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 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 įį 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.