Атом ядросының физикасы

Оқулықтық тірек

• Закирова Н.А., Аширов Р.Р. «Физика» (ЖМБ), 11-сынып, Арман-ПВ, 2020, 230–261-б.
• Башарұлы Р., Шүйіншина Ш., Сейфоллина К. «Физика. 9-сынып», 9-сынып, Атамұра, 2019, 232–241-б.

Негізгі ұғымдар

• Ядро протондар мен нейтрондардан (нуклондардан) тұрады: $^A_ZX$, $Z$ — протон саны, $A$ — массалық сан, нейтрондар саны $N=A-Z$.
• Изотоптар — $Z$ бірдей, $N$ әр түрлі: протий $^1_1H$, дейтерий $^2_1H$, тритий $^3_1H$.
• Ядролық күштер — өте қысқа әсерлі, зарядқа тәуелсіз, қанығатын, кулондық күштерден жүздеген есе күшті.
• Табиғи радиоактивтілік (А. Беккерель, 1896 ж.; П. Кюри, М. Склодовская-Кюри) — ядролардың өздігінен α, β, γ сәулелер шығарып түрленуі. Сыртқы жағдайға тәуелсіз, статистикалық құбылыс.
• Жартылай ыдырау периоды $T$ — ядролардың жартысы ыдырайтын уақыт.

Теория

Байланыс энергиясы. Масса ақауы $\Delta M=Zm_p+Nm_n-M_я$; $E_{байл}=\Delta Mc^2=\Delta M\,[\text{м.а.б.}]\cdot931{,}5\ \text{МэВ},\qquad E_{менш}=\frac{E_{байл}}{A}.$ $E_{менш}$ $A\approx30$–100 ядроларда ең үлкен (≈8,6 МэВ/нуклон), уранда ≈7,5–7,8, гелийде 7,2 МэВ/нуклон. Сондықтан энергия ауыр ядролардың бөлінуінде де, жеңіл ядролардың синтезінде де бөлінеді.

Радиоактивті ыдырау заңы. $N=N_0\cdot2^{-t/T}=N_0e^{-\lambda t},\qquad T=\frac{0{,}693}{\lambda},\qquad A=\lambda N\ (\text{Бк}).$ Ұзақ өмір сүретін изотоптар ($^{239}Pu$ — шамамен 24–25 мың жыл, $^{238}U$ — $4{,}5\cdot10^9$ жыл) аймақты ұзақ ластайды (Семей полигоны: плутоний, цезий-137, стронций-90).

Ығысу ережелері.

• α-ыдырау: $^A_ZX\to{}^4_2He+{}^{A-4}_{Z-2}Y$ (мысалы, $^{238}_{92}U\to{}^{234}_{90}Th+{}^4_2He$);
• β-ыдырау: $^A_ZX\to{}^0_{-1}e+{}^A_{Z+1}Y$;
• позитрондық: $^{13}_7N\to{}^{13}_6C+{}^0_{+1}e$.

Сәулелердің қасиеттері.

Сәуле	Табиғаты	Иондау	Өткіштігі
α	гелий ядролары, $+2e$	өте жоғары	ауада 3–9 см, қағаз тоқтатады
β	жылдам электрондар	орташа	ауада 40 м-ге дейін, алюминийде 2 см
γ	жоғары жиілікті фотондар, заряды жоқ	төмен	ең жоғары, қорғасынның 5 см-інен өтеді
γ-сәуле электр және магнит өрісінде ауытқымайды.

Ядролық реакциялар. Массалық сан мен заряд сақталады: $\sum A=\text{const}$, $\sum Z=\text{const}$. Резерфорд (1919): $^{14}_7N+{}^4_2He\to{}^{17}_8O+{}^1_1H$; Чедвик (нейтронның ашылуы): $^9_4Be+{}^4_2He\to{}^{12}_6C+{}^1_0n$. Энергия шығуы $E=(m_1-m_2)\cdot931{,}5$ МэВ.

Бөліну және тізбекті реакция. $^{235}U+n\to{}^{141}Ba+{}^{92}Kr+3n$, ≈200 МэВ. Нейтрондардың көбею коэффициенті: $k<1$ — өшеді, $k=1$ — тұрақты (реактор), $k>1$ — жарылыс. Критикалық масса (таза $^{235}U$) ≈40 кг.

Ядролық реактор. Белсенді аймақ (отын), баяулатқыш (графит, су, ауыр су), шағылдырғыш (бериллий), реттегіш өзектер (кадмий, бор — нейтрондарды жұтады), жылутасымалдағыш, бетон қорғаныс. Шапшаң нейтронды реакторлар $^{238}U$-ды $^{239}Pu$-ға айналдырады.

Термоядролық синтез. $^2_1H+{}^3_1H\to{}^4_2He+n+17{,}6$ МэВ; кулондық тебілуді жеңу үшін ~$10^7$–$10^8$ К (плазма) қажет. Басқарылатын синтез — Токамак.

Дозиметрия. Жұтылған доза $D=\dfrac Em$ (Гр = Дж/кг); эквивалент доза $D_{экв}=kD$ (Зв), γ мен рентген үшін $k=1$, α үшін $k=20$. Қорғану: қашықтық, уақытты қысқарту, экрандау, дозиметр.

Мысалдар

1. $^{11}_5B+{}^4_2He\to{}^{14}_7N+{}^A_ZX$. X — ? $A=11+4-14=1$, $Z=5+2-7=0$ — нейтрон.
2. Жартылай ыдырау периоды 8 тәулік. 24 тәуліктен кейін неше бөлігі қалады? $2^{-3}=\dfrac18$.
3. $A=238$ ядро екі $A=119$ ядроға бөлінді ($7{,}5\to8{,}6$ МэВ/нуклон). $\Delta E=2\cdot8{,}6\cdot119-7{,}5\cdot238\approx262$ МэВ.
4. $^{238}_{92}U$ бір α және екі β ыдыраудан кейін. $A=234$, $Z=92-2+2=92$ — қайтадан уран изотопы $^{234}_{92}U$.

ҰБТ-дағы жиі қателер

• β-ыдырауда массалық сан өзгереді деу: $A$ сақталады, $Z$ бірге артады.
• Ядро массасы нуклондар массаларының қосындысына тең деу: масса ақауына кем.
• Радиоактивтілікті қыздырумен не қысыммен жылдамдатуға болады деу.
• 2 период өткенде бәрі ыдырайды деу: $1/4$ бөлігі қалады.
• Реттегіш өзектер нейтрондарды баяулатады деу: олар жұтады; баяулататын — баяулатқыш.

Өзіңді тексер

1. Радиоактивтілікті кім, қашан ашты? — А. Беккерель, 1896 ж.
2. Ең өткіш сәуле? — γ-сәуле.
3. 1 м.а.б. неше МэВ-ке сәйкес? — 931,5 МэВ.
4. Реактордағы тұрақты реакция шарты? — $k=1$.
5. Эквивалент дозаның бірлігі? — Зиверт.