Միջուկ (ատոմ)

Միջուկ, ատոմի կենտրոնական մասը, որն ունի շատ փոքր գծային չափեր (10−13-10−12 սմ) և դրական էլեկտրական լիցք։ Միջուկում է կենտրոնացած ատոմի համարյա ամբողջ զանգվածը։

Պատմություն  
Միջուկի գոյությունը հայտնաբերել է Է․ Ռեզերֆորդը (1911)։ Նկատելով, որ նյութի միջով անցնելիս a-մասնիկները հաճախ ցրվում են սպասվածից ավելի մեծ անկյունով, նա ենթադրել է, որ ատոմի դրական լիցքը կենտրոնացած է փոքր չափեր ունեցող միջուկում։ Մինչ այդ իշխողը Ջ․ Թոմսոնի այն պատկերացումն էր, թե դրական լիցքը հավասարաչափ բաշխված է ատոմի ամբողջ ծավալում։ Ռեզերֆորդի գաղափարի ճանաչման գործում նշանակալի դեր են կատարել Ն․ Բորի պոստուլատները(1913)։ Միջուկի տեսության զարգացման համար էական նշանակություն են ունեցել Հ․ Մոզլիի, Զ․ Չեդվիկի, Դ․ Դ․ Իվանենկոյի, Վ. Հայգենբերգի և այլոց աշխատանքները։

Կազմություն 
Ժամանակակից միջուկային ֆիզիկայի պատկերացումների համաձայն, միջուկը բաղկացած է նուկլոններից՝ պրոտոններից և նեյտրոններից։ Պրոտոնների թիվը (Z) որոշում է տվյալ քիմիական տարրի կարգաթիվը կամ ատոմական համարը և հավասար է չեզոք ատոմի էլեկտրոնների թվին։ Նեյտրոնների թիվը՝ N=A—Z, որտեղ A-ն միջուկի զանգվածն է՝ արտահայտված զանգվածի ատոմական միավորներով։ Նուկլոնները միմյանց հետ կապված են միջուկային ուժերով և կազմում են չափազանց խիտ միջուկային մատերիա։ Միջուկները նշանակվում են համապատասխան քիմիական տարրի սիմվոլով (X),որին որպես ինդեքս կցվում են A, Z, N թվերը՝ "ХА կամ կարճ՝ Х։ Օրինակ՝ թթվածնի միջուկը նշանակվում է O16 ։ Թեթևագույն միջուկներից մի քանիսն ունեն իրենց հատուկ նշանակումը և անվանումը․ այսպես, H, He միջուկները համապատասխանաբար նշանակվում են p, d, t, a տառերով և կոչվում պրոտոն, դեյտրոն, տրիտոն և ալֆա մասնիկ։ Բնության մեջ տարածված ամենաթեթե միջուկը ջրածնինն է (H), ամենածանրը՝ ուրանինը (Ս)։ Ներկայումս արհեստական եղանակով ստացվել են ուրանից ավելի ծանր՝ տրանսուրանային տարրերի միջուկներ(մինչև Z= 106 կարգաթվով)։ Հնարավոր է նաև Z= 114 և ավելի մեծ կարգաթվով միջուկների գոյությունը, քանի որ տեսական որոշ կանխագուշակումների համաձայն այդպիսի միջուկները պետք է լինեն բավական կայուն և արագորեն չտրոհվեն, ինչպես տրանսուրանային տարրերի մեծ մասը։

Հատկություններ 
Միևնույն կարգաթիվ ունեցող, բայց զանգվածի թվով (հետևաբար և նեյտրոնների թվով) տարբերվող միջուկները կազմում են միևնույն քիմիական տարրի իզոտոպները։ Օրինակ` թթվածինն ունի մի քանի իզոտոպներ՝ 16O, 170, 18O են։ Հայտնի են տարբեր տարրերի 1200-ից ավելի իզոտոպներ, որոնց մեծ մասն ստացվում արագացուցիչներում և միջուկային ռեակտորներում ընթացող զանազան միջուկային ռեակցիաների ժամանակ։ Միևնույն A, բայց տարբեր Z և N ունեցող միջուկները կոչվում են իզոբար միջուկներ կամ իզոբարներ (օրինակ, *gC, ^N,t^Օ), իսկ միևնույն N, բայց տարբեր A և Z ունեցողները՝ իզոտոններ (օրինակ, He, Li,Be)։ Հազվադեպ հանդիպում են այնպիսի միջուկներ, որոնց Z-ը, N-ը և A-ն նույնն են, սակայն կիսատրոհման պարբերությունները՝ տարբեր, դրանք կոչվում են իզոմերներ (տես Իզոմերիա միջուկային)։ Միջուկի պրոտոնների միջև, բացի միջուկային ուժերից (ուժեղ փոխազդեցություն), գործում են նաև էլեկտրական (կուլոնյան)վանողական ուժեր, որոնք ձգտում են տրոհել միջուկը։ Միջուկի կայունությունը բնութագրվում է կապի էներգիայով կամ մեկ նուկլոնին բաժին ընկնող կապի տեսակարար էներգիայով։ Վերջինս միջին տարրերի դեպքում մոտավորապես հավասար է 8 ՄԷվ-ի և փոքրանում է ամենաթեթև ու ամենածանր միջուկների համար, այն, ընդհանուր առմամբ, տարբեր է նաև միևնույն միջուկի նեյտրոնների և պրոտոնների համար։ Առավել կայուն են այն միջուկները, որոնք պարունակում են զույգ թվով պրոտոններ և զույգ թվով նեյտրոններ։ Համեմատաբար պակաս կայունություն են ցուցաբերում զույգ-կենտ և կենտ-զույգ միջուկները, իսկ ամենակայունը կենտ-կենտ միջուկներն են։ Այն միջուկները, որոնք պարունակում են 2, 8, 20, 50, 82 և 126 պրոտոն կամ նեյտրոն, ցուցաբերում են առանձնահատուկ կայունություն։ Այդ թվերը և համապատասխան միջուկները կոչվում են «մոգական»։ Կայուն միջուկներն ունեն նեյտրոնների և պրոտոնների թվերի որոշակի հարաբերություն՝ N/Z․ թեթև տարրերի համար N/Z^l կամ որ նույնն Է՝ A/2^2։ A-ի մեծացման հետ N/Z հարաբերությունն աճում է և ամենածանր միջուկների համար դառնում ~1,6։ Տվյալ տարրի այն իզոտոպները, որոնք ունեն կայունության պայմանից ավել կամ պակաս թվով նեյտրոններ, անկայուն են և ռադիոակտիվ տրոհման (բետա-տրոհում, ալֆա-տրոհում) հետևանքով որոշակի ժամանակամիջոցից՝ կիսատրոհման պարբերությունից հետո ի վերջո ինքնակամ վերածվում են կայուն միջուկների։ Ծանր միջուկները (Z>84) տրոհվում են նաև ճեղքման հետևանքով (տես Միջուկի ճեղքում)։ Երբ միջուկները բախվում են տարրական մասնիկների կամ այլ միջուկների հետ, առաջանում են գրգռված կամ բաղադրյալ միջուկներ, որոնք անորշությունների առնչությամբ որոշվող ժամանակահատվածներից հետո տրոհվում են գամմա-ճառագայթմամբ կամ այլ ճանապարհով։ Բացի վերոհիշյալ մեծություններից, միջուկի վիճակը նկարագրվում է նաև որոշակի բնութագրական մեծություններով կամ քվանտային թվերով։ Դրանցից է միջուկի սեփական մեխանիկական մոմենտը՝ սպինը(I), որը հավասար է միջուկը կազմող նուկլոնների ուղեծրային անկյունային մոմենտների և սպիների երկրաչափական գումարին։ Կենտ A-ով չգրգռված միջուկների սպինը կենտ է (միավորը Պլանկի հաստատունի կեսն է՝ l/2)։ Միջուկի կարևոր բնութագրերից է մագնիսական մոմենտը (տես Միջուկային մոմենտներ), որը չափվում է միջուկային մագնետոններով և համեմատական է միջուկի սպինին։ Մագնիսական մոմենտը պայմանավորված է միջուկում պրոտոնների շարժումով, պրոտոնների և նեյտրոնների սեփական մագնիսական մոմենտներով։ Որոշ միջուկներ ունեն քվադրուպոլ Էլեկտրական մոմենտ (Q)․ որը ցույց է տալիս, թե էլեկտրական լիցքի բաշխումը տվյալ միջուկում որքանով է տարբերվում գնդային սիմետրիայից։ Զույգ-զույգ միջուկների I=n=Q=0։ Միջուկների կարևոր քվանտային թվերից են նաև իզոտոպ սպինը, որը հավասար է բաղադրյալ նուկլոնների իզոտոպ սպիների վեկտորական գումարին, զույգությունը են։ Միջուկների չափերը, ինչպես նաև դրանցում էլեկտրական լիցքի և մագնիսական մոմենտի բաշխումը՝ ֆորմ ֆակտորները, փորձնականորեն ամենից լավ որոշվում են միջուկներից բարձր էներգիայի էլեկտրոնների առաձգական ցրման ժամանակ։ Արդի միջուկային ֆիզիկայում միջուկների հատկությունների նկարագրման համար օգտագործվում են տարբեր միջուկային մոդելներ, որոնցից ամենատարածվածը կաթիլային, թաղանթային և ընդհանրացված մոդելներն են։ Կաթիլային մոդելի օգնությամբ Ն․Բորը և Ցա․ Ֆրենկելը բացատրել են միջուկների ճեղքման և միջուկային որոշ ռեակցիաների մեխանիզմը։ Թաղանթային մոդելը հաջողությամբ մեկնաբանում է միջուկների էներգետիկ մակարդակները և ճշգրիտ բացատրում «մոգական» միջուկների կայունությունը, այնպես ինչպես իներտ գազերի քիմիական իներտությունը բացատրվում է լրացված էլեկտրոնային թաղանթներով։ Ընդհանրացված մոդելը ոչ միայն ընդհանրացնում է կաթիլային և թաղանթային մոդելների հիմնական հատկությունները, այլև թույլ է տալիս կատարել նոր կանխագուշակումներ։ Բարձր էներգիաների ֆիզիկայում տարրական մասնիկների և միջուկների փոխազդեցության նկարագրության համար երբեմն օգտվում են միջուկի օպտիկական մոդելից, որը միջուկը դիտարկում է իբրև որոշակի բեկման ցուցիչ և կլանման գործակից ունեցող մի համասեռ գունդ։ Միջուկային բոլոր մոդելներն էլ մոտավոր բնույթ ունեն և աշխատանքային վարկածների դեր են կատարում։ Մինչդեռ միջուկների առավել կարևոր հատկությունների հետևողական բացատրությունը, հիմնված ֆիզիկական ընդհանուր սկզբունքների և նուկլոնների փոխազդեցության վերաբերյալ հայտնի տվյալների վրա, մնում է արդի ֆիզիկայի չլուծված հիմնական պրոբլեմներից մեկը։

Միջուկային ֆիզիկա
Միջուկային քիմիա
Տարրական մասնիկներ
Ռադիոքիմիա