1. Атом ядроларының құрылысы. Ядролық бөлшектердің арасына әсер ететін күштер.

Сабақтын жоспары:

1. Атом ядроларының құрылысы. Ядролық бөлшектердің арасына әсер ететін күштер.

2. Радиоактивтілік және иондық сәулелердің қасиеттері.

3. Сәулелену энергиясы.

4. Радиоактивтік айналудың түрлері: альфа-ыдырау, бета-ыдырау, К-ұстау.

Радиоктивтілік және иондық сәулелердін қасиеттері.

Иондық сәулелердің адам организміне тигізер әсерін түсіну үшін және одан қорғау жөнінде сауықтыру шараларын дұрыс жүргізу үшін радиоактивтілік жайлы және сәулеленудің әртүрлі түрлерінің қасиеттері жайлы білу керек.

Жүз жылдай уақыт ішінде өте көп көлемде жаңалықтар ашылды, мұның өзі заттардың терең зерттеп білуге мүмкіншілік туғызады.

Заттарды одан әрі зерттеу атомды ашуға келіп тіреледі, ал онан соң тіптенде кішкене ядроны аштырды. Молекуланың ең ұсақ бөлшегі болып – атом есептелінеді, ал өзінің химиялық құрылымы жөнінен ерекшеленеді.

Егер заттар миллиондаған болса, ал атомдар немесе химиялық элементтер тек қана 107.

Қазір атомның бөлінетіні туралы бәрімізге де белгілі, бірақ оның грек тілінен аудармасы – «бөлінбейтін» деген сөз.

Атомның құрылысы

Қазіргі уақыттағы түсініктеме бойынша атом күрделі құрылымды болып есептелінеді. Оның ортасында мол көлемді ядро орналасады. Ядрода атом массасының негізгі көлемі және оң зарядттардың барлығы орналасады.

Электрондардың теріс зарядтарының барлық көлемі өзінің абсолютті мағынасы бойынша ядроның оң зарядтарына тең.Сондықтан атом жалпы алғанда тепе-теңдікте болады. Ядроның диаметрі әртүрлі химиялық элементтерде өзгеше, орташа алғанда см, яғни 100 000 есе атом диаметрінен кіші. Атом диаметрі см.

Электрондар атом ядросының белгілі радиустағы орбиталар бойынша айналып тұрады, оны стационарлық орбита деп атайды. «Орбита» немесе «қабыршақ» деген сөздердің мағынасы, ядродан бірдей арақашықтықта айналмалы- толқымалы қозғалыс жасайтын, энергиялары бір-біріне жақын бір немесе топ электрондардың мағынасын береді. Атом массасын масса баны (А) деп атайды. А көлемі негізінен ядроның массасымен анықталады, өйткені электрондардың массасы онымен салыстырғанда тым кішкентай.

Атом массасын ауысыпалы бірлікпен – атом массасының бірлігі деп атайды.

Атом массасының бірлігі. Атом массасының бірлігіне көміртегі атомы массасының 1/12 бөлігін қабылдайды.

Міне сондықтан, мысалы, сутегі массасының саны бірге тең. Бұл сутегі атомының массасы сутегі массасы сутегі атомынан 12 есе кіші екенін көрсетеді.

Атом нөмірін және массаны химиялық символ арқылы элементтің жазылуына қосады. Атом нөмірін символдың астына жазады, ал масса санын үстіне жазады. Осындай жүйемен сутегін IHI, оттегін 8016, УРАНДЫ 92У238 деп белгілейді.

Атом ядросының құрамына оң зарядталған бөлшектер – протондар (сутегі ядросы) – енетіні тәжірибе жүзінде дәлелденді. Протон оң зарядтар бірлігіне ие және элементтердің периодтық жүйесіндегі кезекті (атомдық) нөміріне сәйкес келеді. Протондар мен нейтрондардың қорытындысы масса санына сәйкес келеді. Бұл сан атом салмағына қатысты ең жақын бүтін сан болып

Нейтрондар – сутегіден басқа ядролардың құрамына кіретін бейтарап бөлшектер. Нейтрондар зарядсыз болғандықтан, нейтрондық- сәулеленудің өткізгіш қасиеті өте жоғары және қорғасын, шойын арқылы да оңай өтеді.

Сәулеленудің бұл түрі құрамында сутегі бар заттардан (парафин, су) өтпей ұсталып қалады. Заттарды нейрондармен сәулелендіргенде олардың радиоактивтілігі немесе икемдендірілген радиоактивтілігі пайда болады. Максималды энергия 4-5 Мев дейін жетеді. Мұндай кезде тірі тіндерді сәулелендіру азот ядросының реакцясымен мүмкін болады. Организімде бар күкірт, фосфор мұндайда радиоактивтілік қасиетке ие болады және несепте білінеді. Сондықтан, нейтрондар өздері атомдарды иондамайды, бірақ олар элементтердің ядроларына оңай жетеді де ядролық реакциялар туғызады, ал бұл ядролар тіндерді құрайды. Нәтижесінде ортаны қатты иондандыратын бос протондар пайда болады. Нейтрондардың иондық қабілеті альфа немесе бета- бөлшектерге қарағанда төмен. Элементтер неғұрлым ауыр болса, атомдардың құрылысы соғырлым күрделі, яғни ядрода протондар мен нейтрондар және электрон қабыршағында электрондар соғырлым көп.

Изотоптар. Бір ғана элементтың атомының ядроларының массасы бірдей бола бермейді. Мысалы:

Олардың кейбіреулерінің ядроларында көлемі бірдей протондар және көлемі әртүрлі нейтрондар болады. Мұндай заттар осы элеметтің изотопы деп аталады.

Табиғатта тұрғылықты және радиоактивті изотоптар кедеседі, олар әртүрлі жылдамдықпен ыдырайды. Ертеректе тұрғылықты болып есептелген изотоптар тексерудің физикалық әдістерінің дәлелдеуіне байланысты радиоактивті топқа жатқызылады. Табиғатта кездесетін радиоактивті изотоптар ядрорлық реакцичлардың нәтижесінде пайда болған, сондықтан олар табиғи- радиоактивті(уран, радий, торий,актиний) изотоптар деп аталынады. Элементтің ыдырауы бірғана өзгерумен шектелмейді, себебі жаңа пайда болған ядрода тұрақсыз болады да өз кезегінде ол да ыдырайды. Былай пайда болған үздіксіз өзгерістер тұрлылықты элементтің пайда болуымен аяқталады. Элементердің ядролық өзгерістерге байланысты үздіксіз өзгеруі – радиоактивтілік жанұя деп аталынады. Мұндай жанұялардың бізге белгілері: урандық, радий, торий және актиний. Бұлардан басқа ешқандай жанұяға кірмейтін изотоптарда кездеседі.

Протондар мен нейтрондар, бұлардан ядро құрылыады, өз ара ерекшке тартылыс күшімен байланысқан. Бұл ядролық күштер деп аталады. Ядроның барлық бөлшектерінің арасында әсер ететін тартылыс күштерімен қатар, протондар арасында қатардағы электростатикалық серппелі күштер болады. Бұл күштер атом ядросының шыдамдылығын азайтады.

Ядролық күштер тұрақты, неғұрлым мықты байланысқан нейтрондар кешенін протондар мен нейтрондардың тек қана белгілі бір қарым қатынасында ғана құра алады.

Периодтық таблицадағы жеңіл элементтердің (атомдық нөмірі 20 кем) нейтрондар санының протондар санына қатынасы бірге сәйкес келеді. Мұндай элементтердің ядросы тұрақты болады. Атом нөмірі өскен сайын протондар санынан аса бастайды. Ауыр ядролар үшін нейтрондар санымен қатар протондар санының қарым қатынасы 1,6 деген көрсеткішке жақын келеді. Бұл көрсеткіш олардың тұрақсыздығын көрсетеді. Ядродағы протондар мен нейтрондардың қатынасының бұзылуы – ядролық күштердің әлсіздеуіне және ядроның өзінен-өзі өзгеруіне, яғни радиоактивтілігіне әкеліп соғады.

Радиоактивтілік- дегеніміз атом ядроларының өзіне-өзі өзгеруі (ыдырауы). Бұл атомның нөмірін немесе ядроны энергетикалық жағдайын өзгертуге әкеліп соғады.

Иондармен сәулелену- дегеніміз белгілі бірортамен өз ара қатынасында әрүрлі белгідегі электрлік зарядтар құрайтын кез-келген сәулелену түрі. Организімге тигізер әсері сәулелену сырттай болса да, іштей болса да организмге түскенде бірдей әсер етеді.

Энергия. Иондар мен сәулелену бірлік түрінің маңызды мінездемесі болып – фотондардың немесе бөлшектердің энергиясы болып табылады. Кез келген затты қозғау үшін белгілі бір көлемде энергия жұмсау қажеттігі бәрімізге белгілі. Бұл энергия бізге белгісіз түрде қозғалатын затта орналасқан және де ол кинетикалық энергия ретінде бізге белгілі. Мысалы, мылтықтан оқты ұшыруға мәжбүр ету үшін қорғасынның жарылу энергиясын пайдалану қажет. Ұшып шыққан оқ өзімен бірге осы энергияның бір бөлігін алып кетеді, ол энергия кинетикалық энергия болып есептелінеді. Оқ бұл энергияның бірте-бірте жоғалтады, өйткені ол жолай ауаны жылытуға береді. Оны тежейтін. Мұндай жағдайда энергия арқылы белгіленеді. Физиктер энергияның бұл бірлігімен тәжірибеде ғана қолданады, себебі бұл бірлік өте аз, қолдану шеңбері тар. Үлкен бірліктер болып – джоуль, киловатт- сағат, килокалория есептелінеді.

Дегенмен атом физикасының мақсаты үшін эрг тым үлкен бірлік. Мұнда электронвольт (ЭВ) – деген бірлікті қолданады. Электронвольт – дегеніміз электрлі алаңды бір вольтқа тең потенциалдар айырмашылығымен өтетін электронвольт (Мэв деп белгіленеді) саналады, ол бір миллион электронвольтқа тең. Синхрофазотрон энергиясы 10 млн электронвольтқа тең.

әлемдегі бізді қоршаған ірі денелердің арасында электронвольт тым кішкентай. Мысалы, 1 гр суды градустың мындық бөлігіне жылыту үшін 26 млрд Мэв тең жылу энергиясын жұмсау қажет. Бірақ, атом әлемінде- эв- энергияның көлемді бірлігі. Қалыпты жағдайларда әртүрлі денелердің атомдары мен молекулалары эв жүздік бөлігімен өлшенетін жыу энергиясына ие. Мысалы, судың әрбір молекуласы жылу энергиясына ие болса(1 эв тең), онда судың температурасы 1,3 мың градусқа дейін көтеріледі еді.

Көрінетін күн жарығының кваттарының – жарық фотондарының энергиясы небәрі бірнеше ғана электронвольтқа тең. Альфа, бета бөлшекткр және гамма- кванттардың энергиясы бірнеше миллиондаған эв тең болуы мүмкін. Сондықтан радиоактивті сәулелендіру болып есептеленеді.

Әрбір изотоп белгілі бір сәулелендіру энергиясымен сипатталады.

Мысалы, Со 60 - 1,25 Мэв

Р 32 – 1,7 Мэв

Сәлелену энергичсын білгендіктен иондандыру дәрежесі жайлы түсінік алуға болады немесе пайда болған иондық жұптардың санын есептеуге болады. Мысалы: иондандыру ғамалиясының негізіне жататын газ молекуласынан электронды босаттыру үшін 34,0 электрон-вольт жұмсау қажет, енді бұл қанша иондандыу құрайтынын есептеп көрейік:

Альфа – бөлшек, 3,4 Мэв энергияға ие

Бетта – бөлшек, 1,7 Мэв энергияға ие.

Альфа -

Бета - иондық жұптар

Элементтердің ядроларының жасанды өгертілуі ядро әртүрлі бөлшектермен – протондарме, альфа – бөлшектермен, нейтрондармен – атқылау арқылы жүргізіледі. Тұрақты элементтерден жасанды жолмен алынған радиоактивті изотоптар деп аталады. Оларды түпкі заттарды баяу нейтрондармен сәулелендіру арқылы ядролық реакторларда алынады. Мұндай жағдайда радиоктивті және тұрақты изотоптардың қоспасы алынады. Олардың арнайы бірлік-шекті (удельной) ширақтықты енгізу қажеттілігі туды.

Радиоактивті өзгерімдердің бірнеше түрлерін айырады:

1.Альфа – ыдырау;

2. Электронды бета ыдырау;

3. Позитронды бета – ыдырау;

4. К – ұстау (яроның орбиталы электроннын ұстау);

5. Ядролардың өз беттерінше бөлінуі;

6. Термоядролық реакциялар – ядролардың жасанды өзгерілуі.

Қайта құру ядроларға және атомдардың электронды қабыршақтарына қатысты. Ядроның қайта құрылуының негізгі екі түріне тоқталйық:

Альфа және бета – ыдырау. Альфа – ыдырау висмуттан басталып, ауыр элементтерде байқалады.

Радиоактивті өзгерімдердің мінездемесі.

Альфа – ыдырауда альфа-бөлшек немесе гелий атомының ядросы ұшып шығады, яғни массаның 4 атомдық бірлігі: заряд 2 бірлікке азаяды.

Орын ауыстыру тәртібі (солға қозғалу)

А – масса 1 А А - 4

-заряд 1 - 2

Альфа – ыдырау үлкен атом нөмірлі (уран, торий, радий) табиғи радиоактивті элементтерге тән. Бөлшектердің энергиясы 2-ден 11-ге Мев

құрайды. Энергия өскен сайын жүргізу көлемі де ұлғаяды, яғни бөлшектерді толық жұту үшін қажетті жұтқыштың минимальды қалыңдығы. Альфа бөлшектердің судағы және тіндегі жүру өлшемі 0,02-0,06 мм құрайды.

Альфа – бөлшектер темекі қағазының жапырағын немесе алюминий пластинкасының жұқа қабатымен толығымен ұсталады. Альфа – бөлшектердің маңызды қасиеттерінің бірі болып олардың өту қабілеті төмен және иондандыру қабілеті жоғары екені есептелінеді. Бұл олардың энергиясының мол, салмағының ауыр және екіленген оң зарядты екендігімен байланысты.

Сыртқы сәулелендіргіш ретінде альфа- бөлшектер қауіп тудырмайды. Олардан қорғану үшін қауіп көзінен 20-30 см алыста немесе жолына бөсегіш экран қойса жетіп жатыр. Альфа – бөлшектердің кездесетін атомдары мен өз ара әсерінің нәтижесінде атомдардан электрондар бөлінеді және қоршаған орта күшті (110-нан 250000 жұпқа дейін) иондандырылады.

Организм тіндерінде мұндай күшті иондану 1-2 микронның жолында пайда болу мүмкін, себебі тіндердің тығыздығы ауаның тығыздығына 770 есе үлкен.

Альфа бөлшектер қатты және сұйық денелерде өте күшті сіңімді және жүру ұзындығы азаяды. Альфа – бөлшектер ішке енгенде неғұрлым қауіпті, мұндайда олар аэрозолн деп аталынады. Мұндай жағдайда клеткалардың, тіндердің эпиталияларының тікелей сәулеленуі болады.

Бета – ыдырау (оңға қозғалу) электрондар ағымынан тұрады. Ыдыраудың бұл түрінде салмақтың өзгеруі өте аз және тәжірибе жүзінде есепке алынбайды, себебі салмағы массаның атом бірлігінің 1/1840 тең электрон ұшып кетеді. Бета- ыдырауда атом нөмірі бір бірлікке көбейеді, яғни бір электронның жоғалғаны бір оң зарядтың пайда болуына тең.

Сондықтан бета- ыдырау мынадай схемада жүреді және қозғалу тәртібінде болады.

Бета- ыдырау типті радиоактивті өзгерулер табиғи және жасанды радиоактивті элементтер арасында кең тараған.

Бета-бөлшектердің ену қабілеттері альфа- бөлшектерге қарағанда әжептәуір үлкен. Ауада енуі 10-15 мм, тіндерге енуі- 8 мм болады. Бета- бөлшектердің энергиясы 0,1- 0,3 Мев аралығында толқиды.

Бета- бөлшектердің иондандыру қабілеті альфа- бөлшектермен салыстырғанда бірнеше есе кем.

Энергиясы 2 Мев болатын иондық сәулеленудің кейбір түрлерінің мінездемесі.

Сәлеленудің түрі	Абсолюттік бірліктер массасы	Электрон зарядына қатынасы бойынша заряд	Ауада ену көрсеткіші, мм	Ауадағы ионданудың деңгейлік тығыздығы (иондар саны)
Альфа бөлшектер(гелий атомының ядросы) Бета- бөлшектер(электрон) Гамма- квант	-	-1 -	0,01	0,1

Бета- ыдыраудың басқа екі түрі әжептәуір сирек кездеседі: олар электронды ұстау және позитронды бета- ыдырау. Электронды ұстау кезінде ядроның протоны атомның электронды қабыршағына жақын орналасқан орбиталардың бірінде орналасқан (көбінесе К- қабатынан, К- ұстау) электронды ұстайды. Электронды ұстаудың нәтижесінде протон нейтронға айналады. К- қабатында ұсталған электрон алып тұрған орын босайды. Ол орын ядродан алысырақ орналасқан қабыршақтар қабатындағы электрондармен жайлап толтырылады.

Мұндай ауысулар кезінде босаған энергияның артық көлемі атомның рентген сипатты К немесе М немесе басқа сәулелендіру түрі ретінде шығарылады. Электронды ұстау, мысалы, Со байқалады. Оның ядроларының 15% бета- ыдырау, ал 85% - электронды ұстау.

Электронды ұстауға қабілетті изотопқа К изотопының барлық ядроларының 88% электронды бета- ыдырау жолымен бөлінеді де қалған 12% электронды ұстау арқылы бөлінеді. Мұндай жағдайда, электронды ұстаудың өнімі болып аргон изотопының ядросы табылады. Ол Менделеев кестесінде калий элементінің ізбасары болып табылады.

Позитронды бета- ыдырауда ядроның протондарының бірі нейтронға, позитронға, нейтриноға айналады.

Позитрон дегеніміз бір элементті зарядты оң зарядқа ие, электрон массасына тең өз массасы бар бөлшек. Нейтронға қарағанда салмағы аз протонның позитрон мен нейтронға айналуы бір қарағанда салмақ пен энергияның сақталу заңына қарама-қайшы болып көрінеді. Шындығында позитронды бета- ыдырауда физиканың негізгі заңдары бұзылмайды. Іс жүзінде бос протондар ешқашан да өз беттерімен нейтронға айналмайды, өйткен жағдайда шынында да салмақ пен энергияның сақталу заңына қайшы келер еді. Протондар молшылығына ие ядролардың ішінде, бұл алмасу осы ядроның протондарының электростатикалық қарым- қатынасындағы артық энергияның молшылығы арқасында мүмкін болып жүзеге асады. Протондардың біріндегі мол энергияның жиынтығы оның салмағының өсуіне әкеліп соғады.

Позитронның шығуына байланысты, мысалы, 31 ядролардың да изотоптары ыдырайды.

Позитронды бета- ыдыраудың өнімі болып бастапқы ядронікіндей, тура сондай салмақтық саны бар ядро изотопы табылады, бірақ бұл ядроның заряды электронды ұстау жағдайындағыдай бір бөлікке кем болады.

Бета немесе бета- ыдыраудың нетижесінде пайда болған жаңа ядро негізінде қоздырылған күйде болада, яғни олар өздерінің негізгі жағдайына қарағанда энергияның мол көлеміне ие болады. өте қысқа ғана уақыт ішінде (10 - 10 ) ядро өзінің бастапқы жағдайына қайтып келеді, бұл уақытта ол бір немесе бірнеше гамма- квант түрінде уақыт артық энергияны шығарады. Мысалы, Со бета- ыдыраудан кейін қоздырылған ядросы бар айналады. өз кезегінде негізгі қалпына бірінен соң бірін энергиялы екі гамма- квантты (1,33 және 1,17 Мев) шығарады.

Радиоактивті өзгерулер сонымен қатар гамма- кванттар мен нейтрондарды шығару арқылы да жүргізіледі.

Радиоактивті өнімдердің және жасанды элементтердің гамма- сәулелену электрлі магнитті сәулелену болып есептелінеді. Гамма- сәулелердің энергиясы ондаған Кэв бірнеше Мэв аралығында толқмды. Гамма- сәулелердің ену қабілеттері жоғары, ауада өту ұзындығы ондаған немесе жүздеген метрге дейін жетеді. Олардың иондандыру қабілеті альфа немесе бета – бөлшектерге қарағанда анағұрлым төмен. Бір см болатын ауа молында олар небәрі бірнеше ғана иондық жұптар құрайды.

Табиғаттағы иондандыру сәулелеріне сонымен бірге электрлі магнитті сәулелену жатады. өздерінің шығу табиғаты бойынша рнтгендік сәулелер ядролық болып есептелінбейді, олар атомның электронды қабыршағында пайда болады. Қоздырылу жолдары бойынша рентген сәулелері тежеулі немесе сипаттамалы болып кездеседі.

Сипаттамалы рентген сәулелері электрондар энергиялық деңгейде неғұрлым жоғарғы ара-қатынасқа ие болатын атомдардың ең кіші қабыршақтарының арасынан өткен кезде пайда болады.

Тежеулі рентген сәулелері электрондарды атомардың электростатикалық алаңында тежегенде пайда болады.

Рентген сәулелерінің неғұрлым кең тараған генераторы болып рентген түтігі есептелінеді. Олардың жұмыс принципі мынадай: түтік жасақталған электрондар электр алаңында жеделдетеді де анод заттарында тежеледі. Жалпы энергия және сәулелену спектрі үш факторға тікелей байланысты: электрондар санына немесе түтіктегі анодты токқа, электрондарды жеделдететін түтіктің ішіне орналастырылған қуатқа, және де олар тежелінетін заттардың табиғатына байланысты.

Әртүрлі конструкциялы рентген түтіктері, оларға орналыстырылған қуаттың көлеміне байланысты энергиясы 50 Кэв- 1-2 мэв дейін болатын рентген сәулелерін береді. Арнайы жеделдеткіштер – бетатрондар, синхротондар және басқалар бірнеше оңдаған, тіпті жүздеген Мэв энергияға дейін электрондарды жеделдете отарап, оңдаған немесе жүздеген Мэв болатын максимальды энергиялы кванттары бар тежеулі рентген сәулелерін алуға мүмкіншілік береді.

Электрлі магнитті сәулелер белгілі бір тәртіппен үлес- кванттармен белінеді және сіңеді. Бұл электрлі магнитті сәулелерді альфа немесе бета- бөлшектер ағымы тәрізді фотондар ағымы ретінде қарауға мүмкіншілік туғызады. Екінші бір жағынан электрлі магнитті сәулелер мен зарядталған бөлшектердің таралуы электрлі магнитті сәулелердің таралу заңына бағынады.

Дата добавления: 2015-08-28