9. ATOMO BRANDUOLIO FIZIKOS ELEMENTAI
Protonas yra vandenilio, kurio masės skaičius A = 1, branduolys. Tai stabili subatominė dalelė. Ji turi elementarųjį teigiamą elektros krūvį e=1,60(10-19 C. Protono rimties masė mp ( 1,673(10-27 kg.
Neutronas yra elektriškai neutrali subatominė dalelė. Jo rimties masė mn(1,675(10-27 kg.
Dėl to, kad laisvojo neutrono rimties masė yra didesnė už protono masę, neutronas yra nestabilus. Veikiant silpnajai sąveikai, laisvasis neutronas spontaniškai virsta protonu, išspinduliuodamas elektroną ir elektroninį antineutriną.
Atomų branduoliai esti stabilūs ir nestabilūs (radioaktyvieji). Visų branduolių svarbiausios charakteristikos yra elektros krūvis, masė, ryšio energija, branduolio spindulys, energijos spektras. Nestabilūs branduoliai dar apibūdinami gyvavimo trukme, ar skilimo pusamžiu, radioaktyvaus virsmo tipu ir t.t.
Protonų bei neutronų, t.y. nukleonų, skaičius branduolyje žymimas A
ir vadinamas masės skaičiumi. Tuomet branduolio neutronų skaičius N = A –
Z. Branduolius žymėsime šitaip: [pic]; čia X reiškia elemento cheminį simbolį. To paties elemento atomų branduoliai gali turėti įvairų neutronų skaičių – turime cheminio elemento izotopus (nuklidus). Cheminiai elementai yra kelių ar net keliolikos izotopų mišinys.
Gamtoje egzistuoja įvairialypė kūnų sąveika. Tačiau makroskopinių kūnų tarpusavio sąveika suvedama į juos sudarančių dalelių sąveiką. Iki šiol fizikoje buvo skiriamos keturios fundamentalios elementariosios sąveikos: gravitacinė, silpnoji, elektromagnetinė ir stiprioji. Viena sąveika nuo kitos skiriasi sąveikos stiprumu, veikimo siekiu r0, sąveikos trukme (.
Gravitacinio veikimo siekis yra begalinis. Ši sąveika yra universali.
Ji pasireiškia visoms dalelėms, tačiau kadangi yra silpna, tai neturi apčiuopiamos įtakos mikropasaulio reiškiniams. Žymiai stipresnė už gravitacinę yra silpnoji sąveika. Joje dalyvauja daugelis subatominių dalelių. Silpnosios sąveikos veikimo siekis yra labai mažas (r0 ~ 10-18 m).
Ji lemia vienų nestabilių dalelių savaiminį virsmą kitomis, branduolių radioaktyvųjį skilimą ir kai kuriuos kitus virsmus. Už abi šias sąveikas gerokai stipresnė yra didelio siekio (r0 ( () elektromagnetinė sąveika. Ji būdinga visoms elektringoms dalelėms. Tačiau visų stipriausia yra stiprioji sąveika. Jos veikimo siekis yra labai mažas (r0 ~ 10-15 m). Ji jungia nukleonus atomo branduolyje. Jai veikiant gali atsirasti naujos dalelės.
Atomų branduolių masę labai tiksliai galima nustatyti masių spektrometrais. Tikslūs eksperimentai parodė, kad atomo branduolio masė mb yra mažesnė už jį sudarančių laisvųjų nukleonų rimties masių sumą
Z mp + N mn, t.y.
Z mp + (A – Z) mn – mb = (m. (9.1)
Skirtumas (m vadinamas branduolio masės defektu. Jis nusako branduolį sudarančių protonų ir neutronų ryšio stiprumą.
Taigi branduolys yra sąveikaujančių nukleonų skaičiaus A sistema. Ji apibūdinama ryšio energija (W. Branduolio ryšio energija lygi darbui, kurį reikia atlikti skaidant branduolį į laisvus protonus ir neutronus be papildomos kinetinės energijos. Iš nukleonų sudarant branduolį, pagal energijos tvermės dėsnį, lygiai tiek pat energijos išsiskiria, ir jai ekvivalenčiu dydžiu (m sumažėja sistemos masė. Naudodamiesi Einšteino masės ir energijos sąryšio lygtimi, atomo branduolio ryšio energiją išreiškiame šitaip:
(W = c2 [Zmp + (A – Z) mn – mb].
(9.2)
Vienam nukleonui tenkanti ryšio energija, t.y. dydis (W/A, vadinamas nukleono ryšio energija branduolyje, arba specifine ryšio energija.
Nukleono specifinė ryšio energija yra gana didelė. Vadinasi, branduolyje tarp nukleonų egzistuoja labai stipri sąveika, kuri vadinama stipriąja. Šią sąveiką apibūdinančios jėgos vadinamos branduolinėmis jėgomis. Jos yra traukos jėgos. Branduolinės jėgos yra trumpasiekės (r0 ~ 10-15 m).
Stiprioji sąveika nepriklauso nuo nukleonų krūvio. Ji priklauso nuo sąveikaujančių nukleonų sukinių orientacijos. Branduolinės jėgos yra necentrinės jėgos. Branduolinės jėgos pasižymi įsotinimu, t.y. tarpusavyje sąveikauja ne bet koks nukleonų skaičius.
Tikslios teorijos, paaiškinančios šių jėgų prigimtį ir dėsningumus, nėra. Šiuo metu gyvuoja pioninė branduolinių jėgų hipotezė. Pagal ją kiekvieną nukleoną gaubia virtualiųjų pionų debesėlis, sudarantis branduolinį lauką. Kai vieno nukleono virtualųjį pioną absorbuoja kitas nukleonas, tuomet tarp tų nukleonų susidaro stiprioji sąveika (( mezonai arba pionai buvo atrasti 1947 m.).
Natūraliuoju radioaktyvumu vadinamas savaiminis vienų atomų branduolių virsmas kitų atomų branduoliais, kurio metu skleidžiami įvairių rūšių ((, ( ir () radioaktyvieji spinduliai ir kai kurios subatominės dalelės (elektronai, pozitronai, neutronai, protonai, ( kvantai).
Radioaktyvumui priskiriama: 1) alfa skilimas; 2) visi beta skilimo atvejai; 3) sunkiųjų branduolių spontaninis dalijimasis; 4) branduolių (
spinduliavimas; 5) protoninis radioaktyvumas.
Radioaktyviojo skilimo dėsnis išreiškiamas taip:
[pic]; (9.3)
čia N0 – pradinis nestabilių branduolių skaičius (t = 0 momentu), N –
nesuskilusių atomų branduolių skaičius t momentu, ( – skilimo konstanta. Ji nusako atomų branduolių skilimo spartą. Tai tikimybė branduoliui suskilti per laiko vienetą. Laiko tarpas T, per kurį suskyla pusė turimų atomų branduolių, vadinamas skilimo pusamžiu. Atvirkščias skilimo konstantai dydis [pic] (9.4)
vadinamas nestabilaus atomo branduolio vidutine gyvavimo trukme. Iš (9.3)
lygybės aišku, kad, prabėgus laiko tarpui t = (, radioaktyviųjų branduolių skaičius N yra e kartų mažesnis už pradinį N0 .
Radioaktyvųjį skilimą apibūdinantys dydžiai (, T bei ( nepriklauso nuo to, ar radioaktyvieji atomai yra laisvi, ar junginyje su kitais atomais. Jie pastebimai nepriklauso nuo kūno temperatūros, slėgio bei kitų išorinių poveikių. Minėti poveikiai pastebimai nepakeičia branduolio būsenos. Vadinasi, radioaktyvusis skilimas yra branduolinis procesas.
Bandymais nustatyta, kad, vykstant radioaktyviajam skilimui, galioja elektros krūvių tvermės dėsnis. Pažymėję skylančio branduolio krūvį Z, o po skilimo susidariusių branduolių ir dalelių krūvius[pic], tą dėsnį išreiškiame šitaip:
[pic] (9.5)
Be to, nustatyta, kad natūraliam radioaktyviajam skilimui galioja masės skaičiaus tvermės dėsnis. Jį galime parašyti taip:
[pic]; (9.6)
čia A – skylančio (motininio) branduolio masės skaičius, o Ai – po radioaktyviojo skilimo atsiradusių branduolių (dukterinių) ir dalelių masės skaičiai.
Apie 200 nestabilių, sunkesnių už šviną, elementų izotopų savaime spinduliuoja helio branduolius [pic] (( daleles). Išspinduliavus ( dalelę, motininio branduolio krūvis sumažėja dviem elementariais vienetais, o masės skaičius – keturiais vienetais. ( skilimas vyksta pagal šią schemą:
[pic] (9.7)
Čia X ir Y – motininio ir dukterinio branduolio cheminiai simboliai.
( spinduliai veikia fotografinę plokštelę, intensyviai jonizuoja dujas. Tačiau jie palyginti mažai skvarbūs.
Beta skilimu vadinamas radioaktyvaus atomo branduolio savaiminis virsmas naujo elemento branduoliu, kurio masės skaičius lygus motininio elemento masės skaičiui, o protonų skaičius dukteriniame branduolyje vienetu pakinta ((Z = ( 1). Beta skilimas stebimas įvairiausios masės branduoliuose.
Gamtoje stebimi trejopi beta skilimo procesai: 1. (- arba elektroninis skilimas; 2. (+ arba pozitroninis skilimas; 3. elektrono (K)
pagavimas.
(- skilimo metu iš branduolio išspinduliuojamas elektronas ([pic]).
Šio skilimo teoriją sukūrė italų fizikas E.Fermis. Kadangi branduolyje elektronų nėra, tai jis teigė, kad šie elektronai susidaro neutronui virstant protonu. Pagal Fermio teoriją, veikiant silpnajai sąveikai, nestabilaus branduolio vienas neutronas virsta protonu ([pic]) ir išspinduliuojami virsmo metu susidarę elektronas ([pic]) bei elektroninis antineutrinas ([pic]). Taigi virsmas vyksta pagal schemą [pic] (9.8)
Dėl minėtojo virsmo naujai susidariusio branduolio (dukterinio) elektros krūvis dydžiu e padidėja ((Z = 1), o masės skaičius nepakinta. Toks virsmas aprašomas šia schema:
[pic]; (9.9)
čia Y – dukterinio elemento cheminis simbolis.
(+ skilimo metu iš branduolio išspinduliuojamas pozitronas ([pic] –
elektrono antidalelė) ir nekintant branduolio masės skaičiui, jo krūvis dydžiu e sumažėja ((Z = -1). Šis reiškinys aiškinamas tokiu virsmu:
[pic] (9.10)
Čia [pic]- elektroninis neutrinas.
Branduolys gali absorbuoti orbitinį elektroną. Šitoks reiškinys vadinamas elektrono pagavimu. Paprastai pagaunamas atomo giluminio sluoksnio (K) elektronas. Čia vyksta šitoks virsmas:
[pic] (9.11)
( spinduliavimas nekeičia branduolių krūvio ir masės skaičiaus.
Nustatyta, kad vien ( spindulių natūralūs radioaktyvieji elementai nespinduliuoja: paprastai tie spinduliai lydi ( arba ( skilimą. Bandymais nustatyta, kad ( spindulius skleidžia ne motininis, o dukterinis branduolys, kuris susidarymo momentu būna sužadintas ir turi daugiau energijos, negu normalioje būsenoje. Dukterinis branduolys, pereidamas į normaliąją arba mažiau sužadintąją būseną, išspinduliuoja diskretinio (linijinio) spektro ( spindulius.