3.18. Элементтердің периодтық системасы.

1869 жылы Д.И. Менделеев ашқан периодтық системадағы элементтердің атомдарының физикалық және химиялық қасиеттерінің қайталануы Паули принципі арқылы түсіндіруге болады . Периодтық системадағы реттік номер Z қарастырып отырған элементтің атом ядросында қанша протон және ядроны айналып қозғалатын электрон бар екенін көрсетеді. Электрон саны протон санына тең . Заттың химиялық және кейбір физикалық қасиеттері атомның сыртқы қабықта орналасқан валенттік электронның орналасу ретімен анықталады. Сондықтан атомдардың қасиеттерінің периодтық қайталанып орналасуына байланысты. Электрондардың атомда энергетикалық деңгейлермен жіктелуі, потенциалдық энергия ең минимал принципіне бағынуы керек, яғни электрон әр уақытта энергиясының ең минималь жағдайында болуға тырысады. Міне, Паули принципін қолданып периодтық системада электрондардың орналасуын қысқаша қарастырайық . Ең бірінші элемент сутегі . Ол туралы жоғарыда айтып кеттік, оның бір электроны 1s- күйде , магниттік кванттық сан m_L=0 , ал спині +1/2 немесе -1/2 –ге тең . Келесі гелий атомы . Екі электроны бар, екеуі де 1s-күйде , бірақ Паули принципі бойынша спиндері әр түрлі +1/2 және -1/2 . Оң спин стрелканың жоғарғы бағытымен, ал теріс спин төмен қараған стрелкамен көрсетілген (3-сурет).

Суреттен р күйлердің толтырулары белгілі бір ережемен болатыны көрінеді. Әуелі әр түрлі m_L мәндері бар, спиндері бірдей электрондар ( B, C, N-элементтерінде ) орналасады да , кейіннен теріс спині бар ( O, F, Ne- элементтерінде ) бір-бір электроннан қосылады. К қабықта 2 электрон, ол қабық Не элементімен бітеді,келесі L қабықта 8 электрон Ne элементімен аяқталады. Одан кейінгі қабықта 18-электрон бар, ол аргон (Ar ) элементімен бітеді. Бұл аталған He, Ne,Ar-инертті газдар . Олардың сыртқы қабықшалары толған сондықтан олар орнықты , химиялық тұрғыдан инертті . Енді біз бір периодтағы Li,Na, K элементтерін қарастырсақ (3.2- таблица ) , сыртқы қабықшасында бір валенттік электрон бар , сондықтан да олардың химиялық және физикалық қасиеттері бір-біріне ұқсас . Калий элементінің (z =19 ) 19-шы электроны М қабықта 3d күйде болуы керек еді. Калий элементінің сілтілік металдар Li , Na-ға оптикалық және химиялық жағынан ұқсас болуына байланысты сыртқы 19-шы электроны 4S –күйде N қабықта болады .Бұның себебі электрондардың әрекеттесуі нәтижесінде n=4,l=0, яғни 4s –күйдің энергиясы n=3 , l=2 , яғни 3d –күйге қарағанда азырақ . Сол сияқты Са элементінің 20-шы электроны да 4s – күйде N-ші қабфықта болады. Міне сөйтіп, атомдардың физикалық және химиялық қасиеттерінің ұқсасатығының қайталануы олардың электрондық қабықшаларының ұқсастығымен түсіндіруге болады екен.

3.21. Молекулалық спектрлер

Молекуланың құрылысы және энергетикалық деңгейлерінің касиеттері оның спектрлерінде білінеді. Бір энергетикалық деңгейден екіншісіне өткенде, кванттық ауысу кезінде, белгілі бір жиіліктегі электромагниттік толқын, яғни спектр шығады:

(4.9)

(4.10)

Әр түрлі ауысулар кезінде соларға сәйкес молекулалық спектрлердің түрлері пайда болады. Молекулалық спектрлер жолақ сызық түрінде кездеседі. Күшті ажыратқыш спектроскоитармен қарағанда бұл жолақтар әр түрлі көптеген спектрлік сызықтардың жиынтығы екені көрінеді (4.10-сурет). Энергияның қай түрінің өзгергеніне байланысты молекула үш түрлі жолақ сызықтар шығарады. Айналмалы, тербелмелі-айналмалы және электронды-тербелмелі спектрлер.

6-шы лекция. 7-ші лекция.

Қатты дененің кванттық физикасы.

1. Қатты денелердің зоналық теориясының элементтері. Ферми беті

2 Электрондардың энергетикалық спектрі

3. Зоналардың электрондармен толтырылуы

4 Металдармен жартылай өткізгіштердің электр өткізгішітгі туралы зоналық теориясының негізгі қағидалары.

5. Кристалдық тордың кванттық тербелістері

6 Фонондар.

7 Қатты денелердің механикалық, электрлік және жылулық қасиеттері.

8 Металдармен диэлектриктердің жылу сыйымдылығы және жылу өткізгіштігі туралы кванттық көзқарас.

9. Кристалдық құрылымның ақаулары.

10. Ақаулардың қатты денелердің физикалық қасиеттеріне әсері.

11 Қатты денелерді зерттеу әдістері.

Конденцияланған заттың күйі – қатты және сұйық күй. Заттық құрылымы микробөлшектер – атомдар, молекулалар, иондар, электрондар – болады. Осы бөлшектер өзара әрекеттеседі. Қатты дене заттың конденцияланған күйі – форманың стабильдігі және жылулық қозғалыстың белгілі бір түрімен сипатталады. Қатты дене кристалл және аморфты түрлерге бөлінеді. Кристалдарда атомдардың тепе – теңдік орналасуы кеңістікте бір периодты болады. Аморфты денелерге атомдардың тербелістегі әр түрлі хаосты орналасқан нүктелерге байланысты. Аморфты денелер мегастабиль күйде болады болашақта кристалдарға айналады. Ішкі энергиясы min орнықты күй кристалл.

Қатты денелердің қасиеттерін оның құрылымы және бөлшектерінң қозғалыс заңдылықтарын біле отырып түсіндіруге болады. Қатты денелердің құрылымының негізі атомдар, молекулалар, иондар. Қатты дененің кристалдық стурктурасы оыс микробөлшектердің өзара әсерлесу күштеріне байланысты. Сыртқы әсерлер (температура, қысым, магнит өрістері т.б) қатты денелердің структурасы мен қасиеттеріне өзгерістер әкеледі.

Байланысу түрлерінің негізінде қатты денелер 5 классқа бөлінеді.

Иондық кристалл (Na,Cl,K,Cl…). Иондар бір бірімен электростатикалық тартылыс күштерімен байланысты.

. Ковалентітік байланыс (алмаз, Si). Көрші атомдардың электрондары жалпыланады. Электростатикалық күш.

Металды байланыс. Иондар мен электрондар өзара әсерлеседі. Иондар мен электрондар өзара байланысады.

Молекулалық кристаллдар. Молекулалалр Ван – дер – ваальс күштерімен таралуы. Электростатикалық күш.

Сутегі байланыс. Сутегі атомы екі көрші атомдармен тартылыс күшімен байланысты. Электростатикалық күш. Барлық жағдайларда әрекеттесу күштері электростатикалық күштер (тартылыс не тебу). Қашықтық см болғанда тартылыс күштері тебу күштері тебу күштеріне тең.

Көптеген бөлшектерден тұратын заитың негізгі сипаттамалары.

Атомдар, молекулалар, иондар құрылысымының бірліктері. Осы микробөлшектердің байланыс энергиясы бөлшекті жоюға керекті энергиядан аз. Осымен бірге байланыс энергиялары бөлшектердің жылулық энергиясынан артық. Басқаша айтқанда қатты дене күшті әсерлесетін бөлшектердің жүйесі.

Классикалық физикада орташа жылулық энергия . Жоғарғы температурада жылулық энергия . Энергиялық температурада төмендегенде жылдамдырақ өзгеруі классикалық физика заңдарына бағынбауы қатты дененің энергиясының дискретті болуына байланысты.

Қатты дененің бөлшектерінің өзара әсер күштерінің әр түрлі болуы белгілі бір жағдайларда кристалда газ, сұйық не плазма қасиеттері пайда болуына келтіреді.

Микробөлшектердің қозғалыстары сан алуан болғандықтан заттың қасиеттеріде сан алуан болады.

Микробөлшектерді қозғалыстарын төрт түрге бөледі: a) диффуздық, б) туннельдік, в) жалпы коллективтік г) өте төмен температурада көпетеген металдар асқын өткізгіштік күйге өтеді. Электрондар табиғаты кванттық ал масштабты макроскопиялық қозғалыстары бір тәртіпке бағынады. Осы қасиет элекетрондардың фонондар арқылы әсерлесуімен түсіндіріледі.

Заттың кейбір қасиетерін кванттық квази – бөлшек газ түсінігін қолданып түсіндіреді.

Мысалы, кристалл торының қозғалысын фонон газының көмегімен түсіндіреді. Денелердің электрөткізгіштілігін электрон және кемістік газдың көмегімен. Барлық квази – бөлшектер жылулық алмастырады. Магниттердің магниттік және жылулық қасиеттерін магнол газымен түсіндіреді. Кейбір жағдайда энситон газы қолданылады.

Энергия – ішкі энергия – бөлшектердің жылулық өзара әсерлесудің потенциал энергиясының қосындысына тең. Кристалдардың ішкі энергиясы min.

Атомдар, молекулалар, иондар тепе – теңдікдің орналасу күйінен ауытқиды. Бірақ, әсерлесу күштері оларды қайтадан орындарына келтіреді. Сондықтан бұл бөлшектердің жылулық қозғалысы – тербелістер. Тордың тербелістерін кванттық теорияда қарастыруға болады. Классикалық механикадан кванттық механикаға өткенде бөлшектің координатасы мен импульсінің орнына олардың операторлары алынады. Кванттық механикадағы қарастыру кристаллдық торының энергиясы тәуелсіз гармондық осцилляторлардың энергияларының қосындысы болып табылады. Кристалл торының тербелістерінің гамильтонианы

(35)

(36)

Классикалық теориядан айырмашылығы әрбір гармоникалық осциллятордың энергиясы (34) қрнекпен емес (36)өрнекпен анықталады.

Кристаллдық аз мөлшерлді тербелістерін кванттық механикада қарастырғанда әрбір қалықты тербеліске квазибөлшек сәйкестендіреді. Квазибөлшек деген ұғымды Л.Д.Ландау енгізген. Макроскопиялық дененің аз мөлшердегі қозған күйіне өзара әсерлеспейтін элементар қозулардың идеал газы сәйкестендіреді. Аз мөлшерді қозыған макроскопиялық дененің энергиясы осындай квазибөлшектердің энергияларының қосындысына тең.

(37) квазибөлшектер саны, р-импульсі, энергиясы.

Кристалдық аз мөлшерлі қозу күйіне гармондық жуықтауда энергия мен импултсі мына шамаларға тең квазибөлшектерді сәйкестіруге болады:

(38)

(39)

Осы теңдеулермен анықталған квазибөлшектер фонондар деп аталады. (38) өрнектегі энергия шамасына фермиондардын кез келген саны ие болады. Белгілі q,s-ке сай энергиялық деңгейлер эквидистантты болады. Көрші энергиялық деңгейлердің айырмашылықты. Жылулық тепе-теңдікте энергиясы тең фонондардың орташа саны:

(40)

Фонон газы Бозе-Эйнштейн статистикасына бағынады. Кристалл торының жылу өткізгіштігіне фонон газы жауапты.

Шындығында кристалдық тербелісі дәл гармоникалық болмайды. Гармоникалық заңынан ауытқуы-ангармонизм деп аталады. Ангармонизм әсерінен аз шамалы қозуда кристалдық қалыпты тербелістері өзара байланысты. Басқаша айтқанда, фонондар өзара әселеседі идеал газ болмайды. Сондықтан дисперсия заңы температураға тәуелді. Анаргонизм ролі кристалдың жылулық ұлғаюында маңызды.

Аумақтық теория – қатты денелердің кванттық теорияның бір бөлімі. Аумақтық теория кристалдарға электрондарда қозғалысын суреттеп жазады және қазіргі металдар, шала өткізгіштер, диэлектриктер теорясының негізі болып табылады.

Бұл теорияның негізін құрған неміс физигі Ф.Блох және француз физиги Л.Бриллюн болатын. Аумақты теорияның негізінде бір электрондық жуықтау жатады:

1. Идеал кристалл торының түйіндерінде атом ядролары

қозғалмайды және ;

2. Электрон потенциалы , - түйін векторы.

Кристалл торындағы электронның толқындың функциясы.

, - толқындық вектор.

Басқаша айтқанда кристалл торындағы электронның толқындық функциясының түрі еркін электрондық теория физикасына сәйкес тек амплитудасы кеңістікте тордың периодымен моццляцияланған. Электронның квазиимпульсы . Электронның энергиясы - - кеңістіктегі периодты функциясы: - кері тордың бүтін векторы. Кристаллдағы ---электронның күйі кванттық сандармен сипатталады.

1) Кристаллдар электр қасиеттері бойынша металдар, диэлектриктер, шала өткізгіштерге бөлінеді. Металдарда валентті электрондар жалпыланатын электрон газын береді. Кристалл торының өрісінде электронның қозғалысы Шредингер теңдеуімен жазылады.

(1)

Кристалл торында потенциал энергия периодты түрде өзгерді.

(2)

Еркін электрондарға, V=0

импульс.

егер электронның импульсы сақталмайды.

егер электронның импульсы сақталмайды.

- 1 теңдеудің жазық толқындарға жіктелуінің коэффициенттері.

(2) шарт потенциалдық периодты болуы толқындың функциялардың белгілі бір қасиеттеріне келтіреді, дәл осыны электрондардың энергия спектіріне де айтуға болады. Кристалл торының потенциалын Фурье қатарына жіктейміз, сонда

жіктеу м-н коэффициенті.

Орындалу үшін (4) және (3) (1) теңдеуге қоямыз. Сонда 3) интеграл мына түрге айналады.

(6)

(6) қосындының коэффициенті біртекті алгебраның теңдеулер жүйесін қанағаттандырады.

(7)

Осы теңдеулердің шешімдері 0-ге тең болмауы, тек егер

(8)

(8) – теңдеулердің шешімдері толқындың вектор - мен анықталады. Сондықтан энергетикалық спектр аумақтардан тұрады – энергетикалық аумақтар.

Кристалл өрісінде қозғалатын электронның энергетикалық спектірі аумақты құрылымға ие болады. Әр аумақта энергия периодты функциясы.

Біл өлшемді жағдайда

2) (6) толқындық функция мына түрде жазылуы мүмкін.

(9)

Белгілейміз

(11)

Функция - периодты:

(11) түрдегі толқындық функциялар – Блох функциялары деп аталады. Блох теоремасы қатты дененің кванттық теориясының фундементал теоремасы. Блох теоремасы кристалл тордағы электронның толқындық фукциясын анықтайды. Потенциал преиодтты болса Шредингер теңдеуінің шешімі (адиабаталық жуықтау)

Блох теоремасы кристалл торының трансляциясының инварианттығы.

3) Әлсіз байланыс жуықтарында электронды еркін деп санайды, ал тордың потенциалы ауытқу тудыратын потенциал. Ауытқу теориясында электронның толқындық функциясы.

(14)

Электронның энергиясы екінші жуықтауда

(15)

нөлге тең болмайды, тек

(16)

Сондықтан

(17)

(18)

(19)

Егер байланысты мүшелер (18) қосындыда аз шамалы болса, электронның энергиясы еритін электрЭН жақын егер онда ауытқушы мүшелер өте аз шамалы болмайды. ды ескерсек

Немесе векторы Бриллюэн аумағының шегарасында жатады. Бриллюэн аумағының шекарасы және жақын аумақтарда ауытқу теориясын қолдануға болмайды. (4.5) Егер электрондар түйіндеріндегі иондармен күші байланысты болса, онда күшті байланыс әдісі қолданылады. Бұл жағдайда электронның толқынды функциясы

(21)

N – түйін саны

- атомның n – күйіндегі электронның толқынды функциясы.

векторымен анықталған түйінде орналасқан.

(21) толқын функциясы Блох шартына қанағаттандырады. Оны көрсетуге болады, сонда

(22)

Ауытқу теориясының бірінші жуықтауы бойынша (21) күйдегі электронның энергиясы.

(23)

гаммилтион

Сонда

(25)

(26)

(27)

Периодтық шарттан

(27) деп

(28)

(29)

функциялар күшті ықшамдалған, сондықтан тың үлкенімен жылдам кемиді. h - және толқындық функциялардың центрлерінің арақашықтығы. Сондықтан жақын көршілерді қалдыруға болады. кристалл торының бір түйінін ең жақын көрші түйінмен қосатын вектор. Сонда

(30)

Қарапайым куб торына векторлардың координаттары (a, o,o), (-a,o,o), (o,a,o), (o,-a,o), (o,o,a) және (o,o,-a). Сонда (30) дан

(31)

Немесе

(32)

, сонда энергетикалық аумақтың ені

(33)

сонда

(34)

Аумақтық центрде Е оның л дан тәуелділігі параболаның. Ал (34) еркін электр энергиясы тәрізді жазуға болады.

(36) эффективті масса.

Егер (34) екі рет дифференциясы:

(37),

Сонда (38)

Изоэнергетикалық беттер (34) сәйкес сфералар. К үлкейгенде сфералар диференцияланады және шекараларға қарай созылады.

Егер N атом бір бірінен алшақтау функция және энергия - мен анықталған күйде боласын. Олар жақындағанда бір біріне ауытқу тудырып деңгей энергетикалық аумаққа бөлінеді.

Электр күйі , энергиясы үздіксіз к – кванттық сан және энергетика маумағының нөмерімен анықталады, егер бір аумақ аумақшаларға бөлінсе санақ нөмерімен

8,9,10,11,12.

Бриллюэн аумағында N толқындық вектор бар, электр спинін есепке алса - 2N күй. Паули принципін энергетикалық аумақты nN электроны болуы мүмкін. Аумақ электр толуы мүмкін – валенттік зона, ал егер бос деңгейлер болса - өткізгіштік аумақ. Осыларға байланысты металл, диэлектрик, шалаөткізгіш жоғары деңгейде пайда болған энергетикалық аумақта жартылай төменгң деңгейде пайда болады,энергия аумақпен беттесуі, сондықтан толған аумақтан жоғары аумаққа бос дене өтуі мүмкін - металл.

Егер олар беттеспесе а) б

a )

T - жартылай өткізгіш

б )

- диэлектрик

в )

- қоспалық (донорлық)

в )

- акцепторлық

(1) Сыртқы аз мөлшерді баяу өзгеретін потенциал U болғанда кристалл торының әсерін эффективтік масса әдісімен еепке алады. Бұл әдісте электронның массасын , эффективті масса ға ауыстырылады. Эффективтік массаны энергияның шамаларына жақын болғанда енгізеді.

Егер энергия min онда эффективті масса >0 изоэнергетикалық беттер эллипсидтер.

концентрациясының температураға тәуелділігі.

Бриллюон аумағында N толқындық вектор. – лар бар. N – кристалл түйіндерінің саны. Толқындық вектор ға тең электронның спиінің екі принципі бойынша энергетикалық аумақта 2N электрон болуы мүмкін. Электрондар ең төменгі энергеиялық күйден бастап зонада орналасады. Толтырылған аумақ электрөткізгіштілікке ешқандай әсер бермейді, себебі бос күй болмағандықтан өзгермейді. Осындай аумақ – валенттік аумақ. Аумақта бос күйлер болса - өткізгіштік аумақ. Осы екі қатты денелердің өткізгіштілігіне сай бөлінуіне келтіреді. Егер кристалдың түйіндерінде бір валенттік электрон орналасатын болса әрбір атом өткізгіштік аумаққа бір электрон береді, аумақтың тең жартысы бос – металл. Егер түйіндерді 2 валенттік элементтің (берииллий, магний, кальций, стронций, барий) атомы орналасатын жағдайды электрон саны – 2 N өткзігіш аумақт. Бұл элементтер металдар. Себебі, бұл металдарды энергиясы жоғары энергиялық деңгейден пайда болған аумақ төменгі деңгейден пайда болған аумақпен жартылай беттеседі, сондықтан толтырылған аумақтың электрондары жоғары аумақтың бос орныдарына өтуі мүмкін.

Иондардың тербелістері кристалл торының потенциалын өзгеретін электрондардың қозғалысының ауытқуларына келтіреді. Егер тордың потенциалының өзгерісі болғанда электрондардың әсерлесу энергиясы.

1)

2) - электрон зарядының тығыздығы. Импульсы анықталмаған электрнның толқынның функциясы.

3) сонда,

4)

Тордың периодты потенциалының түрі

5) түйіндегі иондық потенциал. Сонда

6) шы ионның ығысуы.

Жоғарыдағыны ескеріп

7)

осы мәнін (7) – ге қойамыз

8)

Фонондарға өту үшін тордың қалыпты тербелістерінің амплитудаларын операторларға ауыстырады. Дәл солай ауыстырады. Операторларға ауыстырып паули принципі ескеріледі. Электрон – фонон әсерлесуінің гамильтонианын табады және бұл әсерлесу фонон жұтылуы және фонон шығару процестеріне келтіреді. Электрон күйінен күйіне өткенде:

Электрондармен күй толтыру саны 1 немесе 0. Сондықтан электрондар Ферми – Дирак статистикасына бағынады.

Спиннің белгілі праекциясына сәйкес электрондардың таралуының тепе – теңдік функциясы төмендегігне тең:

9) Ферми энергиясы

Т=0 (9) функциясы 1 тең, егер

0 тең, егер

Сондықтан Ферми деңгейі T=0 болғандағы электрондардң максимал энергиясына тең. T>0 Ферми энергиясына мына шарттан анықталады.

10) n – электрондардың концентрациясы

N(E) – күйлердің тығыздығы

NEdE – бірлік көлемдегі Е деп E+dE – ге дейінгі күйлердің саны.

T=0, (11) кеңістікте (12)

E деп E+dE ге дейін интегралдайды, 2 – санын проекциясы. кеңістікте көлем элементін цилиндр деп аламыз. Оның табаны – изоэнергетикалық беттің dS элемент, биіктігі оған 1 және тең. Сонда.

(13) (14) сонда

(15) мына түрге келтіреді

(16) электронның орташа жылдамдығы

Изотропты квадраттың дисперсия заңы орындалса

(17) изоэнергетикалық бет сфера

Бүл жағдайда , (18) осыдан

(19) сферада k=const

Сфераның ауданы сонда

(20) немесе (17), (20) дан

(21) (22) (21) ді (11) қоямыз:

(23) осыдан (24) А – ның мәнін қойып T=0 Ферми энергиясын табамыз.

(25)

T=0 болғанда электрондармен толтырылған толқындық векторлар ның облысын шектейтін изоэнергетикалық бетті - Ферми беті деп атайды.

Ферми бетіндегі күйлердің тығыздығы

(26) - Ферми бетінің ауданы

(27)

Дисперсия заңы квадратты болғанда (28)

бір шамада болғанда жылдамдық азайған сайын артады. максиминде электр еркін эл энергиясы кемиді. Электр энергияларының кемуі Ферми деңгейі күйлер тығыздығының үлкен болуына келтіретін кристалл құрылымдарына әкеледі.

8-ші лекция Атом ядросының физикасы

1 Ядро - өзара әсерлесуші протон – нейтрон бөлшектердің жүйесі. Ядроның электр заряды. Массалық сан. Изотоптар мен изобаралар. Ядроның құрылуы

2 Масс – спектрометр

3 Массаның ақауы. Ядроның байланыс энергиясы.

4 Ядролық күштер.

5 Ядролардың орнықтылығы

6 Атом ядросының модельдері

1 Ядро - өзара әсерлесуші протон – нейтрон бөлшектердің жүйесі. Ядроның электр заряды. Массалық сан. Изотоптар мен изобаралар. Ядроның құрылуы.

Ядро протон және нейтрон бөлшектерінің жүйесі. Бұл бөлшектер нуклондар деп аталады. Протон- p – сутегі атомының ядросы. Массасы , электр заряды оң және . Протон фермиондарға жатады, спині өзіндік магнит моменті , -ядерлық магнетон.

Нейтрон 1932 жылы ашылды, ашқан ғалым Чедвик Д. Нейтрон бейтарап бөлшек, электр заряды жоқ. Массасы . Нейтронның спині , өзіндік магнит моменті .

Бөлшектердің массалары Эйнштейн теңдеуі -пен олардың толық энергиясымен байланысты. Сондықтан атом ядросы физикасында және элементар бөлшектер физикасында ядролар мен бөлшектердің энергиясын энергия өлшемінде алады. Осы бірлікте протон мен нейтронның массалары .

Протон стабильді бөлшек, ал нейтрон радиоактивті, оның орташа өмір сүру уақыты 15,3 мин. Еркін нейтрон төменгі схемамен бөлінеді

,

соңғы бөлшек электрондық антинейтрино деп аталады.

Протондардың саны Z – ядроның зарядын береді +Ze – атомдық номер немесе заряд саны. Нуклондардың саны А – ядроның массалық саны. N=A-Z - нейтрондардың саны. Ядроның символы , -химиялық элементтің символы. Протон саны бірдей ядролар – изотоп, мысалы сутегі изотоптары -протий (Z=1, N=0), -дейтерий (Z=1, N=1), -тритий (Z=1, N=3). Массалық сандары бірдей ядролар изобаралар деп аталады, нейтрон сандары бірдейлер – изотондар.

Нуклондар өз ара күшті әсерлеседі, әсерлесу электр зарядқа тәуелді емес. Нуклондардың спиндері қосылып ядроның спинін береді. Моменттедің қосылуының кванттық заңдылықтарына байланысты ядроның спинінің кванттық саны А тақ болғанда жарты, А жұп болғанда 0 немесе бүтін. Жұп-жұп ядролардың спинінің кванттық саны 0. Жұп-жұп ядролардың массалық саныда зарядтық саныда жұп.

2. Масс - спектрометр

Атомдардың массаларын өлшеу үшін масс – спектрометрлер деген құрал қолданылады. Масс – спектрметрлердің түрлері көп. 7.7 – суретте масс – спектрометрдің жай түрінің схемасы берілген. Зерттейтін элементіміз ион түрінде болуы керек. Мысалы, газ иондарын разрядты трубкада алуға болады.

Бір оң заряды бар иондар көзінен шығып электр өрісі арқылы үдемелі қозғалыс алады. Өте жіңішке және бірдей жылдамдықты иондар шоғын алу үшін қозғалып келе жатқан иондар жолына коллиматор – саңылаулар қойылады. Оны жылдамдық сұраптаушы (селектрі) деп атайды. Жылдамдық сұрыптауышы – бір – бірімен кезектесе орналасқан электр және магнит өрістерін туғызатын қондырғылардан тұрады. Белгілі бір v жылдамдығы бар және бір бағыттағы иондар шоғы сұрыптауыштан шығып біртекті магнит өрісіне өтеді. Магнит өрісі бізден сурет жазықтығына перпендикуляр бағытталған. Зарядталған бөлшекке магнит өрісінде Лоренц күші әсер етеді (Ғ_л). Оның шамасы Ғ_л = Bev. Магнит өрісінде бұрылған кезде пайда болатын центрге тартқыш күшпен (Ғ_ц) Лоренц күшін теңестіреміз. Себебі иондардың қозғалысы бір R радиусы бар шеңбер бойымен болады: Ғ_ц= Ғ_л немесе = Bev. Бұдан m - ион массасын табамыз:

m = , (1) e ,v және B шамалары белгілі және біз оларды өз қалағанымызша өзгерте аламыз, ал R шамасын иондардың фотопластинкада қалдыратын ізі арқылы өлшеген. Егер ион шоғында әр түрлі массалары бар иондар болса, R шамасы суреттегідей әр түрлі R₁ және R₂ болады. Қазіргі масс – спектрометрлер массаны миллионнан бір бөлігіндей дәлдікпен өлшей алады. Иондардың зарядын 1e⁺ , 2e⁺⁺ ,3e⁺⁺⁺ өзгертуге болады.

3 Массаның ақауы. Ядроның байланыс энергиясы.

Ядроның массасы оны құрайтын бөлшектердің массаларының қосындысынан аз болады. Массалардың айырымы масса ақауы деп аталады. . Нуклондар қосылып ядро құрғанда нуклондардың бір бірімен байланыс энергиясы бөлінеді. Байланыс энергия ядро құратын нуклондарды бір бірімен әсерлеспейтін қашықтыққа жеткізетін жұмысқа тең. Ядроның энергиясы нуклондардың энергиясынан мына шама кем:

, немесе байланыс энергия

4 Ядролық күштер.

Қазіргі заманда төрт іргелес әсерлесу белгілі. Соның біреуі күшті әсерлесу.Осы әсерлесу нуклондарды ядрода ұстайды. Күшті әсерлесудің әсерлік радиусы 1ферми= , электр зарядқа тәуелді емес.Ядролық күштердің қазіргі кездедегі теориясы бойынша нуклондар өз ара глюон деп аталатын бөлшектер көмегімен әсерлеседі.

5 Ядролардың орнықтылығы.

1500 дей ядролар белгілі, олардың айырмашылықтары A,Z,N сандары. Осылардың төрттен бірі орнықты, қалғандары радиоактивті. Көптеген ядролар жасанды түрде ядролық реакциялар көмегімен алынды. Табиғатта зарядтық саны 1 – 92 болатын ядролар кездеседі, бірақ Z=43(технеций) және Z=61(прометий) тек жасанды түрде табылған. Зарядтық саны 93 тен 110-ға трансуран элементтері жасанды түрде алынған.

6 Атом ядросының модельдері.

Атом ядросының радиусы .Қазіргі заманда әліде бір жүйелі атом ядросының теориясы жасалмаған. Сондықтан микроәлемдегі құбылыстарды түсіндіруге атом ядросының модельдері қолданылады. Атом ядросының көптеген модельдері бар. Оларды бір бөлшекті, коллективті және жалпылағандарға бөлуге болады. Бір бөлшекті – тәуелсіз бөлшектер моделі, коллективті- күшті әсерлесетін бөлшектер моделі. Ең қарапайым және бірінші ұсынылған модель –ядроның тамшы моделі. Бұл модельде ядро сығылмайтын сұйық тамшы тәріздес. Тамшы моделі орташа байланыс энергияның массалық және зарядтық санға тәуелділігін жуықтап дұрыс түсіндіреді.

Бір бөлшекті модельдердің ішінде маңызды біреуі атом ядросының қабыршықтық моделі. Бұл модельдің негізделінуі атом ядросының атом сияқты периодты болуы.

9-шы лекция. Атом ядросының физикасы

7. Табиғи және жасанды радиоактивтілік

8. Радиоактивтіліктің ыдырау заңы. Жартылай ыдырау периоды

9. - ыдырау. - бөлшектерінің спектрі. - ыдырау нәтижелерінен ядроның өлшемін анықтау.

10. - ыдырау. - ыдыраудың түрлері. Электрондарының энергетикалық спектрлері. Рұқсат етілген және тиым салынған - ауысулар. Ядролардың - сәулесін шығаруы.

11. Электрлік және магниттік ауысулар

12. Ядролық изомерия.

13. - кванттардың ішкі конверсиясы. Ядролық - резонансы.

14. Радиоактвтілік қатары. Ығысу ережесі.

15. Радиоактивті изотоптардың қолданылуы.

7.Табиғи және жасанды радиоактивтілік.

1986 жылы А. Беккерель уран тұздарының белгісіз сәулелер шығаратынын тапты. Бұл белгісіз сәулелердің тамаша қасиеттері сәулелердің өз бетімен шығуы және тұрақтылығы. Сыртқы факторлардың, яғни температураның, жарықтанудың, қысымның өзгерісіне тәуелсіздігі. Жүргізілген зерттеулер нәтижесінде, белгісіз сәулелердің жұқа металл пластинкадан өтіп кету, газдарды иондайтын қасиеттері бар екені анықталды.

Мария Склодавская-Кюри және Пьер Кюри жүргізілген тәжірибелері негізінде жаңа элементтер табылды. Бұл элементтердің де уранның сәулелеріндей сәулелер шығаратыны анықталып, сәуле шығару интенсивтігі ураннан гөрі күштірек болды. Жаңа элементтерді – полоний ₈₄Ро²¹⁰ және ₈₈Ra²²⁶ деп атады. Сонымен, өздігінен сәулелер шығаратын заттарды радоактивті заттар, ал сәуле шығару құбылысын – радоактивтілік деп атайды.

Табиғи радиоактивтілік дегеніміз белгілі бір атом ядроларының сәулелер шығарып өздігінен басқа элементтердің ядроларына айналу құбылысын айтамыз. М. Кюридің зерттеулері бойынша радиоактивті элементердің шығаратын сәулелерінің біртекті сәулелер емес екені анықталды. Көлденең магнит өрісінде радиактивті сәулелер үш бөлікке бөлінді. Ол сәулелерді α, β және γ-сәулелер дейді. Магнит өрісінің көмегімен α-сәулелердің оң, β-сәулелердің теріс зарядты бөлшектер, ал γ-сәулелердің заряды жоқ екені анықталды. Кейінгі жүргізілген тәжірибелердің негізінде α-бөлшектер гелий ядросы болып шықты. Белгілі бір радиоактивті элементтің изотопы энергиялары бірдей шамадағы α-бөлшектерді шығарады. Мысалы, уран-238 (U²³⁸) шығаратын α-бөлшектердің энергиялары 4,182; 4,135; 4,02 МэВ, ал торий-226 (Th²²⁶) үшін – 6,330; 6,220; 6,095 МэВ, т.с.с., α-бөлшектер газдан өткенде газ молекулаларын иондайды, фотопластинканы қарайтады. Заттардан өтімділік қамиеті шамалы. β-бөлшектер үлкен жылдамдықтары бар электрондар ағыны екені анықталды. Кейбір электрондардың жылдамдығы 0,99с, яғни жарық жылдамдығына жақын, ал энергиялары 10 МэВ шамасында. Өтімділік қасиеті α-бөлшектерге қарағанда жоғары, иондау қасиеттері төмен. Электр және магнит өрісінде термоэлектрондар немесе катод сәулесінің электрондары тәріздес ауытқиды. Γ-сәулелері, табиғаты рентген сәулелеріне жақын, қысқа электромагнитік сәулелер болып шықты. Өтімділік қасиеті өте жоғары, иондау қасиеті нашар. Магнит және электр өрісінде ауытқымайды. γ-сәулелердің жиіліктері рентген сәулелерінің жиіліктерінен жоғары, демек, әрбір квантының энергиясы да артық. Радиоактивті сәулелердің, алдында айтып кеткендей, химиялық әсері бар (фртрпластинкаға әсер етуі), иондау қасиеті бар, кейбір заттардан флуоресцеттік жарқыл шығарады. Радиоактивті изотоп тұрақты энергия шығаратындықтан, температурасы, оны қоршаған ортаның температурасынан артық болады. Міне, осы айтылған қасиетерін қолдана отырып, радиоактивті элементтерді эксперимент жүзінде зерттеуге мүмкіндік бар.