აკადემიკოსი A.F. IOFF. „მეცნიერება და ცხოვრება“ No1, 1934 წ

აკადემიკოს აბრამ ფედოროვიჩ იოფის სტატიამ "ატომის ბირთვი" გახსნა ჟურნალის "მეცნიერება და ცხოვრება" პირველი ნომერი, რომელიც ახლად შეიქმნა 1934 წელს.

ე.რეზერფორდი.

F. W. ასტონი.

მატერიის ტალღური ბუნება

მე-20 საუკუნის დასაწყისში მატერიის ატომურმა სტრუქტურამ შეწყვიტა ჰიპოთეზა და ატომი ისეთივე რეალობად იქცა, როგორც რეალურია ჩვენთვის საერთო ფაქტები და ფენომენები.

აღმოჩნდა, რომ ატომი ძალიან რთული წარმონაქმნია, რომელიც უდავოდ მოიცავს ელექტრულ მუხტებს და შესაძლოა მხოლოდ ელექტრულ მუხტებს. ეს ბუნებრივად აჩენდა ატომის სტრუქტურის საკითხს.

ატომის პირველი მოდელი მოდელირებული იქნა მზის სისტემის მიხედვით. თუმცა, ატომის სტრუქტურის ეს იდეა მალე გაუმართლებელი აღმოჩნდა. და ეს ბუნებრივია. ატომის, როგორც მზის სისტემის იდეა იყო ასტრონომიულ მასშტაბებთან დაკავშირებული სურათის წმინდა მექანიკური გადატანა ატომის რეგიონში, სადაც სასწორები მხოლოდ სანტიმეტრის ასმილიონედია. ასეთი მკვეთრი რაოდენობრივი ცვლილება არ შეიძლება მოჰყვეს ძალიან მნიშვნელოვან ცვლილებას იმავე ფენომენის თვისობრივ თვისებებში. ეს განსხვავება უპირველეს ყოვლისა შეეხო იმ ფაქტს, რომ ატომი, მზის სისტემისგან განსხვავებით, უნდა აშენდეს ბევრად უფრო მკაცრი წესებით, ვიდრე ის კანონები, რომლებიც განსაზღვრავენ მზის სისტემის პლანეტების ორბიტას.

გაჩნდა ორი სირთულე. ჯერ ერთი, მოცემული ტიპის, მოცემული ელემენტის ყველა ატომი სრულიად იდენტურია მათი ფიზიკური თვისებებით და, შესაბამისად, ამ ატომებში ელექტრონების ორბიტები სრულიად იდენტური უნდა იყოს. იმავდროულად, მექანიკის კანონები, რომლებიც მართავენ ციური სხეულების მოძრაობას, ამის საფუძველს აბსოლუტურად არ იძლევა. საწყისი სიჩქარიდან გამომდინარე, პლანეტის ორბიტა, ამ კანონების მიხედვით, შეიძლება იყოს სრულიად თვითნებური, პლანეტას შეუძლია ყოველ ჯერზე ბრუნოს შესაბამისი სიჩქარით ნებისმიერ ორბიტაზე, მზიდან ნებისმიერ მანძილზე. თუ იგივე თვითნებური ორბიტები არსებობდა ატომებში, მაშინ ერთი და იმავე ნივთიერების ატომები არ შეიძლება იყვნენ ასე იდენტური თავიანთი თვისებებით, მაგალითად, აძლევდნენ მკაცრად იდენტურ ლუმინესცენციის სპექტრს. ეს არის ერთი წინააღმდეგობა.

მეორე იყო ის, რომ ელექტრონის მოძრაობას ატომის ბირთვის გარშემო, თუ გამოვიყენებთ კანონებს, რომლებიც კარგად შევისწავლეთ ლაბორატორიულ ექსპერიმენტებში ან თუნდაც ასტრონომიულ ფენომენებში, თან უნდა ახლდეს ენერგიის უწყვეტი გამოსხივება. შესაბამისად, ატომის ენერგია მუდმივად უნდა ამოწურულიყო და ისევ ატომს არ შეეძლო შეენარჩუნებინა თავისი თვისებები იდენტური და უცვლელი საუკუნეების და ათასწლეულების განმავლობაში და მთელ სამყაროს და ყველა ატომს მოუწევდა განიცადოს მუდმივი შესუსტება. მათში არსებული ენერგიის უწყვეტი დაკარგვა. ეს ასევე არანაირად არ შეესაბამება ატომების ძირითად თვისებებს.

ბოლო სირთულე განსაკუთრებით მწვავედ იგრძნობოდა. როგორც ჩანს, მან მთელი მეცნიერება გადაუჭრელ ჩიხში მიიყვანა.

გამოჩენილმა ფიზიკოსმა ლორენცმა ჩვენი საუბარი ამ საკითხზე ასე დაასრულა: „ვნანობ, რომ არ მოვკვდი ხუთი წლის წინ, როცა ეს წინააღმდეგობა ჯერ კიდევ არ არსებობდა, მაშინ მოვკვდებოდი იმ რწმენით, რომ მე გავუმხილე ჭეშმარიტების ნაწილი ბუნებრივი ფენომენი."

ამავდროულად, 1924 წლის გაზაფხულზე, დე ბროლიმ, ლანჟევინის ახალგაზრდა სტუდენტმა, თავის დისერტაციაში გამოთქვა იდეა, რომელიც შემდგომ განვითარებას განაპირობებს ახალ სინთეზამდე.

დე ბროლის იდეა, რომელიც მაშინ საგრძნობლად შეიცვალა, მაგრამ მაინც დიდწილად შემონახული იყო, იყო ის, რომ ატომის ბირთვის გარშემო მოძრავი ელექტრონის მოძრაობა არ არის უბრალოდ გარკვეული ბურთის მოძრაობა, როგორც ადრე წარმოიდგენდა, რომ ამ მოძრაობას თან ახლავს გარკვეული ტალღა, რომელიც მოძრაობს მოძრავ ელექტრონთან ერთად. ელექტრონი არ არის ბურთი, არამედ სივრცეში ბუნდოვანი რაღაც ელექტრული ნივთიერება, რომლის მოძრაობა ამავე დროს წარმოადგენს ტალღის გავრცელებას.

ეს იდეა, რომელიც შემდეგ გავრცელდა არა მხოლოდ ელექტრონებზე, არამედ ნებისმიერი სხეულის მოძრაობაზეც - ელექტრონი, ატომები და ატომების მთელი ნაკრები - ამბობს, რომ სხეულის ნებისმიერი მოძრაობა შეიცავს ორ მხარეს, საიდანაც ზოგიერთ შემთხვევაში შეგვიძლია განსაკუთრებით ნათლად იხილეთ ერთი მხარე, ხოლო მეორე შესამჩნევად არ ვლინდება. ერთ შემთხვევაში ჩვენ ვხედავთ, თითქოს, ტალღებს, ხოლო ნაწილაკების მოძრაობას ვერ ვამჩნევთ, პირიქით, თავად მოძრავი ნაწილაკები გამოდიან წინა პლანზე და ტალღა გაურბის ჩვენს დაკვირვებას.

მაგრამ სინამდვილეში, ორივე მხარე ყოველთვის იმყოფება და, კერძოდ, ელექტრონების მოძრაობაში ხდება არა მხოლოდ თავად მუხტების მოძრაობა, არამედ ტალღის გავრცელებაც.

არ შეიძლება ითქვას, რომ ორბიტებში ელექტრონების მოძრაობა არ არის, არამედ მხოლოდ პულსაცია, მხოლოდ ტალღები, ანუ რაღაც სხვა. არა, უფრო სწორი იქნება ამის თქმა: ჩვენ საერთოდ არ უარვყოფთ ელექტროდების მოძრაობას, რომელიც შევადარეთ პლანეტების მოძრაობას მზის გარშემო, მაგრამ თავად ამ მოძრაობას აქვს პულსაციის ხასიათი და არა მზის გარშემო დედამიწის მოძრაობის ბუნება.

აქ არ აღვწერ ატომის სტრუქტურას, მისი ელექტრონული გარსის სტრუქტურას, რომელიც განსაზღვრავს ყველა ძირითად ფიზიკურ თვისებას - შეკრულობას, ელასტიურობას, კაპილარულობას, ქიმიურ თვისებებს და ა.შ. ეს ყველაფერი ელექტრონული გარსის მოძრაობის შედეგია. ან, როგორც ახლა ვამბობთ, პულსაციის ატომი.

ატომის ბირთვის პრობლემა

ბირთვი ყველაზე მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ატომში. ეს არის ცენტრი, რომლის გარშემოც ბრუნავს ყველა ელექტრონი და რომლის თვისებები საბოლოოდ განსაზღვრავს ყველაფერს.

პირველი, რაც შეგვიძლია ვისწავლოთ ბირთვის შესახებ, არის მისი მუხტი. ჩვენ ვიცით, რომ ატომი შეიცავს უარყოფითად დამუხტული ელექტრონების გარკვეულ რაოდენობას, მაგრამ ატომს მთლიანობაში არ აქვს ელექტრული მუხტი. ეს ნიშნავს, რომ სადღაც შესაბამისი დადებითი მუხტები უნდა იყოს. ეს დადებითი მუხტები კონცენტრირებულია ბირთვში. ბირთვი არის დადებითად დამუხტული ნაწილაკი, რომლის ირგვლივ პულსირებს ბირთვის გარშემო არსებული ელექტრონული ატმოსფერო. ბირთვის მუხტი ასევე განსაზღვრავს ელექტრონების რაოდენობას.

რკინისა და სპილენძის, მინის და ხის ელექტრონები ზუსტად იგივეა. ატომისთვის პრობლემა არ არის დაკარგოს რამდენიმე ელექტრონი ან თუნდაც დაკარგოს ყველა ელექტრონი. სანამ დადებითად დამუხტული ბირთვი რჩება, ეს ბირთვი მიიზიდავს იმდენ ელექტრონს, რამდენიც სჭირდება სხვა მიმდებარე სხეულებიდან და ატომი შენარჩუნდება. რკინის ატომი რკინა დარჩება მანამ, სანამ მისი ბირთვი ხელუხლებელია. თუ ის დაკარგავს რამდენიმე ელექტრონს, ბირთვზე დადებითი მუხტი მეტი იქნება, ვიდრე დარჩენილი უარყოფითი მუხტების ჯამი და მთლიანი ატომი შეიძენს ჭარბ დადებით მუხტს. მაშინ მას ვუწოდებთ არა ატომს, არამედ დადებით რკინის იონს. სხვა შემთხვევაში, ატომს შეუძლია, პირიქით, მიიზიდოს თავისკენ უფრო მეტი უარყოფითი ელექტრონი, ვიდრე დადებითი მუხტი აქვს – მაშინ ის უარყოფითად დამუხტული იქნება და ჩვენ მას უარყოფით იონს ვუწოდებთ; ეს იქნება იგივე ელემენტის უარყოფითი იონი. შესაბამისად, ელემენტის ინდივიდუალობა, მისი ყველა თვისება არსებობს და განისაზღვრება ბირთვით, ამ ბირთვის მუხტით, პირველ რიგში.

გარდა ამისა, ატომის მასის აბსოლუტური უმრავლესობა განისაზღვრება ზუსტად ბირთვით, და არა ელექტრონებით, - ელექტრონების მასა მთელი ატომის მასის მეათასედზე ნაკლებია; მთლიანი მასის 0,999-ზე მეტი არის ბირთვის მასა. ეს მით უფრო მნიშვნელოვანია, რადგან მასას მივიჩნევთ ენერგიის რეზერვის საზომად, რომელსაც გააჩნია მოცემული ნივთიერება; მასა არის ენერგიის იგივე საზომი, როგორც ერგი, კილოვატ-საათი ან კალორია.

ბირთვის სირთულე გამოვლინდა რადიოაქტიურობის ფენომენში, რომელიც აღმოაჩინეს რენტგენის სხივების შემდეგ, ჩვენი საუკუნის ბოლოს. ცნობილია, რომ რადიოაქტიური ელემენტები მუდმივად ასხივებენ ენერგიას ალფა, ბეტა და გამა სხივების სახით. მაგრამ ენერგიის ასეთ უწყვეტ გამოსხივებას გარკვეული წყარო უნდა ჰქონდეს. 1902 წელს რეზერფორდმა აჩვენა, რომ ამ ენერგიის ერთადერთი წყარო უნდა იყოს ატომი, სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ბირთვული ენერგია. რადიოაქტიურობის მეორე მხარე ის არის, რომ ამ სხივების გამოსხივება პერიოდული ცხრილის ერთ ადგილას მდებარე ერთ ელემენტს გარდაქმნის სხვა ელემენტად, განსხვავებული ქიმიური თვისებებით. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, რადიოაქტიური პროცესები გარდაქმნის ელემენტებს. თუ მართალია, რომ ატომის ბირთვი განსაზღვრავს მის ინდივიდუალობას და რომ, სანამ ბირთვი ხელუხლებელია, ატომი რჩება მოცემული ელემენტის ატომად და არა რომელიმე სხვა, მაშინ ერთი ელემენტის მეორეზე გადასვლა ნიშნავს ცვლილებას. თავად ატომის ბირთვი.

რადიოაქტიური ნივთიერებების მიერ გამოსხივებული სხივები იძლევა პირველ მიდგომას გარკვეული ზოგადი წარმოდგენის მისაღებად იმის შესახებ, თუ რა შეიცავს ბირთვს.

ალფა სხივები ჰელიუმის ბირთვებია, ხოლო ჰელიუმი პერიოდული ცხრილის მეორე ელემენტია. ამიტომ შეიძლება ვიფიქროთ, რომ ბირთვი შეიცავს ჰელიუმის ბირთვებს. მაგრამ სიჩქარის გაზომვა, რომლითაც ალფა სხივები გამოიყოფა, მაშინვე იწვევს ძალიან სერიოზულ სირთულეს.

გემოუს რადიოაქტიურობის თეორია

ბირთვი დადებითად არის დამუხტული. მასთან მიახლოებისას ნებისმიერი დამუხტული ნაწილაკი განიცდის მიზიდულობის ან მოგერიების ძალას. დიდი ლაბორატორიული მასშტაბით, ელექტრული მუხტების ურთიერთქმედება განისაზღვრება კულონის კანონით: ორი მუხტი ურთიერთქმედებს ერთმანეთზე მათ შორის მანძილის კვადრატის უკუპროპორციული ძალით და პირდაპირპროპორციული ერთი და მეორე მუხტის სიდიდისა. მიზიდულობის ან მოგერიების კანონების შესწავლისას, რომელსაც ნაწილაკები განიცდიან ბირთვთან მიახლოებისას, რეზერფორდმა აღმოაჩინა, რომ ბირთვთან ძალიან ახლოს დისტანციებამდე, 10-12 სმ-ის რიგის მიხედვით, იგივე კულონის კანონი კვლავ მოქმედებს. თუ ეს ასეა, მაშინ ჩვენ შეგვიძლია მარტივად გამოვთვალოთ რამდენი სამუშაო უნდა შეასრულოს ბირთვმა დადებითი მუხტის განდევნაში, რადგან ის ტოვებს ბირთვს და გამოდის. ალფა ნაწილაკები და დატვირთული ჰელიუმის ბირთვები, რომლებიც გამოდიან ბირთვიდან, მოძრაობენ მისი მუხტის საგრებელი ეფექტის ქვეშ; და შესაბამისი გამოთვლა აჩვენებს, რომ მხოლოდ მოგერიების გავლენის ქვეშ, ალფა ნაწილაკებს უნდა ჰქონდეთ დაგროვილი კინეტიკური ენერგია, რომელიც შეესაბამება მინიმუმ 10 ან 20 მილიონი ელექტრონ ვოლტს, ანუ ენერგია, რომელიც მიიღება მუხტის ტოლი მუხტის გადაცემისას. ელექტრონის, პოტენციური სხვაობა 20 მილიონი ვოლტი. მაგრამ სინამდვილეში, ატომიდან გაფრენისას, ისინი გამოდიან გაცილებით ნაკლები ენერგიით, მხოლოდ 1-5 მილიონი ელექტრონ ვოლტით. მაგრამ, გარდა ამისა,

ბუნებრივი იყო იმის მოლოდინი, რომ ბირთვი, როდესაც ის გამოდევნის ალფა ნაწილაკს, დამატებით მისცემდა მას სხვა რამეს. განდევნის მომენტში ბირთვში რაღაც აფეთქების მსგავსი ხდება და ეს აფეთქება თავისთავად ავრცელებს რაღაც ენერგიას; ამას ემატება მომგერიებელი ძალების მუშაობა და გამოდის, რომ ამ ენერგიების ჯამი იმაზე ნაკლებია, ვიდრე მარტო მოგერიება უნდა მისცეს. ეს წინააღმდეგობა მოიხსნება, როგორც კი უარს ვიტყვით ამ სფეროში მექანიკურად გადატანაზე დიდი სხეულების შესწავლის გამოცდილებიდან განვითარებული შეხედულებები, სადაც არ გავითვალისწინებთ მოძრაობის ტალღურ ბუნებას. G.A. Gamov-მა პირველმა მისცა ამ წინააღმდეგობის სწორი ინტერპრეტაცია და შექმნა ბირთვისა და რადიოაქტიური პროცესების ტალღური თეორია.

ცნობილია, რომ საკმარისად დიდ დისტანციებზე (10-12 სმ-ზე მეტი) ბირთვი თავისგან იზიდავს დადებით მუხტს. მეორეს მხრივ, ეჭვგარეშეა, რომ ბირთვის შიგნით, რომელიც შეიცავს ბევრ დადებით მუხტს, ისინი რატომღაც არ მოგერიდებიან. თავად ბირთვის არსებობა გვიჩვენებს, რომ ბირთვის შიგნით დადებითი მუხტები ერთმანეთს იზიდავს, ხოლო ბირთვის გარეთ ისინი იგერიებენ ერთმანეთს.

როგორ შეგვიძლია აღვწეროთ ენერგეტიკული პირობები ბირთვში და მის გარშემო? გამოვმა შექმნა შემდეგი წარმომადგენლობა. დიაგრამაზე (ნახ. 5) გამოვსახავთ დადებითი მუხტის ენერგიის რაოდენობას მოცემულ ადგილას ჰორიზონტალური ხაზიდან დაშორებით. ა.

როგორც კი ის უახლოვდება ბირთვს, მუხტის ენერგია გაიზრდება, რადგან მუშაობა გაკეთდება საგრებელი ძალის წინააღმდეგ. ბირთვის შიგნით, პირიქით, ენერგია ისევ უნდა შემცირდეს, რადგან აქ არის არა ურთიერთ მოგერიება, არამედ ურთიერთმიზიდულობა. ბირთვის საზღვრებთან არის ენერგიის ღირებულების მკვეთრი შემცირება. ჩვენი ნახატი გამოსახულია თვითმფრინავზე; სინამდვილეში, რა თქმა უნდა, თქვენ უნდა წარმოიდგინოთ იგი სივრცეში ენერგიის იგივე განაწილებით ყველა სხვა მიმართულებით. შემდეგ მივიღებთ, რომ ბირთვის ირგვლივ არის სფერული ფენა მაღალი ენერგიით, რაღაც ენერგეტიკული ბარიერის მსგავსი, რომელიც იცავს ბირთვს დადებითი მუხტების შეღწევისგან, ეგრეთ წოდებული „გამოვის ბარიერი“.

თუ ჩვენ დავდგეთ სხეულის მოძრაობის შესახებ ჩვეული შეხედულებების თვალსაზრისზე და დავივიწყოთ მისი ტალღური ბუნება, მაშინ უნდა ველოდოთ, რომ მხოლოდ ასეთი დადებითი მუხტი შეიძლება შეაღწიოს ბირთვში, რომლის ენერგიაც არ არის ნაკლები. ბარიერის სიმაღლე. პირიქით, ბირთვიდან გასასვლელად მუხტმა ჯერ ბარიერის ზევით უნდა მიაღწიოს, რის შემდეგაც მისი კინეტიკური ენერგია ბირთვიდან მოშორებისას დაიწყებს ზრდას. თუ ბარიერის თავზე ენერგია იყო ნულოვანი, მაშინ ატომიდან ამოღებისას ის მიიღებს იმავე 20 მილიონ ელექტრონ ვოლტს, რაც რეალურად არასოდეს შეინიშნება. ბირთვის ახალი გაგება, რომელიც Gamow-მა შემოიტანა, შემდეგია. ნაწილაკების მოძრაობა ტალღად უნდა ჩაითვალოს. შესაბამისად, ამ მოძრაობაზე გავლენას ახდენს ენერგია არა მხოლოდ ნაწილაკის მიერ დაკავებულ წერტილში, არამედ ნაწილაკების მთელ დიფუზურ ტალღაზე, რომელიც ფარავს საკმაოდ დიდ სივრცეს. ტალღური მექანიკის ცნებებიდან გამომდინარე, ჩვენ შეგვიძლია ვამტკიცოთ, რომ მაშინაც კი, თუ ენერგია მოცემულ წერტილში არ მიაღწია იმ ზღვარს, რომელიც შეესაბამება ბარიერის ზედა მხარეს, ნაწილაკი შეიძლება დასრულდეს მის მეორე მხარეს, სადაც არ არის უფრო დიდხანს იზიდავს ბირთვს იქ მოქმედი მიმზიდველი ძალების მიერ.

შემდეგი ექსპერიმენტი რაღაც მსგავსს წარმოადგენს. წარმოიდგინეთ, რომ ოთახის კედლის მიღმა არის წყლის კასრი. ამ ლულიდან გამოყვანილია მილი, რომელიც მაღლა გადის კედლის ნახვრეტში და ამარაგებს წყალს; წყალი იღვრება ქვემოთ. ეს არის კარგად ცნობილი მოწყობილობა, რომელსაც სიფონი ჰქვია. თუ ამ მხარეს ლულა მოთავსებულია მილის ბოლოზე მაღლა, მაშინ მასში წყალი განუწყვეტლივ მიედინება ლულისა და მილის ბოლოში წყლის დონის სხვაობით განსაზღვრული სიჩქარით. აქ გასაკვირი არაფერია. მაგრამ თუ თქვენ არ იცოდით კედლის მეორე მხარეს კასრის არსებობის შესახებ და დაინახეთ მხოლოდ მილი, რომლითაც წყალი მიედინება დიდი სიმაღლიდან, მაშინ თქვენთვის ეს ფაქტი შეურიგებელ წინააღმდეგობაში მოგეჩვენებათ. წყალი მიედინება დიდი სიმაღლიდან და ამავდროულად არ აგროვებს ენერგიას, რომელიც შეესაბამება მილის სიმაღლეს. თუმცა, ახსნა ამ შემთხვევაში აშკარაა.

მსგავსი ფენომენი გვაქვს ბირთვში. დამუხტვა ნორმალური პოზიციიდან აიზრდება უფრო დიდი ენერგიის მდგომარეობამდე IN, მაგრამ საერთოდ არ აღწევს ბარიერის მწვერვალს თან(ნახ. 6).

სახელმწიფოსგან INალფა ნაწილაკი, რომელიც გადის ბარიერში, იწყება ბირთვიდან და არა ზემოდან. თანდა უფრო დაბალი ენერგიის სიმაღლიდან B 1. ამიტომ გარეთ გასვლისას ნაწილაკების მიერ დაგროვილი ენერგია არ იქნება დამოკიდებული სიმაღლეზე თანდა ქვედა სიმაღლიდან ტოლია B 1(ნახ. 7).

ეს თვისებრივი მსჯელობა შეიძლება მოთავსდეს რაოდენობრივ ფორმაში და შეიძლება მიეცეს კანონი, რომელიც განსაზღვრავს ალფა ნაწილაკების ბარიერს გავლის ალბათობას ენერგიის მიხედვით. IN, რომელსაც იგი ფლობს ბირთვში და, შესაბამისად, ენერგიისგან, რომელსაც იგი იღებს ატომიდან გასვლისას.

ექსპერიმენტების სერიის საშუალებით დადგინდა ძალიან მარტივი კანონი, რომელიც აკავშირებდა რადიოაქტიური ნივთიერებების მიერ გამოსხივებული ალფა ნაწილაკების რაოდენობას მათ ენერგიასთან ან სიჩქარესთან. მაგრამ ამ კანონის მნიშვნელობა სრულიად გაუგებარი იყო.

გამოუს პირველი წარმატება მდგომარეობდა იმაში, რომ ალფა ნაწილაკების ემისიის ეს რაოდენობრივი კანონი სრულიად ზუსტად და მარტივად მოჰყვა მის თეორიას. ახლა "გამოუს ენერგეტიკული ბარიერი" და მისი ტალღის ინტერპრეტაცია არის ბირთვის შესახებ ყველა ჩვენი იდეის საფუძველი.

ალფა სხივების თვისებები თვისობრივად და რაოდენობრივად კარგად არის ახსნილი გამოვის თეორიით, მაგრამ ცნობილია, რომ რადიოაქტიური ნივთიერებები ბეტა სხივებსაც – სწრაფი ელექტრონების ნაკადებს ასხივებენ. მოდელს არ შეუძლია ახსნას ელექტრონების ემისია. ეს არის ერთ-ერთი ყველაზე სერიოზული წინააღმდეგობა ატომის ბირთვის თეორიაში, რომელიც ბოლო დრომდე გადაუჭრელი რჩებოდა, მაგრამ რომლის გადაწყვეტაც ახლა უკვე ჩანს.

ბირთვის სტრუქტურა

მოდით გადავიდეთ იმაზე, თუ რა ვიცით ბირთვის სტრუქტურის შესახებ.

100 წელზე მეტი ხნის წინ პროუტმა გამოთქვა მოსაზრება, რომ შესაძლოა პერიოდული ცხრილის ელემენტები სულაც არ იყოს მატერიის ცალკეული, ურთიერთდაკავშირებული ფორმები, არამედ მხოლოდ წყალბადის ატომის სხვადასხვა კომბინაციებია. ეს ასე რომ ყოფილიყო, მაშინ მოელოდა, რომ არა მხოლოდ ყველა ბირთვის მუხტი იქნება წყალბადის მუხტის მთელი რიცხვი, არამედ ყველა ბირთვის მასა გამოისახება წყალბადის ბირთვის მასის მთელი რიცხვი, ე.ი. ყველა ატომური წონა უნდა იყოს გამოხატული მთელი რიცხვებით. მართლაც, თუ გადავხედავთ ატომური წონის ცხრილს, შეგიძლიათ ნახოთ მთელი რიცხვების დიდი რაოდენობა. მაგალითად, ნახშირბადი არის ზუსტად 12, აზოტი არის ზუსტად 14, ჟანგბადი არის ზუსტად 16, ფტორი არის ზუსტად 19. ეს, რა თქმა უნდა, შემთხვევითი არ არის. მაგრამ ჯერ კიდევ არსებობს ატომური წონა, რომელიც შორს არის მთელი რიცხვებისგან. მაგალითად, ნეონს აქვს ატომური წონა 20,2, ქლორს - 35,46. მაშასადამე, პროუტის ჰიპოთეზა ნაწილობრივ ვარაუდად დარჩა და ვერ გახდა ატომის სტრუქტურის თეორია. დამუხტული იონების ქცევის შესწავლით განსაკუთრებით ადვილია ატომური ბირთვის თვისებების შესწავლა მათზე ზემოქმედებით, მაგალითად, ელექტრული და მაგნიტური ველით.

მასზე დაფუძნებულმა მეთოდმა, რომელიც ასტონმა უკიდურესად მაღალ სიზუსტემდე მიიყვანა, შესაძლებელი გახადა დაედგინა, რომ ყველა ელემენტი, რომელთა ატომური წონა არ იყო გამოხატული მთელი რიცხვებით, სინამდვილეში არ არის ერთგვაროვანი ნივთიერება, არამედ ორი ან მეტის ნარევი - 3, 4. , 9 - სხვადასხვა სახეობის ატომები. მაგალითად, ქლორის ატომური წონა არის 35,46, რადგან რეალურად არსებობს რამდენიმე სახის ქლორის ატომები. არსებობს ქლორის ატომები ატომური მასით 35 და 37 და ქლორის ეს ორი ტიპი შერეულია ერთმანეთში იმ პროპორციით, რომ მათი საშუალო ატომური წონა არის 35,46. აღმოჩნდა, რომ არა მხოლოდ ამ ერთ კონკრეტულ შემთხვევაში, არამედ ყველა შემთხვევაში გამონაკლისის გარეშე, სადაც ატომური წონა არ არის გამოსახული მთელი რიცხვებით, გვაქვს იზოტოპების ნაზავი, ანუ ატომები ერთი და იგივე მუხტით, რაც წარმოადგენს ერთსა და იმავე ელემენტს. მაგრამ სხვადასხვა მასებით. ატომის თითოეულ ინდივიდუალურ ტიპს ყოველთვის აქვს მთელი ატომური წონა.

ამრიგად, პროუტის ჰიპოთეზამ მაშინვე მიიღო მნიშვნელოვანი განმტკიცება და საკითხი შეიძლება ჩაითვალოს გადაწყვეტილად, თუ არა ერთი გამონაკლისი, კერძოდ, თავად წყალბადი. ფაქტია, რომ ჩვენი ატომური წონის სისტემა აგებულია არა წყალბადზე, აღებული როგორც ერთი, არამედ ჟანგბადის ატომურ წონაზე, რომელიც პირობითად მიიღება 16. ამ წონასთან მიმართებაში ატომური წონა გამოიხატება თითქმის ზუსტი მთელი რიცხვებით. მაგრამ თავად წყალბადს ამ სისტემაში აქვს ატომური წონა არა ერთი, არამედ გარკვეულწილად მეტი, კერძოდ 1.0078. ეს რიცხვი საკმაოდ მნიშვნელოვნად განსხვავდება ერთიანისგან - 3/4%-ით, რაც ბევრად აღემატება ყველა შესაძლო შეცდომას ატომური წონის განსაზღვრისას.

გაირკვა, რომ ჟანგბადს ასევე აქვს 3 იზოტოპი: უპირატესის გარდა, ატომური მასით 16, მეორეს ატომური მასით 17 და მესამეს ატომური მასით 18. თუ 16-ე იზოტოპს მივანიჭებთ ყველა ატომურ წონას, მაშინ წყალბადის ატომური წონა მაინც ოდნავ მეტი იქნება ერთზე. შემდეგ აღმოჩნდა წყალბადის მეორე იზოტოპი - წყალბადი 2 ატომური მასით - დეიტერიუმი, როგორც ამას ამერიკელები აღმოაჩინეს, ან დიპლოგენი, როგორც ამას ბრიტანელები უწოდებენ. ამ დეიტერიუმის მხოლოდ 1/6000 არის შერეული და, შესაბამისად, ამ მინარევების არსებობა ძალიან მცირე გავლენას ახდენს წყალბადის ატომურ წონაზე.

წყალბადის გვერდით ჰელიუმს აქვს ატომური წონა 4.002. თუ იგი შედგებოდა 4 წყალბადისგან, მაშინ მისი ატომური წონა აშკარად იქნებოდა 4,031. მაშასადამე, ამ შემთხვევაში გვაქვს ატომური წონის გარკვეული დანაკარგი, კერძოდ: 4.031 - 4.002 = 0.029. Შესაძლებელია? სანამ მასას მატერიის რაღაც საზომად არ მივიჩნევდით, რა თქმა უნდა, ეს შეუძლებელი იყო: ეს ნიშნავს, რომ მატერიის ნაწილი გაქრა.

მაგრამ ფარდობითობის თეორიამ ეჭვგარეშე დაადგინა, რომ მასა არ არის მატერიის რაოდენობის საზომი, არამედ ენერგიის საზომი, რომელსაც ეს მატერია ფლობს. მატერია იზომება არა მასით, არამედ იმ მუხტების რაოდენობით, რომლებიც ქმნიან ამ მატერიას. ამ მუხტებს შეიძლება ჰქონდეს მეტი ან ნაკლები ენერგია. როდესაც იდენტური მუხტები უახლოვდება, ენერგია იზრდება, როდესაც ისინი შორდებიან, ენერგია მცირდება. მაგრამ ეს, რა თქმა უნდა, არ ნიშნავს, რომ საკითხი შეიცვალა.

როდესაც ვამბობთ, რომ 4 წყალბადისგან ჰელიუმის წარმოქმნის დროს გაქრა 0,029 ატომური წონა, ეს ნიშნავს, რომ გაქრა ამ მნიშვნელობის შესაბამისი ენერგია. ჩვენ ვიცით, რომ ნივთიერების თითოეულ გრამს აქვს 9-ის ტოლი ენერგია. 10 20 ერგ. როდესაც წარმოიქმნება 4 გ ჰელიუმი, დაკარგული ენერგია არის 0,029. 9 . 10 20 ერგამი. ენერგიის ამ შემცირების გამო წყალბადის 4 ბირთვი გაერთიანდება ახალ ბირთვში. ჭარბი ენერგია გამოიყოფა მიმდებარე სივრცეში და დარჩება ოდნავ ნაკლები ენერგიისა და მასის მქონე ნაერთი. ამგვარად, თუ ატომური მასები ზუსტად არ იზომება მთელი რიცხვებით 4 ან 1, არამედ 4.002 და 1.0078, მაშინ სწორედ ეს მეათასედი იძენს განსაკუთრებულ მნიშვნელობას, რადგან ისინი განსაზღვრავენ ბირთვის წარმოქმნის დროს გამოთავისუფლებულ ენერგიას.

რაც უფრო მეტი ენერგია გამოიყოფა ბირთვის წარმოქმნის დროს, ანუ რაც უფრო დიდია ატომის წონის დაკარგვა, მით უფრო ძლიერია ბირთვი. კერძოდ, ჰელიუმის ბირთვი ძალიან ძლიერია, რადგან მისი ფორმირებისას გამოიყოფა ენერგია ატომური წონის დაკარგვის შესაბამისად - 0,029. ეს არის ძალიან მაღალი ენერგია. ამის გასასამართლებლად უმჯობესია გვახსოვდეს ეს მარტივი თანაფარდობა: ატომური წონის მეათასედი შეესაბამება დაახლოებით 1 მილიონ ელექტრონ ვოლტს. ასე რომ, 0.029 არის დაახლოებით 29 მილიონი ელექტრონ ვოლტი. იმისათვის, რომ გაანადგუროს ჰელიუმის ბირთვი, რათა დაშალოს იგი 4 წყალბადად, საჭიროა კოლოსალური ენერგია. ბირთვი არ იღებს ასეთ ენერგიას, ამიტომ ჰელიუმის ბირთვი უკიდურესად სტაბილურია და ამიტომ რადიოაქტიური ბირთვებიდან გამოიყოფა არა წყალბადის ბირთვები, არამედ მთელი ჰელიუმის ბირთვები, ალფა ნაწილაკები. ეს მოსაზრებები მიგვიყვანს ატომური ენერგიის ახალ შეფასებამდე. ჩვენ უკვე ვიცით, რომ ატომის თითქმის მთელი ენერგია კონცენტრირებულია ბირთვში და, ამასთან, უზარმაზარი ენერგია. ნივთიერების 1 გ, უფრო ვიზუალურ ენაზე თარგმნის შემთხვევაში, იმდენი ენერგიაა, რაც შეიძლება მიიღოთ 100 ვაგონის ზეთის 10 მატარებლის დაწვისგან. ამრიგად, ბირთვი ენერგიის სრულიად განსაკუთრებული წყაროა. შეადარეთ 1 გ 10 მატარებელს - ეს არის ბირთვში ენერგიის კონცენტრაციის თანაფარდობა იმ ენერგიასთან, რომელსაც ჩვენ ვიყენებთ ჩვენს ტექნოლოგიაში.

თუმცა, თუ დაფიქრდებით იმ ფაქტებზე, რომლებსაც ახლა განვიხილავთ, პირიქით, შეგიძლიათ მიხვიდეთ ბირთვის სრულიად საპირისპირო ხედვამდე. ბირთვი, ამ თვალსაზრისით, არის არა ენერგიის წყარო, არამედ მისი სასაფლაო: ბირთვი არის ნარჩენი ენერგიის უზარმაზარი რაოდენობის გათავისუფლების შემდეგ და მასში გვაქვს ენერგიის ყველაზე დაბალი მდგომარეობა.

შესაბამისად, თუ შეგვიძლია ვისაუბროთ ბირთვული ენერგიის გამოყენების შესაძლებლობაზე, მაშინ მხოლოდ იმ გაგებით, რომ, შესაძლოა, ყველა ბირთვმა არ მიაღწია უკიდურესად დაბალ ენერგიას: ბოლოს და ბოლოს, წყალბადი და ჰელიუმი ორივე არსებობს ბუნებაში და, შესაბამისად, არა ყველა წყალბადი. გაერთიანებულია ჰელიუმში, თუმცა ჰელიუმს ნაკლები ენერგია აქვს. არსებული წყალბადის ჰელიუმად შერწყმა რომ შეგვეძლოს, გარკვეული რაოდენობის ენერგიას მივიღებთ. ეს არ არის 10 მატარებელი ზეთით, მაგრამ მაინც იქნება დაახლოებით 10 ვაგონი ზეთით. და ეს არც ისე ცუდია, თუ შესაძლებელი იქნებოდა 1 გ ნივთიერებისგან იმდენი ენერგიის მიღება, რამდენიც 10 ვაგონი ზეთის დაწვისგან.

ეს არის ენერგიის შესაძლო რეზერვები ბირთვული გადაწყობის დროს. მაგრამ შესაძლებლობა, რა თქმა უნდა, შორს არის რეალობისგან.

როგორ შეიძლება ამ შესაძლებლობების რეალიზება? მათი შესაფასებლად გადავიდეთ ატომის ბირთვის შემადგენლობის განხილვაზე.

ახლა შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ყველა ბირთვი შეიცავს დადებით წყალბადის ბირთვებს, რომლებსაც პროტონებს უწოდებენ, აქვთ ერთეული ატომური წონა (ზუსტად 1,0078) და ერთეული დადებითი მუხტი. მაგრამ ბირთვი არ შეიძლება შედგებოდეს მხოლოდ პროტონებისგან. ავიღოთ, მაგალითად, უმძიმესი ელემენტი, რომელიც 92-ე ადგილზეა პერიოდულ სისტემაში, ურანი, ატომური მასით 238. თუ დავუშვებთ, რომ ყველა ეს 238 ერთეული შედგება პროტონებისგან, მაშინ ურანს ექნება 238 მუხტი, ხოლო მას აქვს. მხოლოდ 92. შესაბამისად, იქ ან ყველა ნაწილაკი არ არის დამუხტული, ან 238 პროტონის გარდა არის 146 უარყოფითი ელექტრონი. მაშინ ყველაფერი კარგადაა: ატომური წონა იქნება 238, დადებითი მუხტები 238 და უარყოფითი 146, შესაბამისად, მთლიანი მუხტი არის 92. მაგრამ ჩვენ უკვე დავადგინეთ, რომ ბირთვში ელექტრონების არსებობის დაშვება შეუთავსებელია ჩვენს იდეებთან: ბირთვში ელექტრონების მოთავსება შეუძლებელია ზომით და მაგნიტური თვისებებით. ერთგვარი წინააღმდეგობა დარჩა.

ნეიტრონის აღმოჩენა

ეს წინააღმდეგობა გაანადგურა ახალმა ექსპერიმენტულმა ფაქტმა, რომელიც დაახლოებით ორი წლის წინ აღმოაჩინეს ირინე კიურიმ და მისმა ქმარმა ჯოლიოტმა (ირინე კიური არის მარი კიურის ქალიშვილი, რომელმაც აღმოაჩინა რადიუმი). ირინე კიურიმ და ჯოლიოტმა აღმოაჩინეს, რომ როდესაც ბერილიუმი (პერიოდული ცხრილის მეოთხე ელემენტი) იბომბება ალფა ნაწილაკებით, ბერილიუმი ასხივებს რაღაც უცნაურ სხივებს, რომლებიც შეაღწევს მატერიის უზარმაზარ სისქეს. როგორც ჩანს, რადგან ისინი ასე ადვილად შეაღწევენ ნივთიერებებს, არ უნდა გამოიწვიონ იქ რაიმე მნიშვნელოვანი ეფექტი, წინააღმდეგ შემთხვევაში მათი ენერგია ამოიწურება და არ შეაღწევს ნივთიერებას. მეორეს მხრივ, ირკვევა, რომ ეს სხივები, რომლებიც ეჯახება ატომის ბირთვს, უარყოფს მას უზარმაზარი ძალით, თითქოს მძიმე ნაწილაკს მოხვდა. ასე რომ, ერთის მხრივ, უნდა ვიფიქროთ, რომ ეს სხივები მძიმე ბირთვებია და, მეორე მხრივ, მათ შეუძლიათ გაიარონ უზარმაზარი სისქეები ყოველგვარი გავლენის გარეშე.

ამ წინააღმდეგობის გამოსავალი აღმოჩნდა იმაში, რომ ეს ნაწილაკი არ არის დამუხტული. თუ ნაწილაკს არ აქვს ელექტრული მუხტი, მაშინ მასზე არაფერი იმოქმედებს და ის თვითონ არ იმოქმედებს არაფერზე. მხოლოდ მაშინ, როცა მოძრაობისას სადმე ქვემეხს გადაეყრება, ის აგდებს.

ამრიგად, გამოჩნდა ახალი დაუმუხტი ნაწილაკები - ნეიტრონები. აღმოჩნდა, რომ ამ ნაწილაკების მასა დაახლოებით იგივეა, რაც წყალბადის ნაწილაკის მასა - 1,0065 (პროტონზე მეათასედი ნაკლები, შესაბამისად, მისი ენერგია დაახლოებით 1 მილიონი ელექტრონ ვოლტით ნაკლებია). ეს ნაწილაკი პროტონის მსგავსია, მაგრამ მხოლოდ დადებითი მუხტი აკლია, ის ნეიტრალურია, მას ნეიტრონი ეწოდა.

მას შემდეგ რაც გაირკვა ნეიტრონების არსებობა, შემოთავაზებული იქნა სრულიად განსხვავებული იდეა ბირთვის სტრუქტურის შესახებ. იგი ჯერ გამოთქვა დ.დ.ივანენკომ, შემდეგ კი განავითარა, განსაკუთრებით ჰაიზენბერგმა, რომელმაც გასულ წელს ნობელის პრემია მიიღო. ბირთვი შეიძლება შეიცავდეს პროტონებს და ნეიტრონებს. შეიძლება ვივარაუდოთ, რომ ბირთვი მხოლოდ პროტონებისა და ნეიტრონებისგან შედგება. მაშინ პერიოდული სისტემის მთელი კონსტრუქცია სრულიად განსხვავებული, მაგრამ ძალიან მარტივი ჩანს. როგორ უნდა წარმოვიდგინოთ, მაგალითად, ურანი? მისი ატომური წონაა 238, ანუ არის 238 ნაწილაკი. მაგრამ ზოგიერთი მათგანი პროტონებია, ზოგიც ნეიტრონები. თითოეულ პროტონს აქვს დადებითი მუხტი; თუ ურანის მუხტი არის 92, მაშინ ეს ნიშნავს, რომ 92 არის პროტონები, ხოლო დანარჩენი ნეიტრონები. ამ იდეამ უკვე გამოიწვია არაერთი ძალიან მნიშვნელოვანი წარმატება და მაშინვე განმარტა პერიოდული სისტემის მთელი რიგი თვისებები, რომლებიც ადრე სრულიად იდუმალი ჩანდა. როდესაც პროტონები და ნეიტრონები ცოტაა, მაშინ, ტალღური მექანიკის თანამედროვე კონცეფციების თანახმად, უნდა ველოდოთ, რომ ბირთვში პროტონებისა და ნეიტრონების რაოდენობა იგივეა. მხოლოდ პროტონს აქვს მუხტი, ხოლო პროტონების რაოდენობა იძლევა ატომურ რიცხვს. და ელემენტის ატომური წონა არის პროტონებისა და ნეიტრონების წონების ჯამი, რადგან ორივეს ერთი ატომური წონა აქვს. ამის საფუძველზე შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ატომური რიცხვი ატომური წონის ნახევარია.

ახლა რჩება ერთი სირთულე, ერთი წინააღმდეგობა. ეს არის ბეტა ნაწილაკების მიერ შექმნილი წინააღმდეგობა.

პოზიტრონის აღმოჩენა

ჩვენ მივედით დასკვნამდე, რომ ბირთვში არაფერია დადებითად დამუხტული პროტონის გარდა. მაშინ როგორ გამოიდევნება უარყოფითი ელექტრონები ბირთვიდან, თუ იქ საერთოდ არ არის უარყოფითი მუხტები? როგორც ხედავთ, მძიმე მდგომარეობაში ვართ.

ჩვენ კვლავ გამოგვყავს მისგან ახალი ექსპერიმენტული ფაქტი, ახალი აღმოჩენა. ეს აღმოჩენა, ალბათ, პირველად გააკეთა D.V. Skobeltsyn-მა, რომელმაც დიდი ხნის განმავლობაში სწავლობდა კოსმოსურ სხივებს, აღმოაჩინა, რომ კოსმოსური სხივების გამოსხივებას შორის არის დადებითი სინათლის ნაწილაკები. მაგრამ ეს აღმოჩენა იმდენად ეწინააღმდეგებოდა ყველაფერს, რაც მტკიცედ იყო დადგენილი, რომ სკობელცინმა თავიდან ასეთი ინტერპრეტაცია არ მისცა თავის დაკვირვებებს.

შემდეგი ადამიანი, ვინც ეს ფენომენი აღმოაჩინა, იყო ამერიკელი ფიზიკოსი ანდერსენი პასადენაში (კალიფორნია), მის შემდეგ კი ინგლისში, რეზერფორდის ლაბორატორიაში, ბლეკეტში. ეს არის დადებითი ელექტრონები ან, როგორც მათ კარგად არ ეძახდნენ, პოზიტრონები. ის, რომ ეს მართლაც დადებითი ელექტრონებია, ყველაზე ადვილად ჩანს მათი ქცევით მაგნიტურ ველში. მაგნიტურ ველში ელექტრონები გადახრილია ერთი მიმართულებით, ხოლო პოზიტრონები მეორე მიმართულებით და მათი გადახრის მიმართულება განსაზღვრავს მათ ნიშანს.

თავდაპირველად პოზიტრონები მხოლოდ კოსმოსური სხივების გავლისას შეინიშნებოდა. სულ ახლახან, იგივე ირინე კიურიმ და ჯოლიოტმა აღმოაჩინეს ახალი შესანიშნავი ფენომენი. აღმოჩნდა, რომ არსებობს რადიოაქტიურობის ახალი ტიპი, რომ ალუმინის, ბორის, მაგნიუმის ბირთვები, რომლებიც თავად არ არიან რადიოაქტიურები, ალფა სხივებით დაბომბვისას რადიოაქტიური ხდება. 2-დან 14 წუთის განმავლობაში ისინი აგრძელებენ ნაწილაკების გამოყოფას საკუთარი სურვილით და ეს ნაწილაკები აღარ არის ალფა და ბეტა სხივები, არამედ პოზიტრონები.

პოზიტრონების თეორია გაცილებით ადრე შეიქმნა, ვიდრე თავად პოზიტრონი იქნა ნაპოვნი. დირაკმა საკუთარ თავს დაავალა მიეცა ტალღური მექანიკის განტოლებებს ისეთი ფორმა, რომ ისინი ასევე დააკმაყოფილებდნენ ფარდობითობის თეორიას.

თუმცა დირაკის ამ განტოლებებს ძალიან უცნაური შედეგი მოჰყვა. მასა მათში სიმეტრიულად შედის, ანუ როცა მასის ნიშანი საპირისპიროდ იცვლება, განტოლებები არ იცვლება. მასის მიმართ განტოლებების ამ სიმეტრიამ დირაკს საშუალება მისცა გამოეტანა დადებითი ელექტრონების არსებობის შესაძლებლობა.

იმ დროს არავის დაუკვირვებია დადებითი ელექტრონები და არსებობდა მტკიცე რწმენა, რომ არ არსებობდა დადებითი ელექტრონები (ეს შეიძლება ვიმსჯელოთ იმ სიფრთხილით, რომლითაც ორივე სკობელცინი და ანდერსენი მიუდგნენ ამ საკითხს), ამიტომ დირაკის თეორია უარყვეს. ორი წლის შემდეგ პოზიტიური ელექტრონები ფაქტობრივად აღმოაჩინეს და, ბუნებრივია, გაიხსენეს დირაკის თეორია, რომელიც მათ გარეგნობას იწინასწარმეტყველა.

"მატერიალიზაცია" და "განადგურება"

ეს თეორია დაკავშირებულია უამრავ უსაფუძვლო ინტერპრეტაციასთან, რომელიც მას ყველა მხრიდან აკრავს. აქ მინდა გავაანალიზო მატერიალიზაციის პროცესი, ასე დასახელებული მადამ კიურის ინიციატივით - გარეგნობა, როდესაც გამა სხივები გადის მატერიაში, ერთდროულად დადებითი და უარყოფითი ელექტრონების წყვილი. ეს ექსპერიმენტული ფაქტი განმარტებულია, როგორც ელექტრომაგნიტური ენერგიის გარდაქმნა მატერიის ორ ნაწილაკად, რომლებიც მანამდე არ არსებობდა. ამრიგად, ეს ფაქტი განიმარტება, როგორც მატერიის შექმნა და გაქრობა სხვა სხივების გავლენის ქვეშ.

მაგრამ თუ ყურადღებით დავაკვირდებით იმას, რასაც რეალურად ვაკვირდებით, ადვილი მისახვედრია, რომ წყვილების გარეგნობის ასეთ ინტერპრეტაციას საფუძველი არ აქვს. კერძოდ, სკობელცინის ნაშრომში ნათლად ჩანს, რომ წყვილი მუხტის გამოჩენა გამა სხივების გავლენის ქვეშ საერთოდ არ ხდება ცარიელ სივრცეში წყვილების გამოჩენა ყოველთვის მხოლოდ ატომებში შეინიშნება. შესაბამისად, აქ არ გვაქვს საქმე ენერგიის მატერიალიზაციასთან, არა რაიმე ახალი მატერიის გამოჩენასთან, არამედ მხოლოდ ატომში უკვე არსებული მატერიის შიგნით მუხტების გამოყოფასთან. სად იყო ის? უნდა ვიფიქროთ, რომ დადებითი და უარყოფითი მუხტის გაყოფის პროცესი ხდება ბირთვიდან არც თუ ისე შორს, ატომის შიგნით, მაგრამ არა ბირთვის შიგნით (შედარებით არც თუ ისე დიდ მანძილზე 10 -10 -10 -11 სმ, ხოლო რადიუსი ბირთვის არის 10 -12 -10 -13 სმ ).

ზუსტად იგივე შეიძლება ითქვას „მატერიის განადგურების“ საპირისპირო პროცესზე - უარყოფითი და დადებითი ელექტრონის ერთობლიობა მილიონი ელექტრონ ვოლტის ენერგიის გამოთავისუფლებით ელექტრომაგნიტური გამა სხივების ორი კვანტის სახით. და ეს პროცესი ყოველთვის ხდება ატომში, აშკარად მის ბირთვთან ახლოს.

აქ მივედით უკვე აღვნიშნეთ წინააღმდეგობის გადაჭრის შესაძლებლობამდე, რომელიც გამოწვეულია ბირთვის მიერ უარყოფითი ელექტრონების ბეტა სხივების გამოსხივებით, რომელიც, როგორც ვფიქრობთ, არ შეიცავს ელექტრონებს.

ცხადია, ბეტა ნაწილაკები ბირთვიდან კი არ გამოფრინდებიან, არამედ ბირთვის გამო; ბირთვის შიგნით ენერგიის განთავისუფლების გამო, მის მახლობლად ხდება დადებით და უარყოფით მუხტებად დაყოფის პროცესი, უარყოფითი მუხტი გამოიდევნება, ხოლო დადებითი მუხტი ბირთვში იწევს და ნეიტრონს აკავშირებს და დადებით პროტონს ქმნის. ეს არის ვარაუდი, რომელიც ცოტა ხნის წინ გაკეთდა.

აი, რა ვიცით ატომის ბირთვის შემადგენლობის შესახებ.

დასკვნა

დასასრულს, მოდით ვთქვათ რამდენიმე სიტყვა სამომავლო პერსპექტივებზე.

თუ ატომების შესწავლისას მივაღწიეთ გარკვეულ საზღვრებს, რომელთა მიღმაც რაოდენობრივი ცვლილებები გარდაიქმნება ახალ თვისებრივ თვისებებში, მაშინ ატომის ბირთვის საზღვრებზე ტალღური მექანიკის ის კანონები, რომლებიც აღმოვაჩინეთ ატომურ გარსში, წყვეტს მოქმედებას; ბირთვში იწყება ახალი, კიდევ უფრო განზოგადებული თეორიის ჯერ კიდევ ძალიან გაურკვეველი კონტურები, რომელთა მიმართაც ტალღური მექანიკა წარმოადგენს ფენომენის მხოლოდ ერთ მხარეს, რომლის მეორე მხარე ახლა იწყებს გახსნას - და იწყება, როგორც ყოველთვის, წინააღმდეგობებით.

ატომის ბირთვზე მუშაობას ასევე აქვს კიდევ ერთი ძალიან საინტერესო მხარე, რომელიც მჭიდროდ არის გადაჯაჭვული ტექნოლოგიების განვითარებასთან. ბირთვი კარგად არის დაცული Gamow-ის ბარიერით გარე გავლენისგან. თუ არ შემოვიფარგლებით მხოლოდ რადიოაქტიურ პროცესებში ბირთვების დაშლის დაკვირვებით, გვინდოდა ბირთვში შეღწევა გარედან და მისი აღდგენა, მაშინ ეს მოითხოვს უკიდურესად ძლიერ ზემოქმედებას.

ბირთვის პრობლემა ყველაზე სასწრაფოდ მოითხოვს ტექნოლოგიის შემდგომ განვითარებას, გადასვლას იმ ძაბვებიდან, რომლებიც უკვე აითვისა მაღალი ძაბვის ტექნოლოგიით, რამდენიმე ასეული ათასი ვოლტიდან მილიონ ვოლტამდე. ტექნოლოგიაში ახალი ეტაპი იქმნება. მილიონობით ვოლტის ახალი ძაბვის წყაროების შექმნაზე მუშაობა ახლა მიმდინარეობს ყველა ქვეყანაში - როგორც საზღვარგარეთ, ასევე აქ, კერძოდ ხარკოვის ლაბორატორიაში, რომელმაც პირველმა დაიწყო ეს სამუშაო და ლენინგრადის ფიზიკა-ტექნოლოგიის ინსტიტუტში. და სხვა ადგილებში.

ბირთვული პრობლემა ჩვენი დროის ერთ-ერთი ყველაზე აქტუალური პრობლემაა ფიზიკაში; მასზე უნდა იმუშაოს უკიდურესი ინტენსივობით და დაჟინებით და ამ საქმეში აუცილებელია აზროვნების დიდი გამბედაობა. ჩემს პრეზენტაციაში მე აღვნიშნე რამდენიმე შემთხვევა, როდესაც ახალ მასშტაბებზე გადასვლისას დავრწმუნდით, რომ ჩვენი ლოგიკური ჩვევები, შეზღუდულ გამოცდილებაზე აგებული ყველა ჩვენი იდეა არ იყო შესაფერისი ახალი ფენომენებისა და ახალი მასშტაბებისთვის. ჩვენ უნდა დავძლიოთ თითოეული ჩვენგანისთვის დამახასიათებელი საღი აზრის კონსერვატიზმი. საღი აზრი წარსულის კონცენტრირებული გამოცდილებაა; არ შეიძლება მოსალოდნელი იყოს, რომ ეს გამოცდილება სრულად მოიცავს მომავალს. ცენტრალურ რეგიონში, უფრო მეტად, ვიდრე ნებისმიერ სხვაში, მუდმივად უნდა გვახსოვდეს ახალი ხარისხობრივი თვისებების შესაძლებლობა და არ შეგეშინდეთ მათი. მეჩვენება, რომ სწორედ აქ უნდა იგრძნოს დიალექტიკური მეთოდის ძალა, მეთოდი, რომელიც მოკლებულია ამ კონსერვატიზმს, რომელმაც იწინასწარმეტყველა თანამედროვე ფიზიკის განვითარების მთელი კურსი. რა თქმა უნდა, ის, რასაც აქ ვგულისხმობ დიალექტიკურ მეთოდში, არ არის ენგელსისგან აღებული ფრაზების ერთობლიობა. ეს არ არის მისი სიტყვები, არამედ მათი მნიშვნელობა, რომელიც უნდა გადავიდეს ჩვენს საქმიანობაში; მხოლოდ ერთ დიალექტიკურ მეთოდს შეუძლია წინ წაგვიყვანოს ისეთ სრულიად ახალ და მოწინავე სფეროში, როგორიც არის ბირთვის პრობლემა.

სურ.18.4

2. სპონტანური (სპონტანური) გამოსხივება აღგზნებული ატომები ენერგიის ზედა ენერგეტიკული დონიდან გადასვლისას ე 2 ქვედა დონემდე ენერგიით ე 1 . გამოსხივებული კვანტის სიხშირე ნიგივეა, რაც აგზნების დროს შთანთქმული კვანტის სიხშირე, მაგრამ გავრცელების მიმართულება და რადიაციული რხევების ფაზა თვითნებურია.

3. სტიმულირებული ემისია ატომები აღგზნებული ატომების საწყის მდგომარეობაში გადასვლისას, შემხვედრი ელექტრომაგნიტური გამოსხივების გავლენის ქვეშ. კვანტური თვალსაზრისით, სტიმულირებული ემისიის ახალი კვანტური არაფრით განსხვავდება კვანტურისგან, რომელმაც მისი გარეგნობის სტიმულირება გამოიწვია. სტიმულირებული ემისია მკაცრად შეესაბამება მის გამომწვევ გამოსხივებას და შედეგად მიღებული ელექტრომაგნიტური ტალღის ინტენსივობა იზრდება. უნდა აღინიშნოს, რომ 1 და 3 გადასვლების ალბათობა იგივეა, ამიტომ შთანთქმის ან სტიმულირებული ემისიის უპირატესობა განისაზღვრება საშუალო ატომების რაოდენობის თანაფარდობით. ნ 1 და ნ 2 ენერგეტიკის მქონე შტატებში ე 1 და ე 2 .

თერმოდინამიკური წონასწორობის პირობებში, რომელიც ყველაზე ხშირად გვხვდება მატერიაში, პოპულაცია N 1ქვედა დონეს ყოველთვის მეტი მოსახლეობა ჰყავს N 2უმაღლესი დონე. ამრიგად, ელექტრომაგნიტური ტალღა კარგავს იმაზე მეტ ენერგიას, ვიდრე იძენს, ხოლო გამოსხივების ინტენსივობა მცირდება.

თუმცა ზოგიერთ შემთხვევაში შესაძლებელია ისეთი პირობების შექმნა, როცა ე.წ მოსახლეობის ინვერსია დონეები ( ნ 2 >ნ 1), ასეთი პოპულაციის მქონე გარემო ე.წ აქტიური . ასეთ გარემოში, იძულებითი გადასვლები ( ე 2® ე 1) ხდება უფრო ხშირად ვიდრე ატომების აგზნება, გამოსხივების ინტენსივობა იზრდება. აქტიურ გარემოში პოპულაციის ინვერსიის უზრუნველსაყოფად, საჭიროა ხელსაწყო გარემოს აღგზნებისთვის, მოწყობილობა, რომელიც ამარაგებს ენერგიას გარემოს ატომების აღგზნებისთვის.

ლაზერის მუშაობისთვის ენერგიის ორი დონე საკმარისი არ არის. წონასწორობაში ნ 1 >ნ 2 .

ჩვეულებრივ ლაზერებში გამოიყენება ე.წ სამსაფეხურიანი სისტემა აქტიური გარემოს შექმნა (სურ. 18.5). გარემოს ატომები აღგზნებულია გარკვეული გავლენით და ენერგიით მოძრაობს ძირითადი მდგომარეობიდან ე 1 ენერგიით აღგზნებულ მდგომარეობაში ე 3. მე-3 დონეზე, ატომი ცხოვრობს ძალიან მოკლედ, დაახლოებით 10-8 წმ, რის შემდეგაც ის სპონტანურად გადადის მე-2 მდგომარეობაში სინათლის გამოსხივების გარეშე (ენერგია გადაეცემა საშუალების სხვა ატომებს). მე-2 მდგომარეობაში სიცოცხლის ხანგრძლივობა გაცილებით გრძელია, 10-3 წმ-ის რიგითობით და ამ აღგზნებულ მდგომარეობაში გროვდება გარემოს ატომების დიდი რაოდენობა. გარემო იქმნება მე-2 და 1 დონის ინვერსიული პოპულაციის მქონე. თითოეული ფოტონი, შემთხვევით წარმოქმნილი 2®1 გადასვლისას, მოძრაობს აქტიურ გარემოში და შეუძლია მრავალი იძულებითი 2®1 გადასვლის გენერირება, რაც გამოიწვევს მეორადი ფოტონების ზვავს. არის პირველადი ფოტონის ასლები.

Პირველი ლაზერული (ინგლისური სახელწოდების Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) პირველი ასოებიდან, რომელიც მოქმედებდა სპექტრის ხილულ რეგიონში (რადიაციული ტალღის სიგრძე 0,69 მკმ) იყო ლალის ლაზერი (T. Meiman, 1960). რუბი არის ალუმინის ოქსიდის Al 2 O 3 წითელი კრისტალი ქრომის ატომების შერევით (დაახლოებით 0,05%). ეს არის ქრომის იონები ლალის კრისტალში, რომლებსაც აქვთ სამი ენერგეტიკული დონე, რომლებსაც აქვთ აუცილებელი თვისებები ინვერსიული პოპულაციის შესაქმნელად.

რადიოაქტიური დაბინძურების თავისებურება, სხვა დამაბინძურებლების დაბინძურებისგან განსხვავებით, არის ის, რომ არა თავად რადიონუკლიდი (დაბინძურება) ახდენს მავნე ზემოქმედებას ადამიანებზე და გარემო ობიექტებზე, არამედ რადიაცია, საიდანაც ის არის წყარო.

თუმცა არის შემთხვევები, როცა რადიონუკლიდი ტოქსიკური ელემენტია. მაგალითად, ჩერნობილის ატომურ ელექტროსადგურზე მომხდარი ავარიის შემდეგ, პლუტონიუმი 239, 242 Pu გათავისუფლდა გარემოში ბირთვული საწვავის ნაწილაკებით. გარდა იმისა, რომ პლუტონიუმი არის ალფა ემიტერი და მნიშვნელოვან საფრთხეს უქმნის გადაყლაპვისას, თავად პლუტონიუმი ტოქსიკური ელემენტია.

ამ მიზეზით გამოიყენება რაოდენობრივი მაჩვენებლების ორი ჯგუფი: 1) რადიონუკლიდების შემცველობის შესაფასებლად და 2) ობიექტზე რადიაციის ზემოქმედების შესაფასებლად.
აქტივობა- რადიონუკლიდების შემცველობის რაოდენობრივი საზომი გაანალიზებულ ობიექტში. აქტივობა განისაზღვრება ატომების რადიოაქტიური დაშლის რაოდენობით ერთეულ დროში. SI აქტივობის ერთეული არის ბეკერელი (Bq) უდრის ერთ დაშლას წამში (1Bq = 1 დაშლა/წმ). ზოგჯერ გამოიყენება აქტივობის საზომი არასისტემური ერთეული - კიური (Ci); 1Ci = 3.7 × 1010 Bq.

რადიაციის დოზა- ობიექტზე რადიაციის ზემოქმედების რაოდენობრივი საზომი.
გამომდინარე იქიდან, რომ რადიაციის ზემოქმედება ობიექტზე შეიძლება შეფასდეს სხვადასხვა დონეზე: ფიზიკური, ქიმიური, ბიოლოგიური; ცალკეული მოლეკულების, უჯრედების, ქსოვილების ან ორგანიზმების დონეზე და ა.შ. გამოიყენება რამდენიმე სახის დოზა: აბსორბირებული, ეფექტური ეკვივალენტი, ექსპოზიცია.

დროთა განმავლობაში რადიაციის დოზის ცვლილების შესაფასებლად გამოიყენება "დოზის სიჩქარის" მაჩვენებელი. დოზის მაჩვენებელიარის დოზა-დროის თანაფარდობა. მაგალითად, რუსეთში ბუნებრივი გამოსხივების წყაროებიდან გარეგანი გამოსხივების დოზის სიჩქარეა 4-20 μR/სთ.

ადამიანისთვის მთავარი სტანდარტი - დოზის ძირითადი ლიმიტი (1 mSv/წელი) - შემოღებულია ეფექტური ექვივალენტური დოზის ერთეულებში. არსებობს სტანდარტები საქმიანობის ერთეულებში, მიწის დაბინძურების დონეებში, VDU, GGP, SanPiN და ა.შ.

ატომის ბირთვის სტრუქტურა.

ატომი არის ქიმიური ელემენტის უმცირესი ნაწილაკი, რომელიც ინარჩუნებს მის ყველა თვისებას. თავისი სტრუქტურით, ატომი არის რთული სისტემა, რომელიც შედგება ძალიან მცირე ზომის დადებითად დამუხტული ბირთვისგან (10-13 სმ), რომელიც მდებარეობს ატომის ცენტრში და უარყოფითად დამუხტული ელექტრონები, რომლებიც ბრუნავენ ბირთვის გარშემო სხვადასხვა ორბიტაზე. ელექტრონების უარყოფითი მუხტი ბირთვის დადებითი მუხტის ტოლია, ხოლო ზოგადად ელექტრული ნეიტრალური გამოდის.

ატომის ბირთვები შედგება ნუკლეონები -ბირთვული პროტონები ( Z-პროტონების რაოდენობა) და ბირთვული ნეიტრონები (N - ნეიტრონების რაოდენობა). "ბირთვული" პროტონები და ნეიტრონები განსხვავდება ნაწილაკებისგან თავისუფალ მდგომარეობაში. მაგალითად, თავისუფალი ნეიტრონი, ბირთვში შეკრულისგან განსხვავებით, არასტაბილურია და იქცევა პროტონად და ელექტრონად.

ნუკლეონების რაოდენობა Am (მასური რიცხვი) არის პროტონებისა და ნეიტრონების რიცხვების ჯამი: Am = Z+N.

პროტონი -ნებისმიერი ატომის ელემენტარული ნაწილაკი, მას აქვს დადებითი მუხტი ელექტრონის მუხტის ტოლი. ატომის გარსში ელექტრონების რაოდენობა განისაზღვრება ბირთვში პროტონების რაოდენობით.

ნეიტრონი -ყველა ელემენტის სხვა ტიპის ბირთვული ნაწილაკები. ის არ არის მხოლოდ მსუბუქი წყალბადის ბირთვში, რომელიც შედგება ერთი პროტონისაგან. მას არ აქვს დამუხტვა და არის ელექტრონულად ნეიტრალური. ატომის ბირთვში ნეიტრონები სტაბილურია, მაგრამ თავისუფალ მდგომარეობაში ისინი არასტაბილურია. ერთი და იგივე ელემენტის ატომების ბირთვებში ნეიტრონების რაოდენობა შეიძლება მერყეობდეს, ამიტომ ბირთვში ნეიტრონების რაოდენობა ელემენტს არ ახასიათებს.

ნუკლეონები (პროტონები + ნეიტრონები) ინახება ატომის ბირთვში ბირთვული მიმზიდველი ძალებით. ბირთვული ძალები 100-ჯერ უფრო ძლიერია ვიდრე ელექტრომაგნიტური ძალები და, შესაბამისად, ინარჩუნებს ანალოგიურად დამუხტულ პროტონებს ბირთვის შიგნით. ბირთვული ძალები ვლინდება მხოლოდ ძალიან მცირე დისტანციებზე (10 -13 სმ, ისინი ქმნიან ბირთვის პოტენციურ შეკავშირებულ ენერგიას, რომელიც ზოგიერთი გარდაქმნის დროს ნაწილობრივ გამოიყოფა და გადაიქცევა კინეტიკურ ენერგიად).

ატომებისთვის, რომლებიც განსხვავდება ბირთვის შემადგენლობით, გამოიყენება სახელწოდება "ნუკლიდები", ხოლო რადიოაქტიური ატომებისთვის - "რადიონუკლიდები".

ნუკლიდებიუწოდებენ ატომებს ან ბირთვებს ნუკლეონების მოცემული რაოდენობით და მოცემული ბირთვული მუხტით (ნუკლიდის აღნიშვნა A X).

ნუკლიდებს, რომლებსაც აქვთ ნუკლეონის ერთნაირი რაოდენობა (Am = const) ეწოდება იზობარები.მაგალითად, ნუკლიდები 96 Sr, 96 Y, 96 Zr მიეკუთვნებიან იზობართა რიგს ნუკლეონების რიცხვით Am = 96.

ნუკლიდები, რომლებსაც აქვთ პროტონების იგივე რაოდენობა (Z = const), ე.წ იზოტოპები.ისინი განსხვავდებიან მხოლოდ ნეიტრონების რაოდენობით, ამიტომ ისინი მიეკუთვნებიან ერთსა და იმავე ელემენტს: 234 U , 235 U, 236 U , 238 U .

იზოტოპები- ნუკლიდები ნეიტრონების იგივე რაოდენობის მქონე (N = Am -Z = const). ნუკლიდები: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca მიეკუთვნება იზოტოპების სერიას 20 ნეიტრონით.

იზოტოპები ჩვეულებრივ აღინიშნება Z X M სახით, სადაც X არის ქიმიური ელემენტის სიმბოლო; M არის მასური რიცხვი, რომელიც უდრის ბირთვში პროტონებისა და ნეიტრონების რაოდენობის ჯამს; Z არის ბირთვის ატომური რიცხვი ან მუხტი, რომელიც უდრის ბირთვში პროტონების რაოდენობას. ვინაიდან თითოეულ ქიმიურ ელემენტს აქვს თავისი მუდმივი ატომური რიცხვი, ის ჩვეულებრივ გამოტოვებულია და შემოიფარგლება მხოლოდ მასობრივი რიცხვის ჩაწერით, მაგალითად: 3 H, 14 C, 137 Cs, 90 Sr და ა.შ.

ბირთვის ატომებს, რომლებსაც აქვთ იგივე მასობრივი რიცხვი, მაგრამ განსხვავებული მუხტები და, შესაბამისად, განსხვავებული თვისებები, ეწოდება "იზობარები", მაგალითად, ფოსფორის ერთ-ერთ იზოტოპს აქვს მასობრივი რიცხვი 32 - 15 P 32, ერთ-ერთი იზოტოპი. გოგირდს აქვს იგივე მასის ნომერი - 16 S 32.

ნუკლიდები შეიძლება იყოს სტაბილური (თუ მათი ბირთვები სტაბილურია და არ იშლება) და არასტაბილური (თუ მათი ბირთვები არასტაბილურია და განიცდიან ცვლილებებს, რაც საბოლოოდ იწვევს ბირთვის სტაბილურობის ზრდას). არასტაბილური ატომური ბირთვები, რომლებსაც შეუძლიათ სპონტანურად დაშლა, ეწოდება რადიონუკლიდები.ატომის ბირთვის სპონტანური დაშლის ფენომენი, რომელსაც თან ახლავს ნაწილაკების და (ან) ელექტრომაგნიტური გამოსხივება, ე.წ. რადიოაქტიურობა.

რადიოაქტიური დაშლის შედეგად შეიძლება წარმოიქმნას როგორც სტაბილური, ისე რადიოაქტიური იზოტოპი, რომელიც თავის მხრივ სპონტანურად იშლება. რადიოაქტიური ელემენტების ასეთ ჯაჭვებს, რომლებიც დაკავშირებულია ბირთვული გარდაქმნების სერიით, ე.წ რადიოაქტიური ოჯახები.

ამჟამად IUPAC-მა (სუფთა და გამოყენებითი ქიმიის საერთაშორისო კავშირმა) ოფიციალურად დაასახელა 109 ქიმიური ელემენტი. მათგან მხოლოდ 81-ს აქვს სტაბილური იზოტოპები, რომელთაგან ყველაზე მძიმეა ბისმუტი (ზ= 83). დანარჩენი 28 ელემენტისთვის ცნობილია მხოლოდ რადიოაქტიური იზოტოპები, ურანით (U~ 92) ბუნებაში ნაპოვნი უმძიმესი ელემენტია. ყველაზე დიდ ბუნებრივ ნუკლიდს აქვს 238 ნუკლეონი. საერთო ჯამში, ამ 109 ელემენტის დაახლოებით 1700 ნუკლიდის არსებობა უკვე დადასტურებულია და ცალკეული ელემენტებისთვის ცნობილი იზოტოპების რაოდენობა მერყეობს 3-დან (წყალბადისთვის) 29-მდე (პლატინისთვის).

სტატიის შინაარსი

ატომის ბირთვის სტრუქტურა.ბირთვი არის ატომის ცენტრალური ნაწილი. მასში კონცენტრირებულია დადებითი ელექტრული მუხტი და ატომის მასის დიდი ნაწილი; ელექტრონის ორბიტების რადიუსთან შედარებით, ბირთვის ზომები უკიდურესად მცირეა: 10–15–10–14 მ ყველა ატომის ბირთვი შედგება პროტონებისა და ნეიტრონებისგან, რომლებსაც აქვთ თითქმის იგივე მასა, მაგრამ მხოლოდ პროტონი ატარებს. ელექტრული მუხტი. პროტონების საერთო რაოდენობას ატომური რიცხვი ეწოდება ზატომი, რომელიც ემთხვევა ნეიტრალურ ატომში ელექტრონების რაოდენობას. ბირთვული ნაწილაკები (პროტონები და ნეიტრონები), რომლებსაც ნუკლეონები ეწოდებათ, ერთმანეთთან იმართება ძალიან ძლიერი ძალებით; მათი ბუნებით, ეს ძალები არ შეიძლება იყოს არც ელექტრული და არც გრავიტაციული და სიდიდით ისინი მრავალი რიგით აღემატება იმ ძალებს, რომლებიც ელექტრონებს აკავშირებს ბირთვს.

ბირთვის ნამდვილი ზომის პირველი იდეა წარმოიშვა რეზერფორდის ექსპერიმენტებმა ალფა ნაწილაკების თხელ ლითონის ფოლგაში გაფანტვის შესახებ. ნაწილაკებმა ღრმად შეაღწიეს ელექტრონულ გარსებში და გადაიხარა დამუხტულ ბირთვთან მიახლოებისას. ამ ექსპერიმენტებმა ნათლად მიუთითა ცენტრალური ბირთვის მცირე ზომაზე და მიუთითა ბირთვული მუხტის განსაზღვრის მეთოდზე. რეზერფორდმა აღმოაჩინა, რომ ალფა ნაწილაკები დადებითი მუხტის ცენტრს უახლოვდება დაახლოებით 10-14 მ მანძილზე და ამან მას საშუალება მისცა დაესკვნა, რომ ეს იყო ბირთვის მაქსიმალური შესაძლო რადიუსი.

ამ ვარაუდებზე დაყრდნობით ბორმა ააგო თავისი ატომის კვანტური თეორია, რომელმაც წარმატებით ახსნა დისკრეტული სპექტრული ხაზები, ფოტოელექტრული ეფექტი, რენტგენის სხივები და ელემენტების პერიოდული სისტემა. თუმცა, ბორის თეორიაში ბირთვი განიხილებოდა, როგორც დადებითი წერტილის მუხტი.

ატომების უმეტესობის ბირთვები არა მხოლოდ ძალიან მცირე აღმოჩნდა, არამედ მათზე არანაირად არ იმოქმედა ამაღელვებელი ოპტიკური ფენომენების ისეთი საშუალებებით, როგორიცაა რკალის ნაპერწკლის გამონადენი, ალი და ა. ბირთვის გარკვეული შინაგანი სტრუქტურის არსებობის მანიშნებელია 1896 წელს ა.ბეკერელის მიერ რადიოაქტიურობის აღმოჩენა. აღმოჩნდა, რომ ურანი, შემდეგ კი რადიუმი, პოლონიუმი, რადონი და ა.შ. ასხივებს არა მხოლოდ მოკლე ტალღის ელექტრომაგნიტურ გამოსხივებას, რენტგენის სხივებს და ელექტრონებს (ბეტა სხივები), არამედ უფრო მძიმე ნაწილაკებს (ალფა სხივები) და ეს შეიძლება მოდიოდეს მხოლოდ ატომის მასიური ნაწილიდან. რეზერფორდმა გამოიყენა რადიუმის ალფა ნაწილაკები თავის გაფანტვის ექსპერიმენტებში, რაც საფუძვლად დაედო ბირთვული ატომის შესახებ იდეების ჩამოყალიბებას. (იმ დროს ცნობილი იყო, რომ ალფა ნაწილაკები ჰელიუმის ატომები იყო, რომლებიც მოხსნილი იყო ელექტრონებისაგან; მაგრამ კითხვაზე, თუ რატომ ასხივებს მათ სპონტანურად ზოგიერთი მძიმე ატომები, ჯერ არ იყო პასუხი და არც ბირთვის ზომის ზუსტი წარმოდგენა არსებობდა.)

იზოტოპების აღმოჩენა.

ტომსონის, ფ. ასტონის და სხვა მკვლევარების მიერ უფრო მოწინავე მასის სპექტრომეტრების გამოყენებით და უფრო დიდი სიზუსტით განხორციელებული "არხის სხივების" მასების გაზომვამ მისცა ბირთვის, ისევე როგორც მთლიანად ატომის სტრუქტურის გასაღები. . მაგალითად, მუხტისა და მასის თანაფარდობის გაზომვამ აჩვენა, რომ წყალბადის ბირთვის მუხტი, როგორც ჩანს, არის ერთეული დადებითი მუხტი, რომელიც რიცხობრივად უდრის ელექტრონისა და მასის მუხტს. მ გვ = 1837მ ე, სად მ ე- ელექტრონული მასა. ჰელიუმს ორმაგი მუხტის მქონე იონების გამომუშავება შეეძლო, მაგრამ მისი მასა წყალბადის მასას 4-ჯერ აღემატებოდა. ამრიგად, W. Prout-ის მიერ ადრე გამოთქმული ჰიპოთეზა, რომ ყველა ატომი წყალბადის ატომებისგან არის აგებული, სერიოზულად შეირყა.

ნეონის ატომის მასის შედარება სხვა ელემენტების ცნობილ მასებთან მის მასის სპექტროგრაფზე, ტომსონმა 1912 წელს მოულოდნელად აღმოაჩინა, რომ ერთის ნაცვლად ნეონი შეესაბამება ორ პარაბოლას. ნაწილაკების მასის გამოთვლებმა აჩვენა, რომ ერთ-ერთი პარაბოლა შეესაბამება 20 მასის მქონე ნაწილაკებს, ხოლო მეორე მასის 22. ეს იყო პირველი მტკიცებულება იმისა, რომ გარკვეული ქიმიური ელემენტის ატომებს შეიძლება ჰქონდეთ განსხვავებული მასის რიცხვი. ვინაიდან გაზომილი (საშუალო) მასის რიცხვი აღმოჩნდა 20.2, ტომსონმა თქვა, რომ ნეონი შედგება ორი ტიპის ატომისგან, 90% მასით 20 და 10% 22 მასით. ვინაიდან ორივე ტიპის ატომები ბუნებაში არსებობს. ნარევი და მათი ქიმიურად განცალკევება გამოდის 20,2.

ნეონის ატომების ორი ტიპის არსებობა ვარაუდობს, რომ სხვა ელემენტები შეიძლება იყოს ატომების ნარევები. მასობრივი სპექტრომეტრიის შემდგომმა გაზომვებმა აჩვენა, რომ ბუნებრივი ელემენტების უმეტესობა არის ორიდან ათ სხვადასხვა სახის ატომის ნარევები. ერთი და იგივე ელემენტის ატომებს სხვადასხვა მასით იზოტოპები ეწოდება. ზოგიერთ ელემენტს აქვს მხოლოდ ერთი იზოტოპი, რაც მოითხოვდა თეორიულ ახსნას, ისევე როგორც ელემენტების სხვადასხვა სიმრავლის ფაქტი, ასევე რადიოაქტიურობის არსებობა მხოლოდ გარკვეულ ნივთიერებებში.

იზოტოპების აღმოჩენასთან დაკავშირებით წარმოიშვა სტანდარტიზაციის პრობლემა, ვინაიდან ქიმიკოსებმა სტანდარტად ადრე აირჩიეს „ჟანგბადი“ (16.000000 ატომური მასის ერთეული), რომელიც აღმოჩნდა ოთხი იზოტოპის ნაზავი. შედეგად, გადაწყდა "ფიზიკური" მასის სკალის დადგენა, რომელშიც ჟანგბადის ყველაზე გავრცელებულ იზოტოპს მიენიჭა მნიშვნელობა 16.000000 amu. თუმცა, 1961 წელს ქიმიკოსებსა და ფიზიკოსებს შორის მიღწეული იქნა შეთანხმება, რომლის მიხედვითაც ყველაზე გავრცელებულ იზოტოპს ნახშირბად-12 მიენიჭა 12.00000 ამუ. ვინაიდან ატომების რაოდენობა იზოტოპის 1 მოლში უდრის ავოგადროს რიცხვს ნ 0, ვიღებთ

გაითვალისწინეთ, რომ ატომური მასის ერთეული მოიცავს ერთი ელექტრონის მასას, ხოლო წყალბადის ყველაზე მსუბუქი იზოტოპის მასა თითქმის 1%-ით მეტია 1 ამუს.

ნეიტრონის აღმოჩენა.

იზოტოპების აღმოჩენამ არ გაარკვია ბირთვის სტრუქტურის საკითხი. ამ დროისთვის ცნობილი იყო მხოლოდ პროტონები - წყალბადის ბირთვები და ელექტრონები, და ამიტომ ბუნებრივი იყო იზოტოპების არსებობის ახსნა ამ დადებით და უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკების სხვადასხვა კომბინაციით. შეიძლება ვიფიქროთ, რომ ბირთვები შეიცავს აპროტონები, სადაც ა– მასობრივი რიცხვი და ა-ზელექტრონები. ამ შემთხვევაში მთლიანი დადებითი მუხტი ემთხვევა ატომურ რიცხვს ზ.

ერთგვაროვანი ბირთვის ასეთი მარტივი სურათი თავდაპირველად არ ეწინააღმდეგებოდა დასკვნას ბირთვის მცირე ზომის შესახებ, რომელიც მოჰყვა რუტერფორდის ექსპერიმენტებს. ელექტრონის „ბუნებრივი რადიუსი“. რ 0 = ე 2 /მკ 2 (რომელიც მიიღება თუ გავატოლებთ ელექტროსტატიკური ენერგიას ე 2 /რ 0 მუხტი განაწილებული სფერულ გარსზე, ელექტრონის საკუთარი ენერგია მკ 2) არის რ 0 = 2,82 × 10 -15 მ ასეთი ელექტრონი საკმარისად მცირეა 10 -14 მ რადიუსის მქონე ბირთვის შიგნით, თუმცა ძნელი იქნება იქ ნაწილაკების დიდი რაოდენობით განთავსება. 1920 წელს რეზერფორდმა და სხვა მეცნიერებმა განიხილეს პროტონისა და ელექტრონის სტაბილური კომბინაციის შესაძლებლობა, რომელიც წარმოქმნიდა ნეიტრალურ ნაწილაკს პროტონის მასის დაახლოებით ტოლი. თუმცა, ელექტრული მუხტის ნაკლებობის გამო, ასეთი ნაწილაკების აღმოჩენა რთული იქნება. ნაკლებად სავარაუდოა, რომ მათ შეეძლოთ ელექტრონების ამოღება ლითონის ზედაპირებიდან, როგორც ელექტრომაგნიტური ტალღები ფოტოელექტრული ეფექტის დროს.

მხოლოდ ათი წლის შემდეგ, მას შემდეგ, რაც ბუნებრივი რადიოაქტიურობა ღრმად იქნა შესწავლილი და რადიოაქტიური გამოსხივება ფართოდ გამოიყენებოდა ატომების ხელოვნური ტრანსფორმაციის გამოწვევის მიზნით, საიმედოდ დადგინდა ბირთვის ახალი კომპონენტის არსებობა. 1930 წელს W. Bothe და G. Becker-მა გიესენის უნივერსიტეტიდან გაასხივეს ლითიუმი და ბერილიუმი ალფა ნაწილაკებით და ჩაწერეს მიღებული გამჭოლი გამოსხივება გეიგერის მრიცხველის გამოყენებით. ვინაიდან ამ გამოსხივებას არ ახდენდა ზემოქმედება ელექტრულ და მაგნიტურ ველებზე და ჰქონდა მაღალი შეღწევადობის ძალა, ავტორებმა დაასკვნეს, რომ მძიმე გამა გამოსხივება გამოიცა. 1932 წელს ფ. ჯოლიოტმა და ი. კიურიმ გაიმეორეს ექსპერიმენტები ბერილიუმთან დაკავშირებით, გადასცემდნენ ასეთ გამჭოლი რადიაციას პარაფინის ბლოკში. მათ აღმოაჩინეს, რომ უჩვეულოდ მაღალი ენერგიის პროტონები წარმოიქმნება პარაფინიდან და დაასკვნეს, რომ გამა სხივები იფანტება პარაფინში და წარმოქმნის პროტონებს. (1923 წელს აღმოაჩინეს, რომ რენტგენის სხივები იფანტება ელექტრონებით, რაც იძლევა კომპტონის ეფექტს.)

ჯ.ჩედვიკმა გაიმეორა ექსპერიმენტი. მან ასევე გამოიყენა პარაფინი და იონიზაციის კამერის გამოყენებით (სურ. 1), რომელშიც ატომებიდან ელექტრონების ამოვარდნისას წარმოქმნილი მუხტი შეგროვდა, გაზომა უკუცემის პროტონების დიაპაზონი.

ჩედვიკმა ასევე გამოიყენა აზოტის გაზი (ღრუბლულ კამერაში, სადაც წყლის წვეთები კონდენსირდება დამუხტული ნაწილაკების ბილიკზე) რადიაციის შთანთქმისა და აზოტის უკუცემის ატომების დიაპაზონის გასაზომად. ორივე ექსპერიმენტის შედეგებზე ენერგიისა და იმპულსის შენარჩუნების კანონების გამოყენებით, ის მივიდა დასკვნამდე, რომ აღმოჩენილი ნეიტრალური გამოსხივება იყო არაგამა გამოსხივება, მაგრამ ნაწილაკების ნაკადი პროტონის მასასთან ახლოს მყოფი მასით. ჩადვიკმა ასევე აჩვენა, რომ გამა გამოსხივების ცნობილი წყაროები არ არღვევენ პროტონებს.

ამან დაადასტურა ახალი ნაწილაკის არსებობა, რომელსაც ახლა ნეიტრონი ეწოდება. ლითონის ბერილიუმის დაშლა მოხდა შემდეგნაირად:

ალფა ნაწილაკები 4 2 ის (მუხტი 2, მასა ნომერი 4) შეეჯახა ბერილიუმის ბირთვებს (მუხტი 4, მასა ნომერი 9), რის შედეგადაც წარმოიქმნა ნახშირბადი და ნეიტრონი.

ნეიტრონის აღმოჩენა მნიშვნელოვანი წინგადადგმული ნაბიჯი იყო. ბირთვების დაკვირვებული მახასიათებლები ახლა შეიძლება განიმარტოს ნეიტრონების და პროტონების, როგორც ბირთვების შემადგენელი ნაწილების გათვალისწინებით. ნახ. სურათი 2 სქემატურად გვიჩვენებს რამდენიმე მსუბუქი ბირთვის სტრუქტურას.

ახლა ცნობილია, რომ ნეიტრონი პროტონზე 0,1%-ით მძიმეა. თავისუფალი ნეიტრონები (ბირთვის გარეთ) განიცდიან რადიოაქტიურ დაშლას, ხდება პროტონი და ელექტრონი. ეს მოგვაგონებს ნაერთი ნეიტრალური ნაწილაკების თავდაპირველ ჰიპოთეზას. თუმცა, სტაბილური ბირთვის შიგნით, ნეიტრონები დაკავშირებულია პროტონებთან და არ იშლება სპონტანურად.

ბირთვული კომუნიკაცია.

პროუტის თავდაპირველი ვარაუდი, რომ ყველა ატომური მასა უნდა იყოს წყალბადის ატომის მასის მთელი მამრავლი, ძალიან ახლოს არის ჭეშმარიტებასთან, განსაკუთრებით იზოტოპებთან მიმართებაში. გადახრები უკიდურესად მცირეა, ყოველთვის არაუმეტეს 1%, და უმეტეს შემთხვევაში არაუმეტეს 0,1%. იზოტოპური მასების დეტალური შესწავლა სრულყოფილების უმაღლეს ხარისხამდეა მიყვანილი: გაზომვის შეცდომა ამჟამად, როგორც წესი, არ აღემატება რამდენიმე მემილიონედს.

დადგენილია, რომ ნეიტრონების რაოდენობა დაახლოებით ემთხვევა ატომის პროტონების რაოდენობას, ე.ი.

სინამდვილეში, უფრო მძიმე ბირთვებს აქვთ ნეიტრონების გარკვეული ჭარბი რაოდენობა. იმის გამო, რომ ნეიტრონი არ არის დამუხტული, ძალები, რომლებიც იკავებენ ნეიტრონებს და პროტონებს ბირთვში, არ არის ელექტროსტატიკური ხასიათის; გარდა ამისა, მუხტების მსგავსად მოგერიებენ ერთმანეთს. ის ფაქტი, რომ ბირთვების გაყოფა ძალიან რთულია, მიუთითებს ძლიერი ბირთვული მიმზიდველი ძალების არსებობაზე. მიუხედავად მცირე მანძილებისა, ნუკლეონებს შორის გრავიტაციული მიზიდულობა ჯერ კიდევ ძალიან სუსტია ბირთვის სტაბილურობის უზრუნველსაყოფად.

აინშტაინის თანახმად, იზოლირებული სისტემის მთლიანი ენერგია შენარჩუნებულია, ხოლო მასა ენერგიის ფორმაა: ე = მკ 2. იმისთვის, რომ შეკრული სისტემა, როგორიცაა სტაბილური ატომის ბირთვი, დაყოს მის შემადგენელ ნეიტრონებსა და პროტონებად, მას ენერგია უნდა მიეცეს. ეს ნიშნავს, რომ ნეიტრონების და პროტონების მასა აღემატება ბირთვის მასას

დ M = ZM p + NM n – M A,Z,

სად Mpდა მ ნ– თავისუფალი პროტონისა და ნეიტრონის მასები და მ ა,ზ– ბირთვის მასა მუხტით ზდა მასის რიცხვი ა. ამ მასის განსხვავებას, რომელიც გამოხატულია ენერგიის ერთეულებში, ეწოდება შებოჭვის ენერგია. კონვერტაციის ფაქტორია:

1 ამუ = 931.14 მევ,

სადაც 1 მევ = 10 6 ევ. ამრიგად, სავალდებულო ენერგია E B=დ მაკ 2 არის ენერგია, რომელიც საჭიროა ბირთვის ცალკეულ ნეიტრონად და პროტონებად გასაყოფად.

საშუალო შეკავშირების ენერგია თითო ნუკლეონზე არის E B/ა, საკმაოდ რეგულარულად იცვლება ბირთვში ნუკლეონების რაოდენობის მატებასთან ერთად (ნახ. 3). პროტონის შემდეგ ყველაზე მსუბუქი ბირთვია დეიტრონი 2 1 H, რომლის დაშლა მოითხოვს 2,2 მევ ენერგიას, ე.ი. 1.1 მევ თითო ნუკლეონზე. 4 2 He alpha ნაწილაკი ბევრად უფრო ძლიერად არის შეკრული, ვიდრე მისი მეზობლები: მისი შემაკავშირებელი ენერგია არის 28 მევ. 20-ზე მეტი მასის მქონე ბირთვებისთვის, საშუალო შეკავშირების ენერგია თითო ნუკლეონზე რჩება თითქმის მუდმივი, დაახლოებით 8 მევ-ის ტოლი.

ბირთვების შებოჭვის ენერგია ატომში ვალენტური ელექტრონებისა და მოლეკულაში ატომების შეკავშირების ენერგიაზე ბევრად მაღალია. წყალბადის ატომიდან მისი ერთადერთი ელექტრონის ამოსაღებად საკმარისია 13,5 ევ ენერგია; ტყვიის შიდა ელექტრონების მოსაშორებლად, რომლებიც ყველაზე მჭიდროდ არის შეკრული, საჭიროა 0,1 მევ ენერგია. შესაბამისად, ყველა ბირთვული პროცესი მოიცავს ენერგიებს, რომლებიც მნიშვნელოვნად აღემატება იმას, რასაც ჩვეულებრივ ქიმიურ რეაქციებში ან ჩვეულებრივ ტემპერატურასა და წნევაზე ვატარებთ.

ბუნებრივი რადიოაქტიურობა.

ბირთვული ფიზიკა დაიწყო ბუნებრივი რადიოაქტიურობის ფენომენით. ურანის მიერ გამოსხივებული ალფა, ბეტა და გამა გამოსხივება ბირთვული წარმოშობისაა, ხოლო ოპტიკური და რენტგენის სპექტრები შეესაბამება ატომის ელექტრონულ სტრუქტურას. ალფა ნაწილაკები ჰელიუმის ბირთვები აღმოჩნდა. ბეტა ნაწილაკები მუხტითა და მასით იდენტურია ატომის გარსის ელექტრონებისა, მაგრამ მათი ბირთვული წარმოშობა აშკარად აჩვენა დაშლილი ბირთვის მუხტის ცვლილებით. გარდა ამისა, გამა გამოსხივების ენერგია მნიშვნელოვნად აღემატება იმ ენერგიას, რომელიც შეიძლება გამოსხივდეს ელექტრონების მიერ ატომის გარე გარსიდან, შესაბამისად, ეს გამჭოლი გამოსხივება ბირთვული წარმოშობისაა.

ზოგიერთ ბუნებრივ ელემენტს მაღალი ატომური რიცხვით (ურანი, თორიუმი, აქტინიუმი) აქვს რადიოაქტიური იზოტოპები, რომლებიც იშლება სხვა რადიოაქტიური იზოტოპების წარმოქმნით (როგორიცაა რადიუმი) და საბოლოოდ სტაბილური ტყვია. "მშობელი" იზოტოპის სიცოცხლის ხანგრძლივობა თითოეულ შემთხვევაში შედარებულია დედამიწის ასაკთან, რომელიც შეფასებულია 10 მილიარდ წელს. ვარაუდობენ, რომ დედამიწის ფორმირების დროს არსებობდა რადიოაქტიური ნივთიერებების დიდი რაოდენობა, მაგრამ ხანმოკლე ელემენტები დიდი ხანია გადაიქცა სტაბილურ საბოლოო პროდუქტად. შესაძლებელია, რომ ზოგიერთი იზოტოპი, რომელსაც "სტაბილურად" უწოდებენ, რეალურად იშლება, მაგრამ მათი დაშლის პერიოდები ("სიცოცხლის დრო") იმდენად გრძელია, რომ მათი გაზომვა არსებული მეთოდებით შეუძლებელია.

რადიოაქტიურობის მნიშვნელოვანი როლი ბირთვულ ფიზიკაში განპირობებულია იმით, რომ რადიოაქტიური გამოსხივება ატარებს ინფორმაციას ბირთვის ნაწილაკების ტიპებისა და ენერგიის დონის შესახებ. მაგალითად, ბირთვიდან ალფა ნაწილაკების გამოსხივება და ორი პროტონისა და ორი ნეიტრონის წარმოქმნის შედარებითი სტაბილურობა ირიბად მიუთითებს ბირთვის შიგნით ალფა ნაწილაკების არსებობის შესაძლებლობაზე.

განსხვავება ბუნებრივ და ხელოვნურად გამოწვეულ რადიოაქტიურობას შორის არ არის ძალიან მნიშვნელოვანი ბირთვის სტრუქტურის გასაგებად, მაგრამ ბუნებრივი რადიოაქტიური სერიების შესწავლამ მნიშვნელოვანი დასკვნები დაუშვა დედამიწის ასაკისა და ისეთი ელემენტების, როგორც ნაწილაკების დაბომბვის წყაროების გამოყენებამდე ნაწილაკამდე დიდი ხნით ადრე. გამოიგონეს ამაჩქარებლები.

ბირთვების ხელოვნური გარდაქმნები.

ბუნებრივად რადიოაქტიურ ელემენტებთან ჩატარებულმა ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ რადიოაქტიური დაშლის სიჩქარეზე გავლენას ვერ მოახდენს ჩვეულებრივი ფიზიკური საშუალებები: სითბო, წნევა და ა.შ. ამრიგად, თავიდან ჩანდა, რომ არ არსებობდა ეფექტური მეთოდი ბუნებრივად სტაბილური იზოტოპების სტრუქტურის შესასწავლად. თუმცა, 1919 წელს რეზერფორდმა აღმოაჩინა, რომ ბირთვების გაყოფა შესაძლებელია ალფა ნაწილაკებით დაბომბვით. პირველი ელემენტი, რომელიც გაიყო იყო აზოტი, რომელიც ავსებდა ღრუბლის კამერას გაზის სახით. თორიუმის წყაროს მიერ გამოსხივებული ალფა ნაწილაკები დაეჯახა აზოტის ბირთვებს და შეიწოვება მათ მიერ, რის შედეგადაც გამოიყოფა სწრაფი პროტონები. ამავე დროს იყო რეაქცია

ამ რეაქციის შედეგად აზოტის ატომი გარდაიქმნება ჟანგბადის ატომად. ამ მაგალითში, ბირთვების შემაკავშირებელი ენერგიები მსგავსია, თუმცა მნიშვნელოვნად აღემატება ქიმიურ რეაქციაში გამოთავისუფლებულ სითბოს. შემდგომში მსგავსი შედეგები იქნა მიღებული მრავალი სხვა ელემენტით. სხვადასხვა მეთოდის გამოყენებით შესაძლებელია გამოსხივებული დამუხტული ნაწილაკების ენერგიების და ემისიების კუთხეების გაზომვა, რაც რაოდენობრივი ექსპერიმენტების საშუალებას იძლევა.

შემდეგი ნაბიჯი იყო ჯ.კოკროფტის და ე. უოლტონის აღმოჩენა 1932 წელს. მათ დაადგინეს, რომ პროტონების ხელოვნურად აჩქარებულ სხივებს 120 კევ ენერგიით (ანუ რეზერფორდის ექსპერიმენტებში ალფა ნაწილაკებზე მნიშვნელოვნად ნაკლები ენერგიის გამოწვევა შეუძლია) მიმდინარეობს ლითიუმის ატომების გაყოფა

ჰელიუმის ორი ბირთვი (ალფა ნაწილაკები) ერთდროულად გამოიდევნება საპირისპირო მიმართულებით. მიზეზი, რის გამოც ეს რეაქცია ხდება დაბალ ენერგიაზე, არის ალფა ნაწილაკების ძლიერი კავშირი; 7 Li ბირთვის მასას პროტონის მიმატება იძლევა ენერგიას, რომელიც თითქმის უდრის ორი ალფა ნაწილაკების მასას. რეაქციისთვის საჭირო დარჩენილი ენერგია მოდის დაბომბვის პროტონების კინეტიკური ენერგიისგან.

ყველა ცნობილი ელემენტი და ბუნებრივად არსებული იზოტოპები შეიძლება „ხელოვნურად“ გარდაიქმნას მეზობელ ელემენტებად. ყველა ეს ახალი იზოტოპი აღმოჩნდება რადიოაქტიური, მაგრამ შემდგომი დაშლის შედეგად ისინი გადაიქცევა სტაბილურ იზოტოპებად. მიღებულია ახალი ელემენტები, 103 სერიული ნომრის ელემენტამდე; ყველა მათგანი რადიოაქტიური აღმოჩნდა შედარებით მოკლე ნახევარგამოყოფის პერიოდით. ამჟამად ცნობილია 1000-ზე მეტი იზოტოპი.

ბირთვების ენერგიის დონეები და ბირთვული მოდელები.

ბირთვული რეაქციების შესწავლამ დამაჯერებლად აჩვენა ბირთვული ენერგიის დონეების არსებობა. ეს დონეები წარმოადგენს ბირთვის მდგომარეობებს გარკვეული ენერგიით, რომელსაც ენიჭება გარკვეული კვანტური რიცხვები, ისევე როგორც ატომის ენერგეტიკული დონეები. ოპტიკური სპექტროსკოპიის ანალოგიით, ბირთვის მიერ ენერგიის დონეებს შორის გადასვლისას გამოსხივებული რადიაციის შესწავლას ბირთვული სპექტროსკოპია ეწოდება. თუმცა, როგორც ჩანს ნახ. 4, ბირთვების ენერგეტიკულ დონეებს შორის მანძილი გაცილებით მეტია, ვიდრე ატომების ელექტრონულ დონეებს შორის, ხოლო ბირთვული გამოსხივება, ელექტრომაგნიტური გამოსხივების გარდა, ასევე მოიცავს ელექტრონების, პროტონების, ალფა ნაწილაკების და სხვა ტიპის ნაწილაკების გამოსხივებას.

ბირთვში დისკრეტული ენერგიის დონეების არსებობა მოწმობს იმით, რომ ბირთვის აგზნება, რაც იწვევს რადიაციის გამოსხივებას, ხდება მხოლოდ დაბომბვის ნაწილაკების გარკვეულ ენერგიებში და ასევე, რომ გამოსხივებული ნაწილაკების ენერგიები შეესაბამება გადასვლებს. გარკვეულ დონეებს შორის. მაგალითად, შეიძლება გავზომოთ წარმოქმნილი პროტონების რაოდენობა, როდესაც ბორი-10 დაბომბავს მონოენერგეტიკული დეიტრონები რეაქციის შედეგად.

და განსაზღვროს მათი იმპულსები მაგნიტურ ველში გადახრის გზით. პროტონების ჩაწერილი სპექტრი სამიზნედან, რომელიც შეიცავს ბორს ნახშირბადის, აზოტის და სილიციუმის მინარევებისაგან ნაჩვენებია ნახ. 4. მკვეთრი, მკვეთრი მწვერვალები ნათლად აჩვენებს, რომ ბირთვის ენერგია ატომის ენერგიის მსგავსად კვანტიზებულია.

ნახ. სურათი 5 გვიჩვენებს ბორი-11 ბირთვის ენერგიის დონის დიაგრამას (11 V), აგზნების ენერგიებით გამოხატული MeV-ში. ბირთვული ენერგიის დონეების არათანაბარი განაწილება, რომელიც არ არის დამახასიათებელი ატომური ენერგიის დონეების განაწილებისთვის, განპირობებულია ბირთვების უფრო მკვრივი შეფუთვით და ბირთვის შიგნით ნაწილაკების ძლიერი ურთიერთქმედებით. აღგზნებული დონეებიდან, რომლებიც შეესაბამება 10 B ბირთვს, რომელიც დაბომბეს დეიტრონებით 1,51 მევ ენერგიით, შეიძლება მოხდეს გადასვლა ქვემოთ მდებარე ნებისმიერ დონეზე, რასაც თან ახლავს პროტონების გამოსხივება. თუ პროტონის ემისიის შემდეგ, 11B ბირთვი რჩება აღგზნებულ მდგომარეობაში, ის შეიძლება დაიშალა და გადავიდეს ყველაზე დაბალ, "ძირითად" მდგომარეობაში ერთი ან მეტი გამა სხივების გამოსხივებით.

ამჟამად არ არსებობს თანმიმდევრული და ერთიანი ახსნა ბირთვული ენერგიის დონის გამოჩენის მიზეზების შესახებ, მაგრამ არსებობს მთელი რიგი თეორიები, რომლებსაც შეუძლიათ ახსნან ზოგიერთი ფენომენი. ერთ-ერთი მათგანია „ჭურვის მოდელი“, რომელმაც ატომური ფიზიკიდან ისესხა ატომის გარსის სტრუქტურის იდეა, გამოიყენა იგი ბირთვის შიგნით ნეიტრონების და პროტონების კონფიგურაციის ანალიზზე.

1932 წელს ჯ. ბარტლეტმა შენიშნა, რომ ყველა სტაბილური ბირთვი, რომელიც მდებარეობს 4 He-სა და 16 O-ს შორის, მიეკუთვნება მიმდევრობას.

4 ის+ n+p+n+p +...,

ხოლო 16 O-სა და 36 Ar-ს შორის მსგავსი თანმიმდევრობა იღებს ფორმას

16 O+ n + n + p + p + n + n +....

მან შესთავაზა, რომ ეს ცვლილებები თანმიმდევრობაში ასახავს იმ თანმიმდევრობას, რომლითაც ჭურვები ივსება ნეიტრონებითა და პროტონებით. პაულის გამორიცხვის პრინციპი ბირთვული ნაწილაკების შემთხვევაში მოქმედებს ზუსტად ისევე, როგორც ელექტრონების შემთხვევაში, ხოლო გარსის მოდელში მივყავართ იმ ფაქტს, რომ პირველი გარსი შეიძლება შეიცავდეს მხოლოდ ორ პროტონს და ორ ნეიტრონს, მეორე შეიძლება შეიცავდეს ორივე ნაწილაკიდან ექვსი (ივსება 16 O-ით) და მესამეზე ათი (ივსება 36 Ar-ით). ბირთვების სტრუქტურაში პერიოდულობის არსებობა კვლავაც ვლინდება, თუმცა გარკვეული გადახრებით. ბირთვებში ნეიტრონებისა და პროტონების გარკვეული „ჯადოსნური რიცხვების“ არსებობა (2, 8, 20, 28, 50, 82 და 126), რომლებიც შეესაბამება შემაკავშირებელ ენერგიის მრუდის მწვერვალებს, შეიძლება აიხსნას შეცვლილი გარსის მოდელის საფუძველზე. (ე.წ. დამოუკიდებელი ნაწილაკების მოდელი), რომელიც იძლევა ბირთვების სპინებისა და მაგნიტური მომენტების სწორად პროგნოზირების საშუალებას. მაგალითად, ბირთვების ტრიალები შევსებული გარსებით, როგორც ეს მოდელი იწინასწარმეტყველა, ნულის ტოლია. თუმცა, მიუხედავად მრავალი უპირატესობისა, ჭურვის მოდელის ხელმისაწვდომი ვერსიები მაინც არ ხსნის ყველა ბირთვულ მოვლენას, რაც გასაკვირი არ არის ბირთვის რთული სტრუქტურის გათვალისწინებით.

რთული ბირთვისა და წვეთი მოდელი.

უფრო მძიმე ბირთვებში, ნუკლეონების რაოდენობა იმდენად დიდია, რომ ამ ბირთვების ქცევის მრავალი დაკვირვებული ნიმუში საუკეთესოდ არის რეპროდუცირებული წვეთოვანი მოდელით. ეს მოდელი შემოგვთავაზა 1936 წელს ნ. ბორის მიერ ნელი ნეიტრონების დაჭერისას წარმოქმნილი აღგზნებული ბირთვების ხანგრძლივი სიცოცხლის ასახსნელად. (ამ შემთხვევაში სიცოცხლის ხანგრძლივობა გაგებულია, როგორც დრო ბირთვის აგზნების მომენტიდან იმ მომენტამდე, როდესაც ის დაკარგავს აგზნების ენერგიას რადიაციის გამოსხივების შედეგად.) სიცოცხლის ხანგრძლივობა მილიონჯერ მეტი აღმოჩნდა, ვიდრე დრო. საჭიროა ნეიტრონის ბირთვის გადაკვეთისთვის (10-22 წმ). ეს იმაზე მეტყველებს, რომ აღგზნებული ბირთვი არის გარკვეული სისტემა ("კომპონენტური ბირთვი"), რომლის სიცოცხლე გაცილებით მეტია, ვიდრე მისი ფორმირების დრო.

ბორი ვარაუდობს, რომ ბირთვული რეაქცია ორ ეტაპად მიმდინარეობს. პირველ ეტაპზე, ინციდენტის ნაწილაკი შედის სამიზნე ბირთვში, აყალიბებს "ნაერთ ბირთვს", სადაც მრავალი შეჯახებისას ის კარგავს საწყის ენერგიას, ანაწილებს მას ბირთვის სხვა ნუკლეონებს შორის. შედეგად, არცერთ ნაწილაკს არ გააჩნია ბირთვიდან გასაქცევად საჭირო ენერგია. მეორე ეტაპი, ნაერთი ბირთვის დაშლა, ხდება გარკვეული დროის შემდეგ, როდესაც ენერგია შემთხვევით კონცენტრირდება ერთ ნაწილაკზე ან იკარგება გამა გამოსხივების სახით. ითვლება, რომ მეორე ეტაპი დამოუკიდებელია ნაერთის ბირთვის წარმოქმნის მექანიზმის დეტალებისგან. გაფუჭების ტიპი განისაზღვრება მხოლოდ შესაძლო ვარიანტების თამაშით.

როგორც ბირთვული რეაქციის ამ სურათის მარტივი ანალოგია, ბორმა შესთავაზა განიხილოს წვეთი ქცევა. ძალები მოქმედებენ ასეთი წვეთების მოლეკულებს შორის, აკავშირებენ მათ ერთმანეთთან და ხელს უშლიან აორთქლებას, სანამ სითბო არ მიეწოდება გარედან. დამატებითი კინეტიკური ენერგიის მქონე სხვა მოლეკულის გამოჩენა იწვევს, მისი სტატისტიკური გადანაწილების შედეგად, მთლიანად წვეთოვანი ტემპერატურის მატებამდე. გარკვეული დროის შემდეგ, მოლეკულაზე ენერგიის შემთხვევითმა კონცენტრაციამ შეიძლება გამოიწვიოს მისი აორთქლება. ბორის თეორია დეტალურად იყო შემუშავებული და შესაძლებელი გახდა სხვადასხვა ბირთვული რეაქციების თანმიმდევრული სურათის აგება, მათ შორის ნეიტრონების და შუალედური ენერგიის დამუხტული ნაწილაკების გავლენის ქვეშ მყოფი რეაქციების (100 მევ-მდე). ბირთვული ტემპერატურის, სპეციფიკური სითბოს სიმძლავრისა და ნაწილაკების აორთქლების ცნებები, რომლებიც ანალოგიით შემოიღეს, სასარგებლო აღმოჩნდა. მაგალითად, „აორთქლებული“ ნაწილაკების კუთხური განაწილება დამოუკიდებელი აღმოჩნდა შემხვედრი ნაწილაკის მიმართულებისაგან, ე.ი. იზოტროპული, რადგან თავდაპირველი მიმართულების შესახებ ყველა ინფორმაცია იკარგება ნაერთის ბირთვის არსებობის ეტაპზე.

წვეთოვანი მოდელი განსაკუთრებით ღირებული აღმოჩნდა ბირთვული დაშლის ფენომენის ასახსნელად, როდესაც ერთი ნელი ნეიტრონის შთანთქმა საკმარისია ურანის ბირთვის ორ დაახლოებით თანაბარ ნაწილად დაშლა ენერგიის დიდი გამოყოფით. პროტონების ელექტროსტატიკური მოგერიება იწვევს გარკვეულ ბირთვულ არასტაბილურობას, რომელიც ჩვეულებრივ გადაილახება ბირთვული ძალებით, რომლებიც უზრუნველყოფენ სავალდებულო ენერგიას. მაგრამ როდესაც სფერული "წვეთი" ბირთვული ტემპერატურა იზრდება, მასში შეიძლება მოხდეს რხევები, რის შედეგადაც წვეთი დეფორმირდება ელიფსოიდად. თუ ბირთვის დეფორმაცია გაგრძელდება, მაშინ შეიძლება გაიმარჯვოს მისი ორი დადებითად დამუხტული ნახევრის ელექტროსტატიკური მოგერიება და შემდეგ მოხდეს მისი გაყოფა.

ბირთვის ზომები და ფორმა.

პირველად ბირთვის ზომა სწორად შეფასდა რეზერფორდის მიერ, ამ მიზნით ალფა ნაწილაკების გაფანტვის გამოყენებით. მისმა პირველმა ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ბირთვის დატვირთული ნაწილის ზომები დაახლოებით 10-14 მ-ია, მოგვიანებით და უფრო ზუსტმა ექსპერიმენტებმა შესაძლებელი გახადა დაედგინა, რომ ბირთვის რადიუსი დაახლოებით A 1/3-ის პროპორციულია და, შესაბამისად, ბირთვული ნივთიერების სიმკვრივე თითქმის მუდმივია. (ეს არის კოლოსალური: 100,000 ტ/მმ 3.)

ნეიტრონის აღმოჩენით გაირკვა, რომ ის წარმოადგენს ბირთვის შესასწავლად იდეალურ საშუალებას, ვინაიდან ნეიტრალური ნაწილაკები, რომლებიც ბირთვიდან მნიშვნელოვან მანძილზე გადიან, არ იხრება ბირთვული მუხტით. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ნეიტრონი ეჯახება ბირთვს, თუ მათ ცენტრებს შორის მანძილი ნაკლებია მათი რადიუსების ჯამზე და სხვაგვარად არ გადაიხრება. ნეიტრონული სხივის გაფანტვის ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ბირთვის რადიუსი (სფერული ფორმის გათვალისწინებით) უდრის:

რ = რ 0 ა 1/3 ,

რ 0 » 1.4სთ 10 –15 მ.

ამრიგად, ურანი-238 ბირთვის რადიუსი არის 8,5 x 10 –15 მ. მიღებული მნიშვნელობა შეესაბამება ბირთვული ძალების მოქმედების რადიუსს. იგი ახასიათებს მანძილს ბირთვის ცენტრიდან, რომელზედაც გარე ნეიტრალური ნუკლეონი იწყებს მისი გავლენის „შეგრძნებას“ პირველად. ბირთვის რადიუსის ეს მნიშვნელობა შედარებულია ბირთვის ცენტრიდან დაშორებულ დაშორებასთან, რომელზეც ალფა ნაწილაკები და პროტონებია მიმოფანტული.

ბირთვების მიერ ალფა ნაწილაკების, პროტონებისა და ნეიტრონების გაფანტვა ბირთვული ძალების მოქმედებით არის განპირობებული; შესაბამისად, ბირთვული რადიუსების ასეთი გაზომვები იძლევა ბირთვული ძალების მოქმედების რადიუსის შეფასებას. ელექტრონების ურთიერთქმედება ბირთვებთან თითქმის მთლიანად განისაზღვრება ელექტრული ძალებით. ამრიგად, ელექტრონების გაფანტვა შეიძლება გამოყენებულ იქნას ბირთვში მუხტის განაწილების ფორმის შესასწავლად. რ.ჰოფშტადტერის მიერ სტენფორდის უნივერსიტეტში ჩატარებულმა ძალიან მაღალი ენერგიის ელექტრონებთან ჩატარებულმა ექსპერიმენტებმა დეტალური ინფორმაცია მიიღო ბირთვის რადიუსის გასწვრივ დადებითი მუხტის განაწილების შესახებ. ნახ. სურათი 6 გვიჩვენებს ელექტრონების კუთხური განაწილებას 154 მევ ენერგიით, რომლებიც მიმოფანტულია ოქროს ბირთვებით. ზედა მრუდი ახასიათებს კუთხური განაწილებას, რომელიც გამოითვლება იმ ვარაუდით, რომ დადებითი მუხტი კონცენტრირებულია წერტილში; აშკარაა, რომ ექსპერიმენტული მონაცემები არ შეესაბამება ამ ვარაუდს. გაცილებით უკეთესი შეთანხმება მიიღწევა პროტონების ერთგვაროვანი განაწილების ვარაუდით ბირთვის მოცულობაში (ქვედა მრუდი). თუმცა, "მუხტის რადიუსი" აღმოჩნდება, რომ დაახლოებით 20%-ით ნაკლებია, ვიდრე "ბირთვული ძალის" რადიუსი, რომელიც მიღებულია ნეიტრონების გაფანტვის მონაცემებით. ეს შეიძლება ნიშნავს, რომ პროტონების განაწილება ბირთვში განსხვავდება ნეიტრონების განაწილებისგან.

ბირთვული ძალები და მეზონები.

ბირთვული ძალების მოქმედების მცირე რადიუსი ნათლად პირველად გამოვლინდა რეზერფორდის გაფანტვის ექსპერიმენტებში. ალფა ნაწილაკები, რომლებიც უახლოვდებოდნენ ბირთვის ცენტრს 10-14 მ-მდე, განიცდიდნენ ძალებს, რომელთა ნიშანი და სიდიდე განსხვავდებოდა ჩვეულებრივი ელექტროსტატიკური მოგერიებისგან. ნეიტრონების გამოყენებით მოგვიანებით ჩატარებულმა ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ყველა ნუკლეონს შორის დიდი მოკლე დიაპაზონის ძალები არსებობს. ეს ძალები განსხვავდება ცნობილი ელექტროსტატიკური და გრავიტაციული ძალებისგან, რომლებიც არ ქრება ძალიან დიდ მანძილზეც კი. ბირთვული ძალები არის მიზიდულობის ძალები, რაც პირდაპირ გამომდინარეობს სტაბილური ბირთვების არსებობის ფაქტიდან, მიუხედავად მათში არსებული პროტონების ელექტროსტატიკური მოგერიებისა. ბირთვული ძალები ნებისმიერ წყვილ ნუკლეონს შორის (ნეიტრონები და პროტონები) ერთნაირია; ეს ნაჩვენებია „სარკის ბირთვების“ ენერგეტიკული დონეების შედარებით, რომლებიც ერთმანეთისგან განსხვავდება იმით, რომ მათში პროტონები იცვლება ნეიტრონებით და პირიქით. მათი მოქმედების რადიუსში, ბირთვული ძალები აღწევენ ძალიან დიდ მასშტაბებს. ორი პროტონის ელექტროსტატიკური პოტენციური ენერგია, რომლებიც მდებარეობს ერთმანეთისგან 1,5 x 10 -15 მ მანძილზე, არის მხოლოდ 1 მევ, რაც 40-ჯერ ნაკლებია ბირთვულ პოტენციურ ენერგიაზე. ბირთვული ძალები ასევე ავლენენ გაჯერებას, ვინაიდან მოცემულ ნუკლეონს შეუძლია ურთიერთქმედება მხოლოდ შეზღუდული რაოდენობის სხვა ნუკლეონებთან. აქედან გამომდინარეობს სწრაფი საწყისი ზრდა (ზრდით ა) საშუალო შეკავშირების ენერგია თითო ნუკლეონზე (ნახ. 3) და ამ ენერგიის ფარდობითი მუდმივობა მომავალში. (თუ თითოეული ნუკლეონი ურთიერთქმედებს ბირთვში არსებულ ყველა ნუკლეონთან, მაშინ ერთ ნუკლეონზე შემაკავშირებელი ენერგია ყოველთვის გაიზრდება პროპორციულად. ა.)

ჯერჯერობით არ არსებობს ბირთვული ძალების დამაკმაყოფილებელი თეორია და პრობლემა ინტენსიურად მიმდინარეობს ექსპერიმენტულად და თეორიულად. თუმცა, ბევრი იდეა, რომელიც საფუძვლად უდევს "ბირთვული ძალების მეზონის თეორიას", გამოქვეყნებული 1935 წელს ჰ. იუკავას მიერ, აღმოჩნდა შეთანხმებული ექსპერიმენტულ ფაქტებთან. იუკავამ წამოაყენა ჰიპოთეზა, რომ მიზიდულობა, რომელიც ბირთვის შიგნით ატარებს ნუკლეონებს, წარმოიქმნება გარკვეული ველის „კვანტების“ არსებობის გამო, ელექტრომაგნიტური ველის ფოტონების (მსუბუქი კვანტების) მსგავსი და ელექტრული მუხტების ურთიერთქმედების უზრუნველყოფის გამო. ველის კვანტური თეორიიდან გამომდინარეობს, რომ ძალის მოქმედების რადიუსი უკუპროპორციულია შესაბამისი კვანტის მასისა; ელექტრომაგნიტური ველის შემთხვევაში კვანტების - ფოტონების მასა არის ნული, ხოლო ძალების მოქმედების რადიუსი უსასრულო. ბირთვული ველის კვანტების (ე.წ. „მეზონები“) მასა, რომელიც გამოითვლება ბირთვული ძალების მოქმედების ექსპერიმენტულად გაზომილი რადიუსიდან, აღმოჩნდა, რომ ელექტრონის მასაზე დაახლოებით 200-ჯერ აღემატება.

იუკავას თეორიის პოზიცია გამყარდა მას შემდეგ, რაც კ. ანდერსონმა და ს. ნედერმაიერმა 1936 წელს აღმოაჩინეს ახალი ნაწილაკი დაახლოებით 200 ელექტრონის მასის მასით (ამჟამად უწოდებენ მუონს), რომელიც მათ აღმოაჩინეს ღრუბლის კამერის გამოყენებით კოსმოსურ სხივებში. (1932 წელს ანდერსონმა აღმოაჩინა „პოზიტრონი“, დადებითი ელექტრონი.) თავიდან ჩანდა, რომ ნაპოვნი იქნა ბირთვული ძალების კვანტები, მაგრამ შემდგომმა ექსპერიმენტებმა გამოავლინა დამამშვიდებელი გარემოება: „ბირთვული ძალების გასაღები“ არ ურთიერთქმედებს ბირთვებთან! ეს დამაბნეველი სიტუაცია მხოლოდ მას შემდეგ გახდა რაც ს.პაუელმა 1947 წელს აღმოაჩინა შესაფერისი მასის მქონე ნაწილაკი, რომელიც ურთიერთქმედებს ბირთვებთან. ეს ნაწილაკი (ე.წ. პი-მეზონი, ან პიონი) აღმოჩნდა არასტაბილური და სპონტანურად დაიშალა და გადაიქცა მიონად. პი მეზონი შესაფერისი იყო იუკავას ნაწილაკის როლისთვის და მისი თვისებები დეტალურად შეისწავლეს ფიზიკოსებმა, რომლებიც ამ მიზნებისთვის იყენებდნენ კოსმოსურ სხივებს და თანამედროვე ამაჩქარებლებს.

მიუხედავად იმისა, რომ პი მეზონების არსებობა ხელს უწყობს იუკავას თეორიის მომხრეებს, ძალიან რთული აღმოჩნდა ბირთვული ძალების ისეთი დეტალური თვისებების სწორად პროგნოზირება, როგორიცაა მათი გაჯერება, შემაკავშირებელი ენერგიები და ბირთვული დონის ენერგიები. მათემატიკური სირთულეებმა ხელი შეგვიშალა ზუსტად დაგვედგინა ის, რასაც ეს თეორია წინასწარმეტყველებს. სიტუაცია კიდევ უფრო გართულდა ახალი ტიპის მეზონების აღმოჩენით, რომლებიც, სავარაუდოდ, დაკავშირებულია ბირთვულ ძალებთან.

დაამატეთ საიტი სანიშნეებში

ატომის ცნება. ატომისა და ატომის ბირთვის სტრუქტურა

ატომი არის ყველაზე პატარა ნაწილაკი ელემენტი,მისი მახასიათებლების შენარჩუნება.

სხვადასხვა ელემენტების ატომები განსხვავდება ერთმანეთისგან. ვინაიდან 100-ზე მეტი სხვადასხვა ელემენტია, არსებობს 100-ზე მეტი სხვადასხვა ტიპის ატომები.

სურათი 1-2. ატომის ნაწილები.

ყველა ატომს აქვს ბირთვი , მდებარეობს ატომის ცენტრში. იგი შეიცავს დადებითად დამუხტულ ნაწილაკებს - პროტონებს და დაუმუხტავ ნაწილაკებს - ნეიტრონებს.

ელექტრონები, უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკები, ბრუნავენ ბირთვების გარშემო (იხ. სურათი 1-2).

ატომის ბირთვში პროტონების რაოდენობას ელემენტის ატომური ნომერი ეწოდება.

ბრინჯი. 1-3. ბირთვის გარშემო მდებარე გარსებში განლაგებული ელექტრონები.

ატომური რიცხვები ხელს უწყობს ერთი ელემენტის მეორისგან გარჩევას. თითოეულ ელემენტს აქვს ატომური წონა. ატომური წონა არის ატომის მასა, რომელიც განისაზღვრება ბირთვში პროტონებისა და ნეიტრონების საერთო რაოდენობით. ელექტრონები პრაქტიკულად არ იღებენ წვლილს ატომის მთლიან მასაში, ელექტრონის მასა არის პროტონის მასის მხოლოდ 1/1845 და მისი უგულებელყოფა შეიძლება.

ელექტრონები ბრუნავენ კონცენტრულ ორბიტებში ბირთვის გარშემო. თითოეულ ორბიტას ჭურვი ეწოდება. ეს ჭურვები ივსება შემდეგი თანმიმდევრობით: ჯერ ივსება K გარსი, შემდეგ L, M, N და ა.შ. (იხ. სურათი 1-3). ელექტრონების მაქსიმალური რაოდენობა, რომლებიც შეიძლება მოთავსდეს თითოეულ გარსში, ნაჩვენებია ნახ. 1-4.

გარე გარსს ეწოდება ვალენტური გარსი და მასში შემავალი ელექტრონების რაოდენობას ეწოდება ვალენტობა. რაც უფრო შორს არის ბირთვიდან სავალენტო გარსი , მით უფრო ნაკლებ მიზიდულობას განიცდის თითოეული ვალენტური ელექტრონი ბირთვიდან. ამრიგად, ატომის ელექტრონების მიღების ან დაკარგვის პოტენციალი იზრდება, თუ ვალენტური გარსი არ არის შევსებული და მდებარეობს ბირთვიდან საკმარისად შორს.

ბრინჯი. 1-4 და 1-5. ატომის შემადგენლობა.

ვალენტური გარსის ელექტრონებს შეუძლიათ ენერგიის მიღება. თუ ეს ელექტრონები იღებენ საკმარის ენერგიას გარე ძალებისგან, მათ შეუძლიათ დატოვონ ატომი და გახდნენ თავისუფალი ელექტრონები, რომლებიც შემთხვევით გადაადგილდებიან ატომიდან ატომში. მასალებს, რომლებიც შეიცავს დიდი რაოდენობით თავისუფალ ელექტრონებს, ეწოდება გამტარები.

ბრინჯი. 1-6. სპილენძის ვალენტობა.

ნახ. 1-5 ადარებს გამტარებად გამოყენებული სხვადასხვა ლითონების გამტარობას . ცხრილში ვერცხლს, სპილენძს და ოქროს ვალენტობა ერთია (იხ. სურათი 1-6). თუმცა, ვერცხლი უკეთესი გამტარია, რადგან მისი ვალენტური ელექტრონები უფრო თავისუფლად არის შეკრული.

იზოლატორები, დირიჟორებისგან განსხვავებით, ხელს უშლიან ელექტროენერგიის გადინებას. იზოლატორები სტაბილურია იმის გამო, რომ ზოგიერთი ატომის ვალენტური ელექტრონები მიმაგრებულია სხვა ატომებთან, ავსებენ მათ ვალენტურ გარსებს, რითაც ხელს უშლიან თავისუფალი ელექტრონების წარმოქმნას.

ბრინჯი. 1-7. იზოლატორების სახით გამოყენებული სხვადასხვა მასალის დიელექტრიკული თვისებები.

იზოლატორებად კლასიფიცირებული მასალები შედარებულია ნახ. 1-7. მიკა საუკეთესო იზოლატორია, რადგან მას აქვს ყველაზე ნაკლები თავისუფალი ელექტრონები თავის ვალენტურ გარსებში.

ნახევარგამტარები იკავებენ შუალედურ ადგილს დირიჟორებსა და იზოლატორებს შორის. ნახევარგამტარები არც კარგი გამტარებია და არც კარგი იზოლატორები, მაგრამ ისინი მნიშვნელოვანია, რადგან მათი გამტარობა შეიძლება განსხვავდებოდეს გამტარიდან იზოლატორში. სილიციუმი და გერმანიუმი არის ნახევარგამტარული მასალები.

ატომს, რომელსაც აქვს ელექტრონების და პროტონების იგივე რაოდენობა, ამბობენ, რომ ელექტრულად ნეიტრალურია. ატომი, რომელიც იძენს ერთ ან მეტ ელექტრონს, არ არის ელექტრული ნეიტრალური. იგი უარყოფითად დამუხტული ხდება და უარყოფით იონს უწოდებენ. თუ ატომი კარგავს ერთ ან მეტ ელექტრონს, ის დადებითად დამუხტული ხდება და პოზიტიურ იონს უწოდებენ. ელექტრონების მიღების ან დაკარგვის პროცესს იონიზაცია ეწოდება.იონიზაცია დიდ როლს ასრულებს ელექტრული დენის ნაკადში.