Atomo fizika. Atomo branduolio fizika

 • Atomo branduolio fizika • Atomo fizika. • Atomo fizika • Atomo sandara. Rezerfordo bandymai • TOMSONO MODELIS. Ne iš karto mokslininkai teisingai įsivaizdavo atomo sandarą. Pirmą atomo modelį pasiūlė anglų fizikas Dž. Tomsonas, atradęs elektroną. Tomsono supratimu, teigiamas atomo krūvis užima visą atomą ir pasiskirstęs jame vienodu tankiu. Paprasčiausias atomas – vandenilio atomas – tai teigiamai elektringas apie 10-8 cm spindulio rutulys, kurio viduje yra elektronas. Sudėtingesnių atomų teigiamai elektringame rutulyje yra keletas elektronų. • Tačiau Tomsono modelis visiškai prieštaravo bandymų, kuriais tyrinėtas teigiamo krūvio pasiskirstymas atome, duomenims. Šiuos bandymus pirmą kartą atliko didysis anglų fizikas Ernestas Rezerfordas. • 2 • E. Rezerfordas • Rezerfordo bandymai • Rezerfordas tyrinėjo, kaip pasiskirstęs teigiamasis krūvis, taigi ir masė atomo viduje. 1906 m. jis pasiūlė zonduoti atomą α dalelėmis. Šitos dalelės atsiranda skylant radžiui ir kai kuriems kitiems elementams. Jų masė apytiksliai 8000 kartų didesnė už elektrono masę, o teigiamas krūvis lygus dvigubam elektrono krūvio moduliui. Tai ne kas kita, kaip visiškai jonizuoti helio atomai. α dalelių greitis labai didelis: jis lygus maždaug 11231 • šviesos greičio. • • Šiomis dalelėmis Rezerfordas apšaudė sunkiųjų elementų atomus. Mažos masės elektronai negali pastebimai pakeisti α dalelės trajektorijos, panašiai kaip kelių dešimčių gramų akmenėlis, atsimušęs į automobilį negali pakeisti jo greičio. • Išsklaidyti α daleles (pakeisti jų kryptį) gali tik teigiamai elektringa atomo dalis. Taigi iš α dalelių išsklaidymo galima nustatyti, kaip atome pasiskirstęs teigiamas krūvis ir masė. Rezerfordo bandymų schema pavaizduota šiame paveikslėlyje: • • Išilgai švininio ritinio R išgręžtas siauras kanalas. Jame padėtas radioaktyvusis preparatas, pavyzdžiui radis. Iš kanalo sklindantis α dalelių pluoštas krisdavo į tiriamos medžiagos (aukso, ir kt.) foliją F. • 3 • Išsklaidytos α dalelės patekdavo į pusskaidrį ekraną E, padengtą cinko sulfidu. α dalelei susidūrus su ekranu, blykstelėdavo šviesa (scintiliacija). Ją buvo galima matyti pro mikroskopą M. Visas prietaisas buvo įdedamas į indą, iš kurio išsiurbtas oras. • Kai prietaise oras būdavo pakankamai išretintas ir išimta folija, ekrane pasirodydavo šviesus skritulėlis, sudarytas iš scintiliacijų, kurias sukeldavo plonas α dalelių pluoštas. Tačiau, pluošto kelyje padėjus foliją, išsklaidytos α dalelės pasiskirstydavo ekrano plote. • Modifikuodamas eksperimentinį įrenginį, Rezerfordas mėgino užfiksuoti α dalelių nukrypimą dideliais kampais. Visiškai netikėtai paaiškėjo, kad nedidelis α dalelių skaičius (apytiksliai viena iš dviejų tūkstančių) nukrypdavo didesniu negu 90° kampu. Vėliau Rezerfordas prisipažino, kad, pasiūlydamas savo mokiniams stebėti α dalelių išsklaidymą dideliais kampais, jis netikėjo teigiamu rezultatu. ”Tai beveik taip pat netikėta, - kalbėjo rezerfordas, - kaip ir tai, kad į plono popieriaus skiautelę iššautas 15 colių sviedinys sugrįžtų ir smogtų jums.” • Iš tikrųjų numatyti šitą rezultatą, tikint, kad teigiamas krūvis pasiskirstęs visame atome , nebuvo galima. Šitaip pasiskirsčiusio teigiamo krūvio elektrinis laukas nėra toks stiprus, kad pajėgtų atblokšti α dalelę. Didžiausia stūmos jėga apskaičiuojama pagal Kulono dėsnį: • • Čia qα – α dalelės krūvis, q – teigiamas atomo krūvis, R – atomo spindulys, E0 – elektrinė konstanta • 4 • Atomo branduolio matmenų nustatymas. • Rezerfordas suprato, kad α dalelė gali būti atblokšta tik tada, kai teigiamas atomo krūvis ir jo masė sukoncentruoti labai mažoje erdvės srityje. Šitaip Rezerfordas priejo prie atomo branduolio – mažo kūno, kuriame sukoncentruota beveik visa atomo masė ir visas jo teigiamas krūvis – egzistavimo idėjos. • Šiame paveiksle parodytos α dalelių, skriejančių skirtingu atstumu nuo branduolio, trajektorijos: • • Suskaičiuodamas išsklaidytas skirtingais kampais α daleles, Rezerfordas galėjo įvertinti branduolio dydį. Pasirodo, kad branduolys turi maždaug 10-12 – • 10-13 cm skersmenį (įvairių branduolių skersmenys skirtingi). Paties atomo matmenys lygūs 10-8 cm t.y. 10 – 100 tūkstančių kartų didesni už branduolio matmenis. Vėliau pasisekė nustatyti ir branduolio krūvė. Kai elektrono krūvis laikomas vienetu, branduolio krūvis tiksliai lygus atitinkamo cheminio elemento eilės numeriui Mendelejevo lentelėje. • 5 • Planetinis atomo modelis • Rezerfordo bandymai tiesiogiai patvirtina planetinį atomo modelį. Atomo centre yra teigiamai elektringas branduolys, kuriame sutelkta beveik visa atomo masė. Atomas neutralus. Todėl jo elektronų skaičius, kaip ir branduolio krūvis, lygus elemento eilės numeriui periodinėje sistemoje. Aišku, kad elektronai turi judėti, kitaip jie nukristų ant branduolio. Jie skrieja aplink branduolį kaip planetos aplink Saulę, todėl, kad branduolys juos veikia Kulono jėga. • Vandenilio atome aplink branduolį skrieja tik vienas elektronas. Vandenilio atomo branduolys turi teigiamą krūvį, kuris lygus elektrono krūvio medeliui, ir masę, maždaug 1836,1 karto didesnę už elektrono masę. Šitas branduolys buvo pavadintas protonu ir pradėtas laikyti elementariaja dalele. Atomo dydis – tai jo elektrono orbitos spindulio ilgis(pav.). • Šis modelis paaiškina α dalelių išsklaidymo bandymą. Tačiau jis negali paaiškinti atomo egzistavimo, jo pastovumo. Juk elektronai juda orbitomis su pagreičiais, beje, gana dideliais. Pagal Maksvelio elektrodinamikos dėsnius su pagreičiu judąs kūnas turi skleisti elektromagnetines bangas, kurių dažnis • lygus apsisukimų aplink branduolį per 1 s skaičiui. Spinduliuodamas elektronas netenka energijos ir turi priartėti prie branduolio, panašiai kaip palydovas priartėja prie Žemės dėl trinties į viršutinius žemės sluoksnius. • • 6 • Kaip rodo tiksliausi apskaičiavimai, kurie remiasi Niutono mechanika ir Maksvelio elektrodinamika, per nepaprastai trumpą laiką (maždaug 10-8s) elektronas turėtų nukristi ant branduolio. Tada atomas nustotų egzistavęs. • Iš tikrųjų nieko panašaus nevyksta. Atomai yra pastovūs ir nesužadinti gali egzistuoti neribotai ilgai, visiškai neskleisdami elektromagnetinių bangų. • Taikydami klasikinės fizikos dėsnius atome vykstantiems reiškiniams aiškinti, gauname neatitinkančią tikrovės išvadą: dėl energijos išspinduliavimo atomas greitai nustos egzistavęs. Iš to matome, kad atominių mastų reiškiniams aiškinti klasikinės fizikos dėsniai netinka. • Boro postulatai • Išeiti iš gana keblios padėties rado didysis danų fizikas Nilsas Boras, toliau plėtodamas kvantinę gamtos procesų teoriją. • Tačiau nuoseklios atomo teorijos Boras nesukūrė. Pagrindinius naujos reorijos teiginius jis suformulavo kaip postulatus. Be to, Boras besąlygiškai neatmetė ir klasikinės fizikos dėsnių. Naujieji postulatai veikiau apribojo klasikinės teorijos teiginius apie judėjimą. • Boro teorijos sėkmė vis dėlto kėlė nuostabą, ir visi mokslininkai suprato, kad jis surado teisingą teorijos plėtojimo kelią. Šiuo keliu einant, buvo sukurta darni mikrodalelių judėjimo teorija – kvantinė mechanika. • 7 • Pirmasis Boro postulatas teigia: atominė sistema gali būti tik ypatingų stacionarinių, arba kvantinių, būsenų, kurių kiekvieną atitinka tam tikra energija En; stacionarinės būsenos atomas nespinduliuoja. • Šitas postulatas aiškiai prieštarauja klasikinei mechanikai, kurios teigimu, judančių elektronų energija gali būti bet kokia. Jis prieštarauja ir Maksvelio elektrodinamikai, nes teigia, jog elektronai gali judėti su pagreičiu, visiškai neskleisdami elektromagnetinių bangų. • Pagal antrąjį Boro postulatą, pereidamas iš vienos stacionarinės būsenos į kitą, atomas išspinduliuoja arba sugeria elektromagnetinės energijos kvantą. • Atomas spinduliuoja pereidamas iš didesnės energijos • būsenos į mažesnės energijos būseną (pav.a)) • Atomas sugeria energiją pereidamas iš mažesnės energijos būsenos į didesnės energijos būseną (pav. b)) • Fotono energija lygi dviejų stacionarinių atomo būsenų energijų skirtumui: • • 8 • Čia k ir n – stacionarinių būsenų numeriai. Kai Ek>En, fotonas išspinduliuojamas , o kai Ek>En, - sugeriamas. • Virpesių, atitinkančių išspinduliuojamą (arba sugeriamą) kvantą, dažnis • • Antrasis postulatas taip pat prieštarauja Maksvelio elektrodinamikai, nes pagal jį išspinduliuotos šviesos dažnis nusako ne elektronų judėjimo pobūdį, o tik atomo energijos pokyčio dydį. • Savo postulatus Boras taikė kurdamas paprasčiausios atominės sistemos – vandenilio atomo – teoriją. • Boro vandenilio atomo modelis • Boras nagrinėjo paprastas apskritimines orbitas. Elektrono ir branduolio sąveikos potencinė energija • Čia e – elektrono krūvio modulis, o r – atstumas nuo elektrono iki branduolio. Potencinė energija neigiama, nes veikiančios viena kitą dalelės turi priešingų ženklų krūvius. • Pilnutinė atomo energija E pagal Niutono mechanikos dėsnius lygi kinetinės ir potencinės energijos sumai: • • 9 • Elektrono greitį ir orbitos spindulį sieja antrasis Niutono dėsnis. Įcentrinį pagreitį • Elektronui orbitoje suteikia Kulono jėga. Todėl • arba • Įrašę į šią formulę greičio vertę, gausime • Pagal klasikinę mechaniką orbitos spindulio, taigi ir energijos vertės gal būti įvairios. • Tačiau pagal pirmąjį Boro postulatą energija gali turėti tik tam tikras vertes En. Iš • Formulės išplaukia, kad ir orbitų spinduliai vandenilio atome • Negali būti neapibrėžti. • Kvantavimo taisyklė. Kvantavimo taisyklė nustato galimų orbitų spindulių, o kartu ir galimų energijų vertes. • Skriejančios apskritimine orbita elektrono impulso mv modulis ir orbitos spindulys r nekinta. Vadinasi, pastovus yra ir dydis mvr. Mechanikoje šis dydis vadinamas impulso momentu. Boras atkreipė dėmesį į tai, kad Planko konstantos ir impulso momento matavimo vienetai sutampa: • 10 • Įsitikinęs, kad konstanta h turi būti svarbiausia atomo teorijoje, Boras padarė tokią prielaidą: impulso modulio ir orbitos spindulio sandauga yra kartotinė Planko konstantai h: • Čia n= 1,2,3 . . . . . Tai ir yra kvantavimo taisyklė. • Orbitų spinduliai. Pritaikę kvantavimo taisyklę, galime išreikšti greitį iš • Formulės ir gauti galimų orbitų spindulių išraišką: • Boro orbitų spinduliai deskretiškai kinta kintant skaičiui n (pav) • Planko konstanta, elektrono krūvis ir masė nulemia galimas elektrono orbitas. Žinodami, kad elektrono masė m= 9,1 * 10-31kg, randame mažiausią orbitos spindulį: • Toks kaip tik ir yra atomo spindulys. Boro teorija tiksliai nusako jo vertę. Atomo matmenys apskaičiuojami remiantis kvantiniais dėsniais (atomo spindulys proporcingas Planko konstantos kvadratui). Klasikinė teorija negali paaiškinti, kodėl atomo matmenys yra maždaug 10-11m. • Stacionarinių būsenų energija. Įrašę orbitų spindulių išraišką • į • Formulę, sužinosime atomo stacionarinių būsenų energijų vertes: • 11 • Aštuntos skaidrės paveiksle. a ir b, šios energijų vertės atidėtos vertikalioje ašyje. Žemiausios energijos būsenos (n = 1) atomo • 12 • Toje būsenoje atomas gali išbūti labai ilgai. Norint jonizuoti vandenilio atomą (atplėšti nuo jo elektroną), jam reikia suteikti 13,55 eV energiją. Ši energija vadinama jonizacijos energija. • Visos būsenos nuo n = 2, 3, 4, . . . yra sužadinto atomo būsenos. Tokios būsenos atomas egzistuoja apytiksliai 10-8s. Per tą laiką elektronas maždaug šimtą milijonų kartų apskrieja aplink branduolį. • Šviesos spinduliavimas. Vandenilio atomo skleidžiamų bangų galimi dažniai apskaičiuojami pagal formulę • čia • -1 • -1 • yra pastovus dydis. • Visi vandenilio atomo skleidžiamų bangų dažniai sudaro keletą serijų, kurių kiekvieną atitinka tam tikra skaičiaus n vertė ir skirtingos skaičiaus k>n vertės. • Seriją sudaro dažniai tų bangų, kurias atomas skleidžia peršokdamas iš aukštesnių energijos lygmenų į vieną žemesnį. Šuoliai iš aukštesnių lygmenų į pirmą sužadintą (į antrą energijos lygmenį) sudaro Balmerio seriją. Aštuntos skaidrės paveksle, a, šie šuoliai pažymėti rodyklėmis. Raudona, žalia ir dvi mėlynos linijos regimajame vandenilio spektre atitinka šuolius E3 E2, E4 E2, E5 E2 IR E6 E2. • Ši serija pavadinta šveicarų mokytojo J. Balmerio vardu. Jis jau 1885 m., remdamasis eksperimentais, nustatė, kad vandenilio regimojo spektro dažniai tenkina sąlygą • Šviesos sugėrimas. Šviesos sugėrimas yra priešingas spinduliavimui. Sugerdamas šviesą, atomas peršoka iš žemesnių energijos lygmenų į aukštesnius. Jis sugeria tų pačių dažnių bangas, kurias skleidžia peršokdamas iš aukštesnių energijos būsenų į žemesnes. Aštuntoje skaidrėje, b, rodyklėmis pavaizduoti sugeriančio šviesą atomo šuoliai iš vienų būsenų į kitas. • 13 • Boro teorijos sunkumai. Kvantinė mechanika • Boro teorija sėkmingiausiai buvo taikoma vandenilio atomui, kuriam, pasirodo, galima sukurti kiekybinę spektro teoriją. Tačiau Boro teiginiai netiko po vandenilio einančiam helio atomui tiksliai apibūdinti. Dėl helio ir kitų sudėtingesnių atomų pagal Boro teoriją buvo galima daryti tik kokybines (nors ir labai svarbias) išvadas. • Tai nekelia nuostabos. Boro teorija yra prieštaringa. Iš vienos pusės, kaip jau matėme, kuriant vandenilio atomo teoriją, buvo taiko Niutono mechanikos dėsniai ir seniai žinomas Kulono dėsnis, o iš kitos – kvantiniai postulatai, visiškai nesusiję su Niutono mechanika ir Maksvelio elektrodinamika. Atsiradus fizikoje kvantiniams vaizdiniams, reikėjo radikaliai pertvarkyti mechaniką ir elektrodinamiką. Tai padaryta mūsų amžiaus antrojo ketvirčio pradžioje. Buvo sukurtos naujos teorijos – kvantinė mechanika ir kvantinė elektrodinamika. • Boro postulatai pasirodė esą visiškai teisingi. Tačiau jie jau nebuvo postulatai, bet išplaukė iš šių teorijų pagrindinių principų. Paaiškėjo, kad Boro kvantavimo taisyklę ne visada galima taikyti. • Orbitų, kuriomis juda elektronas Boro atome, vaizdinys pasirodė esąs gana sąlygiškas. Iš tikrųjų elektrono judėjimas atome mažai panašus į planetų judėjimą orbitomis. Jeigu žemiausios energijos būsenos vandenilio atomą būtų galima nufotografuoti, pasirinkus ilgą ekspozicijos trukmę, išvystume nevienodo tankio • 14 • Debesį. Daugiausia laiko elektronas išbūna tam tikru nuotoliu nuo branduolio. Šį nuotolį galima laikyti apytiksliai orbitos spindulio verte. • Lazeriai • Indukuotas spinduliavimas. 1917 m. Einšteinas numatė, kad atomai gali indukuotu būdu (priverstinai) spinduliuoti šviesą. Indukuotas – tai krintančios šviesos veikiamų sužadintų atomų spinduliavimas. Jis nuostabus tuo, kad krintančios š atomą ir išspinduliuotos bangos dažnis, fazė bei poliarizacija yra tokie patys. • Kvantinės teorijos požiūriu priverstinai spinduliuojantis atomas peršoka iš aukštesnės energijos būsenos į žemesnę ne savaime, bet dėl išorinio poveikio. • Lazeriai. Jau 1940 m. Rusų fizikas V. Fabrikantas nurodė, kad priverstinio spinduliavimo reiškinį galima pritaikyti elektromagnetinėms bangoms stiprinti. 1954 m. Rusų mokslininkai N. Basovas ir A. Prochorovas ir atskirai amerikiečių fizikas Č. Taunsas indukuotojo spinduliavimo reiškinį pritaikė kurdami radijo mikrobangų generatorių. • 1963 m. N. Basovas, A. Prochovas ir Č. Taunsas gavo Nobelio premiją. • 1960 m. JAV buvo sukurtas pirmasis lazeris – regimojo spektro elektromagnetinių • 15 • bangų kvantinis generatorius. • Lazerio spinduliavimo savybės. Lazeriniai šviesos šaltiniai, palyginti su kitais šviesos šaltiniais, turi keletą esminių privalumų. • Lazeriai gali sukurti labai plonus šviesos pluoštus, prasiskleidžiančius maždaug 10-5 rad kampu. Nukreiptas iš žemės, toks šviesos pluoštas Mėnulio paviršiuje sudaro 3 km skersmens dėmę. • Lazerio šviesa monochromatinė. Skirtingai negu paprastuose šviesos šaltiniuose, kurių atomai spinduliuoja nepriklausomai vienas nuo kito, lazeryje atomai sutartinai skleidžia šviesą. Todėl bangos fazė kinta reguliariai. • Lazeriai yra patys galingiausi šviesos šaltiniai. Siaurame spektro intervale pasiekiama trumpalaikė (10-11 s) 1014 W/cm2 spinduliavimo galia, tuo tarpu viso Saulės spindulių spektro galia lygi tik 7 * 103 W /cm2. Siaurame intervale Δλ = 10-6 cm (lazerio spektro linijos plotis). Saulės spindulių galia lygi tik 0,2 W/cm2. Elektromagnetinės bangos, kurią skleidžia lazeris, elektrinio lauko stiprumas viršija lauko stiprumą atomo viduje. • Lazerių veikimo principas. Paprastomis sąlygomis dauguma atomų yra žemiausios energijos būsenos. Todėl žemoje temperatūroje medžiagos nešviečia. • Sklindančios medžiaga elektromagnetinės bangos energija sugeriama. Dalis aplinkos atomų susižadina, t. y. Peršoka į aukštesnės energijos būseną • • 16 • Dėl to šviesos pluoštas netenka energijos • kuri lygi 2 ir 1 • lygmenų energijų skirtumui. 1 paveiksle, a, schemiškai pavaizduotas nesužadintas atomas ir elektromagnetinė banga (sinusoidės atkarpa). Elektronas yra žemutiniame lygmenyje. 1 paveiksle, b, parodytas energiją sugėręs (sužadintas) atomas. Jis gali atiduoti savo energiją gretimiems atomams, susidūręs su jais, arba išspinduliuoti bet kuria kryptimi fotoną. • Dabar įsivaizduokime, kad kokiu nors būdu sužadinome daug aplinkos atomų. Tada, sklisdama medžiaga, elektromagnetinė banga ne silpnės, o, • priešingai, stiprės dėl indukuotojo spinduliavimo. Tos bangos dažnis • Bangos veikiami atomai vienu metu peršoks į žemesnės energijos būsenas ir skleis bangas, kurių dažniai ir fazės atitiks krintančią bangą. 2 paveiksle, a, parodyta sužadintas atomas ir banga, o 2 paveiksle, b, schemiškai pavaizduota, kad atomas peršoko į pagrindinę b9seną, o banga sustiprėjo. • 17 • Trijų lygmenų sistema. Yra įvairių metodų aplinkos atomams sužadinti. Rubino lazeryje tam naudojama speciali stipri lempa. Atomus jame sužadina šviesa. • Tačiau dviejų energijos lygmenų lazeris neveikia. Nors ir labai stipri būtų lempos šviesa, sužadintų atomų nebus daugiau negu nesužadintų. Juk šviesa tuo pačiu laiku ir sužadina atomus, ir sukelia indukuotąjį šuolį iš viršutinio lygmens į apatinį. • Išeitis buvo rasta panaudojus tris energijos lygmenis (bendras jų skaičius visada didelis; čia kalbama tik apie “dirbančius” lygmenis). Šiame pav. • Pavaizduoti trys energijos lygmenys. Svarbiausia, kad, neveikiama iš išorės, sistema išbūna skirtingose energijos būsenose nevienodą laiko tarpą (“gyvavimo trukmė”). 3 lygmenyje sistema būna labai trumpai, maždaug 10-8 s, po to, savaime nespinduliuodama, pereina į 2 būseną. (Energija • Perduodama kristalinei gardelei.) Šioje būsenoje gyvavimo trukmė 100000 kartų ilgesnė, t. y. Lygi apie 10-3 s. Veikiama elektromagnetinių bangų, sistema pereina iš 2 būsenos į 1 ir kartu skleidžia elektromagnetines bangas. Tuo pagrįstas lazerio veikimas. Po stipraus lempos žybsnio sistema pereina į 3 būseną ir, praėjus nedideliam (maždaug 10-8 s) laiko tarpui, atsiduria 2 būsenoje, kurioje išlieka gana ilgai. Todėl 2 lygmuo “apgyvendinamas” labiau negu nesužadintas l lygmuo. Tokius energijos lygmenis turi rubino kristalas. Rubinas – tai skaisčiai raudonas • 18 • aliuminio oksido Al2O3 kristalas su chromo atomų priemaiša (apie 0,05%). Kaip tik chromo jonų lygmenys kristale ir pasižymi minėtomis savybėmis. • Rubino lazerio konstrukcija. Iš rubino kristalo pagaminamas strypas su plokščiais, tarpusavy lygiagrečiais galais. Spiralės formos dujų išlydžio lempa • pav. Skleidžia mėlynai žalią šviesą. Iš kondensatorių baterijos, kurios talpa – keletas tūkstančių mikrofaradų, tekančios srovės trumpalaikis impulsas sukelia ryškų lempos žybsnį. Po trumpo laiko 2 energijos lygmuo • 19 • • tampa “ per daug apgyvendintas”. • Dėl savaiminių šuolių 2 1 pradeda sklisti • įvairių krypčių bangos. Tos, kurios sklinda kampu į kristalo ašį, išeina iš jo ir neturi tolesniems procesams jokios reikšmės. O banga, sklindanti išilgai kristalo ašies, daug kartų atsispindi nuo jo galų. Ji sukelia sužadintų chromo jonų indukuotąjį spinduliavimą ir greitai stiprėja. • Vienas rubino strypo galas yra veidrodinis, o kitas – pusiau skaidrus. Pro jį išeina stiprus trumpalaikis (maždaug apie šimto mikrosekundžių) raudonos šviesos impulsas, turįs tų fenomenalių savybių, apie kurias jau buvo kalbėta pradžioje. Banga būna koherentinė,nes visi atomai spinduliuoja darniai, ir labai stipri, nes visos energijos atsargos išspinduliuojamos per labai trumpą laiko tarpą. • • Atomo branduolio fizika • Elementariųjų dalelių stebėjimo ir registravimo metodai • Elementariųjų dalelių registravimo prietaisų veikimo principai. Kiekvienas įrenginys, registruojantis elementariąsias daleles ar judančius atomų branduolius, primena užtaisytą šautuvą. Pakanka spustelėti gaiduką, ir nuaidi šūvis, kurio poveikis nepalyginamas su panaudotomis pastangomis. • Registravimo prietaisas – tai daugiau ar mažiau sudėtinga makroskopinė sistema, kuri gali būti nepastovios būsenos. Dėl nedidelio pralekiančios dalelės poveikio sistemos būsena tučtuojau pradeda keistis nauja, pastovesne. Todėl ir galima registruoti dalelę. Šiais laiakasi taikomi įvairiausi dalelių registravimo metodai. • Atsižvelgiant į eksperimento tikslus ir sąlygas, kuriomis jis atliekamas, naudojami įrenginiai, besiskirią vienas nuo kito pagrindinėmis charakteristikomis. • Geigerio skaitiklis. Tai vienas svarbiausių automatinio dalelių • registravimo prietaisų. • Skaitiklis pav. Sudarytas iš stiklinės • kolbos, kurios vidus padengtas metaliniu sluoksniu (katodo), ir plono metalinio siūlo, einančio išilgai kolbos ašies (anodo). Kolba pripildoma dujų, dažniausiai argono. Skaitiklio veikimas pagrįstas smūgine jonizacija. Elektringoji dalelė (elektronas, α dalelė ir kt.), lėkdama pro dujas, atplėšia nuo • 20 • jų atomų elektronus. Taip atsiranda teigiamieji jonai bei laisvieji elektronai. Elektrinis laukas tarp anodo ir katodo (tarp jų yra aukšta įtampa) pagreitina elektronus, ir šie įgyja energiją, kurios pakanka smūginei jonizacijai. Akrovos rezistoriuje R įtampos impulsas patenka į registravimo įrenginį. • Kad skaitiklis galėtų registruoti naują dalelę, reikia sustabdyti griūties išlydį. Tai įvyksta automatiškai. Kadangi, atsiradus srovės impulsui, labai krinta rezistoriaus R įtampa, tai įtampa tarp anodo ir katodo tiek sumažėja, kad išlydis nenutrūksta. • Geigerio • • Skaitiklis daugiausia naudojamas elektronams ir γ kvantams (didelės • • Energijos fotonams) registruoti. Tačiau tiesiogiai γ kvantų negalima užregistruoti, nes jie silpnai jonizuoja dujas. Jiems užfiksuoti vidinė vamzdelio sienelė padengiama medžiaga, iš kurios γ kvantai išmuša elektronus. • Skaitiklis užregistruoja beveik visus patekusius į jį elektronus, o γ kvantų – maždaug vieną iš šimto. Sunkiąsias daleles (pavyzdžiui, α daleles) registruoti sudėtingiau, nes gana keblu padaryti skaitiklyje pakankamai ploną “langelį”, kuris būtų skaidrus šitomis dalelėmis. • Dabar sukurta skaitiklių, kurių veikimo principas kitoks negu Geigerio skaitiklio. • • Vilsono kamera. Skaitikliais registruojame lekiančią pro tam tikrą sritį dalelę ir užfiksuojame jos charakteristikas. O 1912 m. Sukurtoje Vilsono kameroje greita elektringoji • dalelė palieka pėdsaką, kurį stebime tiesiogiai arba • • 21 • nufotografuojame. • Vilsono kameros veikimas pagrįstas persotintų garų kondensacija lašeliais, kai tuos garus veikia atsiradę jonai. Skriejanti elektringoji dalelė jonizuoja savo kelyje pasitaikančias daleles. • Vilsono kamera – tai hermetiškai uždarytas indas, pripildytas beveik sočių vandens ar alkoholio garų (pav.). Staigiai nusileidus stūmokliui, slėgis virš jo sumažėja, ir garai kameroje adiabatiškai išsiplečia. • Dėl to jie atšąla ir pasidaro persotinti. Tokia garų būsena yra nepastovi, nes jie lengvai kondensuojasi. Kondensacijos centrais tampa jonai, atsiradę darbo kameroje, pralėkus dalelei. Jeigu dalelė į kamerą patenka prieš pat garų išsiplėtimą arba tuoj po jo, tai jos kelyje pasirodo vandens lašeliai. Jie ssudaro matomą pralėkusios dalelės pėdsaką – treką (2 pav.). Po to kamera grįžta į pradinę • 2 pav. • būseną ir elektrinis laukas pašalina jonus. Priklausomai nuo kameros dydžio darbo režimo atstatymo laikas trunka nuo keleto sekundžių iki dešimčių minučių. • Vilsono kameros trekai teikia daugiau • • informacijos negu skaitikliai. Iš treko ilgio galima apskaičiuoti dalelės energiją, o • 22 • iš lašelių, susidariusių vienetinio ilgio treko dalyje, skaičiaus, - jos greitį. • Juo ilgesnis dalelės trekas, juo didesnė jos energija, o juo daugiau vandens lašelių susidaro vienetinio ilgio treko atkarpoje, juo mažesnis jos greitis. Didesnių krūvių trekai yra platesni. • Rusų fizikai P.Kapica ir D.Skobelcynas pasiūlė padėti Vilsono kamerą vienalyčiame magnetiniame lauke. Šis laukas judančią elektringąją dalelę veikia tam tikra jėga (Lorenco jėga), kuri iškreivina dalelės trajektoriją, • • bet nepakeičia • greičio modulio. Trekas tuo kreivesnis, kuo didesnis dalelės krūvis ir mažesnė jos masė. Iš treko kreivumo galima nustatyti dalelės krūvio ir masės santykį. Žinant vieną šių dydžių, galima apskaičiuoti kitą. Pavyzdžiui, žinant dalelės krūvį ir treko kreivumą, galima apskaičiuoti jos masę. • Burbulinė kamera. Dalelių trekams nustatyti 1952 m. Amerikiečių fizikas D. Gleizeris pasiūlė perkaitintą skystį. Tokiame skystyje greitai judant elektringajai dalelei, susidarocjonai ir ant jų atsiranda garų burbuliukų, rodnčių dalelės kelią. Tokios kameros buvo pavadintos burbulinėmis. • Iš pradžių skystis kameroje suslegiamas. Dėl to jis neverda, nors temperatūra yra aukštesnė už jo virimo temperatūrą, esant atmosferos slėgiui. Staigiai sumažinus slėgį, skystis pasidaro perkaitintas ir trumpą laiką būna nepastovios būsenos. Elektringoji dalelė, pralėkdama kaip tik šiuo laiku, palieka skystyje treką. Jį sudaro garų burbuliukai (pav. kitoje skaidrėje). Burbulinėje kameroje daugiausia • • 23 • vartojamas skystas vandenilis ir propanas. Tokios kameros darbo ciklas nedidelis – apie 0,1 s. • Burbulinė kamera pranašesnė už Vilsono, nes nes didesnis jos darbinės medžiagos tankis. Dėl to dalelių trekai būna trumpesni, ir net didelės energijos dalelės “įstringa” kameroje. Vadinasi, • galima stebėti dalelės nuoseklius virsmus • Ir sukeliamas reakcijas. • Vilsono ir burbulinės kameros trekai – vienas svarbiausių • informacijų apie • daleles šaltinių. • Storasluoksnių fotoemulsijų metodas. Kartu su Vilsono ir burbulinėmis kameromis dalelėms registruoti naudojamos ir storasluoksnės fotoemulsijos. Būtent jonizacinis greitų elektringųjų dalelių veikimas į storasluoksnę emulsiją padėjo prancūzų fizikui A.Bekereliui 1896 m. Atrasti radioaktyvumą. Fotoemulsijų metodą patobulino rusų fizikai L.Mysovskis, A.Ždanovas ir kt. • Fotoemulsijoje yra daug mikroskopinių sidabro bromido kristalėlių. Greitai elektringoji dalelė, prasiskverbdama pro kristalėlį, išplėšia elektronus iš atskirų bromo atomų. Tokių kristalėlių grandinė sudaro paslėptą vaizdą. Ryškinant iš tų kristalėlių redukuojamas metalinis sidabras, ir sidabro grūdeliū grandinė atkuria dalelės treką (pav. Kitoje skaidreje) • 24 • Iš treko ilgio ir storio galima nustatyti dalelės energiją ir masę. • Dėl to, kad emulsijos tankis didelis, trekai būna labai (radioaktyvių šaltinių skleidžiamų α dalelių – maždaug 10-3 cm), bet fotografuojant juos galima padidinti. • Fotoemulsijoms pranašumą teikia nenutrūkstamas suminis veikimas. Todėl galima registruoti retus reiškinius. Svarbu ir tai, kad dėl fotoemulsijos stabdomojo poveikio tarp branduolių ir dalelių vyksta daugiau įdomių reakcijų. • Radioaktyvumo atradimas • Radioaktyvumas – reiškinys, įrodantis atomo branduolio sudėtinę sandarą. Jis atrastas laimingo atsitiktinumo dėka. Rentgeno spinduliai pirmą kartą atrasti stebint greitųjų elektronų susidūrimą su stikline išlydžio vamzdelio sienele. Sienelė švytėjo. Bekerelis ilgai tyrinėjo giminingą reiškinį – saulės apšviestų medžiagų švytėjimą. Prie tokių medžiagų iš dalies priskiriamos ir urano druskos, su kuriomis Bekerelis darydavo bandymus. • Ir štai jam kilo klausymas: ar, apšvietus urano druskas, kartu su regimąja šviesa • • 25 • neatsiranda ir Rentgeno spindulių? Bekerelis suvyniojo fotografinę plokštelę į storą juodą popierių, pabėrė ant viršaus urano druskos kruopelių ir padėjo prieš saulę. Išryškinta plokštelė pajuodavo tose vietose, kur gulėjo urano druska. Vadinasi, uranas skleidė kažkokius spindulius, kurie, kaip ir Rentgeno, prasiskverbia pro neskaidrius kūnus ir veikia fotografinę plokštelę. Bekerelis manė, kad šitą spinduliavimą sukelia saulės spinduliai. Tačiau kartą, 1896 m. Vasarį, eilinio bandymo jis negalėjo atlikti, nes buvo debesuota. Bekerelis įdėjo plokštelę į stalčių, o ant jos uždėjo varinį kryžių, padengtą urano druska. Po dviejų dienų dėl visa ko išryškinęs plokštelę, jis pamatė joje kryžiaus formos dėmę. Tai reiškė, kad urano druskos savaime, be išorinių veiksnių įtakos, skleidžia kažkokius spindulius. Prasidėjo intensyvūs tyrinėjimai. Žinoma, ir be šio laimingo atsitiktinumo radioaktyvumo reiškiniai būtų atrasti, tik galbūt daug vėliau. • Greitai Bekerelis nustatė, kad urano druskos skleidžiami spinduliai, kaip ir Rentgeno spinduliai, jonizuoja orą ir dėl to išelektrina elektroskopą. Išbandęs įvairius cheminius urano junginius, jis atrado labai svarbų dėsnį:spinduliavimo intensyvumas priklauso tik nuo urano kiekio preparate ir visiškai nepriklauso nuo junginio rūšies. Vadinasi, ši savybė būdinga ne junginiams, o sheminiam elementui uranui, jo atomams. • Po šio atradimo bandyta išsiaiškinti, ar, be urano, savaiminio spinduliavimo savybę turi ir kiti cheminiai elementai. Toliau šią kryptimi daugiausia dirbo Marija ir Pjeras Kiuri. Sistemingai tyrinėdami rūdas, turinčias urano ir torio, • • 26 • Jie išskyrė naują, anksčiau nežinomą cheminį elementą – polonį. • Pagaliau buvo rastas dar vienas elementas, skleidžiantis labai stiprius spindulius, - radis (t.y. Spindulingasis). Patį savaiminį spinduliavimą sutuoktiniai pavadino radioaktyvumu. • Radžio atominė masė lygi 226. Jis užima Mendelejevo lentelės 88 langelį. Iki jo atradimo šis langelis buvo tuščias. Pagal savo chemines savybes radis priskiriamas prie šarminių žemės metalų. • Vėliau buvo nustatyta, kad visi cheminiai elementai, kurių eilės numeris didesnis už 83, yra radioaktyvūs. • Alfa, beta ir gama spinduliai • Atradus grupę radioaktyviųjų elementų, pradėta tirti jų spindulių fizikinę prigimtį. Be Bekerelio ir sutuoktinių Kiuri, šioje srityje dirbo ir E. Rezerfordas. • Sudėtinga radioaktyviųjų spindulių prigimtis buvo išaiškinta atliekant tokį klasikinį bandymą. Radioaktyvusis radžio preparatas buvo ant švino gabale išgręžto siauro kanalo dugno. Prieš kanalą pastatyta fotografinė plokštelė. Iš kanalo sklindančiu spindulius veikė stiprus magnetinis laukas (pav. kitoje skaidrėje), statmenas spindulių sklidimo krypčiai. Visas įrenginys buvo vakuume. • Kai neveikdavo magnetinis laukas, išryškintoje fotografinėje plokštelėje, tiesiai • 27 • Prieš kanalą, susidarydavo viena tamsi dėmė. Magnetiniame lauke spindulių pluoštas suskildavo į tris pluoštelius. Du iš jų nukrypdavo į priešingas puses. Vadinasi, judėjo priešingo ženklo elektros krūviai. Beje, neigiamų krūvių pluoštelis nukrypdavo labiau negu teigiamų. Trečio pluoštelio magnetinis laukas neveikdavo. Teigiamų dalelių pluoštelis buvo pavadintas alfa spinduliais, neigiamų – beta spinduliais, o neutralus – gama spinduliais (α, β, γ spinduliais). • Šie spinduliai nepaprastai skiriasi skvarbumu, t.y. Skirtingos medžiagos nevienodai juos sugeria. Mažiausiai skvarbūs α spinduliai. Apie 0,1 mm • • storio popieriaus sluoksnio jie jau neįveikia. Jei skylę švino gabale pridengtume popieriaus lapu, tai fotografinėje plokštelėje nebūtų dėmės, atitinkančios α spindulius. • Kur kas mažiau medžiaga sugeria β spindulius. Tik kelių milimetrų storio aliuminio plokštelė visiškai juos sulaiko. Skvarbiausi yra γ spinduliai. Juos intensyviai sugeria didesnio atominio numerio medžiagos. Netgi centimetro storio švino plokštelė jiems e klūtis. Praėjusių pro šią plokštelą spindulių intensyvumas sumažėja tik du kartus. α, β, γ spindulių fizikinė prigimtis skirtinga. • 28 • Gama spinduliai. Savo savybėmis γ spinduliai labai primena Rentgeno spindulius, tiktai jų skvarbumas kur kas didesnis negu Rentgeno spindulius, tiktai jų skvarbumas kur kas didesnis negu Rentgeno spindulių. Todėl tikėta, kad y spinduliai yra elektromagnetinės bangos. Visos abejonės dingo, kai buvo pastebėta Y spindulių difrakcija nuo kristalų ir išmatuotas bangos ilgis. Jis pasirodė esąs labai mažas — nuo 10~8 iki 10~" cm. • Elektromagnetinių bangų skalėje y spinduliai eina po Rentgeno spindulių, y spinduliai, kaip ir visos elektromagnetinės bangos, sklinda tuštuma apytiksliai 300 000 km/s greičiu. • Beta spinduliai. Iš pradžių a ir p spinduliai buvo laikomi elektringųjų dalelių srautais. Lengviausia buvo eksperimentuoti su P spinduliais, nes jie stipriai nukrypdavo ir magnetiniame, ir elektriniame lauke. • Pirmiausia reikėjo nustatyti dalelių masę ir krūvį. Tiriant P dalelių nukrypimą magnetiniame ir elektriniame lauke, išryškėjo, kad jos —ne kas kita, kaip elektronai, judantys greičiais, labai artimais šviesos greičiui. Iš radioaktyvaus elemento jos išlekia nevienodais greičiais. • Alfa dalelės. Sunkiausia buvo išaiškinti a dalelių prigimtį, nes jos mažai nukrypsta magnetiniame ir elektriniame lauke. • Galutinai šį uždavimį išsprendė Rezerfordas. Jis išmatavo dalelės krūvio q ir jos • 29 • masės m santykį pagal nukrypimą magnetiniame lauke. Sis santykis pasirodė esąs maždaug du kartus mažesnis negu protono — vandenilio atomo branduolio. Protono krūvis lygus elementariajam krūviui, o masė labai artima atominiam masės vienetui. Vadinasi, vienam elementariajam α dalelės krūviui tenka masė, lygi dviem atominiams masės vienetams. • Tačiau α dalelės krūvis ir masė liko nežinomi. Reikėjo bent vieną jų išmatuoti. Sukūrus Geigerio skaitiklį, paprasčiau ir patikimiau buvo galima išmatuoti krūvį. Pro labai ploną langelį α dalelės gali prasiskverbti į skaitiklio vidų, ir šis jas užregistruoja. • α dalelių kelyje Rezerfordas pastatė Geigerio skaitiklį, kuris registravo per tam tikrą laiką radioaktyvaus preparato skleidžiamas daleles. Po to vietoj skaitiklio jis padėjo metalinį ritinį, sujungtą su jautriu elektrometru (pav. kitoje skaidrėje). Juo Rezerfordas matavo krūvį α dalelių, patekusių ,per tą patį laiką iš šaltinio j ritinį (daugelio medžiagų radioaktyvumas laikui bėgant beveik nekinta). Žinodamas α dalelių skaičių ir jų bendrą krūvį, Rezerfordas apskaičiavo vienos α dalelės krūvį. Jis pasirodė lygus dviem elementariesiems krūviams. • Taigi Rezerfordas įrodė, kad vienam iš dviejų α dalelės elementariųjų krūvių tenka dviejų atominių vienetų masė. Vadinasi, dviem elementariesiems krūviams tenka keturių atominių vienetų masė. Tokį pat krūvį ir masę turi helio branduolys. Taigi α dalelė — helio atomo branduolys2. • 30 • Nepasitenkindamas pasiektais rezultatais, Rezerfordas dar tiesioginiais bandymais įrodė, kad radioaktyvaus α skilimo metu susidaro helis. Jis rinko keletą dienų į specialų rezervuarą α daleles ir vėliau spektrine analize įsitikino, kad inde kaupiasi helis (kiekviena α dalelė pasigaudavo du elektronus ir virsdavo helio atomu). • Radioaktyvieji virsmai • Kas atsitinka medžiagai radioaktyviojo skilimo metu? • Atsakyti į šį klausimą XX a. pradžioje nebuvo lengva. Jau pradedant tyrinėti radioaktyvumą, išryškėjo daug keistų ir • neįprastų dalykų. • Pirma, nuostabus pastovumas, kuriuo radioaktyvieji elementai uranas, toris ir radis skleidžia spindulius. Paromis, mėnesiais ir metais spinduliavimo intensyvumas pastebimai nepakisdavo. Jam nedarė jokios įtakos nei kaitinimas, nei slėgio didinimas. Radioaktyviųjų medžiagų cheminės reakcijos taip pat neveikė radioaktyviojo skilimo. • Antra, atradus radioaktyvumą, labai greitai paaiškėjo, kad radioaktyviojo skilimo • 31 • metu išsiskiria energija. Įdėjęs radžio chlorido ampulę į kalorimetrą, kuriame buvo sugeriami α, β ir γ spinduliai, o jų energija paverčiama šiluma, Pjeras Kiuri nustatė, kad 1 g radžio per valandą išspinduliuoja 582 J. Ir šita energija nenutrūkstamai spinduliuojama ilgus metus. • Iš kurgi imama energija, kurios spinduliavimo nekeičia visi žinomi poveikiai? Matyt, skylančioje radioaktyvioje medžiagoje vyksta kažkokie gilūs pakitimai, kurie visiškai skiriasi nuo paprastų cheminių procesų. Buvo spėjama, kad kinta patys atomai. • Rezerfordas nustatė, kad užlydytoje ampulėje esančio torio aktyvumas (per vienetinį laiką išspinduliuojamų α dalelių skaičius) yra pastovus. Jeigu į preparatą nukreipiama net ir labai silpna oro srovė, torio aktyvumas stipriai sumažėja. Rezerfordas spėjo, kad kartu su α dalelėmis toris skleidžia kažkokias radioaktyvias dujas. • Išsiurbdamas orą iš ampulės su toriu, Rezerfordas išskyrė tas dujas ir ištyrė jų jonizacijos gebą. Pasirodė, kad šių dujų aktyvumas (skirtingai negu torio, urano ir radžio aktyvumas) laikui bėgant labai greitai silpnėja. Kiekvieną minutę aktyvumas susilpnėja du kartus ir po dešimties minučių pasidaro lygus nuliui. Sodis tyrinėjo šių dujų chemines savybes ir nustatė, kad jos nedalyvauja jokiose reakcijose. Vadinasi, tai yra inertinės dujos. Vėliau jos buvo pavadintos radonu ir įrašytos į Mendelejevo lentelės 86 langelį. • • 32 • Kitais elementais virsta radioaktyvusis uranas, aktinis, radis. Bendrą išvadą, kurią padarė mokslininkai, tiksliai suformulavo pats Rezerfordas: „Radioaktyviosios medžiagos atomai spontaniškai i keičiasi. Kiekvienu momentu nedidelė bendro atomų skaičiaus dalis tampa nepastovi ir suskyla. Dažniausiai dideliu greičiu išmetama atomo skeveldra — α dalelė. Kartais išlekia greitasis elektronas ir pasirodo labai skvarbūs γ spinduliai. • Išaiškinta, kad, vieniems atomams virstant kitais, susidaro visiškai nauja medžiaga, kuri cheminėmis ir fizinėmis savybėmis skiriasi nuo pirminės medžiagos. Tačiau ta nauja medžiaga taip pat nepastovi ir virsta kita, skleisdama tam tikrus radioaktyviuosius spindulius. • Taigi tiksliai nustatyta, kad kai kurių elementų atomai spontaniškai skyla. Skylant išsiskiria energijos ir, be to, kur kas daugiau negu paprastuose molekuliniuose kitimuose. • Kai buvo atrastas atomo branduolys, iš karto paaiškėjo, kad būtent jis kinta radioaktyviojo skilimo metu. Juk α dalelių elektroniniame apvalkale nėra, o, išlėkus iš šio apvalkalo vienam elektronui, atomas virsta jonu, bet ne nauju cheminiu elementu. Išlėkus elektronui iš branduolio, pastarojo krūvis padidėja vienu elementariuoju krūviu. • Taigi radioaktyvumas yra savaiminis vienų branduolių virsmas kitais, išlekiant įvairioms dalelėms. • 33 • Poslinkio taisyklė. Branduolių virsmai vyksta pagal vadinamąją poslinkio taisyklę, kurią pirmasis suformulavo Sodis: α skilimo metu branduolys netenka 2e teigiamo krūvio ir masės, apytiksliai lygios keturiems atominiams masės vienetams. Dėl to elementas pasislenka į periodinės sistemos lentelės pradžią per du langelius. Simboliškai šį poslinkį galima užrašyti taip: • • Čia, kaip ir chemijoje, elementai žymimi simboliais: branduolio krūvis užrašomas indeksu, esančiu simbolio kairėje pusėje, apačioje, o atominė masė — indeksu, esančiu simbolio kairėje pusėje, viršuje. • β skilimo metu iš branduolio išlekia elektronas. Dėl to branduolio krūvis padidėja vienetu, o masė beveik nepakinta: • Čia žymi elektroną: indeksas „0" viršuje rodo, kad elektrono masė yra nepaprastai maža, palyginti su atominiu masės vienetu. • Po β skilimo elementas pasislenka per vieną langelį arčiau periodinės sistemos galo. y spinduliavimo metu branduolio krūvis nekinta, o masė pakinta labai mažai. • Poslinkio taisyklė parodo, kad po radioaktyviojo skilimo visas elektros krūvis ir • 34 • apytiksliai visa santykinė atominė masė lieka nepakitę. • Susidarę nauji branduoliai taip pat būna radioaktyvūs. • Radioaktyviojo skilimo dėsnis. Pusamžis • Tirdamas radioaktyviųjų medžiagų virsmus, Rezerfordas bandymais nustatė, kad medžiagų aktyvumas laikui bėgant mažėja. Apie tai buvo kalbama praeitame paragrafe. Pasirodo, kad radono aktyvumas per 1 min susilpnėja perpus. Urano, torio ir radžio aktyvumas laikui bėgant taip pat silpnėja, tik lėčiau. Kiekvieną radioaktyviąją medžiagą apibūdina laiko tarpas, per kurį aktyvumas sumažėja perpus. Šitas laiko tarpas vadinamas pusamžiu. Pusamžis T — tai laiko tarpas, per kurį suskyla pusė turimų radioaktyviųjų atomų. Juk preparato aktyvumas sumažėtų du kartus, ir padalijus tą preparatą j dvi lygias dalis. • (Pav. kitoje skaidrėje) pavaizduota, kaip mažėja laikui bėgant radioaktyviosios medžiagos aktyvumas, t. y. skilimų skaičius per sekundę. Šios medžiagos pusamžis lygus 5 paroms. • Išveskime radioaktyviojo skilimo dėsnio matematinę formulę. Tarkime, kad radioaktyviųjų atomų skaičius pradiniu laiko momentu (t = 0) lygus No. Tada, praėjus pusamžiui, šis skaičius bus • lygus . Dar po vieno tokio laiko tarpo gausime skaičių • • 35 • Praėjus laikui t=nT, t.y. Praėjus n pusamžiams, radioaktyviųjų atomų bus • • Kadangi • tai • Tai ir yra pagrindinis radioaktyviojo skilimo dėsnis. Pagal ( ) formulę randamas nesuskilusių atomų skaičius bet kuriuo laiko momentu. • Pusamžis—dydis, apibūdinantis radioaktyviojo skilimo greitį. Juo mažesnis pusamžis, juo trumpiau gyvuoja atomai, juo greičiau jie suskyla. Įvairių medžiagų pusamžis labai nevienodas. Štai urano pusamžis lygus 4,5 mlrd. metų. Kaip tik dėl to urano aktyvumas per keletą metų pastebimai nepakinta. Radžio pusamžis gerokai mažesnis—1600 metų. Todėl radžio aktyvumas daug didesnis už urano aktyvumą. Yra radioaktyviųjų elementų, kurių pusamžis lygus kelioms milijonosioms sekundės dalims. • Norint pagal( ) formulę apskaičiuoti pusamžį, reikia žinoti atomų skaičių No • 36 • pradiniu laiko momentu ir nesuskilusių atomų skaičių po tam tikro laiko t. • Radioaktyviojo skilimo dėsnis gana paprastas. Tačiau fizikinę jo prasmę suvokti ne taip lengva. Iš tikrųjų pagal šį dėsnį per lygius laiko tarpus suskyla tokia pat bet kurio atomų skaičiaus dalis (per pusamžį — pusė atomų). Vadinasi, laikui bėgant skilimo greitis nepakinta. Radioaktyvieji atomai ,,ne sensta". Pavyzdžiui, radono atomai, susidarę po radžio skilimo, turi vienodas galimybes skilti tiek iš karto, tiek ir praėjus 10 minučių po susidarymo. Bet kurio atomą branduolio skilimas — tai ne „mirtis dėl senatvės", o „nelaimingas įvykis". Radioaktyviųjų atomų (tiksliau, branduolių) amžiaus sąvoka neturi prasmės. Galima nustatyti tik vidutinę atomo gyvavimo trukmę. • Atskiri atomai gali gyvuoti nuo kelių sekundės dalių iki milijardų metų. Pavyzdžiui, urano atomas gali išgulėti žemėje milijardus metų ir netikėtai susprogti, nors jo kaimynai ir toliau lieka nesuskilę. Vidutinė atomo gyvavimo trukmė — tai pakankamai didelio tos rūšies atomų skaičiaus gyvavimo trukmių aritmetinis vidurkis. Ji tiesiog proporcinga pusamžiui. Nustatyti bet kurio atomo skilimo momentą neįmanoma. Galima tiktai numatyti didelio skaičiaus atomų elgesį. Radioaktyviojo skilimo dėsnis nustato tik vidutinį skaičių atomų, suskylančių per tam tikrą laiko intervalą. Tačiau visada būna nukrypimų nuo vidurkio, ir juo mažesnis preparato atomų skaičius, juo didesni šie nukrypimai. Radioaktyviojo skilimo dėsnis yra statistinis dėsnis. Jis tinka tik dideliems dalelių kiekiams. • 37 • lzotopai • Tyrinėdami radioaktyvumo reiškinį, mokslininkai atrado dar vieną atomų branduolių savybę. • Stebint milžinišką skaičių radioaktyviųjų virsmų, pamažu išaiškėjo, kad kai kurių medžiagų radioaktyviosios savybės yra skirtingos (t. y. tos medžiagos skyla skirtingai), o cheminės visiškai vienodos. Sių medžiagų niekaip nebuvo galima išskirti žinomais cheminiais būdais. Tuo remdamasis,, 1911 m. Sodis paskelbė hipotezę, kad egzistuoja elementai, turintys vienodas chemines savybes, bet besiskiriantys kitais atžvilgiais, iš dalies ir radioaktyvumu. Šituos elementus reikėtų įrašyti į tą patį Mendelejevo periodinės sistemos langelį. Sodis juos pavadino izotopais (t. y. užimančiais tą pačią vietą). • Sodžio hipotezė buvo patvirtinta ir nuodugniai išaiškinta po metų. Tomsonas, tirdamas, kaip elektringosios dalelės nukrypsta elektriniuose ir magnetiniuose laukuose, tiksliai išmatavo neono jonų masę. Jis nustatė, kad neoną sudaro dviejų rūšių atomai. Didesnės jų dalies atominė masė lygi 20, ir nedaugelio atomų — 22. Todėl mišinio atominė masė lygi 20,2. Atomų, pasižyminčių tomis pačiomis cheminėmis savybėmis, masės skyrėsi. Abi neono rūšys, savaime aišku, užima tą pačią vietą Mendelejevo lentelėje ir todėl yra izotopai. Taigi gali skirtis ne tik radioaktyviosios izotopų savybės, bet ir masės. Tai ir yra svarbiausia. Izotopų branduolių krūviai vienodi. Todėl elektronų skaičius atomų apvalkaluose, o kartu • 38 • ir izotopų cheminės savybės vienodos. Bet branduolių masės skirtingos. Be to, branduoliai gali būti ir radioaktyvūs, ir stabilūs. Radioaktyviųjų izotopų savybės skiriasi dėl to, kad nevienoda jų branduolių masė. • Šiuo metu nustatyta, kad izotopus turi visi cheminiai elementai, o kai kurie jų — tik nestabilius (t. y. radioaktyvius). Izotopų turi ir pats sunkiausias gamtoje elementas - uranas (izotopų atominės masės 238, 235 ir kt.), ir pats lengviausias — vandenilis (atominės, masės 1, 2, 3). • Ypač įdomūs vandenilio izotopai, nes jų masės skiriasi du ar tris kartus. Izotopas, kurio atominė masė 2, vadinamas deuteriu. Jis stabilus (t. y. neradioaktyvus) ir aptinkamas kartu su lengviausiu vandeniliu (santykiu 1:4500). Jungiantis deuteriui su deguonimi, susidaro vadinamasis sunkusis vanduo. Jo fizinės savybės skiriasi nuo paprasto vandens savybių. Esant normaliam atmosferos, slėgiui, sunkusis vanduo užverda 101,2 °C, o užšąla 3,8 °C temperatūroje. • Vandenilio izotopas, kurio atominė masė 3, vadinamas tričiu. Jis yra β radioaktyvus. Tričio pusamžis - apie 12 metų. • Izotopai įrodo, kad nuo atomo branduolio krūvio, vadinasi, ir elektronų apvalkalo sandaros priklauso ne visos atomo savybės, o tik cheminės ir tos fizinės savybės, kurios priklauso nuo elektronų apvalkalo išorinės dalies, pavyzdžiui, matmenys, Elemento eilės numeris Mendelejevo lentelėje nenusako atomo masės ir radioaktyvumo pobūdžio. • 39 • Tiksliai nustačius izotopų atominių masių vertes, pasirodė, jog jos labai artimos sveikiesiems skaičiams. Kai kurių cheminių elementų atominių masių vertės nėra sveikieji skaičiai. Pavyzdžiui, chloro atominė masė lygi 35,5. Tai reiškia, kad natūrali chemiškai gryna medžiaga yra įvairių jos izotopų mišinys. Tai, kad izotopų atominės masės artimos sveikiesiems skaičiams, labai svarbu tiriant atomo branduolio sandarą. • Neutrono atradimas • Atomų branduolių dirbtiniai virsmai. 1919 m. Rezerfordas pirmą kartą žmonijos istorijoje dirbtiniu būdu vienus branduolius pavertė kitais. Tačiau tai nebuvo atsitiktinis atradimas. • Kadangi branduolys gana pastovus ir nei aukšta temperatūra, nei slėgis, nei elektromagnetiniai laukai nepaverčia vieno elemento kitu ir neturi įtakos radioaktyviojo skilimo greičiui, tai Rezerfordas suprato, kad branduoliui suardyti arba paversti kitu reikia labai didelės energijos. Tuo metu tinkamiausias didelės energijos šaltinis buvo radioaktyvaus skilimo metu iš branduolių išlekiančios α dalelės. • Pirmasis dirbtiniu būdu buvo pakeistas azoto branduolys. • Apšaudydamas azotą didelės energijos α dalelėmis, kurias skleidė radis, Rezerford'as aptiko protonus — vandenilio atomų branduolius. • • 40 • Pirmuose bandymuose protonai buvo registruojami scintiliacijų metodu, todėl rezultatai nebuvo pakankamai patikimi ir įtikinantys. Tačiau po kelerių metų Vilsono kameroje buvo galima stebėti, kaip pakinta azotas. Apytiksliai vieną iš 50000 α dalelių, kurias skleidė kameroje radioaktyvusis preparatas, absorbuodavo azoto branduolys ir todėl jis netekdavo vieno protono. Taip azoto branduolys virsdavo deguonies izotopo branduoliu: • (pav.) matome tokio proceso fotografiją. Kairėje — būdinga „šakutė" — treko išsišakojimas. Platų pėdsaką paliko deguonies branduolys, o ploną — protonas. Kitos α dalelės su branduoliais nesusiduria, todėl jų trekai tiesūs. • Kiti tyrinėtojai pastebėjo fluoro, natrio, aliuminio ir kl. branduolių, veikiamų α dalelių, virsmus, kurių metu išlekia protonai. Periodinės sistemos gale esančių sunkiųjų elementų branduoliai nepakišdavo. Matyt didelis jų elektros krūvis neleisdavo α dalelei prisiartinti prie branduolio. • • Neutrono atradimas. 1932 m. mokslo pasaulis pergyveno svarbiausią branduolio fizikos įvykį — Rezerfordo mokinys anglų fizikas D. Cedvikas atrado neutroną. • • Apšaudant berilio atomą α dalelėmis, protonų neatsirado. Tačiau buvo aptikti kažkokie skvarbūs spinduliai, įveikiantys net 10— 20 cm storio švininę plokštelę. Manyta, kad tai didelės energijos γ spinduliai. Irena Žolio-K i u r i (Marijos ir Pjero Kiuri duktė) ir jos • 41 • vyras Frederikas Žolio-Kiuri nustatė, kad, pastačius berilio spindulių kelyje parafino plokštelę, šių spindulių jonizacijos geba staigiai padidėja. Jie teisingai manė, jog berilio spinduliai išmuša iš parafino plokštelės protonus, kurių labai gausu šioje vandenilio turinčioje medžiagoje. Vilsono kamera sutuoktiniai Žolio-Kiuri atrado (bandymų schema parodyta paveiksle) šiuos protonus ir iš kelio ilgio nustatė jų energiją. Jeigu tarsime, kad protonus išmuša γ kvantai, tai šių kvantų energija turi būti milžiniška — apie 55 MeV. • D. Čedvikas stebėjo berilio spindulių paveiktų azoto branduolių trekus Vilsono kameroje. Jis numatė, kad γ kvantų, kurie suteikia branduoliams stebėjimais nustatytą greitį, energija turi būti lygi 90 MeV. Analogiškai iš argono branduolių trekų. Vilsono kameroje nustatyta, kad hipotetinių γ kvantų • • energija yra apie 150 MeV. Taigi, tardami, kad branduoliai juda dėl susidūrimų su dalelėmis, kurių rimties masė lygi nuliui, tyrinėtojai pastebėjo aiškų prieštaravimą: tie patys γ kvantai turėjo skirtingą energiją. • Tapo aišku, kad berilis negali spinduliuoti neturinčių rimties masės γ kvantų. Veikiant α dalelėms, iš berilio išlekia kažkokios sunkios dalelės, nes, susidurdami tik su tokiomis dalelėmis, argono ir azoto branduoliai galėjo gauti didžiulę energiją. Šios dalelės buvo labai skvarbios ir tiesiogiai nejonizavo dujų, vadinasi, jos turėjo būti elektriškai • 42 • neutralios. Juk elektringoji dalelė stipriai sąveikauja su medžiaga ir dėl to greitai netenka energijos. • Naujoji dalelė buvo pavadinta neutronu. Jo egzistavimą net 10 metų prieš Čedviko bandymus numatė Rezerfordas. Iš susidūrusių su neutronais branduolių energijos ir impulso buvo nustatyta naujai atrastų dalelių masė. Ji pasirodė esanti šiek tiek didesnė už protono masę ir 1838,6 kartų didesnė už elektrono masę (protono masė—1836,1). • α dalelėms pataikius į berilio branduolius, vykdavo tokia reakcija: • • Čia — neutrono simbolis; neutrono krūvis lygus nuliui, o masė artima atominiam masės vienetui. • Atomo branduolio sandara. Branduolinės jėgos • Protoninis-neutroninis branduolio modelis. Iš karto po to, kai Čedviko bandymais buvo atrastas neutronas, rusų fizikas D. Ivanenka ir vokiečių mokslininkas V. Heizenbergas 1932 m. pasiūlė protoninį-neutroninį branduolio modelį. Jis vėliau buvo patvirtintas branduolių virsmų tyrinėjimais ir šiuo metu yra neginčijamas. • Pagal protoninj-neutroninį modeli branduolius sudaro dviejų rūšių elementariosios dalelės — protonai ir neutronai. • 43 • Kadangi atomas elektriškai neutralus, o protono krūvis lygus elektrono krūvio moduliui, tai protonų skaičius branduolyje lygus elektronų skaičiui atomo apvalkale. Vadinasi, protonų skaičius branduolyje lygus elemento eilės numeriui Z Mendelejevo lentelėje. • Branduolio protonų skaičiaus Z ir neutronų skaičiaus N suma vadinama masės skaičiumi ir žymima raide A: • Protono ir neutrono masės labai artimos, o kiekviena jų maždaug lygi vienetinei atominei masei. Atomo elektronų masė daug mažesnė už branduolio. Todėl branduolio masės skaičius lygus suapvalintai iki sveikojo skaičiaus elemento atominei masei. Masės skaičiai matuojami specialiais branduolių masės matavimo prietaisais. • Izotopai yra branduoliai, turintys tą pačią skaičiaus Z vertę, tačiau skirtingus masės skaičius A, t. y. skirtingą neutronų skaičių N. Branduolinės jėgos. Kadangi branduoliai gana pastovūs, tai protonus ir neutronus juose turi laikyti kažkokios, beje, labai stiprios jėgos. Kokios tai jėgos? Aišku, kad ne gravitacijos jėgos, nes jos per silpnos. Branduolio pastovumo negalima paaiškinti ir elektromagnetinėmis jėgomis, nes elektrinių jėgų veikiami protonai vienas kitą stumia, o neutronai elektros krūvio neturi. Vadinasi, tarp branduolio dalelių — protonų ir neutronų (dažniausiai jie vadinami nukleonais)—veikia ypatingos jėgos, vadinamos • 44 • • branduolinėmis. Kokios pagrindinės branduolinių jėgų savybės? • Tos jėgos maždaug 100 kartų stipresnės už elektromagnetines. Tai pačios stipriausios jėgos iš visų gamtoje pasireiškiančių jėgų. Todėl branduolių dalelių tarpusavio sąveika dažnai vadinama stipriąja sąveika. • Stiprioji sąveika atsiranda ne tik tarp branduolio nukleonų. Ji, kaip ir elektromagnetinė sąveika, būdinga daugeliui elementariųjų dalelių. • Branduolinės jėgos veikia tik mažais atstumais, o elektromagnetinės, didėjant atstumui, silpnėja palyginti lėtai. Branduolinės jėgos veikia tiktai atstumais, kurie yra branduolio dydžio (10-12—10-13 cm). Tai įrodė jau Rezerfordo α dalelių išsklaidymo bandymai. Branduolinės jėgos — tai „trumparankis milžinas". Kol kas branduolinių jėgų teorija neužbaigta. Žymių laimėjimų ji pasiekė visai neseniai — maždaug prieš 10—15 metų. • Atomų branduolių ryšio energija • Visoje branduolio fizikoje svarbiausia — branduolio ryšio energijos sąvoka. • Energija, kurios reikia branduoliui visiškai suskaidyti į atskirus nukleonus, vadinama branduolio ryšio energija. Remiantis energijos tvermės dėsniu, galima tvirtinti, kad ryšio energija lygi energijai, kuri išsiskiria susidarant branduoliui iš atskirų dalelių. Si energija milžiniška. Bet kaip ją apskaičiuoti? • • 45 • Šiuo metu neįmanoma teoriškai apskaičiuoti branduolių ryšio energijos, kaip apskaičiuojama elektronų ryšio energija atome. Vis dėlto galima sužinoti kiekvieno branduolio ryšio energiją, tiksliai išmatavus jo mase ir pritaikius Einšteino formulę: • Tikslūs branduolių masės matavimai rodo, kad branduolio rimties masė Mb visada mažesnė už sudarančių jį protonų ir neutrone rimties musių sumą: • • Kaip sakoma, masės defektas • visada yra teigiamas. Pavyzdžiui, helio branduolio masė- 0,75% mažesnė už dviejų protonų ir dviejų neutronų masių sumą. Atitinkamai helio vieno molio masės defektas ∆M = 0,03 g. • Susidarant branduoliui iš dalelių, sumažėja šitos dalelių sistemos masė, taigi ir energija, Šis pokytis lygus ryšio energijai Er: • Tačiau kurgi dingsta energija Er ir masė ∆ M? • Susidarant branduoliui iš dalelių, šios, veikiamos branduolinių jėgų, milžiniškais • 46 • pagreičiais skrieja viena prie kitos. Dėl to išspinduliuojami γ kvantai, kurie turi energiją Er ir masę • • Apie ryšio energijos didumą galima spręsti iš tokio pavyzdžio: susidarius 4 g helio, išsiskiria tiek pat energijos, kaip ir sudegus 1,5—2 vagonams, akmens anglies. • Svarbią informaciją apie branduolių savybes teikia specifinės ryšio energijos priklausomybė nuo masės skaičiaus A. • Specifine ryšio energija vadinama ryšio energija, tenkanti vienam branduolio nukleonui. Ji matuojama bandymais. • Šiame paveiksle gerai matyti, kad branduolių, išskyrus pačius lengviausius specifinė ryšio energija maždaug pastovi ir lygi 8 megaelektronvoltams nukleonui. Vandenilio atomo elektrono ir branduolio ryšio energija (lygi • 47 • jonizacijos energijai) beveik milijoną kartų mažesnė. • 47 skaidrės pav. pavaizduota kreivė turi neryškų maksimumą. • Didžiausia specifinė ryšio energija yra tų branduolių, kurių masės skaičiai tarp 50 ir 60, t. y. geležies ir pagal eilės numerį artimų jai elementų branduolių. Šių elementų branduoliai stabiliausi. • Sunkiųjų branduolių specifinė ryšio energija mažesnė dėl to, kad didesnė protonų Kulono stūmos energija. Kulono jėgos stengiasi suardyti branduolį. • Branduolinės reakcijos • Branduolinėmis reakcijomis vadinami atomų branduolių kitimai dėl jų sąveikos su elementariosiomis dalelėmis arba vieno su kitu. • Branduolinės reakcijos prasideda, kai dalelės tiek priartėja prie branduolio, kad patenka į branduolinių jėgų veikimo sferą. Kai dalelių krūvių ženklai vienodi, jos stumia viena kitą. Todėl teigiamai elektringos dalelės gali priartėti prie branduolio (arba branduolys prie branduolio) tik tada, kai jos (arba branduolys) turi daug kinetinės energijos. Si energija suteikiama elementariųjų dalelių ir jonų greitjntuvars pagreitintiems protonams, deutonams, α dalelėms ir sunkesniems branduoliams. • • 48 • Toks branduolinių reakcijų sukėlimo metodas žymiai efektyvesnis negu panaudojimas helio branduolių, kuriuos skleidžia radioaktyvieji elementai. Pirma, greitintuvais dalelėms galima suteikti 105 MeV eilės energiją, t. y. daug didesnę už didžiausią u dalelės energiją (9 MeV). Antra, galima panaudoti protonus, kurių radioaktyvaus skilimo procese neatsiranda (protonų krūvis dukart mažesnis už α dalelės krūvį, ir branduolys juos atstumia perpus mažesne jėga negu α daleles). Trečia, galima pagreitinti branduolius, kur kas sunkesnius už helio branduolį. • 1932 m. buvo sukelta pirmoji branduolinė reakcija, panaudojus greituosius protonus. Tada pavyko ličio branduolį suskaidyti į dvi α daleles: • Kaip matyti iš Vilsono kamera nufotografuotų trekų (233 pav.), helio branduoliai išlaksto j skirtingas puses išilgai vienos tiesės, kaip ir turi būti pagal impulso tvermės dėsnį (protono impulsas daug mažesnis už susidariusių a dalelių impulsus). • Branduolinių reakcijų energijos išeiga. • Aprašytoje branduolinėje reakcijoje dviejų atsiradusių helio branduolių pilnutinė kinetinė energija pasirodė esanti 7,3 MeV didesnė už protono energiją. Vieniems branduoliams virstant kitais, kinta jų vidinė energija (ryšio energija). Išnagrinėtoje reakcijoje atsiradusio helio branduolio specifinė ryšio energija didesnė už ličio • 49 • branduolio specifinę ryšio energiją. Todėl dalis ličio branduolio vidinės energijos virsta atsiradusių u dalelių kinetine energija. • Jeigu pakinta branduolių ryšio energija, vadinasi, reakcijoje dalyvaujančių dalelių rimties energijų suma nelieka pastovi. Juk branduolio rimties energija Mbc2 tiesiogiai išreiškiama ryšio energija. Pagal energijos tvermės dėsnį kinetinės energijos pokytis branduolinėje reakcijoje turi būti lygus reakcijoje dalyvaujančių branduolių ir dalelių rimties energijos pokyčiui. • Branduolinės reakcijos energijos išeiga vadinamas branduolių ir dalelių rimties energijų prieš reakciją ir po jos skirtumas. Branduolinės reakcijos energijos išeiga taip pat lygi reakcijoje dalyvaujančių dalelių kinetinės energijos pokyčiui. • Kai branduolių ir dalelių kinetinė energija po reakcijos didesnė negu prieš ją, sakoma, kad energija išsiskiria. Priešingu atvejų, vykstant reakcijai, energija sugeriama. Būtent tokio pobūdžio yra azoto apšaudymo a dalelėmis reakcija . Dalis kinetinės energijos (maždaug 1,2 - 106 eV) šioje reakcijoje virsta atsiradusio branduolio vidine energija. • Vykstant branduolinėms reakcijoms, gali išsiskirti milžiniška energija. Tačiau ją panaudoti, priverčiant pagreitintas daleles (arba branduolius) susidurti su nejudančiais branduoliais, praktiškai negalima. Juk dauguma pagreitintų dalelių pralekia šalia branduolių ir nesukelia reakcijų. • • 50 • Neutronų sukeltos branduolinės reakcijos. Neutrono atradimas buvo svarbus įvykis tiriant branduolines reakcijas. Kadangi neutronai neturi krūvio, tai jie be pasipriešinimo prasiskverbia į atomų branduolius ir sukelia jų virsmus. Pavyzdžiui, vyksta tokia reakcija: • • Didysis italų fizikas Enrikas Fermis pirmasis pradėjo tyrinėti neutronų sukeliamas reakcijas ir nustatė, kad vienus branduolius paverčia kitais ne tik greitieji, bet ir lėtieji neutronai. Beje, lėtieji neutronai dažniausiai kur kas efektyvesni už greituosius. Todėl greituosius neutronus tikslinga sulėtinti. Jie sulėtinami paprastame vandenyje. Mat jame yra daug vandenilic branduolių — protonų, kurių masė beveik lygi neutronų masei O susidūrus vienodos masės rutuliams, kinetinė energija perduodama intensyviausiai. Kai skriejančio neutrono ir nejudančio protono smūgis yra centrinis, neutronas perduoda protonui visą savo kinetinę energiją. Veikiant uraną lėtiesiems neutronams, faktiškai atsirasdavo Mendelejevo lentelės viduriniosios dalies elementai. Tačiau Fermis čia neįžvelgė urano branduolių dalijimosi. • Urano branduolių dalijimasis • Dalytis gali tik kai kurių sunkiųjų elementų branduoliai. Kartu išspinduliuojami du trys neutronai ir y spinduliai bei išsiskiria daug energijos. • Urano dalijimosi atradimas. 1938 m. vokiečių mokslininkai O. H a n a s ir • 51 • F. Strasmanas atrado urano branduolio dalijimąsi. Jiems pasisekė nustatyti, kad, apšaudant uraną neutronais, atsiranda periodinės sistemos vidurinės dalies elementai: baris, kriptonas ir kt. Tačiau kaip dalijasi šis neutroną absorbavęs urano branduolys, 1939 m. pradžioje paaiškino anglų fizikas O. Frišas drauge su austrų fizike L. Meitner. • Sunkusis branduolys gali skilti, nes jo rimties masė didesnė už dalijantis susidariusių skeveldrų rimties masių sumą. Būtent dėl to išsiskiria didelė energija, proporcinga dalijimosi reakcijoje susidariusiam rimties masės sumažėjimui. Beje,, visa masė nepakinta, nes dideliu greičiu judančių skeveldrų masė didesnė už jų rimties masę. • Sunkiųjų branduolių dalijimąsi galima paaiškinti ir remiantis specifinės ryšio energijos priklausomybės nuo masės skaičiaus A grafiku. Atomų, kurie užima periodinėje sistemoje paskutiniąsias vietas , branduolių specifinė ryšio energija maždaug 1 MeV mažesnė už periodinės sistemos viduryje esančių elementų atomų branduolių specifinę ryšio energiją. Todėl sunkiųjų branduolių dalijimasis į periodinės elementų sistemos vidurinės dalies elementus yra „energijos požiūriu naudingas". Po dalijimosi sistema pereina į būseną, kurios vidinė energija yra mažiausia. Juk juo didesnė branduolio ryšio energija, juo didesnė energija išsiskiria, susidarant branduoliui, ir, antra vertus, juo mažesnė susidariusios sistemos vidinė energija. • • 52 • Dalijantis branduoliui, specifinė ryšio energija padidėja ! MeV. Vadinasi, išsiskyrusi energija turėtų pasiekti milžinišką dydį — apie 200 MeV. Jokiose kitose branduolinėse reakcijose (nesusijusiose su dalijimusi) neišsiskiria tokios didelės energijos. • • Dalijantis urano branduoliui išsiskirianti energija buvo tiesiogiai išmatuota. Sis spėjimas pasitvirtino — buvo nustatytas apytiksliai 200 MeV dydis. Be to, didesnę šios energijos dalį (168 MeV) sudarė skeveldrų kinetinė energija. Šiame paveiksle matote urano branduolio skeveldrų trekus Vilsono kameroje. • Branduoliams dalijantis išsiskirianti energija yra elektrostatinės, o ne branduolinės kilmės. Didesnę skeveldrų kinetinę energiją lemia Kulono stūmos jėgos. • Branduolio dalijimosi mechanizmas. Atomo branduolio dalijimąsi galima paaiškinti branduolio lašeliniu modeliu. Pagal šį modelį nukleonų debesėlis panašus į įelektrinto skysčio lašelį (pav. kitoje skaidrėje). Branduolinės jėgos tarp nukleonų, kaip ir jėgos tarp skysčio molekulių, veikia trumpais atstumais. Kartu su didžiulėmis elektrostatinėmis protonų stūmos jėgomis, kurios stengiasi suskaidyti branduolį, veikia ir didelės branduolinės traukos jėgos. Jos neleidžia branduoliui suirti. • • 53 • Urano-235 branduolys yra rutulio formos. Absorbavęs neutroną, branduolys . susižadina ir pradeda deformuotis, temptis (pav., b). Jis „tempiasi" tol, kol stūmos jėgos tarp ištęsto branduolio galų pasidaro didesnės už „kaklelyje" veikiančias sankibos jėgas (pav., c). Po to branduolys sprogsta į dvi dalis (pav., d). Kulono stūmos jėgų veikiamos, šios skeveld­ros išsilaksto greičiu, lygiu - šviesos greičio. • Neutronų išmetimas dalijantis branduoliui. Svarbiausia, kad, dalijantis branduoliui, išlekia du trys neutronai. Būtent dėl to galima praktiškai panaudoti branduolio vidinę energiją. • Kodėl atsiranda laisvieji neutronai, galima paaiškinti • taip. Žinome, kad santykinis neutronų skaičius stabiliuose branduoliuose didėja didėjant atominiam numeriui. Todėl kiekvienoje skeveldroje esančių neutronų ir protonų skaičių santykis yra didesnis negu Mendelejevo lentelės viduriniosios dalies elementų atomų branduoliuose. Dėl to, dalijantis branduoliui, keletas neutronų tampa laisvi. Jų energija būna įvairi — nuo kelių milijonų elektronvoltų iki visiškai mažų, artimų nuliui, verčių. Dažniausiai branduolys dalijasi į nevienodos masės skeveldras, kurios būna labai radioaktyvios nes turi neutronų perteklių. Po β skilimų serijos galiausiai susidaro stabilūs izotopai. • 54 • Reikėtų pasakyti, kad urano branduoliai dalijasi ir spontaniškai, šį reiškinį 1940 m. atrado rusų fizikai G. F 1 i o rovas ir K. Petržakas. Spontaninio dalijimosi pusamžis lygus 1016 metų. Jis du milijonus kartų didesnis už urano a ski­limo pusamžį. • Grandininės branduolinės reakcijos • Dalijantis urano branduoliui, išsilaivina du trys neutronai. Todėl galima sukelti urano dalijimosi grandininę reakciją. • Kiekvienas dalijimosi metu iš branduolio išlėkęs neutronas gali suskaidyti gretimą branduolį. Sis taip pat išspinduliuoja neutronus, sukeliančius dalijimąsi. Dėl to besidalijančių bran­duolių skaičius labai greitai didėja. Kyla grandininė reakcija. Grandinine branduoline reakcija vadinama tokia reakcija, kurią sukeliančios dalelės (neutronai) yra jos pačios produktai. • Grandininėje reakcijoje išsiskiria milžiniškas energijos kiekis. Dalijantis kiekvienam branduoliui, išsiskiria apie 200 MeV, o da­lijantis visiems 1 g urano esantiems branduoliams,— 2,3- 104 kWh energijos. Tiek jos gaunama ir sudeginus, 3 t anglies arba 2,5 t naftos. • Tačiau grandininę reakciją sukelia ne bet kokie branduoliai, skylantys dėl neutronų įtakos. Dėl tam tikrų priežasčių iš gam­toje esančių branduolių tinka tik urano branduolio izotopai, kurių masės skaičius lygus 235 • 55 • Urano izotopai. Gamtinis uranas daugiausia sudarytas iš dviejų izotopų: • Tačiau izotopo gamtiniame urane yra 140 kartų mažiau negu labiau paplitusio izotopo • branduoliai dalijasi veikiami tiek greitųjų, tiek lėtųjų neutronų. O branduoliai gali dalytis tik veikiami labai greitų neutronų, kurių energija didesnė negu 1 MeV. Tokią energiją turi maždaug 60% neutronų, atsirandančių dalijantis branduoliui. Tačiau apytiksliai vienas iš penkių neutronų gali sukelti • dalijimąsi. Likusius neutronus nesidalydamas pasiglemžia šis izotopas. Dėl to, naudojant izotopą, grandininės reakcijos sukelti neįmanoma. • Neutronų daugėjimo koeficientas. Grandininė reakcija vyktų, nors ne kiekvienas išsilaisvinęs neutronas sukeltų branduolio dalijimąsi. Tačiau į branduolius turėtų patekti grandininei reakcijai reikalingas neutronų skaičius. • Taip bus, kai neutronų daugėjimo koeficientas k bus didesnis už vienetą. Koeficientas k lygus 'kurios nors ,„kartos" neutronų skaičiaus ir juos išlaisvinusios „kartos" neutronų skaičiaus santykiui. „Kartų" kaitą reikia suprasti kaip branduolių dalijimąsi, kurio metu absorbuojami senosios „kartos" neutronai ir atsiranda nauji neutronai. Jeigu k>1, neutronų skaičius laikui bėgant didėja arba būna pastovus, ir vyksta grandininė reakcija. Jeigu k

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!