- Nüvənin tərkibini (A, Z, N), izotopları və nüvə qüvvələrini təsvir etmək.
- Kütlə ədədi və yükün saxlanması ilə α, β, γ parçalanma tənliklərini yazmaq və üç şüalanmanı müqayisə etmək.
- Yarımparçalanma periodu ilə bağlı məsələləri həll etmək.
- E = Δmc² ilə kütlə defekti və rabitə enerjisini hesablamaq, bölünmə və sintezdə enerjinin niyə ayrıldığını izah etmək və radiasiyadan qorunmanın əsaslarını bilmək.
Tavandakı tüstü detektorunda kiçik α-mənbəyi (amerisium-241) var; arxeoloqlar taxta qabın yaşını onda qalan karbon-14-ə görə təyin edir; Günəş hidrogen nüvələri birləşdiyi üçün parlayır. Hər üçü nüvə fizikasıdır — atomdan 10⁵ dəfə kiçik oblastın fizikası. «Atomun quruluşu və spektrlər» dərsində nüvə sadəcə kiçik müsbət nöqtə idi; indi onun içinə baxırıq: nədən ibarətdir, necə parçalanır və nüvə enerjisi haradan gəlir.
Nüvə nədən ibarətdir
1919-cu ildə Rezerford azotu α-hissəciklərlə bombardman edərək protonu kəşf etdi, 1932-ci ildə isə Çedvik yüksüz neytronu tapdı. O vaxtdan bilirik ki, nüvə proton və neytronlardan — ümumi adla nuklonlardan ibarətdir. Proton və neytronun kütlələri demək olar ki, eynidir (≈ 1 a.k.v.), elektron isə təxminən 1840 dəfə yüngüldür.
Yük ədədi Z — nüvədəki protonların sayı; elementin dövri sistemdəki sıra nömrəsidir. Kütlə ədədi A — nuklonların ümumi sayı. Nüvə ᴬ_Z X kimi yazılır, məsələn, ²³⁸₉₂U: yuxarıda A, aşağıda Z.
- Akütlə ədədi (nuklonların sayı; nüvənin a.k.v.-lə təxmini kütləsi)
- Zyük ədədi = protonların sayı
- Nneytronların sayı
- eelementar yük, 1,6 · 10⁻¹⁹ Kl
Neytral atomda elektronların sayı Z-ə bərabərdir. Nüvənin kimyəvi elementi yalnız Z müəyyən edir.
1) ²³⁸₉₂U nüvəsində neçə proton, neytron və nuklon var? Neytral atomda neçə elektron var?
2) ⁴⁰₁₉K nüvəsində neçə neytron var? Nüvənin yükü nədir?
3) Nüvədə 26 proton və 30 neytron var. Onu yaz.
Həllini göstərHəllini gizlət
2) N = 40 − 19 = 21; q = 19 · 1,6 · 10⁻¹⁹ ≈ 3,0 · 10⁻¹⁸ Kl.
3) Z = 26 — dəmir, A = 26 + 30 = 56: ⁵⁶₂₆Fe.
Z-i eyni, N-i (deməli, A-sı) müxtəlif olan nüvələr. Onlar eyni elementdir, kimyəvi xassələri eynidir, nüvə xassələri isə fərqlidir: məsələn, ¹²₆C dayanıqlıdır, ¹⁴₆C isə radioaktivdir. Hidrogenin üç izotopu var: protium ¹₁H, deyterium ²₁H və tritium ³₁H; uranın ən vacib izotopları ²³⁵U və ²³⁸U-dur.
Protonlar bir-birini itələyir, bəs nüvə niyə dağılmır? Nuklonları nüvə qüvvələri (güclü qarşılıqlı təsir) saxlayır: onlar istənilən iki nuklon arasında cazibə qüvvəsidir, çox böyükdür, lakin yalnız ~10⁻¹⁵ m məsafədə, yəni qonşu nuklonlar arasında təsir göstərir.
Radioaktiv parçalanma: α, β, γ və yarımparçalanma periodu
1896-cı ildə Bekkerel uran duzlarının görünməz şüalar buraxdığını aşkar etdi, 1898-ci ildə Mariya və Pyer Kürilər polonium və radiumu kəşf etdilər. Radioaktivlik nüvənin xassəsidir: şüalanma temperaturdan, təzyiqdən və elementin hansı kimyəvi birləşmədə olmasından asılı deyil.
| Şüalanma | Nədir | Yük | Sürət | İonlaşdırma | Nə saxlayır |
|---|---|---|---|---|---|
| α | helium nüvəsi ⁴₂He | +2e | ≈ c/10 | ən güclü | kağız vərəqi, bir neçə sm hava |
| β⁻ | sürətli elektron ⁰₋₁e | −e | 0,99c-yə qədər | orta | bir neçə mm alüminium |
| γ | yüksək enerjili foton (elektromaqnit dalğası) | 0 | c | ən zəif | bir neçə sm qurğuşun, qalın beton (tam deyil) |
- (A, Z)kütlə ədədi A, yük ədədi Z olan ana nüvə
- ⁴₂Heα-hissəcik
- ⁰₋₁eβ-hissəcik (elektron)
Hər parçalanmada və hər nüvə reaksiyasında kütlə ədədlərinin cəmi və yüklərin cəmi saxlanılır. γ-şüalanma nə A-nı, nə də Z-i dəyişir: həyəcanlanmış yeni nüvə artıq enerjini foton kimi buraxır.
β-elektron haradan gəlir? Nüvədə elektron yoxdur: neytronlardan biri protona çevrilir və elektron yaranır — ¹₀n → ¹₁H + ⁰₋₁e (bir də antineytrino). Buna görə β⁻-parçalanmada Z bir vahid artır, A isə dəyişmir.
Tənlikləri tamamla: 1) ²²⁶₈₈Ra-nın α-parçalanması; 2) ²¹⁰₈₃Bi-nin β⁻-parçalanması; 3) ⁶⁰₂₇Co-nun β⁻-parçalanması, ardınca γ-şüalanma.
Həllini göstərHəllini gizlət
2) ²¹⁰₈₃Bi → ²¹⁰₈₄Po + ⁰₋₁e: A eyni, Z 83 + 1 = 84 — polonium.
3) ⁶⁰₂₇Co → ⁶⁰₂₈Ni* + ⁰₋₁e, sonra ⁶⁰₂₈Ni* → ⁶⁰₂₈Ni + γ: γ-dan sonra A və Z dəyişmir (* — həyəcanlanmış nüvə). Kobalt-60-ın γ-şüaları şüa terapiyasında istifadə olunur.
- x, yα- və β⁻-parçalanmaların sayı
- A, Z → A′, Z′başlanğıc və son nüvənin kütlə və yük ədədləri
A-nı yalnız α dəyişir, ona görə əvvəl α-ları say. x α-parçalanma Z-i 2x azaldır; qalan fərqi β⁻-lar «qaytarır».
1) ²³⁸₉₂U bir sıra parçalanmalardan sonra ²⁰⁶₈₂Pb-yə çevrilir. Neçə α və β⁻ var?
2) ²³⁸₉₂U bir α- və iki β⁻-parçalanmadan sonra hansı nüvəyə çevrilir?
Həllini göstərHəllini gizlət
2) A = 238 − 4 = 234, Z = 92 − 2 + 2 = 92: ²³⁴₉₂U — yenə uran, yəni başlanğıc nüvənin izotopu.
²³⁵₉₂U bir sıra α- və β⁻-parçalanmalardan sonra dayanıqlı ²⁰⁷₈₂Pb-yə çevrilir. Neçə α və neçə β⁻-parçalanma baş verir?
A) 7 α və 4 β⁻ B) 7 α və 10 β⁻ C) 4 α və 7 β⁻ D) 7 α və 2 β⁻
Həllini göstərHəllini gizlət
Tələlər: B β-ların sayı kimi Z-in dəyişməsini (92 − 82 = 10) götürür; C rəqəmlərin yerini dəyişir; D 2x-in əvəzinə x-dən çıxır.
Radioaktiv mənbə ilə sayğac arasına kağız vərəqi qoyulanda sayma sürəti dəyişmir. 5 mm qalınlıqlı alüminium lövhə qoyulanda isə fon səviyyəsinə qədər düşür. Mənbə nə buraxır?
A) yalnız α B) yalnız β C) yalnız γ D) α və γ
Həllini göstərHəllini gizlət
Tələlər: A — α kağızda qalardı və sayma azalardı; C və D — γ olsaydı, alüminiumdan sonra sayma fondan yüksək qalardı.
Radioaktiv nüvələrin yarısının parçalandığı müddət (半衰期). Bu, statistik qanundur: çoxlu nüvə üçün doğrudur, bir nüvənin nə vaxt parçalanacağını isə demək mümkün deyil. T yalnız nüvənin növündən asılıdır — nə temperatur, nə təzyiq, nə də kimyəvi birləşmə onu dəyişmir. Məsələn, ¹³¹I üçün T ≈ 8 gün, ¹⁴C üçün 5730 il, ²³⁸U üçün təxminən 4,5 milyard il.
- N₀, m₀başlanğıcda radioaktiv nüvələrin sayı və kütləsi
- N, mt müddətindən sonra hələ parçalanmamış nüvələr
- t/Tt/Tkeçən yarımparçalanma periodlarının sayı
Parçalanmış hissə N₀ − N-dir: 3 perioddan sonra 1/8 qalır, 7/8 parçalanıb. Aktivlik (saniyədəki parçalanmalar) da eyni qanunla azalır.
1) T = 5 gün olan izotopdan 64 q var. 20 gündən sonra nə qədər qalar və nə qədər parçalanar?
2) 3 perioddan sonra nüvələrin hansı hissəsi parçalanıb?
3) 12 saatdan sonra başlanğıc nüvələrin 1/8-i qalıb. T nəyə bərabərdir?
Həllini göstərHəllini gizlət
2) Qalır (1/2)³ = 1/8, parçalanıb 1 − 1/8 = 7/8.
3) 1/8 = (1/2)³ ⇒ 12 saat = 3T ⇒ T = 4 saat.
Qədim taxta nümunəsində ¹⁴C-nin aktivliyi eyni kütləli təzə ağacdakının 1/8-nə bərabərdir. ¹⁴C-nin yarımparçalanma periodu 5730 ildir. Nümunənin yaşı təxminən neçədir?
A) 5730 il B) 11 460 il C) 17 190 il D) 45 840 il
Həllini göstərHəllini gizlət
Tələlər: D 8-ə vurur (8 · 5730); B 1/4 üçün cavabdır; A bir perioddur.
Nüvə reaksiyaları, kütlə defekti və rabitə enerjisi
Nüvəni sürətli hissəciklə vurmaqla onu başqa nüvəyə çevirmək olar. Rezerfordun 1919-cu il reaksiyası protonu kəşf etdi: ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁H. Çedvikin 1932-ci il reaksiyası neytronu kəşf etdi: ⁹₄Be + ⁴₂He → ¹²₆C + ¹₀n. Hər reaksiyada kütlə ədədlərinin və yüklərin cəmi (həmçinin enerji və impuls) saxlanılır, kütlə isə yox.
1) ⁷₃Li + ¹₁H → 2X
2) ²³⁵₉₂U + ¹₀n → ¹⁴⁴₅₆Ba + ⁸⁹₃₆Kr + k · ¹₀n — k nədir?
3) ³⁰₁₅P → ³⁰₁₄Si + X
Həllini göstərHəllini gizlət
2) A: 235 + 1 = 144 + 89 + k ⇒ k = 3; Z: 92 = 56 + 36 ✓.
3) A dəyişmir, Z 15-dən 14-ə enir ⇒ X-in A = 0, Z = +1: pozitron ⁰₁e (β⁺-parçalanma; ³⁰P süni radioaktiv izotopdur).
Nüvənin kütləsi onu təşkil edən sərbəst nuklonların kütlələri cəmindən kiçikdir; fərq kütlə defektidir (质量亏损): Δm = Zmp + Nmn − mnüvə. Nüvəni ayrı nuklonlara parçalamaq üçün lazım olan enerji — rabitə enerjisi (结合能) Er = Δm · c²; nüvə yarananda eyni enerji ayrılır. Xüsusi rabitə enerjisi (比结合能) — bir nuklona düşən rabitə enerjisi Er/A; o nə qədər böyükdürsə, nüvə bir o qədər dayanıqlıdır.
- Δmkütlə defekti (kq və ya a.k.v.)
- c²9 · 10¹⁶ m²/s²
- a.k.v.atom kütlə vahidi, 1 a.k.v. = 1,66 · 10⁻²⁷ kq; 1 MeV = 1,6 · 10⁻¹³ C
Δm kiloqramla verilibsə, c²-a vur və Coul al; a.k.v.-lə verilibsə, 931,5-ə vur və MeV al.
1) Reaksiyada kütlə 1 · 10⁻²⁸ kq azalır. Nə qədər enerji ayrılır?
2) Deyteronun (²₁H) kütlə defekti 0,0024 a.k.v.-dir. Rabitə enerjisini və xüsusi rabitə enerjisini tap.
3) ⁴₂He-nin rabitə enerjisi 28,3 MeV-dur. Xüsusi rabitə enerjisi nədir və hansı nüvə daha dayanıqlıdır — ²H, yoxsa ⁴He?
Həllini göstərHəllini gizlət
2) Er ≈ 0,0024 · 931,5 ≈ 2,2 MeV; 2 nuklona bölsək, 1,1 MeV/nuklon.
3) 28,3/4 ≈ 7,1 MeV/nuklon — deyterondakından təxminən 6 dəfə çox, deməli, ⁴He xeyli dayanıqlıdır. Buna görə radioaktiv nüvələr bütöv ⁴He «parçasını» — α-hissəciyi buraxır.
Bölünmə, sintez və şüalanmadan qorunma
Ağır nüvə (məsələn, ²³⁵U) yavaş neytronu udub iki orta nüvəyə və 2–3 yeni neytrona bölünür (核裂变); hər bölünmədə təxminən 200 MeV ayrılır. Yeni neytronlar başqa nüvələri bölür — zəncirvari reaksiya (链式反应). O, yalnız uranın kütləsi (həcmi) kritik kütlədən böyük olanda davam edir; nəzarətsiz reaksiya atom bombasıdır, idarə olunan reaksiya — AES reaktoru.
- Yanacaq çubuqları — uran (²³⁵U ilə zənginləşdirilmiş).
- Yavaşıdıcı (qrafit, adi və ya ağır su) — sürətli neytronları yavaşıdır, çünki ²³⁵U yavaş neytronları daha yaxşı udur.
- İdarəedici çubuqlar (kadmium, bor) — neytronları udur; çubuqları salmaq reaksiyanı yavaşıdır.
- İstilikdaşıyıcı (su) istiliyi turbinlərə aparır, qalın beton isə şüalanmadan qoruyur.
Yüngül nüvələrin birləşərək daha ağır nüvə yaratması (核聚变), məsələn ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n + 17,6 MeV. Nüvələr elektrik itələnməsini dəf etmək üçün çox sürətli olmalıdır, buna görə milyonlarla kelvin temperatur lazımdır — reaksiya «termonüvə» adlanır. Günəş və ulduzlar belə işləyir. Bir nuklona düşən enerji bölünmədəkindən çoxdur; idarə olunan sintez (tokamaklar, məsələn, Hefeydəki çin EAST qurğusu) hələ hazırlanma mərhələsindədir.
²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n reaksiyası üçün kütlələr: ²H — 2,0141 a.k.v., ³H — 3,0160 a.k.v., ⁴He — 4,0026 a.k.v., n — 1,0087 a.k.v. 1) Ayrılan enerjini tap. 2) Onu bir nuklona düşən ²³⁵U bölünməsinin enerjisi (≈ 200 MeV / 236) ilə müqayisə et.
Həllini göstərHəllini gizlət
2) Sintez: 17,5/5 ≈ 3,5 MeV/nuklon; bölünmə: 200/236 ≈ 0,85 MeV/nuklon — sintez hər kiloqram yanacaqdan təxminən 4 dəfə çox enerji verir.
Hansı tənlik nüvənin bölünməsini təsvir edir?
A) ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He
B) ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n
C) ²³⁵₉₂U + ¹₀n → ¹⁴⁴₅₆Ba + ⁸⁹₃₆Kr + 3¹₀n
D) ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁H
Həllini göstərHəllini gizlət
Tələlər: A da ağır nüvədən başlayır, amma bu, özbaşına α-parçalanmadır (yalnız ⁴He ayrılır); B yüngül nüvələrin sintezidir; D Rezerfordun süni çevrilmə reaksiyasıdır.
- Vaxt: mənbənin yanında mümkün qədər az qal — doza vaxtla mütənasibdir.
- Məsafə: nöqtəvi mənbədən şüalanmanın intensivliyi 1/r² kimi azalır — məsafəni 2 dəfə artırmaq dozanı 4 dəfə azaldır.
- Ekran: α üçün kağız və paltar, β üçün alüminium və ya plastik, γ üçün qurğuşun və qalın beton.
- Radioaktiv maddəni udmaq və ya nəfəslə qəbul etmək olmaz: bədənin içində ən təhlükəlisi α-dır, çünki ən güclü ionlaşdırır. Doza zivertlə (Sv) ölçülür, işçilər dozimetr gəzdirir.
Düzgün istifadə olunanda şüalanma faydalıdır: nişanlı atomlar (izləyicilər), şüa terapiyası, tibbi alətlərin sterilizasiyası, tüstü detektorları və radiokarbon üsulu ilə yaşın təyini.
CSCA bu mövzunu necə soruşur
İmtahan ingilis və ya çin dilində verilir, buna görə əsas terminləri hər iki dildə tanımağı öyrən:
| Termin (ingiliscə) | 中文 | Pinyin |
|---|---|---|
| nuklon — nucleon | 核子 | hézǐ |
| neytron — neutron | 中子 | zhōngzǐ |
| kütlə ədədi — mass number | 质量数 | zhìliàngshù |
| yük ədədi — charge number | 电荷数 | diànhèshù |
| izotop — isotope | 同位素 | tóngwèisù |
| α-parçalanma — alpha decay | α衰变 | α shuāibiàn |
| β-parçalanma — beta decay | β衰变 | β shuāibiàn |
| γ-şüalar — gamma rays | γ射线 | γ shèxiàn |
| yarımparçalanma periodu — half-life | 半衰期 | bànshuāiqī |
| kütlə defekti — mass defect | 质量亏损 | zhìliàng kuīsǔn |
| rabitə enerjisi — binding energy | 结合能 | jiéhénéng |
| xüsusi rabitə enerjisi — binding energy per nucleon | 比结合能 | bǐ jiéhénéng |
| nüvələrin bölünməsi — nuclear fission | 核裂变 | hé lièbiàn |
| termonüvə sintezi — nuclear fusion | 核聚变 | hé jùbiàn |
| zəncirvari reaksiya — chain reaction | 链式反应 | liànshì fǎnyìng |
- Parçalanma tənlikləri: yeni nüvəni tap, α və β⁻-ların sayını hesabla (əvvəl A, sonra Z).
- α, β, γ xassələri: keçmə qabiliyyəti, ionlaşdırma, elektrik və maqnit sahəsində meyl, «nə saxlayır» təcrübələri.
- Yarımparçalanma: qalan və parçalanan hissə, T-ni tapmaq, iki izotopu müqayisə etmək, radiokarbon yaşı.
- Reaksiyanı tarazla və X-i adlandır: n, p, e⁻, e⁺ və ya α.
- Enerji: Δm → ΔE (a.k.v. → 931,5 MeV, kq → c²), xüsusi rabitə enerjisi əyrisi, bölünmə və sintez, reaktorun hissələri, radiasiyadan qorunma.
Əsas fikirlər
- Nüvə = Z proton + N neytron, A = Z + N; izotoplarda Z eyni, N fərqlidir; nuklonları qısa təsirli güclü nüvə qüvvələri saxlayır.
- α: A − 4, Z − 2; β⁻: A eyni, Z + 1 (n → p + e); γ: heç nə dəyişmir. Hər reaksiyada A və Z-in cəmi saxlanılır.
- α ən güclü ionlaşdırır, kağızda qalır; β millimetrlərlə alüminiumda; γ sahədə meyl etmir, santimetrlərlə qurğuşundan keçir.
- N = N₀(1/2)^(t/T); T xarici şəraitdən asılı deyil və yalnız çoxlu nüvə üçün məna daşıyır.
- ΔE = Δmc², 1 a.k.v. ↔ 931,5 MeV; xüsusi rabitə enerjisi nə qədər böyükdürsə, nüvə o qədər dayanıqlıdır (maksimum ⁵⁶Fe ətrafında ≈ 8,8 MeV).
- Ağır nüvələrin bölünməsi (≈ 200 MeV, zəncirvari reaksiya, yavaşıdıcı və idarəedici çubuqlar) və yüngül nüvələrin sintezi enerji ayırır; qorunma: vaxt, məsafə, ekran.
Özünü yoxla
12 sual. Hər düzgün cavab XP qazandırır.
Mövzu testi: 20 sual · 25 dəq
Dərsi bitirdin? Bu mövzu üzrə vaxtlı testlə biliyini yoxla.