аз (жоға- лып бара жатқандай) қимасы бар қат- ты шариктер деп есептесек, онда келііі түскен бөлшектің нысана ядроны со- ғып өту ықтималдығы мынадай бола ды
мұндағы
п -ядроньщ концентрациясы, былайша айтқанда бірлік кѳлемдегі нысана ядролардьщ саны, S -нысананың қалындығы. Айталық, нысананың бетіне перпендикуляр бағытта N бөлшектер ағыны түссін делік. Сонда, уақыт бірлігі ішінде нысана ядромен соқ- тығысуға төзетін бөлшектер саны AN мынадай өрнек түрінде анықта- лады AN = N P = N (T n ô .
(79.4) Осьщан a = A N / N n ö .
(79.5)
Ш ы н мәнінде, нысана ядро да, оған кел in соғьшатын бөлшектер де қатгы шариктер емес. Алайда, соқтығысатын шариктердің үлгілерінің үқсастығы бойынша өзара, эсерлесулер ықтималдығын сипаттау үш ін, (79.5) өрнегімен анықталатын о шамасын пайдаланады. Мүндағы ISN соқты ғы сқан бөлшектер саны емес, ол нысана ядромен ѳзара 420
{»серлесіп кеткен бөлшектер саны деп түсініледі. Нысана өте қалың Лолған жагдайда, одан өткен бөлшектер ағыны біртіндеп нашарлайды. ІІысананы өте ж ү қа қабаттарға бөліп, беттен х тереңцігінде (қалың- іығында) орналасқан dx қабатының қалындығы үш ін (79.4) қатына- * ындай тендеу жазамыз, сонда dN - - N ( x )
n d x , мүндағы
N (x ) -
x тереңцігіңдегі бөлшектер ағыны. Біздің минус таң- басын жазу себебіміз dx жолында dN -ді өсімше (ол бәсеңдеу емес) леи қараудан болып отыр. Теңдеуді интегралдағанда, мынаны аламыз N ( ô ) = N 0 e x p (-G n ö ) немесе N (S )
= N 0e~anS , мүндағы N
q -алғашқы ағын, ал N ( ô
терендіктегі ағын. Сонымен, К.;шыңдығы S болатын нысана арқылы өткен бөлшек ағынының 6і)сеңцеуін өлшеп, өзара әсерлесу қимасын анықтауға болады 1 ^
N 0 »
び ブ 雨 . （ 79.6) Ядролық процестердің тиімділік қимасының бірліпн барн деп атай- іы Ібарн = \0~2А с м 2.
(79.7)
Я д р о л ы қ р е а кц и я н ы алғаш рет (1919 ж .) ж үзеге асы рған ІѴзерфорд болды. Азотты радиоактивті элемент шығаратын ос -
болшектерімен атқьшағанда, азоттың кейбір ядролары протон шыға- l’i.iii，
оттегі ядросына айналады ^ N + ^ H e - ^ lH + 'lO немесе う N + « - > p + l] 0 .
(79.8)
Бүл реакцияньщ тенцеуі қысқаш а бьшай да жазылады lj N ( a , p ) х] 0 . ( 7 9 .8 0 Алғаш рет, 1932 ж. үдетілген бөлшектердің кѳмегімен жасанды илролық реакцияны жүзеге асырған ғалымдар Кокроф т жэне Уолтон Г)()лды. Олар протонды 0,8 М эВ энергияға дейін үдетіп барып, ядро- іі.іқ реакцияны бақылады ] Ы + р ^ а + І _ Н е .
(79.9)
М үны ң қысқаш а жазылуы ] L i( p , a ) l H e .
(7 9 .9 ” 421 Зарядты бөлшектерді үдету техникасы одан әрі жетіле түскен сай ы н, жасанды түрде алынатын ядролық түрленулердің саны да арг.і түсті. Нейтрондармен жүргізілетін ядролық реакциялардьщ маңызы огс үлкен. Зарядты бөлшектерге [ p ,d ,a ) қарағанда, нейтрондарға кулон д ы қ тебілу кү ш і эсер етпегендіктен, олар өте аз энергиясы бола тұріі, ядроға бойлап енеді. Реакцияның тиімді қимасы нейтрондардың энер гиясы кішірейген сайын арта түседі. М үн ы былай түсіндіруге болады. Неғұрлым нейтронның жылдамдығы аз болған сайын, ол ядролық күіп тердің әсерлесу сферасының аймағында ядроға ж ақы н өткенде, нейт ронны ң ядромен қармалану ықтималдығы өте үлкен болады. Сондық тан көптеген тиімділік қимасы ц у 〜^ / —
1/2 — түрінде өзгереді. Жылдамдықтарына қарай нейтрондар екі топқа бөлінеді. Бірінші топқа баяу нейтрондар жатады. Олардың жылдамдығы (энергиясы) атом дардьщ жылулық қозғалысының жьшдамдығына (энергиясына) тец. Е кін ш і тобына жылдам нейтрондар жатады. Олардын, жылдамдықтарі.і атомдардьщ жылулық қозғалысының жылдамдықтарынан әлденеше есс кө п болады. Баяу нейтрондарды жылулық деп атайды, олар ядролык реакцияларды қоздыруға қолайлы. Көбінесе жылулық нейтрондармен ядрол{.іқ реакция жүргенде неіі тронды ядро қармалайды, соның нәтижесінде, атом адросының масса- л ы қ саны бірге артып, жаңа изотоп пайда болады. Мысалы, мынада іі
реакцияларды қарауға болады Ц В г Л -п -^ Ц В г, ^ A g + n ^ A g
(79.10) жэне т.б.. Алынған
^ В г , x\^Ag изотоптары радиоактивті, Ц В г ү -активті, ал A g
ß -активті. Жеңіл ядролармен жүретін реакцияларда нейтронды ядро қармалан- ғанда, зарядты бѳлшектер-протондар жэне а - бөлшектер шығарыла- ды xlB + n-^lLi+'2He, > +
ぺ с ч р . (7911) 422
Жылдам нейтрондармен ѳтетін реакцияларда зарядты бөЛшектердің үшып шығу процесі жүреді. Баяу нейтрондарда үшып ш ы ққан бөлшек- герге атом ядросыньщ беретін энергиясы аз, сондықтан олар ядроньщ потенциялық тосқауылын өтіп кете алмайды. I, Протон-нейтрон реакциясы кезінде, энергиясы 2,2 М эВ болатын у -фотоны ұшып шығып, дейтрон түзіледі р + п = d + y .
(79.12) Баяу нейтрондар алу үш ін баяулатқыштар пайдаланылады. Тиімді баяулатқыштар қатарына сутегі, дейтерий, бериллий жэне көміртегі жатады. (79.11) ѳрнегіндегі е кін ш і тендеу көңіл аударарлық ядролық реакцияның түріне жатады. Бүл I
реакциясы космос сәулелерінен түзілетін нейтрондар арқылы ауада үздіксіз ж үріп түрады. Мұнда түзілетін көміртегіні радиокөміртегі деп атайды. Ол ß -активті, жарты ыдырау периоды 5730 жылға тең. Радиокөміртегі өсімдіктердің фотосинтезінде сіңіріледі және табиғат- гағы заттардың айналыс процесіне де араласады. Атмосферадағы уақыт бірлігі ішінде пайда болатын радиокөміртегі ядросының AN+ саны орта есеппен алғанда түрақты. Ыдыраған ядро лар саны AN_
барлық ядролардьщ саны N -ге пропорционал, демек, AN_ = kN. Жарты ыдырау периоды өте үлкен болғандықтан, төмендегідей шартты қанағаттандыратын, кәдімгі к ө м ір т е г і ， し ядросыньщ концен- грациясының тепе-теңдігі қалыптасады A N + = AN_ немесе A N + = kN. Арнайы зерттеулерге қарағанда, жедцің, мүхит ағыстарьшьщ әсерінен, Жер шарының әр түрлі орындарында 14С -т ің концентрациясы тепе- теңдік жағдайда болады. Әрбір грамм көміртегіне шамамен минутына 14 ыдырау сэйкес келеді. Организм тірі түрғанда, ондағы 14С -тің азайған орны, табиғаттағы штгардың айналысы есебінен толып отырады. Организм өмір сүруін тоқтатқанда, оның бойына сіңіру процесі де тоқтайды, сондықтан ІЛС~ гің концентрациясы радиоактивті ыдырау заңымен азая бастайды. Де мек, организмнің қалдықтарындағы 14с _ т ің концентрациясын өлшеп (ағашта, сүйекте және т.б.), оның өлген уақытын немесе жасын аны қ- гауға болады. 423
|