Atom və nüvə fizikası

Rezerford α-zərrəcikləri nazik qızıl təbəqədən keçirmişdir. Zərrəciklərin əksəriyyəti demək olar ki, meyil etmədən keçmiş, çox azı isə böyük bucaqlarla səpilmişdir. Nəticə: atomun müsbət yükü və demək olar ki, bütün kütləsi çox kiçik nüvədə toplanıb (nüvə atomdan təqribən $10^4$–$10^5$ dəfə kiçikdir). Planetar modelə görə elektronlar nüvə ətrafında planetlər kimi fırlanır.

Klassik fizikaya görə fırlanan elektron şüalanaraq nüvəyə düşməli idi. Bu ziddiyyəti Bor postulatları aradan qaldırdı:

1. Atom yalnız müəyyən stasionar hallarda ola bilər və bu hallarda şüalanmır; hər halın öz enerjisi $E_n$ var.
2. Atom bir stasionar haldan digərinə keçəndə bir foton buraxır və ya udur: $h\nu=E_k-E_n$.

Yuxarı səviyyədən aşağıya keçiddə işıq buraxılır, aşağıdan yuxarıya keçid üçün foton udulur. Hər elementin enerji səviyyələri fərqli olduğu üçün onun xətti spektri də özünəməxsusdur.

Həyəcanlanmış atom özbaşına şüalana bilər. Lakin enerjisi $E_k-E_n$ olan foton həyəcanlanmış atomun yanından keçərkən onu şüalanmağa məcbur edə bilər: bu, məcburi şüalanmadır. Yeni foton ilkin fotonla eyni tezliyə, fazaya, istiqamətə və polyarlaşmaya malik olur.

Lazerdə aktiv mühitə kənardan enerji verilir və yuxarı səviyyədə aşağıdakından çox atom toplanır. İki güzgü fotonları mühitdən dəfələrlə keçirir və hər keçiddə şüa güclənir. Lazer şüası monoxromatik, koherent, çox dar istiqamətlənmiş və böyük güc sıxlığına malikdir. Tətbiqi: metalların kəsilməsi və qaynağı, göz əməliyyatları, optik lif rabitəsi, məsafələrin dəqiq ölçülməsi, holoqrafiya.

Nüvə proton və neytronlardan, yəni nuklonlardan ibarətdir. $^{A}_{Z}X$ yazılışında $Z$ protonların sayı (sıra nömrəsi), $A$ kütlə ədədi, $N=A-Z$ neytronların sayıdır. Nuklonları qısamənzilli, çox güclü nüvə qüvvələri saxlayır.

Protonlarının sayı eyni, neytronlarının sayı fərqli olan nüvələr izotoplardır: $^1_1\text{H}$, $^2_1\text{H}$ (deyterium), $^3_1\text{H}$ (tritium); $^{235}_{92}\text{U}$ və $^{238}_{92}\text{U}$. İzotopların kimyəvi xassələri eynidir.

Nüvənin kütləsi onu təşkil edən sərbəst nuklonların kütlələri cəmindən kiçikdir. Fərq kütlə defektidir: $\Delta m=Zm_p+Nm_n-M$, burada $M$ nüvənin kütləsidir. Nüvəni ayrı nuklonlara parçalamaq üçün lazım olan enerji rabitə enerjisidir: $E_{\text{r}}=\Delta m\,c^2$; 1 a.k.v. kütlə defektinə 931,5 MeV uyğundur. Bir nuklona düşən $\dfrac{E_{\text{r}}}{A}$ xüsusi rabitə enerjisidir. O, kütlə ədədi 50–60 olan nüvələrdə (dəmir) ən böyükdür, təqribən 8,8 MeV. Ona görə ağır nüvələrin bölünməsi və yüngül nüvələrin birləşməsi enerji ayırır.

Radioaktivlik qeyri-sabit nüvələrin özbaşına şüalanaraq başqa nüvələrə çevrilməsidir.

• α-şüalar helium nüvələridir ($^4_2\text{He}$); ionlaşdırma qabiliyyəti ən böyük, nüfuzetmə qabiliyyəti ən kiçikdir, kağız vərəq onları saxlayır.
• β-şüalar sürətli elektronlardır; bir neçə millimetr alüminium onları saxlayır.
• γ-şüalar qısadalğalı elektromaqnit şüalanmadır; yüksüzdür, nüfuzetmə qabiliyyəti ən böyükdür.

Maqnit sahəsində α və β şüaları əks tərəflərə meyil edir, γ-şüalar meyil etmir.

Yerdəyişmə qaydası: α-çevrilmədə $^A_ZX\to{}^{A-4}_{Z-2}Y+{}^4_2\text{He}$; β-çevrilmədə $^A_ZX\to{}^{A}_{Z+1}Y+{}^{\;\,0}_{-1}e$ (nüvədə neytron protona çevrilir); γ-şüalanmada $A$ və $Z$ dəyişmir.

Radioaktiv çevrilmə qanunu: $N=N_0\cdot2^{-t/T}$, burada $T$ yarımçevrilmə periodudur, yəni nüvələrin yarısının çevrildiyi müddətdir.

Zərrəciklər Heyger sayğacı (zərrəcik qazı ionlaşdırır, qısa boşalma yaranır və sayılır) və Vilson kamerası (ifrat doymuş buxar ionlar üzərində kondensləşərək zərrəciyin izini göstərir) ilə qeydə alınır.

Nüvə reaksiyalarında yük ($Z$-lərin cəmi) və kütlə ədədi ($A$-ların cəmi) saxlanır, məsələn: $^{14}_{7}\text{N}+{}^4_2\text{He}\to{}^{17}_{8}\text{O}+{}^1_1\text{H}$.

Uran nüvəsinin bölünməsi: $^{235}_{92}\text{U}$ neytron udaraq iki qəlpəyə parçalanır, 2–3 neytron buraxır və təqribən 200 MeV enerji ayrılır. Yeni neytronlar başqa nüvələri parçalayır: zəncirvari reaksiya yaranır. Neytronların artma əmsalı $k$ bir nəsildəki neytronların sayının əvvəlki nəsildəkinə nisbətidir: $k=1$ olduqda reaksiya idarə olunandır, $k>1$ olduqda partlayışla gedir, $k<1$ olduqda sönür. Zəncirvari reaksiyanın mümkün olduğu ən kiçik kütlə böhran kütləsidir. Nüvə reaktorunda uran yanacağı, neytronları yavaşıdan maddə (su, qrafit), neytronları udan idarəedici çubuqlar (bor, kadmium), istilikdaşıyıcı və qoruyucu örtük var.

İstilik nüvə reaksiyaları yüngül nüvələrin on milyonlarla kelvin temperaturda birləşməsidir: $^2_1\text{H}+{}^3_1\text{H}\to{}^4_2\text{He}+{}^1_0n+17{,}6$ MeV. Günəşin enerjisi belə reaksiyalardan yaranır.

İonlaşdırıcı şüalanma canlı hüceyrələri zədələyir. Udulma dozası $D=\dfrac Em$ kütlə vahidinin udduğu enerjidir, vahidi qreydir (1 qrey = 1 C/kq). Qorunma: məsafə, az vaxt, qoruyucu örtük. Elektron, proton, neytron, foton, neytrino elementar zərrəciklərdir; hər birinin antizərrəciyi var (elektronunku pozitrondur).