2. Atom və nüvə fizikası

1911- ci ildə ingilis alimi Rezerford - zərrəciklərin maddədən səpilməsini tədqiq etdi və öz təcrübələri əsasında atomun planetar modelini verdi. Bu modelə görə atomun mərkəzində müsbət yüklü nüvə yerləşir, elektronlar isə, planetlərin Günəş ətrafında fırlanmasına oxşar olaraq, nüvənin ətrafında hərəkət edir. Nüvənin yükü və atomdakı elektronların sayı elementin dövri sistemdəki sıra nömrəsinə bərabərdir:

Bor postulatları:

1. Atom sistemi müəyyən enerjiləri ilə təyin olunan xüsusi stasionar hallarda və ya kvant hallarında ola bilər. Stasionar hallarda atom şüalanmır və şüa udmur.
2. Atom bir stasionar haldan digərinə keçdikdə müəyyən enerjili kvantı şüalandırır və ya udur. Şüalandırılan və ya udulan fotonun enerjisi atomun iki stasionar haldakı enerjiləri fərqinə bərabərdir:

,

burada və – stasionar halların nömrələridir. Buraxılan və ya udulan fotona uyğun işiğın tezliyi

,

dalğa uzunluğu isə

düsturu ilə təyin edilir.

Bor nəzəriyyəsinə görə hidroqen atomunun stasionar hallarının enejisinin qiyməti

,

burada - baş kvant ədədidir, – hidroqen atomunun ionlaşma enerjisidir. Birinci stasionar halda atomun enerjisi , ikinci stasionar halda və s. Atom birinci stasionar haldan ikinciyə keçəndə enerjisi 4 dəfə artır. Enerji diaqramında atomun hər bir stasionar halı enerji səviyyəsi adlanan üfüqi xətlə təsvir olunur. Atomun əsas enerji səviyyəsi ən aşağıda yerləşir. olduqda və bu səviyyə ən yuxarıda yerləşir. Bir stasionar haldan digərinə keçid uyğun səviyyələr arasında ox işarəsi olan şaquli xətlərlə təsvir olunur. Ox işarəsinin aşağı olması fotonun şüalanmasına, yuxarı olması isə udulmasına uyğundur. Şaquli xətt uzun (qısa) olduqda fotonun tezliyi böyük (kiçik), dalğa uzunluğu isə qısa (uzun) olur.

Hidroqenin spektral seriyaları

,

burada - Ridberq sabitidir.

Hidroqenin şüalanma spektrinin görünən hissəsindəki tezliklər Balmer seriyasını əmələ gətirir. Bu zaman və qiymətlərini alır. Balmer seriyası və ya .

Şüalanma spektrlərinin üç növü vardır: xətti, bütöv və zolaqlı spektrlər. Bütöv (kəsilməz) bərk və ya maye halında olan közərdilmiş cisimlər verir. Belə spektrdə bütün dalğa uzunluqlu (tezlikli) şüalar vardır, spektrdə kəsilən yerlər yoxdur. Enerjinin tezlikdən asılılığını göstərən əyri müəyyən tezliyində maksimuma malikdir. Həmin tezliyi cismin tepmeraturundan asılıdır. Temperatur artdıqca şüalanma enerjisinin maksimumu böyük tezliklərə (qısa dalğalara) tərəf yerini dəyişir.

Qaz halında atomar şəkildə olan bütün maddələr xətti spektr verir. Belə spektr müəyyən tezlikli bir – birindən ayrılmış müxtəlif parlaqlığa malik rəngli xətlərdən ibarətdir. Hər bir element özünəməxsus xətti spektrə malikdir.

Zolaqlı spektri molekulyar qazlar verir və o qaranlıq aralıqlarla ayrılmış ayrı-ayrı zolaqlardan ibarətdir. Şüalanma və udulma spektrlərinə görə maddənin kimyəvi tərkibinin öyrənilməsi spektral analiz adlanır. Spektrləri müşahidə etmək üçün spektroskop adlanan cihazdan istifadə olunur. Spektroqraf isə spektrlərin şəkilini çəkmək üçündür.

Atomun bir stasionar haldan digərinə özbaşına keçid zamanı şüalanması spontan şüalanma adlanır. Eynşteyn müəyyən etmişdir ki, atomda elektronun yuxarı enerji səviyyəsindən aşağı səviyyəyə şüalanmaqla keçidi xarici elektromaqnit sahəsinin təsiri ilə də ola bilər. Bu cür şüalanma məcburi şüalanma adlanır. Bu şüalanmanın ən mühüm xüsusiyyəti ondan ibarətdir ki, o, monoxromatik və koherentdir. Lazerlərin işləmə prinsipi məcburi şüalanmaya əsaslanır. Əvvəlcə atomlar sisteminin üzərinə enerjisi olan fotonlar göndərməklə atomları həyacanlaşdırırlar. Həyacanlaşmış atomlar üzərinə yenə də həmin tezlikli elektromaqnit dalğası düşərsə, bu dalğa zəifləmir, əksinə, məcburi şüalanma hesabına daha da güclənir.

Sovet fiziki D.D.İvanenko və alman alimi V.Heyzenberq nüvənin proton-neytron modelini təklif etdilər. Bu modelə görə nüvələr iki növ elementar zərrəciklərdən: proton və neytronlardan təşkil olunmuşdur. Protonun yükü 1 ( - vahidlərində), kütləsi 1 (a.k.v. ilə) – dir, yəni . Neytronun yükü yoxdur, neytraldır, kütləsi isə 1-dir, yəni . Nüvə zərrəciklərinə nuklonlar deyilir.

Nüvədəki protonların sayı ilə neytronların sayının cəmi kütlə ədədi adlanır:

. Nüvənin simvolik işarəsi kimidir. Məsələn, nüvəsində protonların sayını, isə nüvənin kütlə ədədinin (nüvədəki ümumi nuklonların sayını) göstərir. Nüvədəki neytronların sayı . nüvəsində neytron vardır.

Protonların sayı eyni, lakin neytronların sayı ilə fərqlənən nüvələrə izotoplar deyilir. Məsələn, hidroqenin (hidroqen), (deyterin) və (tritium) kimi üç izotopu vardır.

Nüvədəki proton və neytronlar arasındakı cazibə qüvvələri ən güclü qüvvələrdir və nüvə qüvvələri adlanır.

Nüvənin sükunət kütləsi onu təşkil edən nuklonların sükunət kütlələri cəmindən kiçikdir. Kütlələrin fərqi

müsbətdir və kütlə defekti adlanır. Nüvəni ayrı-ayrı proton və neytronlara ayırmaq üçün lazım olan enerjiyə nüvənin rabitə enerjisi deyilir.

Nüvədə bir zərrəciyə düşən rabitə enerjisinə xüsusi rabitə enerjisi deyilir:

.

Atom nüvələrinin ayrı-ayrı elementar zərrəciklərə və ya bir-birilə qarşılıqlı təsir zamanı başqa nüvələrə çevrilməsinə nüvə reaksiyaları deyilir.

.

Nüvə reaksiyaları zamanı elektrik yüklərinin və nuklonların sayının saxlanma qanunları ödənilir:

Reaksiyada iştirak edən nüvələrin və zərrəciklərin reaksiyadan əvvəl və sonrakı sükunət enerjilərinin fərqinə nüvə reaksiaylarının çıxış enerjisi deyilir:

olduqda reaksiya zamanı enerji ayrılır, olduqda isə enerji udulur.

Uran, torium və bunun kimi bir sıra başqa nüvələr xarici təsir olmadan özbaşına özlərindən - şüaları buraxırlar. Bu hadisə radioaktivlik adlanır. - şüası helium atomunun nüvəsidir. - çevrilmə zamanı nüvə iki proton və iki neytron itirir, bunun nəticəsində element öz yerini dövri sistemin başlanğıcına doğru iki xana dəyişir. Simvolik olaraq - çevrilmə belə yazılır:

- şüaları sürəti işıq sürətinə yaxın olan elektronlardan ibarətdir: , yükü – dir, kütlə ədədi sıfırdır.

- çevrilmə zamanı nüvənin yükü bir vahid artır, kütləsi isə dəyişmir:

,

burada - çevrilmə zamanı yaranan yüksüz, kütləsiz zərrəcikdir və antineytrino adlanır, - çevrilmədən sonra element dövri sistemin axırına doğru bir xana yerini dəyişir.

Qeyd etmək lazımdır ki, nüvədə elektron yoxdur, nüvədəki nuklonlar çevrilməyə məruz qalır, neytron protona çevrilir və elektron yaranır ki, bu da - şüaları şəklində nüvədən çıxır:

.

Elektron yaranmaqla yanaşı pozitron da yarana bilər. Bu zaman nüvədəki protonlardan biri neytrona çevrilir:

.

yükü olan zərrəcikdir. Nüvənin pozitron çevrilməsi

şəklində yazmaq olar, bu çevrilmədə nüvə dövrü sistemin əvvəlinə doğru bir xana yerini dəyişir.

– şüaları yüksüzdür və ən qısa elektromaqnit dalğasıdır. - çevrilmə zamanı həyəcanlaşmış nüvə normal hala qayıdır, nüvənin yükü və kütlə ədədi dəyişmir.

Radioaktiv nüvələrin yarısının çevrilməsi üçün sərf olunan zamana yarımçevrilmə periodu deyilir. müddətindən sonra qalan nüvələrin sayı, radioaktiv çevrilmənin qanunu olan

düsturu ilə təyin olunur, burada - başlanğıc nüvələrin sayıdır.

Çevrilməyə məruz qalan nüvələrin sayı

.

Neytron neytral zərrəcik olduğundan nüvəyə maneəsiz daxil ola bilir və atom nüvəsinin bölünməsi ilə nüvə reaksiyalarını yaradır. Bu reaksiya zamanı ağır elementin nüvəsi iki qəlpəyə bölünür və eyni zamanda 2-3 neytron, - şüalar buraxılır və xeyli enerji ayrılır. Uranın izotopu neytronlarla bölünür:

burada – buraxılan neytronların sayıdır və . izotopu isə neytronun təsiri ilə bölünmür və o iki - çevrilməsindən sonra plütonium nüvəsi yaranır:

Hər hansı nəsildə bölünmə yaradan neytronlar sayının ondan əvvəlki nəsildə bölünmə yaratmış neytronların sayına olan nisbətinə neytronların artma əmsalı deyilir. olduqda bölünmə verən nüvələrin sayı sürətlə artır və zəncirvari nüvə reaksiyası baş verir. olduqda reaksiya stabil gedir, olduqda isə reaksiya sönür. İdarə olunan zəncirvari nüvə bölünmə reaksiyası gedən qurğuya nüvə reaktoru deyilir.

Yüngül nüvələrin birləşməsi reaksiyaları çox yüksək temperaturlarda gedə bilir və belə nüvə reaksiyalarına istilik – nüvə reaksiyaları deyilir.

Zərrəciklərin qeydə alınması üsulları:

1. Heyger sayğacı – yüklü zərrəciyin qaz atomlarını zərbə ilə ionlaşdırması hadisəsinə əsaslanır.
2. Vilson kamerasının işi ifrat doymuş buxardan keçən yüklü zərrəciyin trayektoriyası boyunca yaratdığı ionlar üzərinə kondensasiya etməsi nəticəsində maye damcılarından ibarət izin əmələ gəlməsinə əsaslanır.
3. Qabarcıqlı kameranın işi yüklü zərrəciyin ifrat qızmış mayedə hərəkəti zamanı yaranan ionların üzərinə buxar qabarcıqlarının əmələ gəlməsinə əsaslanır.
4. Qalınlaylı fotoemulsiya üsulu – yüklü zərrəciyin foto lövhənin emulsiyasına göstərdiyi ionlaşdırıcı təsirə əsaslanır.

Heyger sayğacında yaranan birvalentli ion cütlərinin sayı

,

burada - sayğacın elektrik tutumu, – ondakı gərginlik düşgüsüdür.

Radioaktiv şüalanmanın dozası

,

burada – şüalanmanı udan maddənin kütləsi, – udulan şüaların enerjisidir. BS – də radioaktiv şüalanmanın dozasının vahidi qreydir: