ATOMO BRANDUOLIO FIZIKOS ELEMENTAI

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 appibūdinami 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, ssilpnoji, 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 s

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 ssistema. 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 nu
ukleonų 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 pr
radinį 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 j
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.

Leave a Comment