Кіріспе
Атом ядроларын зерттейтін физика саласы – атом ядроларын және олардың құрамдас бөліктері мен өзара әрекеттесуін зерттейтін физика саласы. Ядролық физика атом физикасымен шатастырылмауы керек, себебі атом физикасы атомды, оның электрондарымен қоса, тұтастай зерттейді. Ядролық физикадағы жаңалықтар көптеген салаларда қолданыс тапты. Оларға ядролық энергия, ядролық қару, ядролық медицина және магниттік-резонанстық бейнелеу, өнеркәсіптік және ауыл шаруашылығындағы изотоптар, материалдарды өңдеудегі иондық имплантация, сондай-ақ геология мен археологиядағы радиокөміртектік талдау жатады. Мұндай қолданыстар ядролық инженерия саласында зерттеледі. Бөлшектер физикасы ядролық физикадан дамыды және екі сала көбінесе тығыз байланыста оқытылады. Ядролық астрофизика, ядролық физиканың астрофизикаға қолданылуы, жұлдыздардың ішкі құрылысын және химиялық элементтердің пайда болуын түсіндіруде маңызды рөл атқарады.
the study of atomic nuclei
Nuclear physics is the field of physics that studies atomic nuclei and their constituents and interactions, in addition to the study of other forms of nuclear matter. Nuclear physics should not be confused with atomic physics, which studies the atom as a whole, including its electrons. Discoveries in nuclear physics have led to applications in many fields. This includes nuclear power, nuclear weapons, nuclear medicine and magnetic resonance imaging, industrial and agricultural isotopes, ion implantation in materials engineering, and radiocarbon dating in geology and archaeology. Such applications are studied in the field of nuclear engineering. Particle physics evolved out of nuclear physics and the two fields are typically taught in close association. Nuclear astrophysics, the application of nuclear physics to astrophysics, is crucial in explaining the inner workings of stars and the origin of the chemical elements.
Тарих
Ядролық физиканың атом физикасынан ерекшеленетін ғылым ретінде тарихы 1896 жылы Анри Беккерельдің уран тұздарындағы люминесценцияны зерттеген кезде радиоактивтілікті ашқанынан басталады. Бір жыл өткен соң Дж. Дж. Томсонның электрондарды ашқаны атомның ішкі құрылымы бар екенін көрсетті. 20 ғасырдың басында қабылданған атом моделі – Дж. Дж. Томсонның «көкжиек пудингі» моделі болатын, онда атом оң зарядталған шар болып, оның ішінде кішкентай теріс зарядталған электрондар орналасқан. Соңынан радиоактивтілік, әсіресе поляк физигі Мари Кюри (қыздық аты Склодовская), Пьер Кюри, Эрнест Резерфорд және басқалар тарапынан жан-жақты зерттелді. Ғасырдың басында физиктер атомнан шығатын үш түрлі сәулеленуді анықтады, оларды альфа, бета және гамма сәулелену деп атады. 1911 жылы Отто Хан және 1914 жылы Джеймс Чадвик жүргізген тәжірибелер бета-ыдырау спектрінің үзіліссіз екенін, дискретті емес екенін анықтады. Яғни, электрондар атомнан энергияның үзіліссіз диапазонымен шығарылды, ал гамма және альфа ыдырауларында байқалған энергияның дискретті шамалары емес. Бұл сол кездегі ядролық физика үшін мәселе тудырды, себебі бұл ыдырау кезінде энергия сақталмайтын сияқты көрінді. 1903 жылғы физика саласындағы Нобель сыйлығы Беккерельдің ашқандығы үшін, ал Мари мен Пьер Кюридің радиоактивтілік бойынша кейінгі зерттеулері үшін бірлесіп берілді. 1908 жылы Резерфорд «элементтердің ыдырауы және радиоактивті заттар химиясы» зерттеулері үшін химия саласындағы Нобель сыйлығын алды. 1905 жылы Альберт Эйнштейн масса-энергия эквиваленттігі туралы идеяны қалыптастырды. Беккерель мен Мари Кюридің радиоактивтілік жөніндегі жұмысы осыдан бұрын жасалған болса да, радиоактивтіліктің энергия көзін түсіндіру үшін ядроның өзі кішірек құрамдас бөліктерден, яғни нуклондардан тұратыны ашылуын күтуге тура келді.
Рутерфорд ядроны ашқан
1906 жылы Эрнест Резерфорд «Радийден шыққан α бөлшегінің материядан өтетінінің тежелуі» деген мақаласын жариялады. Ханс Гейгер бұл жұмысты Корольдік қоғамға жолдаған хабарламасында, өзі мен Резерфорд жасаған тәжірибелермен толықтырды, альфа бөлшектерін ауа, алюминий фольгасы және алтын жапырағы арқылы өткізді. 1909 жылы Гейгер мен Эрнест Марсден одан да көп жұмыс жариялады, ал 1910 жылы Гейгер оны одан әрі кеңейтті. 1911–1912 жылдары Резерфорд эксперименттерді түсіндіру және қазіргі түсінігіміздегідей атом ядросының жаңа теориясын ұсыну үшін Корольдік қоғамға баяндады. 1909 жылы жарияланған, ал Рутерфордтың классикалық талдауы 1911 жылдың мамырында жарияланған, маңызды алдын ала тәжірибе 1909 жылы Манчестер университетінде жүргізілді. Эрнест Резерфордтың ассистенті, профессор) алтын фольганың жұқа қабатына бағытталды. «Шаршаңқы пудинг» моделі бойынша, альфа бөлшектерінің траекториясы ең көп дегенде аздап иіліп, фольгадан шығуы тиіс еді. Бірақ Резерфорд командасына оны таң қалдырған нәрсені табуды тапсырды: бірнеше бөлшектер үлкен бұрыштармен шашырады, тіпті кейбір жағдайларда толығымен кері қайтарылды. Ол мұны қағазға оқ атып, кері секіріп келумен салыстырды. Бұл жаңалық, Резерфордтың 1911 жылғы деректерді талдауымен бірге, атомның өте кішкентай, өте тығыз ядросы бар, массасының көп бөлігін құрайтын және зарядты теңестіру үшін электронмен қабаттасқан ауыр, оң зарядталған бөлшектерден тұратын атом моделіне әкелді (нейтрон белгісіз болғандықтан). Мысалы, осы модельде (қазіргі заманғы емес) азот-14 14 протоннан және 7 электроннан (барлығы 21 бөлшек) тұратын ядродан және ядроны айналатын тағы 7 электроннан тұрады.
Эддингтон және жұлдыздық ядролық синтез
1920 жылы Артур Эддингтон "Жұлдыздардың ішкі құрылысы" атты мақаласында жұлдыздардағы ядролық синтез процестерінің ашылуын және оның механизмін болжады. Сол кезде жұлдыз энергиясының көзі толығымен белгісіз болды; Эддингтон сутектің гелийге айналуы осы энергияның бастауы екенін дұрыс болжады, бұл процесте Эйнштейннің E = mc² теңдеуіне сәйкес зор энергия бөлінеді. Бұл өте керемет жаңалық болды, себебі сол уақытта ядролық синтез және термоядролық энергия, тіпті жұлдыздардың басым бөлігі сутектен тұрады деген факті де (металдық байлыққа қараңыз) әлі ашылмаған еді.
Ядролық спинді зерттеу
1929 жылы Калифорния технология институтында Франко Расетти ядролық спинді зерттегенге дейін Резерфорд моделі жақсы жұмыс істеді. 1925 жылға қарай протондар мен электрондардың спині ±1/2 болатыны белгілі болды. Резерфордтың азот-14 моделінде, барлық 21 ядролық бөлшектің 20-сы бір-бірінің спинін бекіндіру үшін жұптасуы керек еді, ал соңғы жұп емес бөлшек ядроны 1/2 таза спинмен қалдыруы керек. Алайда, Расетти азот-14 спинінің 1 екенін анықтады.
Джеймс Чадвик нейтронды ашқан
1932 жылы Чадвик Уолтер Боте, Герберт Беккер, Ирен және Фредерик Жолио Кюри байқаған сәулеленудің, іс жүзінде, протонмен шамалас массасы бар бейтарап бөлшектен туындайтынын анықтады, ол бөлшекті нейтрон деп атады (Рутерфордтың мұндай бөлшек қажеттігі туралы ұсынымы бойынша). Осы жылы Дмитрий Иваненко ядрода электронның жоқ екенін, тек протондар мен нейтрондар ғана бар екенін, ал нейтрондар спині 1/2 болатын бөлшектер екенін, бұл массаның протондардан емес екенін түсіндірді. Нейтрон спині бірден 14 азоттың спині мәселесін шешті, себебі бұл модельдегі жұптаспаған бір протон және жұптаспаған бір нейтрон әрқайсысы 1/2 спинін бір бағытта қосып, соңғы жалпы спинін 1 құрады. Нейтронның ашылуымен ғалымдар әрбір ядроның қандай байланысу энергиясына ие екенін, оның құрамындағы протон және нейтрондардың массасымен салыстыра отырып есептей алды. Ядролық массалар арасындағы айырмашылықтар осылайша есептелді. Ядролық реакциялар өлшенгенде, олар Эйнштейннің 1934 жылғы масса мен энергияның эквиваленттігін есептеуімен 1% шегінде сәйкес келетіні анықталды.
Массивтік векторлық бозон өрісінің Прока теңдеулері
Александру Прока алғаш болып массивті векторлық бозондық өріс теңдеулерін және ядролық күштердің мезондық өріс теориясын жасады және жариялады. Проканың теңдеулері Вольфганг Паулиге белгілі болды, ол осы теңдеулерді Нобель сыйлығын алу сөйлесінде айтқан, сондай-ақ олар Юкава, Вентцель, Такетани, Саката, Кеммер, Гейтлер және Фрёлихке де белгілі болды, олар Прока теңдеулерінің мазмұнын ядролық физикадағы атом ядроларының теориясын дамыту үшін жоғары бағалады.
Юкава мезоны ядроларды байлайды
1935 жылы Хидеки Юкава ядроның қалай ұсталып тұратынын түсіндіру үшін күшті күштің алғашқы маңызды теориясын ұсынды. Юкава әрекеттесуінде виртуалды бөлшек, кейін мезон деп аталды, протон және нейтрон сияқты барлық нуклондар арасында күштің таралуына жауапты болды. Бұл күш ядролардың протондық итергіш күш әсерінен ыдырауға ұшырамауының себебін түсіндірді, сонымен қатар күшті тартымды күштің протондар арасындағы электромагниттік итергіш күштен қарағанда шектеулі диапазонда болуын түсіндірді. Кейін пи-мезонының табылуы Юкава бөлшегінің қасиеттеріне ие екенін көрсетті. Юкаваның жұмыстары атомның қазіргі заманғы моделін аяқтады. Атомның ортасында тығыз нейтрон және протон жиынтығы орналасқан, олар күшті ядролық күш арқылы біріктіріледі, егер ол тым үлкен болмаса. Тұрақсыз ядролар альфа-ыдырауға ұшырауы мүмкін, оның нәтижесінде энергиялы гелий ядросы шығарылады, немесе бета-ыдырауға ұшырауы мүмкін, оның нәтижесінде электрон (немесе позитрон) шығарылады. Мұндай ыдыраулардың бірінен кейін пайда болған ядро қозу күйінде қалуы мүмкін, және бұл жағдайда ол жоғары энергиялы фотондарды (гамма-ыдырау) шығару арқылы негізгі күйіне оралады. Күшті және әлсіз ядролық күштерді зерттеу (соңғысы 1934 жылы Энрико Ферми Ферми әрекеттесуі арқылы түсіндірілді) физиктерді ядролар мен электрондарды күшті энергиямен соқтығыстыруға алып келді. Бұл зерттеулер бөлшек физикасы ғылымына айналды, оның ең маңызды жетістігі – бөлшек физикасының стандартты моделі, ол күшті, әлсіз және электромагниттік күштерді сипаттайды.
Қазіргі заманғы ядролық физика
Ауыр ядрода жүздеген нуклондар болуы мүмкін. Бұл оны белгілі бір дәрежеде классикалық жүйе ретінде қарастыруға, кванттық механикалық емес, мүмкіндік береді. Нәтижесінде алынған сұйық тамшы моделінде ядроның энергиясы ішінара беттік кернеуден, ішінара протонның электрлік итерілуінен туындайды. Сұйық тамшы моделі ядролардың көптеген қасиеттерін, соның ішінде массалық санға байланысты байланысу энергиясының жалпы тенденциясын, сондай-ақ ядролық бөліну құбылысын қайта жасай алады. Дегенмен, бұл классикалық суретте кванттық механикалық эффектілер де бар, оларды Мария Гепперт Майер және Дж. Ханс Д. Йенсен әзірлеген ядролық қабық моделі арқылы сипаттауға болады. Нейтрондар мен протондардың белгілі бір "магиялық" санына ие ядролар өте тұрақты, өйткені олардың қабықтары толыққан. Ядроны сипаттау үшін тағы да бірнеше күрделі модельдер ұсынылған, мысалы, өзара әрекеттесетін бозон моделі, онда нейтрондар мен протондардың жұптары бозон ретінде өзара әрекеттеседі. Ab initio әдістері ядролық көпденелік мәселені бастапқы нуклондар мен олардың өзара әрекеттесуінен бастап, түптеп келгенде шешуге тырысады. Қазіргі кездегі ядролық физикадағы зерттеулердің көп бөлігі жоғары спин және қозу энергиясы сияқты экстремалды жағдайлардағы ядроларды зерттеуге қатысты. Ядролардың пішіні де экстремалды болуы мүмкін (регби добына немесе тіпті алмұртқа ұқсас), немесе нейтрон мен протонның арақатынасы өте жоғары болуы мүмкін. Экспериментаторлар мұндай ядроларды жасау үшін жасанды түрде туындаған қосылу немесе нуклондық ауысу реакцияларын пайдаланады, сондай-ақ үдеткіштен иондық сәулелерді қолданады. Одан да жоғары энергиялы сәулелерді қолдану арқылы өте жоғары температурада ядроларды жасауға болады, және осы тәжірибелер нормальді ядролық материядан жаңа күйге – кварк-глюондық плазмаға фазалық өтуді тудырған, онда кварктар араласып, нейтрондар мен протондардағыдай үштікке бөлінбейді.
Ядролық ыдырау
Сегіздеген элементтің кем дегенде бір тұрақты изотопы бар, ол ешқашан ыдырамайды деп байқалмайды, бұл шамамен 251 тұрақты нуклидке тең. Дегенмен, мыңдаған изотоптар тұрақсыз деп сипатталған. Бұл "радиоизотоптар" секундтың үлесінен бастап триллиондаған жылдарға дейін созылатын уақыт аралығында ыдырайды. Атомдық және нейтрондық сандарға тәуелділік ретінде сызылған нуклидтердің байланыс энергиясы, "тұрақтылық аңғары" деп аталатын нәрсені құрайды. Тұрақты нуклидтер осы энергия аңғарының түбінде орналасқан, ал тұрақсыз нуклидтер аңғардың қабырғаларында, яғни байланыс энергиясы нашарлаумен орналасқан. Ең тұрақты ядролар нейтрондар мен протондардың белгілі бір арақатынасына немесе тепе-теңдігіне ие: протон санына қатысты нейтрондардың жетіспеуі немесе артық болуы ыдырауға алып келеді. Мысалы, бета-ыдырау кезінде азот-16 атомы (7 протон, 9 нейтрон) пайда болғаннан кейін бірнеше секунд ішінде оттегі-16 атомына (8 протон, 8 нейтрон) айналады. Бұл ыдырау кезінде азот ядросындағы нейтрон әлсіз өзара әрекеттесу арқылы протонға, электронға және антинейтриноға айналады. Элемент басқа элементке айналады, яғни протон саны өзгереді. Әдетте, ең ауыр ядроларда болатын альфа-ыдырау кезінде радиоактивті элемент гелий ядросын (2 протон және 2 нейтрон) шығарады, нәтижесінде басқа элемент және гелий-4 пайда болады. Көп жағдайларда бұл процесс бірнеше қадамдар арқылы жалғасады, оның ішінде басқа ыдырау түрлері (әдетте бета-ыдырау) тұрақты элемент пайда болғанға дейін жүзеге асырылады. Гамма-ыдырау кезінде ядро гамма-сәулесін шығара отырып, қозған күйден төмен энергиялы күйге өтеді. Бұл процесте элемент басқа элементке айналмайды (ядролық трансмутация болмайды). Басқа экзотикалық ыдырау түрлері де мүмкін (бірінші мақаланы қараңыз). Мысалы, ішкі конверсиялық ыдырау кезінде, қозған ядроның энергиясы атомнан ішкі орбиталық электрондардың біреуін шығарып тастауы мүмкін, бұл жоғары жылдамдықты электрондарды тудырады, бірақ бұл бета-ыдырау емес және (бета-ыдыраудан айырмашылығы) бір элементті екінші элементке айналдырмайды.
Ядролық синтез
Ядролық синтезде екі кіші массалы ядро бір-біріне өте жақын келеді, соның салдарынан күшті күш оларды біріктіреді. Ядроларды біріктіру үшін, күшті немесе ядролық күштердің ядролар арасындағы электрлік итергіш күшті жеңуіне үлкен мөлшерде энергия қажет; сондықтан ядролық синтез тек өте жоғары температурада немесе жоғары қысымда ғана жүзеге асуы мүмкін. Ядролар біріккен кезде, өте көп энергия босатылады және біріккен ядро төменгі энергия деңгейіне ие болады. Ядролық ядроның бір нуклонына шаққандағы байланыс энергиясы массалық саны 62-ге дейін артады. Күн сияқты жұлдыздар төрт протонның гелий ядросына, екі позитронға және екі нейтриноға бірігуі арқылы қуат алады. Сутектің гелийге бақылаусыз бірігуі термоядролық қашқындық деп аталады. Қазіргі зерттеулердің маңызды бағыты, мысалы, Joint European Torus (JET) және ITER сияқты институттарда, экономикалық тұрғыдан тиімді басқарылатын синтез реакциясынан энергия алу әдісін әзірлеу болып табылады. Ядролық синтез – барлық жұлдыздардың, оның ішінде біздің Күннің ядросы шығаратын энергияның (жарық және басқа электромагниттік сәулелену нысанында қоса) бастауы.
Ядролық бөліну
Ядролық бөліну – ядролық синтездің кері процесі. 62-никельден ауыр ядролар үшін бір нуклондағы байланысу энергиясы массалық санмен азаяды. Сондықтан, ауыр ядро екі жеңіл ядроға ыдырағанда энергияның бөлінуі мүмкін. Альфа-ыдырау процесі – іс жүзінде, ядролық бөлінудің ерекше түрі. Бұл өте асимметриялық бөліну, себебі альфа бөлшегін құрайтын төрт бөлшек бір-бірімен өте тығыз байланысқан, бұл осы ядроның бөлінуін әсіресе мүмкін етеді. Өте ауыр ядролардың біразының бөлінуі нәтижесінде еркін нейтрондар пайда болады, және олар бөлінуді бастау үшін нейтрондарды оңай сіңіреді, соның арқасында тізбекті реакцияда нейтронмен басталатын, өзін-өзі тұтандыратын бөліну процесін алуға болады. Тізбекті реакциялар физикадан бұрын химияда белгілі болған, және көптеген таныс процестер, мысалы, өрттер мен химиялық жарылыстар – химиялық тізбекті реакциялар. Ядролық бөліну немесе "ядролық" тізбекті реакция, бөлінуден пайда болған нейтрондарды қолдана отырып, ядролық электр станцияларына және Екінші дүниежүзілік соғыстың соңында Жапонияның Хиросима және Нагасаки қалаларында жарылған ядролық бомбаларға энергия көзі болып табылады. Уран және торий сияқты ауыр ядролар да спонтанды бөлінуге ұшырайды, бірақ олардың альфа-ыдырау арқылы ыдырау ықтималдығы әлдеқайда жоғары. Нейтронмен басталатын тізбекті реакцияның жүруі үшін, белгілі бір кеңістікте, белгілі бір жағдайларда тиісті изотоптың сыни массасы болуы керек. Ең кішкентай сыни массаның шарттары шығарылған нейтрондардың сақталуын және олардың баяулауын немесе модерациялануын талап етеді, осылайша олардың көлденең қимасы немесе басқа бөлінуді бастау ықтималдығы артады. Африканың Габон, Окло аймақтарында 1,5 миллиард жыл бұрын табиғи ядролық реакторлар жұмыс істеген. Табиғи нейтринолардың шығарылуын өлшеу Жер ядросынан шығатын жылудың шамамен жартысы радиоактивті ыдыраудан туындайтынын көрсетті. Алайда, осы жылудың бөліну тізбекті реакциясынан пайда болатыны белгісіз.
"Ауыр" элементтерді өндіру
Теорияға сәйкес, Ғалам Үлкен жарылыстан кейін суығанда, біз танитын жалпы субатомдық бөлшектердің (нейтрондар, протондар және электрондар) пайда болуы мүмкін болды. Үлкен жарылыста пайда болған, бірақ бүгінге дейін оңай байқалатын ең көп таралған бөлшектер – протон мен электрон (бірдей санда) болды. Протондар ақырында сутек атомдарын құрайды. Үлкен жарылыста пайда болған нейтрондардың басым бөлігі Үлкен жарылыстан кейінгі алғашқы үш минутта гелий-4 құрамына сіңіп, бүгінгі Ғаламдағы гелийдің көп бөлігін құрайды (Үлкен жарылыс нуклеосинтезіне қараңыз). Протондар мен нейтрондардың соқтығысуы нәтижесінде гелийден ауыр элементтердің (литий, бериллий және, мүмкін, бордың бір бөлігі) Үлкен жарылыста пайда болғанымен, біз бүгін көріп отырған "ауыр элементтердің" (көміртек, 6-шы элемент және атомдық саны жоғары элементтер) барлығы жұлдыздардың ішінде, протон-протон тізбегі, CNO циклы және үш альфа процесі сияқты біріккен реакциялар кезеңінде пайда болды. Жұлдыздың эволюциясы барысында прогрессивті түрде ауыр элементтер жаралады. Бірлескен реакциялардағы энергия тек темірден жеңіл атомдар үшін ғана бөлінеді, себебі ядролық байланыс энергиясы темірде (56 нуклон) ең жоғары деңгейге жетеді. Бірлескен реакция арқылы ауыр ядроларды жасау энергияны қажет ететіндіктен, табиғат нейтронды ұстау процесіне жүгінеді. Нейтрондар (электр зарядының болмауына байланысты) ядроға оңай сіңіріледі. Ауыр элементтер нейтронды баяу ұстау процесі (s-процесі деп аталады) немесе жылдам, r-процесі арқылы жасалады. s-процесі термиялық импульсті жұлдыздарда (AGB немесе асимптотикалық алып тармақ жұлдыздары деп аталады) жүзеге асады және қорғасын мен висмут сияқты ең ауыр элементтерге жету үшін жүздерден мыңдарға дейін жылдар қажет. r-процесі жоғары температура, жоғары нейтрондық ағын және шығарылған заттың қажетті жағдайларын қамтамасыз ететін суперновалық жарылыстарда жүзеге асады деп есептеледі. Бұл жұлдыздық жағдайлар нейтрондарды тікелей және жылдам ұстап алуға мүмкіндік береді, бұл нейтронға қаныққан түрлерді қамтиды, содан кейін бета-ыдырау арқылы ауыр элементтерге айналады, әсіресе жабық нейтрондық қабықшалары бар тұрақты нуклидтерге сәйкес келетін "күту нүктелерінде" (магиялық сандар).