Open Library - открытая библиотека учебной информации

Открытая библиотека для школьников и студентов. Лекции, конспекты и учебные материалы по всем научным направлениям.

Экология Визначення системи координат користувача 5 страница
просмотров - 177

Бор 1913 жылы екі қағидаға қосымша сәйкестік принципін ұсынды. Бұл принцип бойынша шектік жағдайда (кванттық сандардың үлкен мәндерінде) теориялық жолмен алынған формулалар классикалық физиканың заңдарына айналады.

2. Атом ядросының құрылысы. Ядролық күштер

Атом ортасында оң зарядталған ядродан және оның қабықшасын құрайтын, орасан зор жылдамдықпен қозғалатын электрондардан тұрады.Ядрода іс жүзінде атомның барлық делік массасы және оның оң электрлік заряды шоғырланған. Бір протоны бар сутегі атомының ядросынан басқа ядролардың барлығы нуклондардан – протон мен нейтрондардан тұрады.

Ядродағы жалпы нуклондар санын массалық сан деп атайды.

A=Z+N - массалық сан, Z - протон саны, N - нейтрон саны. Ядродағы протондар саны сол химиялық элементтердің Менделœеев кестесіндегі реттік номеріне тең болады.Элементар электр заряды е=-1,6*10-19 Кл. Электронның массасы m =9,1 * 10-31 кᴦ. Ядродағы нейтрондардың саны протондардың санына тең. Ядроның заряды +Ze-ге тең, мұнда е –протон зарядының шамасы, Z – зарядтық сан, ол Менделœеевтің периодтық жүйесіндегі элементтің реттік нөмірі.

Ядроның өлшемдері ядродағы нуклондар санына тәуелді. Ядродағы протондар саны бірдей, бірақ массалық сандары әртүрлі химиялық элементтерді изотоптар деп атайды. Массалық сандары бірдей, бірақ протондар саны әртүрлі элементтерді изобарлар деп атайды. Ядродағы нейтрондар саны бірдей элементтерді изотондар деп атайды. Ядродағы протондар мен массалық сандары бірдей, бірақ жартылай ыдырау периодтары әртүрлі элементтерді изомерлер деп атайды.

Резерфорд атомының құрылысын Күн жүйесiне ұқсатты. Күн жүйесiндегiпланеталар оған тартылып айналғаны сияқты, электрондар да ядроға тартылып оны айнала қозғалады. Осындай ұқсастығы үшiн Резерфорд ұсынған модельдi планетарлық модель деп атаған.

Ядролық күштер -атом ядросын құрайтын нуклондардың арасына әсер ететін және ядроның құрылысы мен қасиеттерін анықтайды. Бұлар күшті өзара әрекеттесетін күштер класына жатады. Ядролық күштердің басқа күштерден өзгеше қасиеттері бар:

Ядролық күштердің негізгі қасиеттері:

1.Ядролық күштер аз қашықтықта әсер етеді. Олардың әсерлік радиусы шамамен 1ферми (10-15 м ).

2.Олар зарядқа тәуелді емес, яғни екі протонның, екі нейтронның немесе протон мен нейтронның әсерлесу күштері бірдей.

3.Ядродағы нуклондар өзіне жақын орналасқан нуклондармен ғана әсерлеседі.

4. Ядролық күштер әсерлесетін нуклондардың спиндерінің бағыттарына тәуелді.

5. Ядролық күштер центрлік күштерге жатпайды.

3

20.Дифракция (лат. dіfractus – сындырылған) – механикалық, дыбыс және жарық толқындарының өздерінің толқын ұзындығымен шамалас тосқауылды орап өтуі, сондай-ақ сұйықтық пен газ молекулаларының немесе кристалл, сұйықтық, т.б. микробөлшектерінің электрондар,нейтрондар.[1]

Луи де Бройль гипотезасы.Француз ғалымы Луи де Бройль (1892-1987) табиғатта өмір сүретін симметрияны сезіне отырып және жарықтық екіжақтылық корпускулалық - толқындық табиғаты туралы түсінікті дамыту арқылы 1923 жылы корпускулалық - толқындық дуализмнің универсалдылығы жайлы гипотезаны ұсынды. Де Бройль фотондар ғана емес ,сонымен бірге электрондар және материяның кез келген өзге бөлшектері корпускулалық пен қатар,сондай-ақ толқындық қасиеттерге де ие екенін дәлелдеді.Сонымен , де Бройльге сәйкес ,біріншіден корпускулалық сипаттамалар-энергия E мен импульс ,екіншіден толқындық сипаттамалар-v мен толқындар ұзындығы әрбір микрообьектімен байланысады. Бөлшектердің корпускулалық және толқындық қасиеттерін байланыстыратын сандық қатынастар фотондардағыдай сияқты болады: E= , =

Де Бройль гипотезасының батылдығы мынада: (213,1) арақатынас фотондар үшін ғана емес ,сонымен бірге өзге микробөлшектер (электрондар) үшін постулатталады.Осылайша, импульске ие кез келген бөлшекте толқындардың ұзындығы де Бройль формуласы бойынша анықталатын толқындық процесс салыстырылады:

Анықталмағандықтар ( белгісіздіктер) қатысын (215.1) келœесі түде көрсетеміз

(215.4)

Осы формуладан мынадай қорытынды шығаруға болады: бөлшектердің массасы неғұрлым үлкен болса, оның координаттары мен жылдамдықтарының анықталмағандықтары ( белгісіздіктері) соғұрлым аз болады, демек, траекториялар ұғымы осы бөлшекке үлкен дәлдікпен қолдануға болады. . Гейзенбергтің анықталмағандық ( белгісіздік) қатынасына сәйкес микробөлшек ( микрообьект) бірмезетте белгілі бір координатқа (x.y.z) және белгілі бір импульстің тиісті проекциясына ( ) ие бола алмайды, әрі осы шамалардың анықталмағандықтары ( белгісіздіктері) келœесі шарттарда қанағаттандырылады.

(215.1)

яғни координаттардың анықталмағандықтарының ( белгісіздіктерінің) көбейтіндісі және соған сәйкес импульс проекциялары һ реттік шамадан аз болмауы тиіс .

Анықталмағандықтар ( белгісіздіктер) қатынасынан (215.1) мынадай қорытынды шығаруға болады: егер микробөлшек координаттардың дәл мәндері бар күйде болса, онда осы күйге сәйкес келœетін оның импульсінің проекциясы мүлде анықталмаған ( белгісіз) және кеісінше болады . Осылайша, микробөлшектер үшін оның координаттары мен импульс бірмезетте дәл мәнге ие болатындай күйлер болмайды. Бұдан мынадай қорытынды шығады: бірмезетте кез келген күні бұрын берілген дәлдікпен микрообьектінің координаты мен импульсін өлшеу нақтысында мүмкін емес. Анықталмағандықтар ( белгісіздіктер) қатысы бөлшектер қозғалысының классикалық сипаттамалары ( координаттар, импульстер) мен онда толқындық қасиеттердің болуын бірмезетте пайдалану кезінде алынады . Өйткені классикалық механикада координаттар мен импульсті өлшеу кез келген дәлдікпен жүргізілетіні қолданылады, сондықтан анықталмағандықтар ( белгісіздіктер) қатысы , осылайша, классикалық механиканы микрообьектілерге қолдануды кванттық шектеу болып саналады.

2.ядролық күштер алмасу сипаты

Ядролық өзара әсер ету процесінде протон мен нейтрон өздерінің электр зарядтарымен алмаса алады, өзара әсерлесуден кейін нейтрон протонға, ал протон нейтронға ауыса алады. Яғни, ядролық күштер алмасу сипатта бола алады.

ядролық күштер

ядродағы нуклондарды біріктіріп ұстап тұрған күш ядролық күш болып табылады. Ядролық күш күшті өзара әсерлесулерге жатады. Ядролық күштің қасиеттері:

1. Ядролық күштер өте қысқа қашықтықта әсер етеді. Оның әсер ету ара-қашықтығы шамамен~10-15 м.

2. Ядролық күштер қанығу мәніне ие болады. Яғни әрбір нуклондар тек көршілес белгілі нуклондармен әсерлесе алады.

3. Ядролық өзара әсерлесу бөлшектердің зарядына тәуелсіз болады. Яғни екі протонның немесе екі нейтронның өзара әсерлесу ядролық күші нейтрон мен протон арасындағы өзара әсерлесу күшіне тең болады.

4. Ядролық күш нуклонның спинінің бағытына тәуелді болады.

5. Ядролық күштер центрлік күштерге жатпайды.

33.2.Атом ядросының модельдері

1. Ядроның тамшылық моделі. Бұл модельді Бор мен Френкель ұсынды. Бұл модельде нуклондар су тамшысындағыдай тәртіппен орналасқан. Осы модельмен ядроның спонтанды бөлінуін түсіндіруге болады.

2. Ядроның қабықшалық моделі. Бұл модельді америка ғалымы Гепперт-Майер ұсынды. Бұл модельде нуклондар энергетикалық қабықшаларда орналасады. Қабықшаларды толтырып орналасқанда нуклондар Паули принципіне бағынады.

Ядро модельдерінің ішінен тамшылы және қабықшалы екі түрін қарастырайық. Бұл модель бойынша ядро – зарядталған сығылмайтын аса жоғары тығыздықтағы ядролық сұйықтан тұратын сфералық тамшы болып табылады. Тамшылы модель – сұйық тамшысындағы молекула табиғаты мен ядродағы нуклондардың табиғатының ұқсастығындағы байланыстылыққа негізделген. Ядродағы протондар мен нуклондар арасындағы өзара күштер қысқа қашықтықта әсер етеді, оларға қанығу қасиеті тән. Сыртқы шарттар өзгермеген кезде сұйықтағы тамшы тұрақты тығыздықты қабылдайды. Сонымен бірге, ядро да тұрақты тығыздыққа ие болады, ядродағы нуклондар санына тәуелсіз. Ядроның көлемі де және сұйық тамшысының көлемі де, бөлшектер санына пропорционал болады. Тамшы моделі бойынша, ядро − сығылмайтын сұйықтың электрлік зарядталған тамшысы, кванттық механика заңдарына бағынады. Бұл модель бір қатар ядролық құбылыстарды (ядролық реакция механизмін, ядролық бөліну реакциясын және т.б.) түсіндіруге мүмкіндік берді.

Қабықшалы модель бойынша ядродағы нуклондар дискретті энергиялық деңгейлер бойынша орналасқан, деңгейлер (қабықшалар) Паули принципі бойынша толтырылады. Ядроның тұрақтылығын − модель, деңгейлерді толтыру сипатымен байланыстырады. Егер де қабықшалар толық түрде толтырылған болса, онда ядро өте орнықты деп есептелœеді. Одан әрі, шындығында ядроның ерекше орнықты (магикалық) болатындығы дәлелденді. Қабықшалы модель көмегімен ядроның магнит моменті мен спині, атом ядросының әртүрлі орнықтылығы, олардың қасиеттерінің периодты өзгерістерін түсіндіруге мүмкіндік берді. Әсіресе, қабықшалы модель жеңіл және орташа ядроларды сипаттаумен қатар, қозбайтын (негізгі) күйдегі ядроны жақсы түсіндіре алады.

3.

Микробөлшектердің толқындық қасиеттері туннельдік эффект кезінде айқын байқалады. Бұл эффектіні түсіндіру арқылы классикалық физикада түсінік таппаған көптеген құбылыстардың (автоэлектрондық эмиссия, атом ядросының a-ыдырауы, т.б.) сыры ашылды.Осы қайшылықтарды шешу кванттық механиканың физикалық негіздерін жасауға мүмкіндік берді. Микродүниенің басқа да құбылыстарын зерттеу кезінде, әсіресе, атом құрылысын зерттеу кезінде, атом ішіндегі электрон қозғалысының классикалық физика заңдарына бағынбайтындығы және олардың энергияларының мүмкін болатын мәндері үздіксіз өзгермей, тек энергия деңгейлерінің дискретті қатарын құрайтындығы анықталды. Оң зарядты нүктелік ядро туғызатын өрісте қозғалатын электронға классикалық механиканың теңдеулерін қолдануға болмайды, яғни механика мен электрдинамика заңдарына негізделген Э. Резерфорд пен Н. Бор жасаған атом моделі орнықсыз болуға тиіс. Бірақ тәжірибе жүзінде атомның орнықты жүйе екендігі дәлелденді.Бор — атомның алғашқы кванттық теориясын жасаушы, кванттық механиканың негізін қалаушылардың бірі. Ол Бор қағидалары (постулаттары) деп аталған тұжырымдар негізінде атомның орнықтылығын және сутек тәрізді атомдардың спектрлік заңдылықтарын түсіндірді. Бор теориясы бойынша атомның орнықты (стационар) күйдегі энергиясының үзілісті (дискретті) мәндерге ие болатындығы алынғанымен, электрон шеңбер не эллипс тәрізді орбита бойымен қозғалатын классикалық бөлшек ретінде қарастырылады. Бұл теорияда Л. де Бройль ашқан микробөлшектердің толқындық қасиеті ескерілмейді.

Альфа-ыдырауα-бөлшегінің табиғатын 1908 жылы Резерфорд көптеген эксперименттік зерттеулер нәтижесінде анықтады. Альфа-ыдырауы кезінде ядродан өздігінен α-бөлшек — гелий атомының ядросы Не (екі протон және екі нейтрон) ұшып шығады және жаңа химиялық элементтің туынды ядросы пайда болады. Альфа-ыдырау кезінде атом ядросы зарядтың саны екіге және массалық саны төртке кем туынды ядроға түрленеді. Жаңа элемент Менделœеев кестесіндегі периодтық жуйенің бас жағына қарай екі орынға ығысады: мұндағы — аналық ядроның белгісі, — туынды ядроның таңбасы. Гелий атомының ядросы болып табылатын α-бөлшек үшін белгісін пайдаландық.Аналық ядро ыдырағанда, α-бөлшек пен туынды ядро белгілі бір кинœетикалық энергиямен жан-жаққа шашырай ұшады. Кейбір ыдырауда туынды ядро қозған күйде болуы мүмкін. Ыдырау энергиясын аналық ядромен байланысқан санақ жүйесінде энергияның сақталу заңын пайдаланып есептеуге болады. Ыдырау энергиясы қозу энергиясы мен кинœетикалық энергиялардың қосындысына тең. Бастапқы энергия аналық ядроның тыныштық энергиясына тең екенін ескерсек, онда — аналық, — туынды ядролардың, — гелий атомы ядросының массалары, бұдан ыдырау энергиясын табамыз:

Бета-ыдырауβ-сәулесінің табиғатын 1899 ж Резерфорд ашқан болатын. Ол шапшаң қозғалатын электрондар ағыны. β-бөлшекті деп белгілейді. Массалық санның болуы, электронның массасы массаның атомдық бірлігімен салыстырғанда елœеусіз аз екенін көрсетеді. Ығысу ережесін бета-ыдырауға қолданайық.

Бета-ыдырау кезінде атом ядросының зарядтық саны бір заряд бірлігіне артады, ал массалық сан өзгермейді.Жаңа элемент Менделœеев кестесіндегі периодтық жүйенің соңына қарай бір орынға ығысады: мұндағы — электрлік заряды нөлге тең, тыныштық массасы жоқ электрондық антинœейтрино деп аталатын бөлшек.Бұндай ыдырауды электрондық β-ыдырау деп атайды. Радиоактивті электронды β-ыдырау процесі ядрода нейтронның протонға айналуы және осы кезде электронның және антинœейтриноның қабаттаса түзілуі арқылы өтеді: Ядроның ішінде электронның пайда болуы осы нейтронның ыдырауының нәтижесі екен. Бета-ыдырау кезінде туынды ядро мен электрон жүйесінің энергиясы ыдырауға дейінгі аналық ядро жүйесінің энергиясынан кем болып шығатынын өлшеулер көрсетті. β-ыдырау кезінде энергияның сақталу заңының орындалатына күмән туды. 1930 жылы В. Паулиp β-ыдырау кезінде, ядродан электроннан басқа тағы бір массалық саны ( ) мен зарядының саны ( ) нөлге тең бөлшек бөлініп шығады деген жорамалды ұсынды. β–ыдыраудағы энергияның сақталу заңының бұзылуына себепші, жетіспей тұрған энергия осы нейтраль бөлшекке тиесілі екен.Үлы итальян ғалымы Э.Фермидің ұсынысы бойынша бұл бөлшекті нейтрино v (итальянша neitrino — кішкентай нейтрон) деп атаған. Нейтриноның электр заряды мен тыныштық массасы нөлге тең болғандықтан, оның затпен әрекеттесуі әлсіз, сондықтан эксперимент арқылы тіркеу аса қиыншылық туғызды. Ұзакка созылған ізденістер нәтижесінде тек 1956 жылы ғана нейтриноны тіркеу мүмкін болды. Ал антинœейтрино осы нейтриноның антибөлшегі болып табылады. Электрондық β--ыдыраудан басқа позитрондық β+-ыдырау процесі де өтуі мүмкін. Позитрондық радиоактивтік кезінде ядродағы протонның біреуі нейтронға айналып, позитрон мен электрондық нейтрино v бөлініп шығады:

Ядроның зарядтық саны бірлік зарядқа кемиді, нәтижесінде элемент Менделœеев кестесіндегі периодтық жүйенің бас жағына қарай бір орынға ығысады: мұндағы позитрон, электронның антибөлшегі, массасы электронның массасына тең. Аналық және туынды ядролар — изобаралар.

Гамма-ыдырау1900 жылы Вилaрд ядролық сәуле шығарудың құрамындағы үшінші компоненттің бар екенін тапты, оны гамма (у)-сәуле шығару деп атаған. Гамма-сәуле шығару магнит өрісінде ауытқымайды, демек, оның заряды жоқ. Гамма-сәуле шығару радиоактивтік ыдыраудың жеке бір түрі емес, ол альфа және бета-ыдыраулармен қабаттаса өтетін процесс. Жоғарыда айтқанымыздай, туынды ядро қозған күйде болады. Қозған күйдегі ядро атом сияқты, жоғарғы энергетикалық деңгейден төменгі энергетикалық деңгейге өткенде, энергиясы бар гамма-квантын шығарады, мұндағы —қозған, — қалыпты күйдегі энергиялар. Ядродан шығатын ү-сәулелœері дегеніміз — фотондар ағыны болып шықты.

Гамма-ыдыраудың формуласын жазайық:

мұндағы — қозған аналық ядро, — оның қалыпты күйдегі нуклиді. Бор ядросынық β-ыдырауынық сызбасы көрсетілген. γ-сәулесінің толқын ұзындығы өте қысқа болып келœеді: λ = 10−8 / 10−11 см. Сондықтан радиоактивті сәулелœердің ішінде γ-сәулесінің өтімділік қабілеті ең жоғары, ол қалыңдығы 10 см қорғасын қабатынан өтіп кетеді. Гамма-кванттың өтімділік кабілеті өте жоғары, ауадағы еркін жүру жолының ұзындығы 120 м.

3.

Проведем качественный анализ решений уравнения Шредингера применительно к частице, находящейся в потенциальной яме с бесконечно высокими «стенками». Такая яма описывается потенциальной энергией U(x) следующего вида:

где l – ширина ямы, а энергия отсчитывается от ее дна (рис. 5.1).

Рис. 5.1

Уравнение Шредингера для стационарных состояний в случае одномерной задачи запишется в виде:

  . (5.2.1)  

По условию задачи (бесконечно высокие «стенки»), частица не проникает за пределы ямы, в связи с этим вероятность ее обнаружения за пределами ямы равна нулю. На границах ямы волновая функция также должна обращаться в нуль. Следовательно, граничные условия в таком случае имеют вид:

  .

Ядролық реакциялар-бұл элементар бөлшектермен(оның ішінде -кванттар)немесе бір-бірімен өзара әрекет кезіндегі атомдық ядролардың түрленуі.

Символикамен келœесі түрде жазылатын реакция, ядролық реакциялардың неғұрлым кең тараған түрі болып саналады:

X+a , немесе X (a,b) Y,

Мұндағы Xжәне Y-бастапқы және түпкі

ядролар: a және b- ядролық реакциялардағы атқылайтын және шығаратын бөлшектер.

Ядролық реакция деп ядроны ( немесе ядроларды) түрлендіруге келтіретін атом ядросының элементар бөлшекпен өзара әсерлесу процесін айтады.

Радиоактивті ыдырау заңы — атом ядроларының әр түрлі бөлшектер мен сәулелœер шығара отырып, өздігінен түрлену заңы.[1][2]Радиоактивті ыдырау заңын Резерфорд ашқан:

немесе

Эксперименттік зерттеулер радиоактивті ыдырау толығымен статистикалық заңдылыққа бағынатынын дәлелдеді. Белгілі бір радиоактивті изотоптың ядролары бірдей болады. Атом ядросының және ядролардың қайсысының ыдырайтыны - кездейсоқ оқиға. Мысал үшін, бір нуклидтің бірдей екі ядросын алайық. Ядроның біреуі 3 млрд жыл бұрын жұлдыздың қопарылысы кезінде, ал екінші ядро ядролық реакторда 3 мин бұрын пайда болсын. Ядролардың пайда болу уақытына қарамастан, келœесі бір уақыт мезетінде екеуінің де ыдырауының ықтималдығы бірдей. Статистикалық құбылыстарды сипаттау үшін оқиғаның ықтималдығы ұғымын қолданады.