Nüvə_kimyası
Nüvənin əsas xarakteristikası
Xüsusi əlaqə enerjisi, yəni bir nuklona düşən əlaqə enerjisidir. Yüngül nüvələr üçün bu kəmiyyətin kəskin dövriliyi aşkar görünür. Əvvəlcə nüvənin kütləsinin artması ilə onun qiyməti dövri olaraq dəyişir. Helium nüvəsi üçün əlaqə enerjisi 7,1 MeV/nuklondur. Litium, berillium və borun yüngül nüvələri azdayanıqlıdır ki, bunu da onların təbiətdə yayılmaları qismən sübut edir. Əgər kömür, oksigen, neon, maqnezium, kükürd və kalsium nüvələri üçün maksimum dayanıqlıq xarakterikdirsə, minimum dayanıqlıq ′′skandium dağılmasını (iflasını)′′ xarakterizə edir. Xüsusi əlaqə enerjisinin artması ′′dəmir maksimumuna′′ qədər davam edir. Dəmir üçün nüvə kütləsi defektinin mak- simum xüsusi qiyməti 8,7 MeV/nuklondur. Deməli, Yer nüvəsinin dəmir və nikeldən ibarət olması heç də təsadüfi deyil. Nüvə kütləsinin sonrakı artımı ilə bir nuklona düşən əlaqə enerjisi orta və ağır nüvələr üçün azalır, A > 100 olduqda bu kəmiyyət praktiki olaraq sabitdir. A=90, A=100 və A=200 olan hallarda da nisbi maksimumlar müşahidə olunur. Görünür ki, sonuncu qanunauyğunluq bu elementlərin nüvələrini xarakterizə edən ′′sehrli′′ rəqəmlərlə bağlıdır. Radioaktiv uran nüvəsinin xüsusi əlaqə enerjisi 7,5 MeV/nuklondur. Sb – ayrılma enerjisi Bu enerji nüvə parçalanması zamanı nüvələrin sabitliyi- ni xarakterizə edir. Bu kəmiyyət Z və N-nin qiymətindən dövri olaraq asılıdır. Bu nüvənin iki hissəyə bölünməsinə kifayət edən ən az enerjidir. Bu hissələrdən biri ayrılan b hissəciyidir Sb = [Mq + My.n. – M(Z, N)]·c2, Burada Mq – qəlpənin kütləsi, My.n – yeni nüvənin kütləsidir. Nüvənin keyfiyyət və energetik xarakteristikalarının təyinindən sonra, onların quruluş xarakteristikalarını aydınlaşdır- maq lazımdır. Kimyəvi elementlərin xassələrin öyrənməklə nüvədə nuklonların necə yerləşməsi məsələsi aydınlaşdırıldı. 1933-cü ildə Eugen Pol Vaqner kvant mexanikasına ri- yaziyyatı tətbiq etməklə nüvənin energetik səviyyələrindən söhbət açdı. O sübut etdi ki, nuklonların arasında məsafə çox olduqda qarşılıqlı əlaqə qüvvələri həddindən az olur, məsafə azaldıqca isə bu qüvvələr hədsiz çoxalır. Vaqner proton və ney- tronların xüsusilə dayanıqlı olan nüvələrin quruluşuna müvafiq olan ′′sehrli′′ sayını empirik olaraq təyin etmişdir. Bu tədqiqatlar nüvənin quruluşunun izah edilməsi cəhdlərində böyük təkan oldu, çünki müəyyən miqdarda proton və neytrona malik olan nüvələr xüsusi dayanıqlığa malikdir. Atomların xassələrinin dövri dəyişməsini nüvələrin dövri təkrar olunan quruluşları ilə izah edirlər, yəni atomların yalnız keyfiyyət xarakteristikası yox, həm də kəmiyyət xarakteristikası onların fərdiliyini müəyyən edir. Ancaq dövri sistemin növbəti modelində bu fikir özünü doğrultmadı. 1936-cı ildə Nils Bor nüvənin quruluşsuz modelini təklif etdi. Bunu təsadüf kimi qəbul etmək olmaz, çünki özünün təklif etdiyi tamamlamaq prinsipinə görə Bor proseslərin mikroaləmində gedən hadisələrin vizual şərhini rədd edir. N.Bor nüvəni proton-neytron mayesinin rəqs edən dam-cısı kimi qəbul edir. Borun suyun səthi gərilməsi barədəki diplom işi onu nüvəni su damcısı ilə müqayisə etməyə sövq etmişdi. Borun təklif etdiyi hidrodinamik və ya damcı modelinə əsasən nüvədə nuklonlar nüvə qüvvələri ilə saxlanır. Hər bir nuklon yalnız qonşu hissəciklə əlaqəyə girir. Səthdəki nuklonlar nüvəyə tərəf dartınaraq səthi gərilmə yaradır. Nüvənin səthi öz rəqsləri ucbatından formasını dəyişir ki, bu da öz növbəsində nüvənin bölünməsinə gətirib çıxarır. Bu model bir çox təcrübi dəlilləri, məsələn, nüvənin həyəcanlanmış vəziyyət spektrini izah edə bilmir. Kimyəvi elementlərin dövri sistemi atomun quru- luşunun açılmasında təbiətin dahiyanə təlqini olduğu kimi, em- pirik olaraq tapılmış ′′sehrli′′ rəqəmlər 1948-ci ildə Geppert- Mayerə və Yensenə nüvənin qılaflı modelini təklif etməyə yar- dımçı oldu. Bu işə görə onlar Viqnerlə birgə 1963-cü ildə No- bel mükafatına layiq görüldülər. Eynşteyn təbiətin dörd əsas qarşılıqlı təsirini birləşdirməyi vacib sayırdı. Tarixdə artıq belə hadisə məlum idi. Bir vaxtlar Maksvellin apardığı işlər elektrik və maqnit qüvvələrini elektromaqnit qarşılıqlı təsiri kimi birləşdirməyə im- kan vermişdi. Lakin Eynşteyn məlum qarşılıqlı təsirləri təbiətin əsas qanunu – nisbilik nəzəriyyəsi əsasında birləşdirmək istəyirdi. O, ömrünün axırına kimi bu problemlə məşğul oldu və ölərkən bu istiqamətdə işlərin davam etdirilməsini öz məşhur vəsiyyətnaməsində xahiş etdi. Eynşteyn ilk nəticələrin alınmasına qədər yaşaya bilmədi. 60-cı illərin sonunda (XX əsr) Vaynsberq, Qleşou və Salam elektromaqnit və zəif qarşılıqlı təsirləri birləşdirərək nəzəriyyədə elektrozəif qarşılıqlı təsir yaratdılar. Hazırda böyük birləşmə nəzəriyyəsi mövcuddur ki, burada elektrozəif qarşılıqlı təsirə güclü qarşılıqlı təsir də əlavə edilmişdir. Cazibənin tədqiqi üzrə aparılan işlər isə bütün dörd əsas qarşılıqlı təsirin birləşdirilməsi üçün zəmanət verdilər. Hal-hazırda ′′maddə və qüvvə yoxdur, yalnız müəyyən şəkildə yığılmış on bir ölçülü vaxt mövcuddur′′ deyən və Eynşteynə layiq olan bir mülahizə yaranmışdır. Hər bir obyektin xarakteristikası onun keyfiyyət və kəmiyyət göstəricilərindən asılıdır. Buna görə də atom və nüvənin nədən ibarət olduğunu bilmək azdır. Onların quruluşunu da başa düşmək lazımdır. Atomun quruluşu ilə kvant mexani- kası, nüvənin quruluşu ilə sahə nəzəriyyəsi məşğul olur. Kvant mexanikasına görə kimyəvi elementlərin xassələrinin dövri olaraq dəyişməsi atomun elektron qılafının quruluşu və nüvənin yükü ilə bağlıdır. Onun təklif etdiyi kvant-mexaniki formula görə kimyəvi elementlərin dövri asılılığında nüvənin quruluşu nəzərə alınmır. Lakin sonralar müəyyən olundu ki, atomun quruluşunu nüvənin nəinki yükü, həm də quruluşu təyin edir. Sahə nəzəriyyəsinə əsasən kimyəvi elementlərin dövri qanununun dördüncü tərifi belə səslənir –sadə elmentlərin və onların birləşmələrinin xassələri nüvənin dövri təkrarlanan quruluşun- dan dövri olaraq asılıdır və nüvənin sahə qüvvəsi ilə təyin ol- unur. Nüvənin qılaf modeli artıq mövcud olan materialı sistemləşdirməyə yardım edir və nüvənin bəzi həyəcanlanmış vəziyyətlərinin enerjisini qabaqcadan xəbər verməyə imkan yaradır. Lakin təcrübi tədqiqatların göstərdiyi kimi nəzəriyyə və təcrübə arasında ciddi uyğunsuzluq mövcuddur, məsələn, bəzi nüvələrdə elektrik yükünün paylanması sferik deyil. Çarlz X. Taunson 1949-cu ildə öz məruzəsində bu uyğunsuzluğu qeyd etdi. Bu məsələ barəsində fikirləşən Reynuoter O.Bora öz mülahizəsini belə şərh edir: nüvənin tam dolmamış yuxarı qılafları mərkəzdənqaçma qüvvələrinin təsirindən ellipsoidə de- formasiya edir. 1950-ci ildə o bu barədə mətbuatda çıxış etdi. Sonralar bu mülahizə əsasında 1952-ci ildə O.Bor və Mottelson tərəfindən atom nüvəsinin kollektiv modeli təklif olundu. Bu nəzəriyyə atom nüvələrinin damcı və qılaf modellərini ümumiləşdirir. Müəlliflərin fikrincə nuklonların sahə qüvvəsi nüvəyə damcı şəkli verir. Tam dolmuş nüvə qılafları simmetrik olub nüvənin dayanıqlı özəyini yaradırlar. Mərkəzdənqaçma qüvvələrinin təsirindən yalnız nuklonla qismən dolmuş xarici qılaflar deformasiyaya uğrayar. Bu da öz növbəsində nüvənin ölçülərinin dəyişməsinə gətirib çıxarar. Bu zaman yaranan rəqslər nüvə səthində dalğa və fırlanmalar yaranmasına səbəb olur. Qılaflı modeldən fərqli olaraq nüvə quruluşunun yeni tərifində nuklonların bir-biri ilə qarşılıqlı təsiri nəzərə alınır. Müəlliflər öz mülahizələrini təcrübi olaraq faktiki materiallar əsasında yoxladılar. Onların təklif etdiyi sintetik model deformasiya olunmuş nüvələrin xassələrini qabaqcadan xəbər verməyə imkan yaradır. 1975-ci ildə yaratdıqları kollektiv modelə görə Reynuoter, Bor və Mottelson Nobel mükafatı aldılar. Zaman göstərdi ki, nüvənin quruluşu haqqındakı təsəvvürlərin gələcək inkişafı üçün onların nüvədə maddələrin yüksək keçiricilik xassəsinə səbəb olan nuklon cütlərinin yaranması barəsindəki mülahizələri ən perspektiv ideya oldu. Əgər belə cütlər həqiqətən yaranırsa, deməli nuklonlar arasında qarşılıqlı əlaqənin olması sübut edilir. Hər hansı bir qarşılıqlı əlaqə isə öz növbəsində kütlə dəyişmələrinə ekvivalent olan energetik dəyişmələrlə xarakterizə olunur. Beləliklə də nuk- lonların elementarlığı məsələsi ortaya çıxır. Nuklonların quruluşu kimyəvi sistemləşmənin əsasıdır? Əgər bütün hissəciklərin ayrılmasında əsas kimi Eyn- şteynin başlıca formulunu götürsək E=mc2, onda bütün hissəcikləri fermion və bozonlara ayırmaq olar: Fermionlar – maddəni əmələ gətirən yarımbütöv spinli hissəciklərdir və Ferminin şərəfinə belə adlandırılmışlar. Onlara barionlar, leptonlar və antihis-səciklər aiddir. Fermionların xarakterik cəhəti onların Pauli prinsipinə tabe olmalarıdır – hər bir kvant vəziyyətində bir hissəcikdən çox yerləşə bilməz. Bozonlar – qarşılıqlı təsir daşıyıcılarıdır, Bozenin şərəfinə belə adlandırılmışlar. Onlar bütöv spinli hissəciklərdir. Mikroobyektlər üçün ən zəif qüvvədir. Cazibə qüvvəsinin daşıyıcısı, yəni cazibə sahəsinin kvantı qraviton hesab olunur. Amerika kosmik tədqiqatlar mərkəzinin (NASA) zondlaş- dırma dəlillərinə əsasən alimlər belə nəticəyə gəldilər ki, Kainatın tərkibinin 73%-ni anticazibə (antiqravitasiya) qüvvəsi, yəni qara (tünd) enerji təşkil edir. Çox maraqlıdır ki, Kainatın tərkibinin 4%-i adi maddə, 23%-i isə naməlum qara materiyadır. Qara enerji hazırda Kainatın genişlənməsinə səbəb olur. Əvvəllər Kainatın mövcudluğunda əsas rol cazibə qüvvələrinə verilirdi. 1917-ci ildə Eynşteyn öz hesablamalarında kosmoloji sabitdən də istifadə etmişdi. Ona görə də bu sabitin yerinə antiqravitasiyanı əlavə etmək olar. Elektromaqnit qarşılıqlı təsiri – yüklü hissəciklərin istənilən radiuslu qarşılıqlı təsirini xarakterizə edir. Atomların nüvələrinin elektron qılafları ilə qarşılıqlı təsirini göstərir. Elektromaqnit qarşılıqlı təsir qüvvələri sonsuz böyük məsafələrdə təsir edir və daşıyıcısı fotonlardır. Atom və molekulların əmələ gəlməsi və dağılması baş verməklə kimyəvi reaksiyaların getməsinə səbəb olur. Güclü qarşılıqlı təsir – adronların qarşılıqlı təsirini xarakterizə edir. Güclü qarşılıqlı təsirin kvantı sakit vəziyyətdə kütlə yükü sıfra bərabər olan qlüonlardır. Nüvədəki güclü qarşılıqlı təsir nüvə qüvvələri adlanır. Yukava tərəfindən kəşf olunmuş güclü qar- şılıqlı təsir atom nüvəsində nuklonları birləşdirir və 10-13 sm məsafədə təsir göstərir. Nüvədən nuklonu qoparmaq üçün çox böyük enerji lazımdır. Nüvənin yükü artdıqca elektromaqnit təsiri də artır ki, bu da eyniadlı yüklü hissəciklərin bir-birini itələməsinə gətirir. Nüvənin yükü Z yüksək olduqca güclü qüvvələr zəif qüvvələrlə birlikdə nüvənin stabilliyini pozur, məlum elementlərin sayını məhdudlaşdırır və Z ≥ 84 olan zaman elementlərin təbii radioaktivliyinə səbəb olur. Zəif qarşılıqlı təsir – elementar hissəciklərin iştirakı ilə gedən prosesləri xarakterizə edir. Zəif qarşılıqlı təsir yeganə dağıdıcı qüvvədir. Fermi tərəfindən kəşf olunmuşdur. Onun təsir radiusu çox kiçikdir: 2·10-16 sm, həm də uzun müddət davam edir, məsələn n = p + e ~ e + ν e ~ p + →ν n + e+ Reaksiyaları 1000 san ərzində gedir. Zəif qarşılıqlı təsir çox kiçik məsafələrdə özünü göstərir, virtual neytronu protona və əksinə çevirir. Nüvənin kütləsi çox böyük olduqda və yüklər fərqi birdən böyük olmadıqda virtual çevrilmə real çevrilməyə keçir. Nüvə ya elektron (β-parçalanma), ya da pozitron atır və bu zaman işarə müvafiq olaraq (Z+1) yaxud (Z-1) dəyişir. Pozitron 1932-ci ildə Anderson tərəfindən kəşf edilmişdir. Kvarklar və leptonlar arasındakı zəif qüvvələri vektor bozonları W daşıyır. Vektor bozonu – zəif qarşılıqlı təsirdə olan hissəciklər sahəsinin kvantıdır. Bu hissəciyin protondan 1000 dəfə ağır olması onu işıq sürəti ilə hərəkət edən və dayanıqlıq kütləsi olmayan foton və qravitondan fərqləndirir. Müasir fizikanın hesab etdiyi kimi virtual hissəciklər ′′kütlə səthində yerləşmir′′ və istənilən kütləyə malik ola bilər. Vektor bozonu yaranarkən külli miqdarda enerji ayrılmalıdır, lakin bu hadisə baş vermir, çünki yaranma virtual olur. Vektor bozonu kvazihissəcikdir, belə ki, onun sahə enerjisi dalğa (hissəcik) yaratmaq üçün kifayət deyil. Ancaq bu enerji real elektron və neytron parçalanması zamanı alınan elektron neytri- nosu yaratmağa kifayət edir. e ~ n 2d −1/ 3 ,u −1/ 3 + W = p d −1/ 3 ,2u −1/ 3 + e + ν Hissəcikləri iştirak etdikləri qarşılıqlı təsirə əsasən təsnifata ayırsaq, onları adronlara və leptonlara bölmək olar. Güclü qarşılıqlı təsirdə iştirak edən hissəciklər adronlar adlanır. Onlar barionlara, yarımbütöv spinlərə (proton və ney- tron) və bütöv spinli mezonlara ayrılırlar. 1/2 spini ilə güclü qarşılıqlı təsirdə iştirak etməyən hissəcikər leptonlar adlanır. Onlar adronlardan fərqli olaraq nöqtəvari obyektlərdir və 10-16 sm məsafəyə qədər daxili quruluşa malik deyillər. Ona görə də hazırkı dövrdə onları elementar hissəcik hesab etmək olar. Leptonlar neytral və yüklü leptonlara bölünürlər. • neytral leptonlar (elektron neytrinosu νe, myuon ney- trinosu νμ və ağır lepton neytrinosu ντ) və spinə görə onlara müvafiq olan antihissəciklər e ~ν μ ~ ν τ ~ν ; neytrino yaxud antiney- trino əmələ gəlməsi onların hansı leptondan yaranmasından asılıdır. • yüklü leptonlar (elektron e, myuon μ− və ağır lepton τ − ) və onlara yükcə müvafiq olan antihissəciklər e+ , μ+ ,τ +. 1960-cı ildə α-hissəciklərin atom nüvələri ilə səpələnməsi kimi elektronların protonlarda səpələnməsi apa- rılmış, nüvənin özəyi aşkar edilmiş, onun quruluşu haqqında sual ortaya çıxmışdı. Təcrübi nəticələri izah etmək üçün Gell-Man və Sveyq 1963-cü ildə fantastik kvark və qlüonlar nəzəriyyəsini irəli sürdülər. Yalnız son vaxtlarda bu nəzəriyyə öz praktiki təsdiqini tapdı və müəlliflər Nobel mükafatı aldılar.