{loadnavigation}

მეცნიერებმა ელემენტალური ნაწილაკების არსებობა აღმოაჩინეს ბირთვული პროცესების შესწავლის დროს, ამიტომ XX საუკუნის შუამდე ელემენტალური ნაწილაკების ფიზიკა შეადგენდა ბირთვული ფიზიკის ნაწილს. ამჟამად ფიზიკის ეს ნაწილები ახლოსაა მაგრამ დამოუკიდებელია, რომლებსაც ბევრი საერთო განსახილველი პრობლემა და კვლევის მეთოდი აქვთ. ელემენტარული ნაწილაკების ფიზიკის მთავარი ამოცანა არის - ელემენტარული ნაწილაკების ბუნების, თვისებებისა და ურთიერთგარდაქმნების კვლევა.

წარმოდგენას იმის შესახებ, რომ სამყარო შედგება ფუნდამენტური ნაწილაკებისაგან, აქვს დიდი ხნის ისტორია. პირველად აზრი უმცირესი ნაწილაკების არსებობის შესახებ, რომელთაგანაც შედგება ყველა არსებული საგანი, გამოთქვა 400წ. ჩვენს ერამდე ბერძენმა ფილოსოფოსმა დემოკრიტემ. მან ამ ნაწილაკებს ატომები ანუ დაუყოფადი ნაწილაკები უწოდა. მეცნიერებამ ატომებზე წარმოდგენის გამოყენება დაიწყო მხოლოდ XIX საუკუნის დასაწყისში, როცა ამის საფუძველზე შესაძლო გახდა მთელი რიგი ქიმიური მოვლენების ახსნა. XIX საუკუნის 30-ან წლებში ელექტროლიზის თეორიაში, რომელიც განავითარა მ.ფარადეიმ, გაჩნდა იონის ცნება და მოხდა ელემენტარული მუხტის გაზომვა. XIX საუკუნის ბოლო დაგვირგვინდა რადიოაქტივობის მოვლენის აღმოჩენით (1996 წ. ა. ბეკერელი), ასევე ელექტრონების (1897 წ. ჯ. ტომსონი) და α-ნაწილაკების (1999 წ. ე. რეზერფორდი) აღმოჩენით. 1905 წელს ფიზიკაში წარმოიშვა წარმოდგენა ელექტრომაგნიტური ველის ქვანტებზე – ფოტონებზე (ა. აინშტაინი).

1911 წელს აღმოჩენილ იქნა ატომის ბირთვი (ე. რეზერფორდი) და საბოლოოდ იქნა დამტკიცებული, რომ ატომებს აქვთ რთული აგებულება. 1919 წელს რეზერფორდმა რიგი ელემენტების ატომების ბირთვების გახლეჩის პროდუქტებში აღმოაჩინა პროტონები. 1932 წელს ჯ. ჩედვიკმა აღმოაჩინა ნეიტრონი. გახდა ნათელი, რომ ატომების ბირთვებს, ისევე როგორც თვით ატომებს, აქვთ რთული აგებულება. წარმოიშვა ბირთვის აგებულების პროტონ-ნეიტრონული თეორია ვ. ჰაიზენბერგი(ვ. ჰაიზენბერგი). იმავე 1932 წელს კოსმოსურ სხივებში აღმოჩენილი იქნა პოზიტრონი კ. ანდერსონი. პოზიტრონი არის დადებითად დამუხტული ნაწილაკი, რომელსაც იგივე მასა და იგივე მუხტი (მოდულით) აქვს რაც ელექტრონს. პოზიტრონის არსებობა იწინასწარმეტყველა პ. დირაკმა 1928 წელს. ამ წლებში აღმოჩენილი და გამოკვლეული იქნა პროტონებისა და ნეიტრონების ურთიერთგარდაქმნა და ნათელი გახდა, რომ ეს ნაწილაკებიც არ წარმოადგენენ ბუნების  უცვლელ ელემენტალურ "აგურებს". 1937 წელს კოსმოსურ სხივებში აღმოჩენილი იქნა 207 ელექტრონული მასის მქონე ნაწილაკი და ეწოდათ მიუმეზონები (μ-მეზონი). შემდეგ 1947–1950 წლებში აღმოჩენილი იქნა პიონები (ანუ π-მეზონები), რომლებიც, თანამედროვე ხედვით, ბირთვებში ნუკლონებს შორის ურთიერთქმედებას ახდენენ. მომდევნო წლებში ახლადაღმოჩენილი ნაწილაკების რიცხვის ზრდა დაიწყო. ამას ხელი შეუწყო კოსმოსური სხივების შესწვლამ, ამაჩქარებელი ტექნიკის განვითარებამ და ბირთვული რეაქციების შესწავლამ.

დღეისათვის ცნობილია დაახლოებით 400 სუბბირთვული ნაწილაკი, რომელსაც ელემენტალურ ნაწილაკებს უწოდებენ. უმრავლესობა ამ ნაწილაკთაგან არასტაბილურია. გამონაკლისს წარმოადგენს მხოლოდ ფოტონი, ელექტრონი, პროტონი და ნეიტრინო. ყველა დანარჩენი ნაწილაკი გარკვეული დროის შემდეგ  განიცდის სხვა ნაწილაკებად თავისთავად გარდაქმნას. არასტაბილური ელემენტალური ნაწილაკები ძლიერ განსხვავდებიან ერთმანეთისგან სიცოცხლის ხანგრძლივობით. ყველაზე ხანგრძელი ნაწილაკი არის ნეიტრონი. მისი სიცოცხლის ხანგრძლივობა 15 წუთია. სხვა ნაწილაკები  გაცილებით ნაკლებ ხანს "ცოცხლობენ". მაგალითად, μ-მეზონის საშუალო ხანგრძლივობა 2,2·10^–6 წმ-ია, ნეიტრალური π-მეზონისა – 0,87·10^–16 წმ. ბევრ მასიური ნაწილაკის – ჰიპერონის –  საშუალო სიცოცხლის ხანგრძ;ლივობა 0,87·10^–16 წმ-ის რიგისაა. 

არსებობს რამოდენიმე ათეული ნაწილაკი, რომელთა სიცოცხლის ხანგრძლივობა აღემატება 10^–17 წმ-ს. მიკროსამყაროს მასშტაბებისთვის ეს მნიშვნელოვანი დროა. ასეთ ნაწილაკებს უწოდებენ  ფარდობითად სტაბილურებს. უმეტესობა ხანმოკლე ელემენტალური ნაწილაკების სიცოცხლის ხანგრძლივობა 10^–22–10^–23 წმ რიგისაა.

ურთიერგარდაქმნის უნარი – ეს ყველაზე მნიშვნელოვანი თვისებაა ყველა ელემენტალური ნაწილაკისთვის. მათ შეუძლიათ დაიბადნონ და განადგურდნენ (გამოსხივდნენ და შთაინთქან). ეს ასევე ეხება სტაბილურ ნაწილაკებსაც მხოლოდ იმ სხვაობით, რომ სტაბილური ნაწილაკების გარდაქმნა ხდება არა თავისთავად, არამედ სხვა ნაწილაკებთან ურთიერთქმედებისას. მაგალითად გამოდგება ელექტრონისა და პოზიტრონის  ანიჰილაცია (ანუ გაქრობა), რასაც მაღალი ენერგიის მქონე ფოტონების დაბადება ახლავს. შეიძლება წარიმართოს უკუპროცესიც – ელექტრონულ-პოზიტრონული წყვილის დაბადება, მაგალითად, საკმაოდ მაღალენერგიული ფოტონის ბირთთვთან დაჯახების დროს. ასეთი სახიფათო ორეული, როგორიც ელექტრონისთვის არის პოზიტრონი, ჰყავს ასევე პროტონს. მას  ანტიპროტონი ეწოდება. ანტიპროტონის ელექტრული მუხტი უარყოფითია. დღეისათვის ანტინაწილაკები მოეძებნა ყველა ნაწილაკს.  ნაწილაკის თავის ანტინაწილაკთან შეხვედრისას ხდება მათი ანიჰილაცია, ანუ ორივე ნაწილაკი ქრება, გარდაიქმნება რა გამოსხივების ქვანტად ან სხვა ნაწილაკებად.

ანტინაწილაკი აღმოაჩნდა ნეიტრონსაც კი. ნეიტრონი და ანტინეიტრონი განსხვავდებიან მხოლოდ მაგნიტური მომენტის და ე.წ. ბარიონული მუხტის ნიშნებით. შესაძლებელია ანტინივთიერების ატომების არსებობა. მათი ბირთვები შედგება ანტინუკლონებისგან, ხოლო გარსი – პოზიტრონებისგან. ანტინივთიერების ნივთიერებასთან ანიჰილაციისას უძრაობის ენერგია გარდაიქმნება გამოსხივების ქვანტების ენერგიად. ეს უზარმაზარი ენერგია, გაცილებით მეტია იმაზე, რაც გამოიყოფა ბირთვული ან თერმობირთვული რეაქციების დროს.

დღეისათვის ცნობილ ელემენტალური ნაწილაკების მრავალფეროვნებაში იკვეთება კლასიფიკაციის მეტნაკლებად მწყობრი სისტემა. ქვემოთ ცხრილში წარმოდგენილია ზოგიერთი ცნობა 10^–20 წმ-ზე მეტი სიცოცხლის ხანგრძლივობის მქონე ელემენტალურ ნაწილაკთა თვისებებზე. ელემენტალური ნაწილაკების მახასიათებელ მრავალ თვისებათა შორის ცხრილში მოყვანილია მხოლოდ ნაწილაკის მასა (ელექტრონულ მასებში), ელექტრული მუხტი (ერთეული მუხტის ერთეულებში) და იმპილსის მომენტი (ე.წ. სპინი) პლანკის მუდმივის ħ = h / 2π ერთეულებში. ცხრილში მოტანილია აგრეთვე ნაწილაკების საშუალო სიცოცხლის ხანგრძლივობა.

ელემენტალური ნაწილაკები ერთიანდებიან სამ ჯგუფად: ფოტონები, ლეპტონები ადრონები.

ფოტონების ჯგუფს მიეკუთვნება ერთადერთი ნაწილაკი – ფოტონი, რომელიც წარმოადგენს ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედების მატარებელს.

შემდგომი ჯგუფი შედგება მსუბუქი ნაწილაკებისგან – ლეპტონებისგან. ამ ჯგუფში შედის ნეიტრინოების ორი სახეობა (ელექტრონული და მიუონური), ელექტრონი და μ-მეზონი. ლეპტონებს განეკუთვნება კიდევ რიგი ნაწილაკებისა, რომლებიც არ არის ცხრილში მითითებული. ყველა ლეპტონს აქვს სპინი  \(\frac{1}{2}\)

მესამე დიდ ჯგუფს შეადგენენ მძიმე ნაწილაკები, რომელთაც ადრონები ეწოდებათ. ეს ჯგუფი იყოფა ორ ნაწილად. შედარებით მსუბუქი ნაწილაკები ქმნიან მეზონების ქვეჯგუფს. მათ შორი ყველაზე მზუბუქები არიან დადებითად და უარყოფითად დამუხტული, ასევე ნეიტრალური π-მეზონები მასებით 250 ელექტრონული მასის რიგისა. პიონები არიან ბირთვული ველის ქვანტები, მსგავსად იმისა, როგორც ფოტონები არის ელექტრომაგნიტური ველის ქვანტები. ამ ქვეჯგუფში შედის კიდევ ოთხი K-მეზონი და ერთი η⁰-მეზონი. ყველა მეზონს აქვს ნულის ტოლი სპინი.

მეორე ქვეჯგუფი – ბარიონები – მოიცავს შედარებით მძიმე ნაწილაკებს. იგი ყველაზე ფართოა. ბარიონებს შორის ყველაზე მსუბუქებია ნუკლონები – პროტონები და ნეიტრონები. მათ მოსდევთ ე.წ. ჰიპერონები. ცხრილს ასრულებს  ომეგა-მინუს-ჰიპერონი, რომელიც 1964 წელს იქნა აღმოჩენილი. ეს არის მზიმე ნაწილაკი 3273 ელექტრონული მასით. ყველა ბარიონს აქვს სპინი \(\frac{1}{2}\).

უკვე აღმოჩენილი და აღმოჩენადი ადრონების სიმრავლემ მეცნიერებს უბიძგა იმ აზრისკენ, რომ ყველა ისინი აგებულნი არიან რაღაც სხვა უფრო ფუნდამენტური ნაწილაკებისგან. 1964 წ. ამერიკელმა ფიზიკოსის მ. გელ-მანის მიერ წამოყენებული იქნა ჰიპოთეზა, რომელიც დამტკიცდა შემდგომი კვლევებით, რომ ყველა მძიმე ნაწილაკი – ადრონი – აგებულია უფრო ფუნდამენტური ნაწილაკებით, რომელთაც კვარკები ეწოდათ. კვარკული ჰიპოთეზის საფუძველზე არამარტო გაგებული იქნა უკვე არსებული ადრონების სტრუქტურა, არამედ ნაწინასწარმეტყველები იქნა ახლების არსებობა. გელ-მანის თეორია უშვებდა სამი კვარკისა და სამი ანტიკვარკის არსებობას, რომლებიც ერთურთს სხვადასხვა კომბინაციებით უერთდებიან. ასე მაგალითად, ყოველი ბარიონი შედგება სამი კვარკისგან, ანტიბარიონი კი სამი ანტიკვარკისგან. მეზონები შედგება კვარკი-ანტიკვარკის წყვილებისგან.

კვარკების ჰიპოთეზის მიღებით შესაძლებელი გახდა ელემენტალური ნაწილაკების მწყობრი სისტემის შექმნა. თუმცა ამ ჰიპოთეტური ნაწილაკების ნაწინასწარმეტყველები თვისებები საკმაოდ მოულოდნეი აღმოჩნდა. კვარკების ელექტრული მუხტი გამოხატული უნდა იყოს წილადი რიცხვებით, რომლებიც ტოლია ელექტრონული მუხტის  \(\frac{2}{3}\)-სა და \(\frac{1}{3}\) -ის.

მაღალი ენერგიების ამაჩქარებლებზე და კოსმოსურ სხივებში თავისუფალ მდგომარეობაში კვარკების მრავალგზისი ძიება წარუმატებელი აღმოჩნდა. მეცნიერები თვლიან, რომ თავისუფალი კვარკების დაუკვირვებლობის ერთ-ერთი მიზეზი არის, შესაძლოა,მათი ძალიან დიდი მასები. ეს ხელს უშლის კვარკების დაბადემას იმ ენერგიებზე, რომლებიც მიიღწევა თანამედროვე ამაჩქარებლებზე. მიუხედავად ამისა, სპეციალისტების უმეტესობა, ამჟამად, დარწმუნებულია, ადრონების შიგნით არსებობენ კვარკები.

ფუნდამენტური ურთიერთქმედებები. პროცესები, რომლებშიც ელემენტალური ნაწილაკები მონაწილეობენ, ძლიერ განსხვავდებიან ენერგიებითა და მათი მიმდინარეობის მახასიათებელი დროებით. თანამედროვე შეხედულებების თანახმად, ბუნებაში ხორციელდება ოთხი ტიპის ურთიერთქმედება, რომლებიც სხვა უფრო მარტივ ტიპზე არ დაიყვანება. ესენია:  ძლიერი, ელექტრომაგნიტური, სუსტი და გრავიტაციული. ურთიერთქმედების ამ სახეებს  ფუნდამენტურს უწოდებენ.

ძლიერი (ანუ ბირთვული) ურთიერთქმედება – ყველაზე ინტენსიურია. ის განაპირობებს განსაკუთრებულ მედეგ კავშირს ატომბირთვებში პროტონებსა და ნეიტრონებს შორის. ძლიერ ურთიერთქმედებაში მონაწილეობა შეუძლიათ მხოლოდ მძიმე ნაწილაკებს – ადრონებს (მეზონებს და ბარიონებს). ძლიერი ურთიერთქმედება მჟღავნდება 10^–15 მ და ნაკლები რიგის მანძილებზე. ამიტომ მას უწოდებენ ახლომოქმედს.

ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედება. მასში შეუძლიათ მონაწილეობა ყველა დამუხტულ ნაწილაკს, ასევე ფოტონებს – ელექტრომაგნიტური ველის ქვანტებს. ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედება პასუხისმგებელია, კერძოდ, ატომებისა და მოლეკულების არსებობაზე. ის განაპირობებს ნივთიერების ბევრ თვისებას მყარ, თხევად და აირად მდგომარეობაში. პროტონების კულონური განზიდვა იწვევს დიდი მასური რიცხვის ბირთვების არამდგრადობას. ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედება განაპირობებს ნივთიერების ატომებისა და მოლეკულების მიერ ფოტონების გამოსხივებისა და შთანთქმის პროცესებს და მიკრო– და მაკროსამყაროს მრავალ სხვა ფიზიკურ პროცესს.

სუსტი ურთიერთქმედება – განაპირობებს მიკროსამყაროში ყველაზე ნელი პროცესების მიმდინარეობას. მასში ნებისმიერ ელემენტალურ ნაწილაკს შეუძლია მონაწილეობის მიღება, გარდა ფოტონებისა. სუსტი ურთიერთქმედება პასუხისმგებელია ნეიტრინოებისა ან ანტინეიტრინოების მონაწილეობით მიმდინარე პროცესებზე, მაგალითად, ნეიტრონის β-დაშლა 

გრავიტაციული ურთიერთქმედება ახასიათებს უკლებლივ ყველა ნაწილაკს, მაგრამ ელემენტალური ნაწილაკების მასების სიმცირის გამო მათ შორის გრავიტაციული ურთიერთქმედების ძალები უგულებელყოფითად მცირეა და მიკროსამყაროში მიმდინარე პროცესებში მათი როლი უმნიშვნელოა. გრავიტაციული ძალები გადამწყვეტ როლს თამაშობენ უზარმაზარი მასების მქონე კოსმოსური ობიექტების (ვარსკვლავები, პლანეტები და ა.შ.) ურთიერთქმედების დროს.

XX საუკუნის 30-იან წლებში წარმოიშვა ჰიპოთეზა იმის შესახებ, რომ ელემენტალური ნაწილაკების სამყაროში ურთიერთქმედება ხორციელდება რაიმე ველის ქვანტების გაცვლის მეშვეობით. 

ურთიერთქმედებამ, რომელიც ხორციელდება ნაწილაკების მიერ მიმოცვლის გზით, მიიღო  გაცვლითი ურთიერთქმედების სახელწოდება. ასე, მაგალითად, დამუხტულ ნაწილაკებს შორის ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედება წარმოიქმნება ელექტრომაგნიტური ველის ფოტონების – ქვანტების გაცვლის შედეგად.

გაცვლითი ურთიერთქმედების თეორიამ აღიარება ჰპოვა მას შემდეგ, რაც 1935 წ. იაპონელმა ფიზიკოსმა ჰ. იუკავამ თეორიულად აჩვენა, რომ ატომბირთვებში ნუკლონებს შორის ძლიერი ურთიერთქმედება შეიძლება აიხსნას, თუ დავუშვებთ, რომ ნუკლონები ცვლიან ჰიპოთეტურ ნაწილაკებს, რომელთაც მეზონები ეწოდა. იუკავამ გამოთვალა ამ ნაწილაკების მასა, რაც დაახლოებით 300 ელექტრონული მასის ტოლი აღმოჩნდა. ამ მასის ნაწილაკები შემდგომ მართლაც იქნა აღმოჩენილი. ამ ნაწილაკებს უწოდეს π-მეზონები (პიონები). დღესდღეობით ცნობილია სამი სახის პიონები: π⁺, π^– и π^{0 .}

1957წ. თეორიულად იქნა ნაწინასწარმეტყველები მძიმე ნაწილაკების, ეგრეთწოდებული  ვექტორული ბოზონების W⁺, W^– და Z⁰ არსებობა, რომლებიც სუსტი ურთიერთქმედების გაცვლით მექანიზმს განაპირობებენ. ეს ნაწილაკები აღმოაჩინეს 1983 წელს მაღალი ენერგიების პროტონებისა და ანტიპროტონების შემხვედრ სხივებზე ამაჩქარებელზე ჩატარებული ექსპერიმენტების დროს. ვექტორული ბოზონების აღმოჩენა იყო ელემენტალური ნაწილაკების ფიზიკის მნიშვნელოვანი მიღწევა. ამ არმოჩენამ დააგვირგვინა იმ თეორიის წარმატება, რომელმაც გააერთიანა ელექტრომაგნიტური და სუსტი ურთიერთქმედება ერთიან ე.წ.  ელექტროსუსტ ურთიერთქმედებად. ეს ახალი თეორია განიხილავს ელექტრომაგნიტურ ველსა და სუსტი ურთიერთქმედების ველს როგორც ერთი ველის სხვადასხვა შემადგენელს, რომელშიც ქვანტთან ერთად მონაწილეობენ ვექტორული ბოზონები.

ამ აღმოჩენის შემდეგ თანამედროვე ფიზიკაში მნიშვნელოვნად გაიზარდა რწმენა იმისა, რომ ურთიერთქმედების ყველა სახე მჭიდრო ურთიერთკავშირშია და არსებითად  რაღაც ერთიანი ველის სხვადასხვა გამოვლინებაა. თუმცა ყველა ურთიერთქმედების გაერთიანება ჯერჯერობით მიმზიდველ სამეცნიერო ჰიპოთეზად რჩება.

ფიზიკოს-თეორეტიკოსები მნიშვნელოვან ძალისხმევას ხარჯავენ, რათა ერთიან საფუძველზე განიხილონ არა მარტო ელექტრომაგნიტური და სუსტი არამედ ძლიერი ურთიერთქმედებაც. ამ თეორიამ  დიდი გაერთიანების სახელწოდება მიიღო.  მეცნიერები ვარაუდობენ, რომ გრავიტაციულ ურთიერთქმედებასაც უნდა ჰყავდეს თავისი გადამტანი, გრავიტონად წოდებული, ჰიპოთეტური ნაწილაკი. მაგრამ ეს ნაწილაკი ჯერ არ არის არმოჩენილი.

დღესდღეობით ითვლება დამტკიცებულად, რომ ერთიანი ველი, რომელიც ურთიერთქმედებათა ყველა სახეს აერთიანებს, შეიძლება არსებობდეს მხოლოდ ნაწილაკების ძალიან დიდი ენერგიების დროს, რომლის მიღწევა თანამედროვე ამაჩქარებლებზე შეუძლებელია. ასეთი მაღალი ენერგიები ნაწილაკებს შეიძლება ჰქონოდეთ მხოლოდ სამყაროს არსებობის ძალიან ადრეულ ეტაპებზე, რომელიც ე.წ.  დიდი აფეთქების (Big Bang) შედეგად წარმოიქმნა. კოსმოლოგია – მეცნიერება სამყაროს ევოლუციის შესახებ – ვარაუდობს, რომ დიდი აფეთქება მოხდა 18 მილიარდი წლის წინ. სამყაროს ევოლუციის სტანდარტულ მოდელში იგულისხმება, რომ აფეთქების შემდგომ პირველ პერიოდში ტემპერატურა აღწევდა 10³² К, ხოლო ნაწილაკების ენერგია E = kT აღწევდა 10¹⁹ გევ მნიშვნელობას. ამ პერიოდში მატერია არსებობდა კვარკებისა და ნეიტრინოების ფორმით, ამასთან ურთიერთქმედების ყველა ტიპი გაერთიანებული იყო ერთიან ძალურ ველად. სამყაროს თანდათანობითი გაფართოებისას ნაწილაკთა ენერგია მცირდებოდა და ურთიერთქმედებათა ერთიან ველს ჯერ გამოეყო გრავიტაციული ურთიერთქმედება (როცა ნაწილაკების ენერგიები ≤ 10¹⁹ გევ), ხოლო შემდეგ ძლიერი ურთიერთქმედება გამოეყო ელექტროსუსტს (ნაწილაკების ენერგიები ≤ 10¹⁴  გევ). 10³ გევ რიგის ენერგიის დროს ყველა ოთხი ურთიერთქმედება აღმოჩნდნენ დაყოფილნი. ამ პროცესებთან ერთად მიმდინარეობდა მატერიის უფრო რთული ფორმების, ნუკლონების, მსუბუქი ბირთვების, იონების, ატომებისა და სხვ. ფორმირება. კოსმოლოგია თავის მოდელში, ეყრდნობა რა ელემენტალური ნაწილაკებისა და ასევე ბირთვული და ატომური ფიზიკის კანონებს, ცდილობს თვალი გაადევნოს სამყაროს ევოლუციას მისი განვითარების სხვადასხვა ეტაპებზე დაწყებული დიდი აფეთქებიდან დღევანდელობამდე.

{loadnavigation}

ბირთვული რეაქცია – ეს არის  ატომის ბირთვის სხვა ბირთთვთან ან ელემენტალურ ნაწილაკთან ურთიერთქმედების პროცესი, რომელსაც თან ახლავს ბირთვის შემადგენლობისა და სტრუქტურის ცვლილება და მეორადი ნაწილაკების ან  γ-ქვანტის გამოყოფა. 

ბირთვული რეაქციების შედეგად შეიძლება წარმოიქმნას ახალი რადიოაქტიური იზოტოპები, რომლებიც დედამიწაზე ჩვეულებრივ პირობებში არ არსებობენ.

პირველი ბირთვული რეაქცია განხორციელებული იყო რეზერფორდის მიერ 1919 წელს ბირთვების დაშლის პროდუქტებში პროტოინების აღმოჩენისთვის ჩატარებულ ცდებში. რეზერფორდი აზოტის ატომებს ბომბავდა α-ნაწილაკებით. ნაწილაკების შეჯახებისას მიმდინარეობდა ბირთვული რეაქცია შემდეგი სქემით: 

ბირთვული რეაქციები შეიძლება განხორციელდეს ატომების ჩქარი ნაწილაკებით (პროტონებით, ნეიტრონებით, α-ნაწილაკებით, იონებით) ბომბარდირების დროს. პირველი ამგვარი რეაქცია განხორციელებულ იქნა, ამაჩქარებელზე მიღებული, მაღალი ენერგიის პროტონების მეშვეობით 1932 წელს: 

ბირთვულ რეაქციებს თან სდევს ენერგეტიკული გარდაქმნები. ბირთვული რეაქციის ენერგეტიკული გამოსავალი ეწოდება 

იმისათვის რათა ბირთვულ რეაქციას ჰქონდეს დადებითი ენერგეტიკული გამოსავალი, საყისი პროდუქტების ბირთვების ნუკლონების ბმის კუთრი ენერგია  ნაკლები უნდა იყოს საბოლოო პროდუქტების ბირთვებში ნუკლონების ბმის კუთრ ენერგიაზე. ეს ნიშნავს, რომ ΔM სიდიდე დადებითი უნდა იყოს.

შესაძლებელია ბირთვული ენერგიის გათავისუფლების ორი პრინციპიალურად განსხვავებული საშუალება

1. მძიმე ბირთვების დაყოფა. ბირთვების რადიაქტიული დაშლისგან, რომელსაც ახლავს α- და β-ნაწილაკების გამოსხივება, განსხვავებით დაყოფის რეაქცია არის პროცესი, რომლის დროსაც არამდგრადი ბირთვი იყოფა ორ დიდ თანაფარდი მასის ფრაგმენტად.

1939 წელს გერმანელმა მეცნიერებმა ოტო განმა და ფრიც შტრასმანმა აღმოაჩინეს ურანის ბირთვის დაყოფა. ფერმის მიერ დაწყებული კვლევების გაგრძელებით მათ დაადგინეს, რომ ურანის ნეიტრონებით დაბომბვის დროს წარმოიქმნება პერიოდული სისტემის შუა ნაწილის ელემენტების – ბარიუმის (Z = 56), კრიპტონისა (Z = 36) და სხვ. რადიოაქტიური იზოტოპები.

ბუნებაში ურანი გვხვდება ორი იზოტოპის სახით::  (99,3 %) და  (0,7 %). ორივე იზოტოპის ბირთვები ნეიტრონებით ბომბარდირებისას შეიძლება გაიხლიჩოს ორ ნამსხვრევად. ამასთან   -ს დაყოფის რეაქცია უფრო ინტენსიურად მიდის ნელ (სითბურ) ნეიტრონებზე, მაშინ როცა   -ს ბირთვები შედიან დაყოფის რეაქციაში მხოლოდ ჩქარ, 1მევ რიგის ენერგიის ნეიტრონებთან.

ბირთვული ენერგეტიკისთვის ძირითად ინტერესს წარმოადგენს  ბირთვის დაყოფის რეაქცია. დღესდღეობით ცნობიალია დაახლოებით 100 სხვადასხვა იზოტოპი მასური რიცხვით დაახლოებით 90-დან 145-მდე, რომლებიც ამ ბირთვის დაყოფის შედეგად წარმოიქმნება. ამ ბირთვის ორ ტიპურ რეაციას აქვს შემდეგი სახე: 

ერთი ურანის ბირთვის დაყოფისას გამოყოფილი კინეტიკური ენერგია უზარმაზარია – 200 მევ-ის რიგისაა. ბირთვის დაყოფისას გამოყოფილი ენერგიის რაოდენობის შეფასება შესაძლებელია ბირთვში ნუკლონების ბმის კუთრი ენერგიის მცნების მეშვეობით. A ≈ 240 მასური რიცხვის ბირთვებში ნუკლონების ბმის კუთრი ენერგია 7,6 მევ/ნუკლონი რიგისაა, მაშინ როცა A = 90–145 მასური რიცხვის მქონე ბირთვებში კუთრი ენერგია დაახლოებით 8,5 მევ/ნუკლონი-ს ტოლია. შესაბამისად, ურანის ბირთვის დაყოფისას თავისუფლდება 0,9 მევ/ნუკლონი-ს რიგის ენერგია ანუ დაახლოებით ერთ ურანის ატომზე დაახლოებით 210 მევ ენერგია. 1 გრ ურანში ყველა ბირთვის სრული დაყოფით გამოიყოფა ისეთივე ენერგია, როგორც 3 ტონა ნახშირის ან 2,5 ტონა ნავთის დაწვის შედეგად.

ურანის დაყოფის პროდუქტები არასტაბილურია, რადგან მათში მნიშვნელოვანი რაოდენობის ჭარბი ნეიტრონებია. მართლაც, ყველაზე მძიმე ბირთვებისათვის N / Z ფარდობა  დაახლოებით არის 1,6, 90-დან 145-მდე მასური რიცხვის ბირთვებისთვის ეს ფარდობა 1,3–1,4 რიგისაა. ამიტომ ბირთვი-ნამსხვრევები განიცდიან β^–-დაშლების თანმიმდევრულ სერიას, რის შედეგადაც ბირთვში პროტონების რიცხვი იზრდება, ხოლო ნეიტრონების რიცხვი მცირდება მანამ, სანამ არ ჩამოყალიბდება სტაბილური ბირთვი. 

ურან-235-ს ბირთვის დაყოფისას, რაც გამოწვეულია ნეიტრონთან შეჯახებით, თავისულდება 2 ან 3 ნეიტრონი. ხელსაყრელ პირობებში ეს ნეიტრონები შეიძლება შეეჯახნონ ურანის სხვა ბირთვებს და გამოიწვიონ მათი დაყოფა. ამ ეტაპზე წარმოიქმნება უკვე 4-დან 9-მდე ნეიტრონი, რომელთაც შეუძლიათ ურანის ახალი გახლეჩები და ა.შ.  ასეთ ზვავისებურ პრიცესს ჯაჭვური რეაქცია ეწოდება. ურანის ბირთვის დაყოფის ჯაჭვური რეაქციის განვითარების სქემა მოტანილია ნახ. 1-ზე.

ნახაზი 1.

ჯაჭვური რეაქციის განვითარების სქემა

ჯაჭვური რეაქციის განსახორციელებლად აუცილებელია, რომ ე.წ.  ნეიტრონების გამრავლების კოეფიციენტი ერთზე მეტი იყოს. სხვა სიტყვებით, ყოველ შემდგომ თაობაში ნეიტრონები უნდა იყოს მეტი ვიდრე წინაში. გამრავლების კოეფიციენტი განისაზრვრება არა მარტო ყოველ ელემენტალურ აქტში წარმოქმნილი ნეიტრონების რიცხვით, არამედ იმ პირობებითაც, რომელშიც მიმდინარეობს რეაქცია – ნეიტრონების ნაწილი შეიძლება შთაინთქას სხვა ბირთვებით ან გამოვიდეს რეაქციის ზონიდან. ურან-235-ის დაყოფისას გათავისუფლებულ ნეიტრონებს შეუძლიათ ისევ ამ ურანის ბირთვების გახლეჩა, რომლის წილიც ბუნებრივ ურანში მხოლოდ 0,7 %-ს შეადგენს. ასეთი კონცენტრაცია არასაკმარისია ჯაჭვური რეაქციის დასაწყებად.   იზოტოპს ასევე შეუძლია შთანთქოს ნეიტრონი, მაგრამ ამ დროს ჯაჭვური რეაქცია არ წარმოიქმნება.

ჯაჭვური რეაქცია ურან-235-ის გაზრდილი შემცველობის ურანში შეიძლება განვითარდეს მხოლოდ მაშინ, როცა ურანის მასა აჭარბებს ე.წ. კრიტიკულ მასას. ურანის მცირე ნატეხებში უმეტესობა ნეიტრონებისა ვერცერთ ბირთვთან შეუჯახებლად გამოფრინდებიან გარეთ. სუფთა ურან-235-ისთვის კრიტიკული მასა შეადგენს 50 კგ-ს.

ურანის კრიტიკული მასა შიძლება ბევრჯერ შემცირდეს ე.წ. ნეიტრონების შემანელებლების გამოყენებით. საქმე იმაშია, რომ ურანის დაყოფისას დაბადებულ ნეიტრონებს, აქვთ ზედმეტად მაღალი სიჩქარეები, ხოლო ურან-235-ის მიერ ნელი ნეიტრონების ჩაჭერის ალბათობა ასობითჯერ მეტია ვიდრე ჩქარი ნეიტრონების. ნეიტრონების საუკეთესო შემანელებელს წარმოადგენს მძიმე წყალი D₂O. ჩვეულებრივი წყალი ნეიტრონებთან ურთიერთქმედებისას თვითონ გარდაიქმნება მძიმე წყლად.

კარგი შემანელებელი არის აგრეთვე გრაფიტი, რომლის ბირთვებიც ნეიტრონებს არ შთანთქავენ. დეიტერიუმის ან ნახშირბადის ბირთვებთან დრეკადი ურთიერთქმედებისას ნეიტრონები ნელდებიან სითბურ სიჩქარეებამდე.

ნეიტრონების შემანელებლებისა და ნეიტრონების ამრეკლი ბერილიუმისგან დამზადებული სპეციალური გარსის გამოყენება საშუალებას იძლევა 250 გრამამდე შემცირდეს კრიტიკული მასა.

ატომურ ბომბებში უმართავი ჯაჭვური რეაქცია წარმოიქმნება ურან-235-ის ორი კრიტიკულზე რამდენადმე ნაკლები მასის ნატეხის სწრაფი შეერთებით.

მოწყობილობას, სადაც ნარჩუნდება ბირთვების დაყოფის მართვადი რეაქცია, ეწოდება ბირთვული (ან ატომური) რეაქტორი. ნელ ნეიტრონებზე მომუშავე ბირთვული რეაქტორის სქემა მოყვანილია ნახ. 2-ზე.

ნახაზი 2.

ნელ ნეიტრონებზე ბირთვული რეაქტორის მოწყობის სქემა

ბირთვული რეაქცია მიმდინარეობს რეაქტორის აქტიურ ზონაში, რომელიც შევსებულია შემანელებლით და განჭოლილია ღეროებით, რომლებიც ურანის იზოტოპით გამდიდრებულ ნარევს წარმოადგენს ურან-235-ის ამაღლებული (3%-მდე) შემცველობით. აქტიურ ზონაში შეაქვთ მარეგულირებელი კადმიუმის ან ბორის შემცველი ღეროები, რომლებიც ინტენსიურად შთანთქავენ ნეიტრონებს. ღეროს აქტიურ ზონაში შეყვანა საშუალებას იძლევა იმართოს ჯაჭვური რეაქციის სიჩქარე.

აქტიური ზონა გრილდება სითბომატარებლის ჩატუმბვით. სითბომატარებლად შეიძლება გამოყენებულ იქნას წყალი ან დნობის დაბალი ტემპერატურის მქონე მეტალი (მაგალითად, ნატრიუმი, რომლის დნობის ტემპერატურაა 98 °C). ორთქლგენერატორში სითბომატარებელი სითბურ ენერგიას გადასცემს წყალს, გარდაქმნის მას რა მაღალი წნევის ორთქლად, რომელიც მიემართება ელექტროგენერატორთან მიერათებულ ტურბინაში, ხოლო ტურბინიდან მიდის კონდენსატორში. რადიაციის გაჟონვის ასარიდებლად თბომატარებლის I და ორთქლგენერატორის II კონტურები მუშაობენ შეკრული ციკლით.

ატომური ელექტროსადგურის ტურბინა წარმოადგენს სითბურ მანქანას, რომელიც თერმოდინამიკის მეორე კანონის შესაბამისად განსაზღვრავს სადგურის საერთო ეფექტურობას. თანამედროვე ატომური ელექტროსადგურების მარგი ქმედების კოეფიციენტი დაახლებით  \(\frac{1}{3}\)-ის ტოლია. შესაბამისად, 1000 მვტ ელექტრული სიმძლავრის საწარმოებლად რეაქტორის სითბური სიმძლავრე უნდა აღწევდეს 3000 მვტ-ს. 2000 მვტ უნდა წაიღოს წყალმა, რომელიც აგრილებს კონდენსატორს. ეს იწვევს ბუნებრივი წყალსაცავების ლოკალურ გადახურებას და აქედან მომდინარე ეკოლოგიურ პრობლემებს.

თუმცა, მთავარ პრობლემას წარმოადგენს ატომურ ელექტრო სადგურებზე მომუშავე ადამიანების რადიოაქტიური უსაფრთხოების უზრუნველყოფა და რეაქტორის აქტიურ ზონაში დიდი ოდენობით დაგროვილი რადიოაქტიური ნივთიერებების შემთხვევითი გაფრქვევების არიდება. ბირთვული რეაქტორების დაპროექტების დროს ამ პრობლემებს დიდი ყურადღება ეთმობა. მიუხედავად ამისა, ზოგიერთ აეს-ზე მომხდარი ავარიების შემდეგ, კერძოდ პენსილვანიაში (აშშ, 1979წ.) და ჩერნობილში (უკრაინა, 1986წ) ბირთვული ენერგეტიკის უსაფრთხოების პრობლემა განსაკუთრებით მწვავე გახდა.

ნელ ნეიტრონებზე მომუშავე ბირთვულ რეაქტორებთან ერთად დიდ პრაქტიკულ ინტერესს წარმოადგენს რეაქტორები, რომლებიც სწრაფი ნეიტრონების შემანელებლების გარეშე მუშაობენ. ასეთ რეაქტორებში ბირთვულ საწვავს წარმოადგენს გამდიდრებული ნარევი, რომელიც  იზოტოპის არანაკლებ 15 %-ს შეიცავს. სწრაფ ნეიტრონებზე რეაქტორების უპირატესობა იმაში მდგომარეობს, რომ მათი მუშაობისას ურან-238-ის ბირთვები, შთანთქავენ რა ნეიტრონებს, ორი თანმიმდევრული β^–-დაშლით გარდაიქმნება პლუტონიუმის ბირთვებად, რომლებიც შემდეგ შეიძლება გამოდგეს ბირთვულ საწვავად: 

პირველი ბირთვული რეაქტორი აგებული იქნა 1942 წელს აშშ-ში ე.ფერმის ხელმძღვანელობით.

2. თერმობირთვული რეაქციები. ბირთვული ენერგიის გათავისუფლების მეორე გზა დაკავშირებულია სინთეზის რეაქციებთან. მსუბუქი ბირთვების შერწყმისა და ახალი ბირთვის წარმოქმნისას უნდა გამოიყოს დიდი ოდენობის ენერგია. ეს ჩანს ბმის კუთრი ენერგიის A მასურ რიცხვზე დამოკიდებულების მრუდიდან. დაახლოებით 60 მასურ რიცხვამდე ნუკლონების ბმის კუთრი ენერგია იზრდება A-ს ზრდასთან ერთად.  ამიტომ A < 60 ნებისმიერი ბირთვის სინთეზს უნდა ახლავდეს ენერგიის გამოყოფა. სინთეზის რეაქციის პროდუქტების საერთო მასა ამ შემთხვევაში ნაკლები იქნება საწყისი ნაწილაკების მასაზე.

მსუბუქი ბირთვების შერწყმის რეაქციებს ეწოდება თერმობირთვული რეაქციები,  რადგან ისინი შეიძლება განხორციელდნენ მხოლოდ ძალიან მაღალ ტემპერატურებზე. ორი ბირთვის სინთეზურ რეაქციაში ჩართვისთვის ისინი უნდა მიუახლოვდნენ ერთმანეთს ბირთვული ძალების მოქმედების მანძილზე რაც დაახლოებით  2·10^–15 მ რიგისაა, გადალახავენ რა მათი დადებითი მუხტების განზიდვის ძალებს. ამისათვის მოლეკულების სითბური მოძრაობის საშუალო კინეტიკური ენერგია მეტი უნდა იყოს კულონური ურთიერთქმედების პოტენციურ ენერგიაზე. ამისთვის აუცილებელი T ტემპერატურის გამოთვლა გვაძლევს 10⁸–10⁹ К რიგის სიდიდეს. ეს ძალიან მაღალი ტემპერატურაა. ამ ტემპერატურაზე ნივთიერება სრულად იონიზირებულია და ამ მდგომარეობას ეწოდება პლაზმა.

თერმობირთვული რეაქციების დროს გამოყოფილი ენერგია, ერთ ნუკლონზე გათვლით, რამდენჯერმე აღემატება ბირთვების გახლეჩის რეაქციებისას გამოყოფილ კუთრ ენერგიებს. ასე, მაგალითად, დეიტერიუმისა და თრითიუმის შერწყმის რეაქციაში 

მევ,

მართვადი თერმობირთვული რეაქციის განხორციელება კაცობრიობას მისცემს ახალ ეკოლოგიურად სუფთა და პრაქტიკულად ამოუწურავ ენერგიის წყაროს. თუმცა ზემაღალი ტემპერატურის მიღება და მილიარდობით ტემპერატურის მქონე პლაზმის შეკავება ურთულესი სამეცნიერო-ტექნიკური პრობლემაა თერმობირთვული სინთეზის განხორციელების გზაზე.

მეცნიერებისა და ტექნიკის მოცემულ ეტაპზე შესაძლებელი გახდა განხორციელებულიყო მხოლოდ უმართავი უმართავი სინთეზის რეაქცია წყალბადის ბომბით. ბირთვული სინთეზისთვის აუცილებელი მაღალი ტემპერატურა აქ მიიღწევა ჩვეულებრივი ურანის ან პლუტონის ბომბის აფეთქებით.

თერმობირთვული რეაქციები განსაკუთრებულ როლს თამაშობენ სამყაროს ევოლუციაში. მზისა და ვარსკვლავების გამოსხივების ენერგია თერმობირთვული წარმოშობისაა. 

{loadnavigation}

2500 ცნობილი ატომის ბირთვთაგან დაახლოებით 90% სტაბილური არ არის. არასტაბილური ბირთვები თვითნებურად გადაიქცევიან სხვა ბირთვებად, რასაც თან ახლავს ნაწილაკების ამოფრქვევა.

ამ თვისებას რადიოაქტივობა ეწოდება. დიდი ბირთვებისთვის არასტაბილურება მიიღწევა ბირთვის ნუკლონების მიზიდვის ძალებსა და პროტონების კულონური განზიდვის ძალებს შირის კონკურენციის შედეგად. Z > 83 მუხტის და  A > 209 მასური რიცხვის   მქონე სტაბილური ბირთვები არ არსებობდნენ. მაგრამ რადიოაქტიური შეიძლება აღმოჩნდეს Z და A რიცხვების გაცილებით ნაკლები მნიშვნელობების მქონე  ატომის ბირთვებსაც. თუ ბირთვი შეიცავს მნიშვნელოვნად მეტ პროტონს ვიდრე ნეიტრონს, მაშინ არასტაბილურობა გამოწვეულია კულონური ურთიერთქმედების ენერგიის სიჭარბით. ბირთვები, რომლებიც ჭარბ ნეიტრონებს, არასტაბილურები არიან იმის ხარჯზე, რომ ნეიტრონების მასა ჭარბობს პროტონების მასას. ბირთვის მასის გაზრდა მისი ენერგიის ზრდას იწვევს.

რადიოაქტივობის მოვლენა ფრანგი მეცნიერის ა.ბეკერელის  მიერ იქნა  აღმოაჩენილი 1896 წელს, რომელმაც აღმოაჩინა, რომ ურანის მარილები ასხივებენ უცნობ გამოსხივებას, რომელსაც შეუძლია  სინათლისათვის გაუმჭვირვალე წინაღობაში გავლა და იწვევს ფოტოემულსიის გაშავებას. ორი წლის შემდეგ ფრანგმა მეცნიერებმა მარია და პიერ კიურებმა თორიუმის რადიაქტივობა იპოვეს და აღმოაჩინეს ორი ახალი რადიოქტიური ელემენტი - პოლონიუმი   და რადიუმი .

შემდეგ წლებში რადიაქტიური გამოსხივების ბუნებას მრავალი ფიზიკოსი სწავლობდა, და მაღ შორის ე.რეზერფორდი და მისი მოსწავლეები. დადგინდა, რომ რადიოქტიურ ბირთვებს შეულიათ გამოასხივონ სამი სახის ნაწილაკები: დადებითი, უარყოფთი და ნეიტრალური. მათ უწოდეს α-, β- და γ გამოსხივება. ნახ.1-ზე ექსპერიმენტის სქემაა გამოსახული, რომელიც რადიოაქტიური ნივთიერების რთული აგებულების აღმოჩენის საშუალებას იძლევა. მაგნიტურ ველში  α- და β-სხივები გადაიხრებიან სხვადასხვა მიმართულებით, ამასთან  β-სხივები გაცილებით დიდად გადაიხრებიან. γ-სხივები მაგნიტურ ველში არ გადაიხრებიან.

 ნახ. 1.

α-, β- და γ-სხივების აღმოსაჩენი ცდის სქემა. К – ტყვიის კონტეინერი, П – რადიაქტიული ნივთიერება, Ф – ფოტოფირფიტა,  – მაგნიტური ველი

რადიაქტიული გამოსხივების ეს სამი სახე ნივთიერების ატომების იონიზაციის უნარის მიხედვით ერთმანეთისაგან ძლიერ განსხვავდება და, აქედან გამომდინარე, განჭოლვის უნარითაც. უმცირესი განჭოლვის უნარი α-სხივებს ახასიათებს. ჰაერში ნორმალურ პირობებში α-სხივები რამდენიმე სანტიმეტრიან გზას გაივლიან. β-სხივები გაცილებით ნაკლებად შთაინთქმება ნივთიერების მიერ. მათ შეუძლიათ რამდენიმე მილიმეტრიან ალუმინის ფენაში გავლა. ყველაზე დიდი განჭოლვის უნარი γ-სხივებს აქვთ, რომლებიც 5-10 სმ სისქის ტყვიის ფენაში გადიან.

XX საუკუნის მეორე ათწლეულში, რეზერფორდის მიერ ატომის ბირთვის აგებულების აღმოჩენის შემდეგ მკაცრად იქნა დადგენილი, რომ რადიოაქტივობა - ატომის ბირთვების თვისებაა. კვლევებმა α-გამოსხივება ჰელიუმის ბირთვის α-ნაწილაკების ნაკადს წარმოადგენს, β-სხივები - ელექტრონების ნაკადია, γ-სხივები    უკიდურასად მცირე λ < 10^–10 м ტალღის სიგრძის მოკლეტალღოვან ელექტრომაგნიტურ გამოსხივებას წარმოადგენს და ამის გამო აქვს მკვეთრად გამოსახული კორპუსკულური თვისებები, ე.ი.  γ-ქვანტების ნაკადს წარმოადგენს.

ალფა-დაშლა. ალფა დაშლა ეწოდება Z  რაოდენობის პროტონების და ნეიტრონებისა მქონე  ატომის ბირთვის თვითნებურ  გარდაქმნას N რაოდენობა პროტონებისა და ნეიტრონების მქონე სხვა ბირთვად, რომელიც შეიცავს  Z – 2 რაოდენობა  პროტონებს და Z – 2 რაოდენობა  ნეიტრონებს. ამ დროს გამოსხივდება α-ნაწილაკი –  ჰელიუმის ატომის ბირთვი. ასეთი პროცესის მაგალითად გამოდგება რადიუმის α-დაშლა:

რადიუმის ბირთვიდან გამოსხივებულ α-ნაწილაკებს  რეზერფორდი მძიმე ელემენტების ბირთვებზე გაბნევის ცდებში იყენებდა. რადიუმის დაშლისას გამოსხივებული α-ნაწილაკების სიჩქარე, რომელიც მაგნიტურ ველში მისი ტრაექტორიის სიმრუდის მიხედვით იზომება, დაახლოებით 1,5·10⁷ მ/წმ-ს ტოლია, ხოლო შესაბამისი კინეტიკური ენერგია 7,5·10^–13 ჯ-ს (დაახლოებით 4,8 მევ-ს). ეს სიდიდე ადვილად შეიძლება იქნეს განსაზღვრული პირველადი (მშობელი) და წარმოქმნილი (შვილობილი) ბირთვების და ჰელიუმის ბირთვის ცნობილი მასების საშუალებით. მიუხედავად იმისა, რომ ამოტყორცნილი α-ნაწილაკის სიჩქარე უზარმაზარია, ის სინათლის სიჩქარის მხოლოს 5 %-ს წარმოადგენს, ამიტომ გათვლისას კინეტიკური ენერგიისთვის შეიძლება არარელატივისტური გამოსახულების გამოყენება.

კვლევებმა უჩვენეს, რომ რადიაქტიური ნივთიერება α-ნაწილაკებს შეიძლება ასხივებდეს ენერგიის რამდენიმე დისკრეტრული მნიშვნელობით. ეს იმით აიხსნება, რომ ატომების მსგავსად, ბირთვები შეიძლება იმყოფებოდნენ სხვადასხვა აღგზნებულ მდგომარეობაში.  ერთ-ერთ ასეთ აღგზნებულ მდგომარეობაში  α-დაშლის მომენტში შეიძლება აღმოჩნდეს შვილობილი ბირთვი. ამ ბირთვის ძირითად მდგომარეობაში შემდგომი გადასვლისას  γ-ქვანტი გამოსხივდება. რადიუმის α-დაშლის სქემა კინეტიკური ენერგიის ორი მნიშვნელობის α-ნაწილაკების გამოსხივებით მოცემულია ნახ.2-ზე.

ნახ. 2.

რადიუმის ბირთვის α-დაშლის ენერგეტიკული დიაგრამა. მითითებულია რადონის  ბირთვის აღგზნებული მდგომარეობა. რადონის ბირთვის აღგზნებული მდრომარეობიდან ძირითადში გადასვლას თან ახლავს 0,186 მევ ენერგიის  γ-ქვანტის გამოსხივება

ამგვარად, ბირთვის α-დაშლას ხშირ შმთხვევაში თან ახლავს γ-გამოსხივება.

α-დაშლის თეორიაში დაშვებულია, რომ ბირთვის შიგნით შეიძლება წარმოიქმნებოდეს ორი პროტონისა და ორი ნეიტრონისაგან შემდგარი ჯგუფები, ე.ი. α-ნაწილაკები. მშობელი ბირთვი α-ნაწილაკებისთვის პოტენციურ ორმოს წარმოადგენს, რომელიც პოტენციური ბარიერითაა შემოსაზღვრული. α-ნაწილაკების ენერგია საკმარისი არ არის ამ ბარიერის გადასალახად (ნახ.3). ბირთვიდან α-ნაწილაკის ამოფრენა შესაძლებელია მხოლოდ ქვანტურ-მექანიკური მოვლენის ხარჯზე, რომელსაც ტუნელურ ეფექტს უწოდებენ. ქვანტური მექნიკის თანახმად, არსებობს ნაწილაკის მიერ ბარიერის ქვეშ გავლის ნულისაგან დანსხვავებული ალბათობა. ტუნელირების მოვლენას ალბათური ხასიათი აქვს.

ნახ. 6.7.3.

პოტენციური ორმოს α-ნაწილაკის მიერ ტუნელირება

ბეტა-დაშლა. β-დაშლისას ბირთვიდან ამოიტყორცნება ელექტრონი. ბირთვის შიგნით ელექტრონებს არსებობა არ შეუძლიათ, ისინი დაშლისას ნეიტრონის პროტონად გადაქცევის შედეგად წარმოიქმნებიან. ეს პროცესი შეიძლება ხდებოდეს არა მარტო ბირთვის შიგნით, არამედ თავისუფალი ნეიტრონის შემთხვევაშიც. თავისუფალი ნეიტრონის სიცოცხლის ხანგრძლივობა დაახლოებით 15 წუთს შეადგენს. დაშლისას ნეიტრონი  გადაიქცევა პროტონად  და ელექტრონად .

გაზომვებმა უჩვენეს, რომ ამ პროცეში დაიკვირვება ენერგიის შენახვის კანონის მოჩვენებითი დარღვევა, რადგანაც ნეიტრონის დაშლისას წარმოქმნილი ელექტრონისა და პროტონის ენერგიების ჯამი ნეიტრონის ენერგიაზე ნაკლებია. 1931 წელს პაულმა გამოთქვა აზრი იმის შესახებ, რომ ნეიტრონის დაშლისას გამოიყოფა კიდევ ერთი ნაწილაკი  მასისა და მუხტის ნულოვანი მნიშვნელობით, რომელსაც ენერგიის ნაწილი მიაქვს. ახალმა ნაწილაკმა მიიღო სახელი ნეიტრინო (მცირე ნეიტრონი). მასისა და მუხტის არქონის გამო ნეიტრინო სუსტად ურთიერთქმედებს ნივთიერების ატომებთან, ამიტომ ექსპერიმენტით მისი აღმოჩენა ძალიან ძნელია. ნეიტრინოს მაიონიზებელი მოქმედება იმდენად მცირეა, რომ 500 კმ-ს მანძილის გავლისას იონიზაციის მხოლოდ ერთი აქტია შესაძლებელი. ეს ნაწილაკი აღმოჩენილი იქნა მხოლოდ 1953 წელს. დღეისათვის ცნობილია, რომ არსებობს ნეიტრინოს რამდენიმე სახეობა. ნეიტრონის დაშლისას წარმოიქმნება ნაწილაკი, რომელსაც ელექტრონულ ანტინეიტრინოს უწოდებენ. ის აღინიშნება  სიმბოლოთი. ამიტომ ნეიტრონის დაშლის რეაქცია ჩაიწერება შემდეგი სახით

ანალოგიური პროცესი β-დაშლისას ხდება ბირთვის შიგნითაც. ბირთვის ერთ-ერთი ნეიტრონის დაშლისას წარმოქმნილი ელექტრონი,  მაშინვე ამოიტყორცნება მშობელი ბირთვიდან, სინათლის სიჩქარისაგან მხოლოდ პროცენტის ნაწილით განსხვავებული, უზარმაზარი სიჩქარით. რადგანაც, β-დაშლისას გამოყოფილი ენერგიის განაწილება ელექტრონს, პროტონსა და შვილობის ბირთვშორის შემთხვევით ხასიათს ატარებს, β-ელექტრონებს შეიძლება გააჩნდეთ სხვადასხვა სიჩქარეები მნიშვნელობათა ფართო ინტერვალიდან.

β-დაშლისას მუხტის რიცხვი Z  ერთით იზრდება, ხოლო მასის რიცხვი A რჩება უცვლელი. შვილობილი ბირთვი იმ ელემენტის ერთ-ერთი იზოტოპის ბირთვი აღმოჩნდება, რომელიც მენდელეევის სისტემაში ერთი რიგითი ნომრით მეტია საწყისი ბირთვის რიგით ნომერზე. β-დაშლის ტიპურ მაგალითად შეიძლება გამოდგეს ურანის  α-დაშლისას წარმოქმნილი თორიუმის  იზოტოპის გადაქცევისას  პალადიუმად:

ელექტრონულის  β-დაშლის გარდა აღმოჩენილია ე.წ. პოზიტრონული β⁺-დაშლა, რომლის დროსაც ბირთვიდან ამოიტყორცნება პოზიტრონი   და ნეიტრინო . პოზიტრონი ნაწილაკია, რომელიც ელექტრონის  ნაწილაკ-ორეულს წარმოადგენს, და მისგან მხოლოდ მუხტის ნიშნით განსხვავდება. პოზიტრონის არსებობა გამოჩენილი ფიზიკისის დირაკის მიერ იქნა ნაწინასწარმეტყველები 1928 წელს. რამდენიმე წლის მერე პოზიტრონი იქნა აღმოჩენილი კოსმოსური სხივების შემადგენლობაში. პოზიტრონები წარმოიქმნებიან  პროტონის ნეიტრონად გადაქცევის რეაქციისას შემდეგი სქემით:

გამა- დაშლა.      α- და β- რადიაქტივობისგან განსხვავებით ბირთვის γ -რადიაქტივობა ბირთვის შიგა სტრუქტურასთან არ არის დაკავშირებული და თან არ ახლავს მუხტის ან მასის რიცხვის ცვლილება. როგორც α-, ისე β-დაშლისასაც შვილობილი ბირთვი რამდენადმე აღგზნებულ მდგომარეობაში შეიძლება აღმოჩნდეს და ჰქონდეს ჭარბი ენერგია. ბირთვის აღგზნებული მდგომარეობიდან ძირითად მდგომარეობაში გადასვლას თან ახლავს ერთი ან რამდენიმე γ-ქვანტის გამოსხივება, რომელთა ენერგია შეიძლება რამდენიმე მევ-ს აღწევდეს.

რადიაქტიური დაშლის კანონი. რადიოაქტიური ნივთიერების ნებისმიერ ნიმუშში რადიაქტიური ატომების უზარმაზარი რიცხვია. რადგანაც რადიაქტიურ დაშლას შემთხვევითი ხასიათი აქვს და  გარე პირობებზე არ არის დამოკიდებული, მოცემული t მომენტისათვის დაუშლელი ბირთვების N (t) რაოდენობა შეიძლება რადიაქტუირი დაშლის პროცესის  მნიშვნელოვან სტატისტიკურ მახასიათებელს წარმოადგენდეს. 

ვთქვათ მცირე Δt  დროის შუალედში დაუშლელი ბირთვების რიცხვი N (t) ΔN < 0-თი შეიცვალა. რადგანაც თითეული ბირთვის დაშლის ალბათაობა  დროში უცვლელია, დაშლების რიცხვი ბირთვების N (t) რიცხვის და Δt დროის შუალედის პროპორციული იქნება:

ΔN = –λN (t) Δt.

პროპორციულობის კოეფიციენტი λ – Δt = 1 წმ-ში ბირთვების დაშლის ალბათობაა. ეს ფორმულა ნიშნავს, რომ N (t) ფუნქციის ცვლილენის სიჩქარე თვით ფინქციის პირდაპირპროპორციულია.

მსგავსი დამოკიდებულება   მრავალ ფიზიკურ ამიცანაში წამოიშვება (მაგალითად, კონდენსატორის რეზისტორიდან დამუხტვისას). ამ განტოლების ამოხსნას ექსპონენციალურ კანონამდე მივყევართ:

N (t) = N₀ e^–λt,

სადაც N₀ – რადიოაქტიური ბირთვების საწყისი რიცხვია t = 0 მომენტისათვის. τ = 1 / λ დროისათვის დაუშლელი ბირთვების რიცხვი e ≈ 2,7 -ჯერ კლებულობს. τ სიდიდეს ბირთვის სიცოცხლის საშუალო დროს უწოდებენ.

პრაქტიკული გამოყენებისათვის რადიოაქტიური დაშლის კანონის ჩაწერა სხვა სახითაა მოსახერხებელი. ძირითადი რიცხვის e -ს ნაცვლად 2-ს გამოყენებით:

 N (t) = N₀ · 2^–t/T.

T  სიდიდეს ნახევარდაშლის პერიოდს უწოდებენ. T დროის განმავლობაში იშლება რადიოაქტიური ბირთვების საწყისი რაოდენობის ნახევარი. T და τ სიდიდეები დაკავშირებული არიან თანაფარდობით

ნახ. 4-ზე რადიოაქტიური დაშლის კანონია ილუსტრირებული.

ნახ.4.

რადიოაქტიური დაშლის კანონი

ნახევდაშლის პერიოდი პროცესის სიჩქარის დამახასიათებელი ძირითადი სიდედეა. რაც ნაკლებია ნახევარდაშლის პერიოდი, მით უფრო ინტერსიურად მიმდინარეობს დაშლა. მაგალითად, ურანისათვის T ≈ 4,5 მოლიარდი წელია, ხოლო რადიუმისათვის T ≈ 1600 წელი. ამიტომაც რადიუმის აქტუვობა გაცილებით მეტია, ვიდრე ურანისა. არსებობენ რადიოაქტიური ელემენტები რომელთა ნახევარდაშლის პერიოდი წამის ნაწილია.

α- და β-რადიოაქტიური დაშლისას შვილობილი ბირთვი შეიძლება ასევე არასტაბილური აღმოჩნდეს. ამიტომაც შესაძლებელია რადიოაქტიური დაშლების თანმიმდევრული სერია, რომლებიც სტაბილური ბირთვების წარმოქმნით სრულდებიან. ბუნებაში რამდენიმე ასეთი სერია არსებობს.  ყველაზე გრძელია -ს სერია, რომელიც 14 თანმიმდევრული დაშლისგან შედგება (8 α- და 6 β-დაშლისგან). ეს  სერია სრულდება ტყვიის სტაბილური  იზოტოპის  წარმოქმნით (ნახ. 5).

ნახ. 5.

რადიოაქრიური  დაშლის სერიის სქემა. მითითებულია ნახევარდაშლის პერიოდები

ბუნებაში არსებობს -ის ანალოგიური კიდევ რამდენიმე რადიოაქტიული სერია. ცნობილია აგრეთვე სერია, რომელიც იწყება ნეპტუნიუმიდან  რომელიც ბუნებრივ პირობებში არ მჟღავნდება, და მთავრდება ბისმუტზე   ეს სერია რადიოაქტიური დაშლისა წარმოიქმნება ბირთვულ რეაქციებში.

რადიოაქტივობის საინტერესო გამოყენება არის არქეოლოგიური და გეოლოგიური მონაპოვრების დათარიღების მეთოდი რადიოაქტიური იზოტოპების კონცენტრაციის მიხედვით. ყველაზე ხშირად გამოიყენება დათარიღების რადიონახშირბადის მეთოდი.  ნახშირბადის არასტაბილური იზოტოპი წარმოიქმნება ატმოსფეროში ბირთვული რეაქციების შედეგად, რაც კოსმოსური სხივებით არის გამოწვეული. ამ იზოტოპის მცირე პროცენტი არის ჰაერში ჩვეულებრივ სტაბილურ  იზოტოპთან ერთად. მცენარეები და სხვა ორგანიზმები მოიხმარენ ნახშირბადს ჰაერიდან და მათში გროვდება ორივე იზოტოპი იმავე პროპორციით, რაც ჰაერშია. მცენარეების სიკვდილის შემდეგ ისინი ატოვებენ ნახშირბადის მოხმარებას და არასტაბილური იზოტოპი თანდათან გარდაიქმნება აზოტად    5730 წლიანი ნახევარდაშლის პერიოდით. უძველესი ორგანიზმების ნაშთებში  რადიოაქტიული ნახშირბადის ფარდობითი კონცენტრაციის ზუსტი გაზომვით შეიძლება დადგინდეს მათი სიკვდილის დრო. 

ყველა სახის რადიოაქტიული გამოსხივება (ალფა, ბეტა, გამა, ნეიტრინო), ასევე ელექტრომაგნიტური რადიაცია (რენტგენის გამოსხივება) ახდენენ ძალიან ძლიერ ბიოლოგიურ ზემოქმედებას ცოცხალ ორგანიზმებზე, რაც მდგომარეობს ცოცხალი უჯრედების შემადგენლობაში არსებული ატომებისა და მოლეკულების აღგზნებასა და იონიზაციაში. მაიონიზირებელი რადიაციის ზემოქმედებით ირღვევა რთული მოლეკულები და უჯრედული სტრუქტურები, რაც იწვევს ორგანიზმის სხივურ დაზიანებას. ამიტომ ნებისმიერ რადიაციასთან მუშაობისას უნდა მიღებული იქნას რადიაციული დაცვის ყველა ზომა.

თუმცა ადამიანი შეიძლება დაექვემდებაროს მაიონიზირებელ რადიაციას საყოფაცხოვრებო პირობებშიც. ადამიანის ჯანმრთელობისთვის სერიოზულ საფრთხეს შეიძლება წარმოადგენდეს ინერტული, უფერო, რადიოაქტიული გაზი რადონი   როგორც ნახ. 5 სქემიდან ჩანს, რადონი არის რადიუმის α-დაშლის პროდუქტი და მისი ნახევარდაშლის პერიოდია T = 3,82 დღე. რადიუმი, მცირე ოდენობით არის ნიადაგში, ქვებში, სხვადასხვა სამშენებლო კონსტრუქციებში. მცირე სიცოცხლის ხანგრძლივობის მიუხედავად, რადონის კონცენტრაცია უწყვეტად ივსება რადიუმის ბირთვების ახალი დაშლებით, ამიტომ რადონი შეიძლება დაგროვდეს დახურულ ნაგებობებში. ფილტვებში მოხვედრისას რადონი ასხივებს α-ნაწილაკებს და გარდაიქმნება პოლონიუმად  რომელიც არ არის ქიმიურად ინერტული ნივთიერება. შემდეგ მოსდევს ურანის სერიის რადიოაქტიული გარდაქმნების ჯაჭვი (ნახ. 5). ამერიკის რადიაციული უსაფრთხოებისა და კონტროლის კომისიის მონაცემებით, ადამიანი საშუალოდ ღებულობს მაიონიზებელი რადიაციის 55%-ს რადონისგან და მხოლოდ 11%-ს სამედიცინო პროცედურებისგან. კოსმოსური სხივების წვლილი შეადგენს  დაახლოებით 8 %-ს. სიცოცხლის განმავლობაში ადამიანის მიერ მიღებული სრული დოზა მრავალჯერ ნაკლებია ზღვრულად დასაშვებ დოზაზე (ზდდ), რომელიც დგინდება ზოგიერთი პროფესიის ადამიანებისთვის, რომლებიც დამატებით მაიონიზებელ გამოსხივებას ექვემდებარებიან.