«Атом ядроларының модельдері» оқу әдістемелік құрал

Рақыметдолла Мәулітбек
Шығыс Қазақстан гуманитарлық колледжінің физика пәні мұғалімі

           Қазіргі кездегі атомдық ғылымның, техниканың және энергетиканың өте зор жетістігі, атомдық және ядролық физиканың қарқынды дамуы нәтижесі болып табылады.Тек заттар ғана емес, жарық, электр тағы басқа түрлі материяның табиғаты және оның қозғалысы да атомдық физика тұрғысынан қарастырылады. Сөйтіп қазіргі физикада заттың ішкі құрылысы мен материя қозғалысы жөніндегі басты ғылымның саласы атомдық және ядролық физика туралы ілім екендігіне көзіміз толық жетіп отыр. Сол сияқты бұл ғылым саласы дүние жүзі ғылымдарының алдына, қазіргі атомдық және ядролық физиканың негізгі философиялық мәселелерін шешуді талап етеді.

Атомдық физика бөлімінде мынадай негізгі үш мәселені ерекше атап өтуіміз керек.

1.                Атомдық физика атомның электронды қабықша құрылысын және оның негізгі химиялық, электрлік, оптикалық қасиеттерін қарастырады.

2.                Ядролық физикада ядро құрылысы және ядролық реакция, ядроны түзейтін бөлшектер және оларды зерттеп тіркеуші приборларды пайдалану әдістері қарастырылады. Ал атомдық ядро құрылысын  оның ядролық моделі арқылы зерттеу қажет.

3.                «Элементар бөлшектер» бөлімінде қазіргі кездегі мәлім болған элементар бөлшектер  қасиетін, сол сияқты олардың жоғары энергиялы бөлшектерінің затқа әсері және ғарыш әлемінен жер бетіне келетін жоғары энергиялық элементар бөлшектерді қарастырады.

Атом туралы ілім сонау ерте кезден-ақ пайда болған болатын. Әсіресе грек ғалымдары, Левкин, Анаксагор, Демокрит, Эпикур, Лукреций дененің атомдық құрылысы туралы көзқарастарды б.э.д. 500-270 жылдары дамытты. Әсіресе бұл мәселе жөнінде Демокриттің бүкіл аспан әлемі ішінде бөлінбейтін ұсақ бөлшектер, яғни атомдар бар бос кеңістік деп түсіндіруі ерекше болды. Ол атомдардан құралған денелерді бір-бірінен сыртқы пішіні және орналасу жағынан ғана айыруға болады деді. Сонда денелер атомдардың қосылуы немесе бөлінуі нәтижесінде ғана пайда болады және жойылады. Сөйтіп атомдар өзінің  табиғи күшінің нәтижесінде қозғалыста болады. Бұл жөнінде Демокриттің көзқарасы терең мағыналы материалистік ілім еді. Аристотель (б.э.д. 384-322) материя үздіксіз қозғалыста болады, ал атом болса бөлінетін ұсақ бөлшек болуы керек деді.

Сөйтіп өткен ғасырдың аяғына дейін атом заттың бөлінбейтін, өзгермейтін бөлшегі деп саналса, XIX ғасырдың аяғы мен XX ғасырдың бас кезіндегі ғылымның жаңа жетістіктері атомның күрделі бөлшек екендігін сипаттады.

Ең алғаш көптеген тәжірибелердің қорытындысына сүйене отырып атом құрылысының моделін 1903 жылы ағылшын ғалымы Д. Томсон (1856-1940) ұсынды. Оның болжауынша атом оң зарядпен бірқалыпты зарядталған радиусы 10-10м шамасындай сфера болады да, электрондар осы сфераның ішінде орналасқан. Сфераның оң зарядының мөлшері барлық электрондардың зарядына тең, сондықтан атом бейтарап; электрон орнынан қозғалғанда оған квазисерпімді күш әсер етіп, электрон гармоникалық тербелмелі қозғалысқа келеді. Бірақ бұл қағида шындыққа сай келмеді.

Атом құрылысы туралы пікірді дамытуда 1911 ж. Ағылшын физигі Э. Резерфорд (1871-1937) өзінің мынадай моделін ұсынды.

Атомның барлық оң заряды түгелінен оның ортасына өте шағын көлемге  шоғырланған ядро болады да, оның сыртқы жағында электрондар қозғалып жүреді. Бұл қорытынды бір затты α-бөлшектермен атқылау нәтижесінде пайда болды. Сөйтіп α-бөлшектер негізінен радиоактивті заттардың түрленуі кезінде пайда болатын зарядының шамасы 2-ге тең оң зарядталған бөлшектер болып есептеледі. Оның массасы электрон массасынан 7300 есе үлкен де, қозғалыс жылдамдығы шамамен ~107м\с-қа тең.

Сонымен α-бөлшектер шапшаң қозғалатын едәуір ауыр бөлшектер, демек α-бөлшектер басқа заттың атомдарымен соқтығысқанда атомның ішіне енуі де мүмкін.

Э. Резерфорд атомның құрылысын осы  α-бөлшектерді пайдаланып тәжірибе жасап зерттеген, яғни жұқа металл пластинадан (қалыңдығы шамамен 1 мкм болатын алтын фольгадан) өткен α-бөлшектердің қозғалыс бағыттарының өзгерісін бақылаған. α-бөлшектердің фольгадан өткенде шашырауының себебі, оларға атомның құрамындағы зарядтардың әсер етуінен деген қорытынды шығады. Сонда электрон соқтығысқанда оның бағыты өзгере қоймайды, өйткені α-бөлшектің массасы электронның массасынан өте ауыр. Ал α-бөлшектер атомның оң зарядталған бөлшегімен соқтығысқанда олардың бағыты едәуір өзгереді.

Сонымен α-бөлшектер атомның барлық зарядтар шоғырланған ядросымен күштірек әсерлеседі. Өйткені атомның ішіне енген α-бөлшектер оң зарядты ядроның әсерінен өзінің бастапқы қозғалыс бағытын өзгертіп шашырайды. Бұдан, ядродан қашығырақ өткен α-бөлшектер шамалы бұрышқа, ал ядроға өте жақын келген α-бөлшектер үлкен бұрышқа бұрылады деген қорытынды шығады.

Сөйтіп, Резерфорд өз зерттеулерінің нәтижесінде атомның ядролық планетарлық) моделін жасады. Себебі теріс зарядты электрон ядроның төңірегінде  электрондар қабықшасын түзіп (күн жүйесінің планеталары сияқты) үздіксіз орбита бойымен айнымалы қозғалыста болады. Сонда оң зарядталған ядроның заряды Ze де (мұндағы е – элементарлық заряд, Z – элементтің Менделеев кестесіндегі реттік саны), өлшемі 10-15м, ал массасы шамамен атом массасына тең. Электрон ядродан 10-10м шамасындай ара қашықтықта айналып жүреді, олай болса ядро атомнан 105 еседей кіші екендігін көреміз. Бұдан, атом центрінде оң зарядталған ядросы бар, оны айнала қозғалып жүретін электрондардан құралған күрделі жүйе болып табылады.

Мысалы, сутектің (1Н1)атомдық нөмірі Z=1 ядросының заряды e=1 болса, сонда ядроны айнала қозғалатын электронның саны біреу ғана болады.

Кейінірек заттың құрылысы жайындағы ғылым дами келе атом ядросының өзі де күрделі екендігі анықталады.

 

 

Атомдық ядролардың әртүрлі қасиеттерін сипаттау барысында кейбір қиындықтар туындайды. Олардың себептері ретінде төмендегілерді келтіруге болады:

1.                Ядродағы нуклондардың әсерлесу күштері жеткілікті дәрежеде белгілі емес. Бос нуклондар мен ядро құрамындағы нуклондар әсерлесулері қаншалықты бірдей екендігі белгісіз.

2.                 Тіпті ядролық әсерлесу потенциалының нақты түрі анықталған жағдайда оған сәйкес кванттық механикалық есепті шешу жеңіл болмайды. Себебі А нуклонды ядро үшін спиндік және изоспиндік   айнымалыларды есептемегенде,   тәуелсіз айнымалылардың саны 3А болады. Оған қоса, мысалы атомдық физикада кездеспейтін қиындықтар туындайды. Атомның динамикалық орталығы – ядро бар, оның электрондармен әсерлесуі негізгі рольді атқарады. Ал электрондардың бірімен-бірі әсерлесуін ядро зарядын экрандау эффектісімен алмастыруы мүмкін.

Атом электрондары ядроның сфералық симметриялық өрісінде қозғалады, ал олардың ядромен әсерлесуі  статикалық потенциалымен сипаттауға болады. Атомның қабықшалар моделі негізінде  потенциалының салыстырмалы қарапайым түрі және оның сфералық симметриясы кванттық механиалық есепті шешуді әлдеқайда жеңілдетеді. Ал ядрода барлық бағыттар өзара тең болғандықтан ерекшеленген орталық дене болмайды. Міне, осы фактілердің барлығы модельдерді енгізудің қажеттілігін туғызады. Эксперименталдық ақпараттардың кең көлемді жиынтығын жүйелендіру, талдап және түсіну үшін кез келген ғылым дамуының бастапқы этаптарында модельдерді енгізу қажет болады. Модельдер нақты болғандықтан, оларды пайдалану шекарасы да белгілі болады. Модельдер синтезі де өте пайдалы. Мысалы, бір құбылысты әртүрлі модельдерде зерттеу. Бір модельмен шектелу оның қиындықтары мен кемшіліктерін түсінуді қиындатады. Сонымен қатар құбылыстың физикасын түсінуде модельдердің қиындықтары мен кемшіліктері олардың жетіспктерінен кем болмайтын ақпараттарды беруі де мүмкін.

Егер модель бір құбылысты түсіндіре алмаса, онда маңызды қасиеттерін ескермегендіктің көрсеткіші болады. Нақты модельдің пайдалану облысы мен оның мүмкіндіктерін білуі өте маңызды. Модельдер микроскоптық және феноменологиялық түрлеріне бөлінеді. Пән дамуының бастапқы этапында феноменологиялық модельдер пайдалырақ болады. Ядро модельдерін екі негізгі кластарға бөлуге болады. Бірінші кластағы модельдерде ядро күшті әсерлесуші және күшті байланысқан бөлшектер ансамблі ретінде қарастырылады. Мысалы, сұйық тамшы (тамшылық моделі), құрама ядро моделі, кластерлік модельдері. Өзге модельдер әрбір нуклонның өзге нуклондар туғызатын орталанған өрісінде біріне-бірі тәуелсіз қозғалады деген шамалау негізінде құралады: қабықшалар моделі, жалпыланған модель, оптикалық модель.

 

 

Ұжымдық моделдер мыналар:

1.Тамшылық модель. Ядро зарядталған сығылмайтын сұйық тамшысы ретінде қарастырылады. Осыдан “ядроның байланыс энергиясы көлемдік, беттік және кулондық знергиядан құралады”- делінеді. Әлбетте, бұларға тамшылық көзқараспен түсіндірілмейтін, қосымша симметрия энергиясы мен қосақтасу энергиясы енгізіледі. Ақырында, байланыс энергиясының Вейцзеккерлік (2.43) түрі шығарылады. Оны ядроның байланыс энергиясының А мен Z –ке тәуелділігін, ядроның беттік тербелістерін және ядроның бөлінуін сапалық түсіндіруге қолданады.

2.Сфералық емес ядро моделі. Ядро заттың кейбір себептерінен тепе- теңдік күйде сфералық емес пішін қабылданған қойртпағы сияқты қарастырылады. Ядроның кейбір ең төменгі энергиялық деңгейлерін сипаттауға болады қолданылады.

Бірбөлшектік моделдің мынадай түрлері қолданылады.

1.Қалдық әсерлесусіз қабықтық модель. “Нуклондардың бір- біріне тәуелсіз қозғалыстары барлық нуклондарға бірдей өздік үйлесімді өрісте өтеді”, деп есептеледі. Нуклондардың өзара әсерін әруақытта осы өздік үйлесімді әсерлесумен кейбір қалдық әсерлесудің қосындысы түрінде алуға болады. Қарастырып отырған модел үшін қалдық әсерлесу әлсіз, оны елемеуге болады деп есептеп, оны ескермейді. Оның көмегімен киелі сандарды, ядролардың негізгі және кейбір қозған күйлерінің спиндері мен жұптылықтарын, магнит моменттерін, қос киелі ядролардың негізгі күйлерінің спиндері мен жұптылықтарын есептейді.

2. Феномендік қосақтасулы қабықтық модель. Қалдық әсерлесу бірдей нуклондардың өзара қосақтасуын елеу арқылы ескеріледі. Мұнда, бірдей нуклондар (протондар немесе нейтрондар) спиндері мен магнит моменттері нөлге, ал жұптылықтығы оң болатын қосақтар құрайды деп алынады. Массалық санның тақ мәндері үшін бір нуклон қосақсыз қалады. Бұл модел: барлық жұп- жұп ядролардың, барлық дерлік массалық саны А тақ ядролардың спині мен жұптылығын, магнит моменттерінің жуық мәндерін анықтайды.

Жалпылық моделдің мынадай түрлері бар:

1.Әлсіз әсерлесулі жалпыланған модель. Нөлдік жуықтауда ядро тұтас сфералық ірге мен бір немесе бірнеше сыртқы нуклондардан тұрадыдеп алынады. Ірге ұжымдық моделдердің біреуімен, ал сыртқы нуклонның еркіндік дәрежелері арасында әлсіз өзара әсерлесу болады деп есептеледі. Азғана, кейбір массалық саны А тақ ядролардың төменгі деңгейлерінің сипаттамалары түсіндіріледі.

2. Күшті әсерлесулі жалпыланған модель. Қабықтық моделдегі сияқты барлық нуклондар өздік үйлесімді күш өрісінде бір- біріне тәуелсіз қозғалады деп есептеледі. Бірақ күш орталығы сфералық симметриялы емес пішінді және осыған байланысты ядро тұтас айнала алады. Айналуға ( толық немесе ішінара)  барлық нуклондар қатысады. Қолдану аймағы: көптеген ядролардың төмен жатқан деңгейлерінің орыны мен сипаттарын анықтау.

Келесі баптарда осы моделдердің кейбіреулеріне толығырақ тоқталамыз.

Атом ядросының басқа моделдері

Ядроның кұрылымының кейбір қасиеттерін түсіндіру үшін, оның қарастырылған моделдерден басқа моделдерің қолданады. Олардың барлығы дерлік қарастырылған моделдердің варианттары болып табылады.

1.                Ядролық материя. Бұл моделде табиғатта жоқ, қиял, протондар мен нейтрондардың бирдей сандарынан тұратын тұтас ортаның қасиеттері қарастырылады. Өте үлкен мөлшерлі ядролар құруға кесел жасайтын, кулондық әсерлесу күші ескерілмейді. Ауыр ядролардың орталық өңірінің қасиеттері ядролық материяның қасиеттеріне ұқсас деп есептеледі. Модел ядролық материя мен нейтрондық  материяның тығыздықтары мен байланыс энергияларын есептеуге қолданылады.

2.                Нуклондық жиындықтар (ассоциациялар) моделі. Бұл модел бойынша ядроның толқындық функциясы нуклондардың әртүрлі байланысқан жиынтықтарының толқындық функцияларының суперпозициясы түрінде алынады. Мысалы: – ядросын альфа-бөлшек пен дейтронның байланысқан жүйесі,  мен  ядроларын 3 және 4 альфа-бөлшектің байланысқан жүйесі деп алуға болады.

Ядроны құратын байланысқан нуклондардың жиынтығын кластер деп, ал моделді кластерлік деп атайды. Кластер аралық байланыс кластер ішіндегі нуклон аралық байланыстан әлдеқайда кем деп есептеледі. Бұл моделдің көмегімен жеңіл ядролардың көбісінің құрылымын түсүндіруге болады.

3.                Қалдық әсерлесулі қабықтық модель. Бұл қабықтық моделдің ең жалпыланған түрі. Онда қайсыбір әдіспен қалдықтық әсерлесу потенциалының түрі таңдалынады. Моделдің математикалық өрнектелуі өте күрделі. Бірақ, ол ядроның әртүрлі деңгейлерінің көптеген сипаттамаларын, ядролық реакциялар мен ыдыраулардың көптеген қасиеттерін түсіндіре алады.

Ақырында, ядроға ферми-газдық, ферми-сұйықтық, қатты дененің кейбір қасиеттері тән, ол заттың осы қасиеттермен сипаталатын ерекше күйі деген қорытынды шығаруға болады.

Leave a Reply

Your email address will not be published.