9. ATOMO BRANDUOLIO FIZIKOS ELEMENTAI
Protonas yra vandenilio, kurio masės skaičius A = 1,branduolys. Tai stabili subatominė dalelė. Ji turi elementarųjį teigiamąelektros krūvį e=1,60(10-19 C. Protono rimties masė mp ( 1,673(10-27 kg. Neutronas yra elektriškai neutrali subatominė dalelė. Jo rimties masėmn(1,675(10-27 kg. Dėl to, kad laisvojo neutrono rimties masė yra didesnė už protonomasę, neutronas yra nestabilus. Veikiant silpnajai sąveikai, laisvasisneutronas spontaniškai virsta protonu, išspinduliuodamas elektroną irelektroninį antineutriną. Atomų branduoliai esti stabilūs ir nestabilūs (radioaktyvieji). Visųbranduolių svarbiausios charakteristikos yra elektros krūvis, masė, ryšioenergija, branduolio spindulys, energijos spektras. Nestabilūs branduoliaidar apibūdinami gyvavimo trukme, ar skilimo pusamžiu, radioaktyvaus virsmotipu ir t.t. Protonų bei neutronų, t.y. nukleonų, skaičius branduolyje žymimas Air vadinamas masės skaičiumi. Tuomet branduolio neutronų skaičius N = A –Z. Branduolius žymėsime šitaip: [pic]; čia X reiškia elemento cheminįsimbolį. To paties elemento atomų branduoliai gali turėti įvairų neutronųskaičių – turime cheminio elemento izotopus (nuklidus). Cheminiai elementaiyra kelių ar net keliolikos izotopų mišinys. Gamtoje egzistuoja įvairialypė kūnų sąveika. Tačiau makroskopiniųkūnų tarpusavio sąveika suvedama į juos sudarančių dalelių sąveiką. Ikišiol fizikoje buvo skiriamos keturios fundamentalios elementariosiossąveikos: gravitacinė, silpnoji, elektromagnetinė ir stiprioji. Vienasąveika nuo kitos skiriasi sąveikos stiprumu, veikimo siekiu r0, sąveikostrukme (. Gravitacinio veikimo siekis yra begalinis. Ši sąveika yra universali.Ji pasireiškia visoms dalelėms, tačiau kadangi yra silpna, tai neturiapčiuopiamos įtakos mikropasaulio reiškiniams. Žymiai stipresnė užgravitacinę yra silpnoji sąveika. Joje dalyvauja daugelis subatominiųdalelių. 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 sąveikasgerokai stipresnė yra didelio siekio (r0 ( () elektromagnetinė sąveika. Jibūdinga visoms elektringoms dalelėms. Tačiau visų stipriausia yra stipriojisąveika. Jos veikimo siekis yra labai mažas (r0 ~ 10-15 m). Ji jungianukleonus atomo branduolyje. Jai veikiant gali atsirasti naujos dalelės. Atomų branduolių masę labai tiksliai galima nustatyti masiųspektrometrais. Tikslūs eksperimentai parodė, kad atomo branduolio masė mbyra mažesnė už jį sudarančių laisvųjų nukleonų rimties masių sumąZ mp + N mn, t.y. Z mp + (A – Z) mn – mb = (m. (9.1)Skirtumas (m vadinamas branduolio masės defektu. Jis nusako branduolįsudarančių protonų ir neutronų ryšio stiprumą. Taigi branduolys yra sąveikaujančių nukleonų skaičiaus A sistema. Jiapibūdinama ryšio energija (W. Branduolio ryšio energija lygi darbui, kurįreikia atlikti skaidant branduolį į laisvus protonus ir neutronus bepapildomos kinetinės energijos. Iš nukleonų sudarant branduolį, pagalenergijos tvermės dėsnį, lygiai tiek pat energijos išsiskiria, ir jaiekvivalenčiu dydžiu (m sumažėja sistemos masė. Naudodamiesi Einšteino masėsir energijos sąryšio lygtimi, atomo branduolio ryšio energiją išreiškiamešitaip: (W = c2 [Zmp + (A – Z) mn – mb]. (9.2) Vienam nukleonui tenkanti ryšio energija, t.y. dydis (W/A, vadinamasnukleono ryšio energija branduolyje, arba specifine ryšio energija.Nukleono specifinė ryšio energija yra gana didelė. Vadinasi, branduolyjetarp nukleonų egzistuoja labai stipri sąveika, kuri vadinama stipriąja. Šiąsąveiką apibūdinančios jėgos vadinamos branduolinėmis jėgomis. Jos yratraukos jėgos. Branduolinės jėgos yra trumpasiekės (r0 ~ 10-15 m).Stiprioji sąveika nepriklauso nuo nukleonų krūvio. Ji priklauso nuosąveikaujančių nukleonų sukinių orientacijos. Branduolinės jėgos yranecentrinės jėgos. Branduolinės jėgos pasižymi įsotinimu, t.y. tarpusavyjesąveikauja ne bet koks nukleonų skaičius. Tikslios teorijos, paaiškinančios šių jėgų prigimtį ir dėsningumus,nėra. Šiuo metu gyvuoja pioninė branduolinių jėgų hipotezė. Pagal jąkiekvieną nukleoną gaubia virtualiųjų pionų debesėlis, sudarantisbranduolinį lauką. Kai vieno nukleono virtualųjį pioną absorbuoja kitasnukleonas, tuomet tarp tų nukleonų susidaro stiprioji sąveika (( mezonaiarba pionai buvo atrasti 1947 m.). Natūraliuoju radioaktyvumu vadinamas savaiminis vienų atomųbranduolių virsmas kitų atomų branduoliais, kurio metu skleidžiami įvairiųrūšių ((, ( ir () radioaktyvieji spinduliai ir kai kurios subatominėsdalelės (elektronai, pozitronai, neutronai, protonai, ( kvantai). Radioaktyvumui priskiriama: 1) alfa skilimas; 2) visi beta skilimoatvejai; 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. Jinusako atomų branduolių skilimo spartą. Tai tikimybė branduoliui suskiltiper laiko vienetą. Laiko tarpas T, per kurį suskyla pusė turimų atomųbranduolių, vadinamas skilimo pusamžiu. Atvirkščias skilimo konstantaidydis [pic] (9.4)vadinamas nestabilaus atomo branduolio vidutine gyvavimo trukme. Iš (9.3)lygybės aišku, kad, prabėgus laiko tarpui t = (, radioaktyviųjų branduoliųskaičius N yra e kartų mažesnis už pradinį N0 . Radioaktyvųjį skilimą apibūdinantys dydžiai (, T bei ( nepriklausonuo to, ar radioaktyvieji atomai yra laisvi, ar junginyje su kitaisatomais. Jie pastebimai nepriklauso nuo kūno temperatūros, slėgio bei kitųišorinių poveikių. Minėti poveikiai pastebimai nepakeičia branduoliobūsenos. Vadinasi, radioaktyvusis skilimas yra branduolinis procesas. Bandymais nustatyta, kad, vykstant radioaktyviajam skilimui, galiojaelektros krūvių tvermės dėsnis. Pažymėję skylančio branduolio krūvį Z, o poskilimo susidariusių branduolių ir dalelių krūvius[pic], tą dėsnįišreiškiame šitaip: [pic] (9.5)Be to, nustatyta, kad natūraliam radioaktyviajam skilimui galioja masėsskaičiaus tvermės dėsnis. Jį galime parašyti taip: [pic]; (9.6)čia A – skylančio (motininio) branduolio masės skaičius, o Ai – poradioaktyviojo skilimo atsiradusių branduolių (dukterinių) ir dalelių masėsskaičiai. Apie 200 nestabilių, sunkesnių už šviną, elementų izotopų savaimespinduliuoja helio branduolius [pic] (( daleles). Išspinduliavus ( dalelę,motininio branduolio krūvis sumažėja dviem elementariais vienetais, o masėsskaičius – 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 jonizuojadujas. Tačiau jie palyginti mažai skvarbūs. Beta skilimu vadinamas radioaktyvaus atomo branduolio savaiminisvirsmas naujo elemento branduoliu, kurio masės skaičius lygus motininioelemento masės skaičiui, o protonų skaičius dukteriniame branduolyjevienetu pakinta ((Z = ( 1). Beta skilimas stebimas įvairiausios masėsbranduoliuose. Gamtoje stebimi trejopi beta skilimo procesai: 1. (- arbaelektroninis 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 branduolyjeelektronų nėra, tai jis teigė, kad šie elektronai susidaro neutronuivirstant protonu. Pagal Fermio teoriją, veikiant silpnajai sąveikai,nestabilaus branduolio vienas neutronas virsta protonu ([pic]) irišspinduliuojami virsmo metu susidarę elektronas ([pic]) bei elektroninisantineutrinas ([pic]). Taigi virsmas vyksta pagal schemą [pic] (9.8)Dėl minėtojo virsmo naujai susidariusio branduolio (dukterinio) elektroskrūvis dydžiu e padidėja ((Z = 1), o masės skaičius nepakinta. Toksvirsmas 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 krūvisdydžiu e sumažėja ((Z = -1). Šis reiškinys aiškinamas tokiu virsmu: [pic] (9.10)Čia [pic]- elektroninis neutrinas. Branduolys gali absorbuoti orbitinį elektroną. Šitoks reiškinysvadinamas elektrono pagavimu. Paprastai pagaunamas atomo giluminiosluoksnio (K) elektronas. Čia vyksta šitoks virsmas: [pic] (9.11) ( spinduliavimas nekeičia branduolių krūvio ir masės skaičiaus.Nustatyta, kad vien ( spindulių natūralūs radioaktyvieji elementainespinduliuoja: paprastai tie spinduliai lydi ( arba ( skilimą. Bandymaisnustatyta, kad ( spindulius skleidžia ne motininis, o dukterinisbranduolys, kuris susidarymo momentu būna sužadintas ir turi daugiauenergijos, negu normalioje būsenoje. Dukterinis branduolys, pereidamas įnormaliąją arba mažiau sužadintąją būseną, išspinduliuoja diskretinio(linijinio) spektro ( spindulius.