• ლაზერები
• ატომის ბირთვის ბმის ენერგია

XX საუკუნის 20-იან წლებისთვის ეჭვი უკვე არავის ეპარებოდა, რომ ატომის ბირთვი, რომელიც რეზერფორდმა 1911 წელს აღმოაჩინა, ისევე როგორც ატომი, რთული სტრუტურის იყო. ამაზე ამ დროისთვის დაგროვილი მრავალრიცხოვანი ექსპერიმენტული ფაქტები მიუთითებდნენ: რადიოაქტივობის აღმოჩენა, ატომის ბირთვული მოდელის ექსპერიმენტული დასაბუთება,   e / m  ფარდობის განსაზღვრა ელექტრონისთვის, ატომის ბირთვის α -ნაწილაკებისა და ე.წ. H -ნაწილაკებისათვის,  ხელოვნური რადიაქტივობისა და ბირთვული რეაქციის აღმოჩენა, ატომური ბირთვის მუხტის გაზომვები და ა.შ.

დღეისთვის მკაცრადაა დადგენილი, რომ სხვადასხვა ელემენტების ატომის ბირთვები ორი სახის ნაწილაკებისგან - პროტონებისა და ნეიტრონებისაგან შედგებიან.

ამ ნაწილაკებიდან პირველი ელექტრონ მოცილებულ წყალბადის ატომს წარმოადგენს. ეს ნაწილაკი 1907 წლიდან დაიკვირვება ტომსონის ცდებში, რომელმაც მისი e / m ფარდობის გაზომვა მოახერხა. 1919 წელს რეზერფორდმა წყალბადის ატომის ბირთვი მრავალი ელემენტის ბირთვის გახლეჩის პროდუქტებს შორის აღმოაჩინა. ამ ნაწილაკს რეზერფორდმა პროტონი უწოდა. მან გამოთქვა მოსაზრება, რომ პროტონი ყველა ატომის ბირთვის შემადგენლობაში შედის. რეზერფორდის ცდების სქემა ნახ. 1-ზეა მოცემული.

ნახ. 1.

ატომის გახლეჩვის პროდუქტებს შორის პროტონის აღმოჩენის რეზერფოდისეული ცდის სქემა.  α-ნაწილაკების რადიოაქტიური წყაროთი, Ф – მეტალის თხელი ფირფიტა, Э – თუთიის სულფიდით დაფარული ეკრანი,  М – მიკროსკოპი

რეზერფორდის ხელსაწყო შედგება ვაკუუმური კამერისგან, რომელშიც α-ნაწილაკების რადიოაქტიური წყაროს შემცველი К ტყვიის კონტეინერია მოთავსებული. კამერის სარკმელი დაფარული იყო Ф მეტალის თხელი ფირფიტით, რომლის სისქეც ისე იყო შერჩეული, რომ α-ნაწილაკებს შიგ ვერ გაევლოთ. სარკმლის უკან მოთავსებულია თუთიის სულფიდით დაფარული Э ეკრანი. М მიკრისკოპის საშუალებით შესაძლებელი იყო ეკრანზე მძიმე დამუხტულის ნაწილაკების დაჯახების წერტილებში სცინტილაციის (ე.წ. მცირე ნათებების) დაკვირვება. კამერის დაბალი წნევით აზოტით ავსებისას ეკრანზე ნათებები გამოჩნდება, რაც რაღაც ნაწილაკების ნაკადის გამოჩენაზე მიუთითებს, რომლებსაც შეუძლიათ იმ Ф ფირფიტაში გასვლა, რომელიც თითქმის სრულად აკავებს α-ნაწილაკებს. ეკრანის კამერის სარკმლიდან გაწევის საშუალებით რეზერფორდმა გაზომა   დაკვირვებული ნაწილაკების თავისუფალი განარბენის საშუალო სიგრძე ჰაერში. ის დაახლოებით 28 სმ აღმოჩნდა, რაც ტომსონის მიერ დაკვირვებული H-ნაწილაკების განარბების შეფასებებს ემთხვევა. აზოტის ატომის ბირთვებიდან ამოყრილ ნაწილაკებზე ელექტრული და მაგნიტური ველების ზემოქმედების შესწავლამ უჩვენა, რომ ეს ნაწილაკები დადებითი მუხტით ხასიათდებიან და მათი მასა წყალბადის ატომის ბირთვის მასის ტოლია. შემდგომში ცდა განმეორდა მთელი რიგი სხვა აირადი ნივთიერებებისთვის. ყველა შემთხვევაში აღმოჩნდა, რომ ამ ნივთიერებების ატომების ბირთვებიდან α-ნაწილაკები H-ნაწილაკებს ანუ პროტონებს ამოყრიან.

თანამედროვე გაზომვების მოხედვით პროტონის დადებითი  მუხტი ზუსტად ელემენტარული მუხტის e = 1,60217733·10^–19 კ ტოლია. ე.ი. მოდულით  ელექტრონის უარყოფითი მუხტის  ტოლია. დღეისათვის პროტონისა და ელექტრონის მუხტების ტოლობა შემოწმებულია 10^–22 სიზუსტით. ორი ასე განსხვავებული ნაწილაკის მუხტების ასეთი დამთხვევა გაოცებას იწვევს და თანამედროვე ფიზიკის  ფუნდამენტურ გამოცანად რჩება.

პროტონის მასა, თანამედროვე გაზომვებით, m_p = 1,67262∙10^–27კგ-ს ტოლია. ბირთვულ ფიზიკაში ნაწილაკების მასები ხშირად იზომება მასის ატომურ ერთეულებში (მ.ა.ე.), რომელიც ნახშირბადის (მასური რიცხვი 12) ატომის მასის -ია:

1 მ.ა.ე. = 1,66057·10^–27 კგ.

აქედან გამომდინარე, m_p = 1,007276  მ.ა.ე-ა. ბევრ შემთხვევაშინაწილაკების მასები ხელსაყრელია,  E = mc² ფორმულის შესაბამისად, ენერგიის ექვივალენტურ მნიშვნელობებში გამოისახოს. რადგანაც 1 ევ=1,60218·10^–19 ჯ-ს. ენერგეტიკულ ერთეულებში პროტონის მასა 938,272331 მევ-ს ტოლია.

ამგვარად, რეზერფორდის ცდებით აღმოჩენილი იქნა აზოტისა და სხვა ელემენტების ატომის ბირთვების გახლეჩვაის მოვლენა წრაფ α-ნაწილაკებთან დაჯახების შედეგად და ნაჩვენები იქნა, რომ პროტონები ატომების ბირთვების შემადგენლობაში შედიან.

პროტონის აღმოჩენის შემდეგ გამოითქვა მოსაზრება, რომ ატომების ბირთვები მხოლოდ პროტონებისგან შედგებოდნენ. მაგრამ ეს ვარაუდი ვერ გამართლდა, რადგან ატომბირთვის მუხტის ფარდობა მის მასასთან არ არის მუდმივი სხვადასხვა ბირთვებისათვის, რასაც იმ შემთხვევაში ექნებოდა ადგილი, ბირთვი მარტო პროტონებისგან რომ შედგებოდეს. უფრო მძიმე ბირთვებისათვის ეს ფარდობა ნაკლები გამოდის, ვიდე მსუბუქებისათვის, ე.ი. მძიმე ბირთვებზე გადასვლისას ბირთვის მასა უფრო სწრაფად იზრდება, ვიდრე მუხტი.

1920 წელს რაზერფორდმა გამოთქვა ჰოპოთეზა ბირთვში ერთმანეთთან მყარად დაკავშირებული პროტონ-ელექტრონის წყვილის არსებობის შესახებ, რომელიც ელექტრულად ნეიტრალურ წარმონაქმნს წარმოადგენს, რომლის მასა დაახლოებით პროტონის მასის ტოლია. მან ამ ჰიპოტეტური ნაწილაკის სახელიც კი მოიფიქრა - ნეიტრონი. ეს ძალიან ლამაზი, მაგრამ, როგორც შემდგომში აღმოჩნდა, მცდარი იდეა იყო. ელექტრონს არ შეუძლია შედიოდეს ბირთვის შმადგენლობაში. განუზღვრელობების თანაფარდობებზე დამყარებული ქვანტურ-მექანიკური გათვლები უჩვენებენ, რომ ბირთვში ლოკალიზებულ ელექტრონს, ე.ი. არეს ზომებით R ≈ 10^–13 სმ, უნდა ჰქონდეს კოლოსალური კინეტიკური ენერგია, რომელიც მრავალი რიგით უნდა აღემატებოდეს ერთ ნაწილაკზე გათვლილ ბირთვის ბმის ენერგიას. მაგრამ მძიმე ნეიტრალური ნაწილაკის არსებობა რეზერფორდს იმდენად მიმზიდველად ეჩვენებოდა, რომ მან თავისი მოსწავლეებს ჯგუფს ჯ.ჩედვიკის ხელმძღვანელობით დაუყოვნებლივ შესთავაზა დაეწყო მისი ძებნა. 12 წლის შემდეგ, 1932 წელს, ჩედვიკმა ექსპერიმენტულად გამოიკვლია გამოსხივება, რომელის ბერილიუნის  α-ნაწილაკებით დასხივებისას წარმოიქმნება, და აღმოაჩინა, რომ ეს გამოსხივება ნეიტრალური ნაწილაკების ნაკადს წარმოადგენს, რომელთა მასა დაახლოებით პროტონის მასის ტოლია. ასე აღმოჩნდა ნეიტრონი. ნახ 2-ზე ნეიტრონის აღმოჩენის დანადგარის გამარტივებული სქემაა მოცემული.

ნახ. 2.

ნეიტრონის აღმოჩენის დანადგარის  სქემაა

ბერილიუმის α-ნაწილაკებით დაბომბვისას რადიაქტიური პოლონიუმის მიერ ამოფრქვეული ნაწილაკებით წარმოიქმნება ძლიერ გამჭოლი ნაკადი, რომელსაც შეუძლია გადალახოს ისეთი წინაღობა, როგორიცაა ტყვიის 10-20 სმ-იანი ფენა. ამ გამოსხივებას, ჩედვიკთან თითქმის ერთდროულად, აკვირდებოდნენ ცოლ-ქმარი ირენ და ფრედერიკ ჟოლიო-კიურები (ირენი მარია და პიერ კიურების ქალიშვოლია), მაგრამ მათ იფიქრეს, რომ დიდი ენერგიის მქონე γ-სხივები იყო. მათ ნახეს, რომ თუ ბერილიუბის გამოსხივების გზაზე პარაფინის ფირფიტას მოვათავსებთ ამ გამოსხივების მაიონიზირებელი თვისება მკვეთრად გაიზრდება. მათ დაამტკიცეს, რომ ბერილიუმის გამოსხივება პარაფინიდან ამოყრის პროტონებს, რომლების მრავლადაა ამ, წყალბადის შემცველ ნივთიერებაში. პროტონების ჰაერში თავიუფალი განარბენის საშუალებით მათ შეაფასეს γ-ქვანტების ენერგია, რომლებსაც დაჯახებისას შეეძლოთ პროტონებისთვის საჭირო სიჩქარის მინიჭება. ის უზარმაზარი აღმოჩნდა - 50 მევ-ს რიგის.

1932 წელს ჩედვიკმა ბერილიუმის α-ნაწილაკებით დაბომბვისას წარმოქმნილი გამოსივების ყოველმხრივი შსწავლისთვის შეასრულა ექსპერიმენტების სერია. თავის ცდებში ის მაიონიზირებელი გამოსხივებების გამოკვლევის  სხვადასხვა მეთოდს იყენებდა. ნახ. 2-ზე გეიგერის მთვლელია გამოსახული, რომელიც დამუხტული ნაწილაკების აღმოჩენისთვისაა განკუთვნილი. იგი შედგება მინის მილისაგან, რომელიც შიგნიდან მეტალის ფენითაა დაფარული (კათოდი), მილის ღერძის გასწვრის დამაგრებულია წვრილი ძაფი (ანოდი). მილი დაბალი წნევის ინერტული აირითაა შევსებული (ჩვეულებრივ არგონით). დამოხტული ნაწილაკი, აირში გავლისას, მოლეკულების იონიზაციას იწვევს. იონიზაციის შედეგად გამონთავისუფლებული თავისუფალი ელექტრონები ანოდისა და კათოდის ელექტრულ ველში ჩქარდებიან ენერგიამდე, რომლის შემდეგაც იწყება დარტყმითი იონიზაცია. წარმოიქმნება იონების ზვავი, და მთვლელში გაივლეს იმპულსური დენის მოკლე განმუხტვა. ნაწილაკების შესწავლისთვის მეორე მნიშვნელოვან ხელსაწყოს ვილსონის კამერა წარმოადგენს, რომელშის სწრაფი დამუხტული ნაწილაკი კვალს (ტრეკს) ტოვებს. ნაწილაკის ტრაექტორიაზე დაკვირვება შესაძლებელია პირდაპირ ან მისი ფოტოგრაფირების საშუალებით. ვილსონის კამერის მოქმედება, რომელიც 1912 წელს შეიქმნა, დამყარებულია კამერის მუშა მოცულობაში დამუხტული ნაწილაკის ტრაექტორიის გასწვრის წარმოქმნილი გაჯერებული ორთქლის იონებზე კონდენსაციაზე. ვილსონის კამერის საშუალებით შესაძლებელია ელექტრულ და მაგნიტურ ველში დამუხტული ნაწილაკის ტრაექტორიის გამრუდების დაკვირვება.

ჩედვიკი ვილსონის კამერაში აკვირდებოდა აზოტის ბირთვების ტრეკებს, რომლებიც ბერილიუმის გამოსხივებასთან შეჯახებას განიცდიდა. ამ ცდების საფუძველზე მან შეაფასა γ-კვანტის ენერგიის შეფასება, რომელსაც შეუძლია აზოტის ბირთვებს ექსპერიმენტით დაკვირვებული სიჩქარე მიანიჭოს. ის 100-150 მევ აღმოჩნდა. ასეთი დიდი ენერგია არ შეიძლება ჰქონდეს ბერილიუმიდან ამოფრქვეულ γ-ქვანტს. ამის საფუძველზე ჩედვიკმა დაასკვნა, რომ α-ნაწილაკების ზემოქმედებით ამოიფრქვევა არა უმასო γ-კვანტი, არამედ საკმარისად მძიმე ნაწილაკები. ამ ნაწილაკებს აქვთ დიდი შეღწევის უნარი და პირდაპირ არ მოუხდენიათ აირის იონიზაცია გეიგერის მთვლელში, და აქედან გამომდინარე, ელექტრულად ნეიტრალურია. ასე დამტკიცდა ნეიტრონის არსენობა.

ნეიტრონი ელემენტარული ნაწილაკია. თანამედროვე გაზომვების მიხედვით, ნეიტრონის მასა m_n = 1,67493∙10^–27 კგ = 1,008665 მ.ა.ე. ენერგეტიკულ ერთეულებში ნეიტრონის მასა 939,56563 მევ-ს ტოლია. ნეიტრონის მასა დაახლოებით ორი ელექტრონის მასით ჭარბობს პროტონის მასას.

ნეიტრონის აღმოჩენისთანავე წამოყენებული იქნა ჰიპოთეზა ატომის ბირთვის პროტონ-ნეიტრონული აგებულების შესახებ, რომელიც  შემდგომი გამოკვლევებით მთლიანად დასაბუთდა. პროტონებსა და ნეიტრალურონებს ნუკლონებს უწოდებენ.

ატომის ბირთვის დახასიათებისთვის შემოღებულია რიგი აღნიშვნები. ატომში შემავალი პროტონების რიცხვი აღინიშნება Z-ით და მუხტის რიცხვი ან ატომური ნომერი ეწოდება (ეს მენდელეევის პერიოდულ ცხრილში რიგითი ნომერია). ბირთვის მუხტი ტოლია Ze, სადაც e – ელემენტარული მუხტია. ნეიტრონების რიცხვი აღინიშნება N სიმბოლოთი.

ნუკლონების საერთო რიცხვს (ე.ი. პროტონებისა და ნეიტრონების) A მასურ რიცხვს უწოდებენ:

 A = Z + N.

ქიმიური ელემენტის ბირთვს აღნიშნავენ  , სადაც X – ქიმიური ელემენტის სიმბოლოა. მაგალითად,  - წყალბადი,   - ჰელიუმი,     -ნახშირბადი,   - ჟანგბადი,  - ურანი.

ერთიდაიგივე ელემენტის ბირთვები შეიძლება განსხვავდებოდეს ნეიტრონების რიცხვის მიხედვით. ასეთ ბირთვებს იზოტოპები ეწოდებათ.ქიმიური ელემენტების უმრავლესობას რამოდენიმე იზოტოპი აქვს. მაგალითად, წყალბადს სამი იზოტოპი აქვს:  - ჩვეულებრივი წყალბადი,  - დეიტერიუმი და  - ტრიტიუმი. ნახშირბადს 6 იზოტოპი, ჟანგბადს -3.

ბუნებრივ პირობებში ქიმიური ელემენტები ჩვეულებრივ იზოტოპების ნარევს წარმოადგენენ. იზოტოპების არსებობა განსაზღვრავს ბუნებაში არსებული ელემენტების ატომურ მასას მენდელეევის პერიოდულ სისტემაში. ასე, მაგალითად, ბუნებრივი ნახშირბადის ფარდობითი ატომური რიცხვი 12,011-ის ტოლია.