Атом

Тәжiрибелiк ядролық физиканың тамаша құралдарының бiр – Вильсон камерасы. Оның жұмыс iстеу принципi мынадай: Қақпағы әйнектен жасалған цилиндр тектес ыдыстың iшiнде спирттiң буымен қаныққан ауа бар. Егер поршендi тез қозғап, цилиндрдiң көлемiн кенет ұлғайтсақ, адиабаталық үрдiстiң салдарынан ондағы ауа мен бу салқындайды да аса қаныққан күйге өтедi. Егер дәл осы мезетте камера арқылы зарядталған бөлшек өтсе, оның қозғалысының бойындағы аса қаныққан бу бөлшектерi конденсацияланып, ұсақ тамшылар пайда болады. Ол тамшыларды трек деп атайды. Осы сәтте бүкiл камераны жарқ еткен жарықпен сәулелендiрсек, бұл тректер суреттiң қара фонындағы ақ жолақтар түрiнде көрiнедi (7.6-сурет). Дәл өлшеулер жүргiзу үшiн әдетте Вильсон камерасын тұрақты магнит өрiсiне орналастырады. Онда бұл өрiстiң салдарынан қозғалып бара жатқан зарядталған бөлшектердiң траекториясы қисаяды. Сыртқы магнит өрiсiнiң индукциясы белгiлi болған жағдайда бөлшек траекториясының қисықтық радиусын өлшеу арқылы оның массасы мен зарядын және энергиясын анықтаудың мүмкiндiгi бар.

Зарядталған бөлшектердi бақылауға  мүмкiндiк беретiн тағы бiр құрал  – көпiршiктi камера. Көпiршiктi камераны температурадасы өзiнiң қайнау температурасына өте жақын тұрған сұйықпен толтырады. Мұндай сұйық ретiнде әдетте сұйылтылған сутегi, пропан, ксенон т.с.с қолданады. Камера арқылы зарядталған бөлшек өткен кезде ол өткен жолдың бойындағы сұйық бөлшектерiнiң температурасы кенет артып, қайнайды да бу көпiршiктерi пайда болады. Ал оны жоғарыдағы Вильсон камерасындағыдай жолмен суретке түсiрiп алуға болады (7.7-сурет). Көпiршiктi камерадағы сұйықтың тығыздығы Вильсон камерасындағы газдың тығыздығынан әлде қайда артық болғандықтан мұнда аса дәл өлшеулер жүргiзудiң мүмкiндiгi бар.

Шапшаң зарядталған бөлшектер  мен γ-кванттарды тiркеуде Гейгер-Мюллер есептегiштерi қолданылады (7.8-сурет). Ол iшi өте аз қысымдағы (шамамен 0,1 атм) газ қоспасымен, мысалы аргон мен метил спиртiнiң буының қоспасымен толтырылған цилиндр трубкадан тұрады. Цилиндрдiң ортасында одан изолятор арқылы оқшауланған жiңiшке сым бар. Бұл жiңiшке сым анодтың, ал цилиндрдiң корпусы катодтың ролiн атқарады. Анод пен катодтың арасына аса жоғары кернеу берiлген. Есептегiштiң жұмыс көлемi арқылы зарядталған бөлшек өткен кезде ол өз жолындағы газ бөлшектерiн иондайды да, пайда болған электрон мен оң ион жоғарғы кернеудiң салдарынан туындылаған өрiстiң әсерiнен сәйкес анод пен катодқа қарата үдей қозғалады. Бұл бөлшектер өз кезегiнде жолында кездескен газдың басқа атомдарын иондайды, сөйтiп бұл үрдiс тасқынды сипат алады. Иондалған бөлшектер тасқыны анод пен катодқа келiп жеткенда тiзбек өте аз уақытқа тұйықталады да, бөлшек тiркеледi.

  Ядролық сәуле шашудың кез-келген түрiн тiркеу үшiн иондаушы камералар қолданылады .Иондаушы камераның жұмыс iстеу принципi Гейгер-Мюллер есептегiштерiнiң жұмыс iстеу принципiне ұқсас. Мұнда тек анод пен катодтың арасына берiлетiн кернеудiң шамасы аса үлкен емес. Сондықтан тiзбекте пайда болатын токтың шамасы аса аз. Оны арнайы күшейткiштердiң көмегiмен өлшеп, иондаушы бөлшектердiң қарқыны жөнiнде баға беруге болады.  

Табиғи радиоактивтiлiк. α, β, γ – сәуле шығару  
Құрамындағы протондар мен нейтрондардың саны әртүрлi болғанымен олардың қосындысы, яғни нуклондардың саны бiрдей болатын ядролар изобаралар деп аталады. Мысалы нуклондарының саны 10-ға тең болатын изобаралар мыналар : , және . Тәжiрибе, негiзiнен бiр массалық санға сәйкес келетiн бiрнеше изобарлардың тек бiреуi ғана орнықты болатынын көрсетедi. Мысалы жоғарыдағы изобарлардың iшiнен тек ғана орнықты. Атом ядросының орнықтылығын анықтайтын принцип мынау : ядро орнықты болу үшiн оның энергиясы осы ядро өз еркiнше өзгере алатын басқа барлық ядролардың энергиясынан аз болуы тиiс.  
Изобарлардың энергиясының әртүрлi болуы протон мен нейтронның массаларының әртүрлi болуымен және протонның электр заряды болуымен түсiндiрiледi. Мұндай энергиясы жоғары орнықсыз ядро өзiндегi артық энергиядан басқа орнықты ядроларға ыдырау арқылы немесе өз зарядын бiр бiрлiкке өзгерту арқылы құтылады. Орнықсыз ядролардың осылай өз бетiнше басқа ядроға өзгеруi радиоактивтiлiк деп аталады. Табиғатта кездесетiн изотоптардың радиоактивтiлiгi табиғи радиоактивтiлiк деп аталады. Ал зертханада ядролық реакцияның көмегiмен алынған изотоптардың радиоактивтiлiгiн жасанды радиоактивтiлiк деп атайды. Радиоактивтiлiктi табиғи және жасанды деп бөлу тек шартты түрде, олардың бiр-бiрiнен принципиальдi айырмашылығы жоқ. Мұндай түрленулердiң мысалы α-ыдырау және β-ыдырау болып табылады.  
Альфа-ыдырау деп берiлген ядроның өз еркiмен альфа-бөлшекке және ядро-қалдыққа мына түрдегi түрленуiн айтады

Альфа-ыдырау кезiнде ыдырайтын (аналық) ядроның заряды екiге, ал массалық саны төртке кемидi. Тәжiрибе Zi82 болатын барлық ядролардың альфа-радиоактивтi екенiн көрсетедi. Мұның бiр мысалы ядросы. Бұл ядроның альфа ыдырауының нәтижесiнде альфа бөлшектi және торий ядросының изотопын аламыз

Бұл ыдыраудың нәтижесiнде  альфа-бөлшектiң кинетикалық энергиясы 4,18 МэВ, ал сәйкес торий изотопының кинетикалық энергиясы 0,07 МэВ болады.  
Альфа-ыдыраудың механизмiн классикалық физика түсiндiре алмайды. Классикалық көзқарас тұрғысынан альфа-бөлшек ядродан бөлiнiп шығу үшiн ядролық тартылыс күшiне қарсы жұмыс жасауы қажет. Ал бiрақ шындығында мұндай жұмыс жасалынбайды. Бұлай болуының себебi кванттық механикадағы бөлшектiң толқындық қасиетiмен байланысқан туннельдiк құбылыс арқылы түсiндiрiледi.  
Бета-ыдыраудың үш түрiн ажыратады. Олар электрондық, позитрондық және К-қармау бета-ыдыраулары. Электрондық бета-ыдырау кезiнде ядро өз бетiнше зарядын бiр бiрлiкке арттыра отырып өзiнен электронды ұшырып шығарады. Бұл құбылыстың негiзiнде протон мен нейтронның бiр-бiрiне айнала алатын қасиетi жатыр. Бос нейтронның массасы бос протон мен электронның массаларының қосындысынан үлкен. Сондықтан энергетикалық тұрғыдан мұндай ыдырау тиым салынбаған. Тәжiрибе нәтижелерiн терең талдау бұл ыдырау кезiнде протон мен электронмен қатар заряды мен массалық саны нөлге тең тағы бiр бөлшек бөлiнетiнiн көреттi. Э.Фермидiң ұсынысы бойынша нейтрино деп аталған бұл бөлшектi 1956 жылы тәжiрибеден байқады. Сонымен нейтронның ыдырау реакциясы

мұндағы - электрондық антинейтрино.  
Ядроның байланыс энергиясының болуынан ядро құрамындағы протондар мен нейтрондардың массасы бұл бөлшектiң бос күйiндегi массасынан негiзiнен аз екенi шығады. Осы себептен де ядро құрамындағы барлық нейтрондар бiрдей бета-ыдырауға түсiп кетпейдi. Тек энергиясы жоғары кейбiр ядроларда ғана мұндай түрлену энергетикалық тұрғыдан мүмкiн болады. Мұндай ядроларды бета-радиоактивтi ядролар деп атайды. Бета-ыдырау кезiнде ядродағы нуклондардың саны өзгермей қалатын болғандықтан ядроның массалық саны өзгерiссiз қалады.  
Массасы нейтронның массасынан аз болғандықтан бос протон орнықты. Бiрақядродағы протонның массасы кванттық механиканың анықталмағандық принципiне сәйкес кейбiр сәтте нейтронның массасынан артық болып кетуi де мүмкiн. Бұл жағдайда мына түрде позитрондық бета-ыдырау жүзеге асады.  
Ал К-қармау немесе электрондық қармау кезiнде атомның К-қабатындағы электронның бiрi ядроға жұтылады.  
Ал γ - сәуле шығару радиоактивтiлiктiң дербес түрi болып табылмайды. Әдетте γ - сәуле шығару альфа- және бета-ыдыраумен қатар жүредi.Бұл ыдыраулардың нәтижесiнде алынған еншiлес ядро әдетте қозған күйде болады. Ал ол қозған күйден негiзгi күйiне өткен кезде қозған күйден негiзгi күйге өткен том тәрiздi өзiнен γ - сәуле шығарады. Бiрақ бұл γ-кванттардың энергиясы атом шығаратын γ-кванттардың энергиясынан әлде қайда үлкен болады.  
§ 7.8 Радиоактивтiлiк ыдырау заңы. Ығысу ережесi  
Радиоактивтi ыдырау заңы деп радиоактивтi ядролардың санының уақыт бойынша өзгеру заңдылығын айтады. Бұл заңды оңай анықтауға болады. Шындығында, егер қандай да бiр уақыт мезетiнде радиоактивтi ядролардың саны N болса онда dt уақыт аралығында ыдырайтын ядролардың саны dN мынаған тең болады  
dN=-λN•dt  
мұндағы минус таңбасы dN – дi ыдырамаған ядролардың өсiмшесi ретiнде қарастырумен байланысты. Ал λ, радиоактивтi ядроның бiрлiк уақыт аралығында ыдырау ықтималдылығы. Оны әдетте ыдырау тұрақтысы деп атайды. Бұл өрнектi интегралдай отырып  
lnN =-λt + const  
аламыз. Бастапқы t=0 уақыт мезетiндегi ыдырамаған радиоактивтi ядролардың санын N0 деп белгiлей отырып, const = lnN0 екенiн аламыз. Онда  
N =N0 e-λt  
Мiне, осы өрнек радиоактивтi ыдырау заңы болып табылады (7.10 - сурет).  
Бастапқы радиоактивтi ядролардың жартысы ыдырайтын уақытты жартылайыдырау периоды деп атап, Т1/2 әрiпiмен белгiлейдi. Онда бұл анықтам 
ал бұдан