Atomun nüvəsi

Bu məqalə Atom nüvəsi səhifəsinə çox yaxındır və hər ikisinin eyni başlıq altında birləşdirilməsi mümkündür.

Atom nüvəsi atomun mərkəzində yerləşən, proton və neytronlardan ibarət kiçik ve sıx bir bölgədir. Atom nüvəsi1911-ci ildə Ernest Rezerford tərəfindən kəşfedildi. Bu kəşf, 1909-cu ildə həyata keçirilən Geiger-Marsden qızıl lövhə təcrübəsinə istinad edir. Neytron’un 1932-ci ildə kəşfindən sonra, nüvənin proton və neytronlardan ibarət olduğu modeli Dmitri Ivanenko və Werner Heisenberg tərəfindən sürətlə inkişaf etdirildi. Atomun kütləsinin demək olarki bütünü nüvə içərisindədir, elektron buludunun atom kütləsinə qatqısı olduqca azdır. Proton ve neytronlar nüvə qüvvəsi tərəfindən nüvəni əmələ gətirmək ücun birbirlerinə bağlanmışdır.

Atom nüvəsinin diametri 1.75 fm 1.75 fm-den (1.75×10⁻¹⁵ m) 15 fm’yə qədər çatir. Hidrogen atomunnüvəsinin diametri (tek bir protonun diametri) üçün 1.75 fm(1.75 × 10^-15m)’dir Daha ağır atomlarda, misal üçün uraniumda, nüvənin diametri 15 fm’ye qədər cata bilir. Bu ölçülər atomun öz diametrindən (nüvə + elektron buludu) çox daha kiçikdir.

Atom nüvəsinin quruluşu və nüvəni bir arada tutan qüvvələr üzerində araşdırmalar apararan fizikanın bölməsinə nüvə fizikası adlanır.

Giriş

Tarix

Nüvə 1911-ci ildə Ernest Rutherford’un Thomson’a aid üzümlü kek atom modeli üzerindəki tecrübələrinin səyləri nəticəsində tapılmışdır. Elektron daha öncələr J.J Thomson’un şəxsən özü tərəfindən keşfedilmişdir. Atomların elktroneytral olması məlumatından yola çıxaraq Thomson müsbət yüklərin də olması lazım gədiyini öne sürdü. Onun üzümlü kek atom modelində iddia etdiyi şey atom içərisindəki mənfi elektronların müsbət yüklü kürə içərisində təsadüfi şəkildə paylanmış olmasıdır. Daha sonra Ernest Rutherford bir təcrübə tərtib etdi və onun yönləndirməsiylə Hans Geiger və Ernest Marsden tərəfindən bu təcrübə həyata keçirildi. Bu təcrübə, metal folqanın incə lövhəsinə göndərilən alfa hissəciklərinin meyl etməsi ilə bağlıdır. Əgər Thomson’un atom modeli doğrudusa, müsbət yüklü alfa hissəciklərinin izlediyi yolda çox kiçik bir meyl etmə ilə metal lövhədən keçmələri gerekdiyini düşündü. Çünki, Thomson’un atom modelində qarışıq kimi düşünülən müsbət vemənfi yükler lövhənin neytral kimi görünməsini təchiz edər və lövhənin alfa hissəciklərinə elektroneytral olaraq təsir etməsini gözleyirdi. Rutherford üçün sürpriz bir şəkildə, hissəciklərin çoxu böyük bucaqlarla meyl etmisdir. Böyük ve sürətli hərəkət edən alfa hissəciklərinin meyl etməsi səbəbi ilə çox güclü bir qüvvənin olması lazım olduğunu aşkar etdi çünki alfa hissəciyinin kütləsi bir elektrondan təqribən 8000 kat daha böyükdür. Rutherford, üzümlü kek atom modelinin doğru olmayacağını və alfa hissəciklərinin meyl etməsinin ancaq müsbət və mənfi yüklerin birbirindən ayrı olduğunda gərçəkləşəbiləcəyinin fərqinə vardı. Atomun kütləsinin müsbət yüklü bir nöqtədə toplandiğıni gördü. Bu da müsbət yük və kütlənin intensiv bir merkezde olduğu nüvə atomu düşüncəsini doğruladı.

Kəlməsinin kökü

Nucleus (nüvə) sözcüyü Latınca kiçik cəviz anlamına gələn nucleus’dən götürülmüşdür. Maykl Faraday bu terimini 1844-cü ildə, atomun mərkəzini ifadə etmək üçün istifadə etmişdir. Müasir atom üçün anlamı 1912-ci ildə Ernest Rutherford tərəfindən irəli sürülmüşdür. Amma atom termini üçün "nucleus" terminini mənimsəmə asan olmadı. Misal üçün Gilbert N. Lewis 1916-cı ildə yayımladığı məşhur "Atom ve Molekul" məqaləsində "Atom özək (nüvə) və xarici qabiq qatindan ibarətdir " cümləsiylə atomu ifadə etmişdir.

Nüvənin quruluşu

Atom nüvəsi proton və neytronlardan ibarətdir. Proton və neytronlar kvark adlanan təməl hissəciklərin bir təzahürüdür. Proton və neytronlar, barion adı verilən hadronların qərarlı birləşimlərindəki güclü nüvə qüvvələri ile bir arada tutulur. Güclü nüvə qüvvələri hər bir barion tərəfındən yetərincə uzağa qədər uzanır beləliklə müsbət yüklü protonlar arasındakı itələmə elektrik qüvvəsinə baxmayaraq protonlar və neytronlar birbirine bağlanır. Güclü nüvə qüvvələri çox qısa məsafəli təsirə sahibdir nüvənin xaricində təsiri 0’a düşür. müsbət yüklü nüvənin toplu təsiri ilə elektronegativ olan elektronlar nüvə ətrafındakı yörüngələrdə tutulmaqdadır. nevə ətrafındaki yörüngelerdə hərəkət edən mənfi yüklü elektronlar topluluğu bəlli konfigrasiya üçün bənzərlik göstərir. Bu topluluq toplam elektron sayına bərabərdir və bunlar öz yörüngələrində qərarlıdır(stasionardir).Kimyəvi elementlər atomları təmsil edir və bir atom, nüvəsindəki proton sayı ile təyin olunur. Neytral bir atomda, nüvədəki proton sayına bərabər miqdarda elektron vardır. Kimyəvi elementlər öz elektronlarını paylaşaraq birleşmə metodu ilə daha qərarlı elektron düzülümünə sahib olabilirlər. Elektron paylaşımı ilə nüvənin etrafında qərarlı elektronik yörüngələr yaratmanın təsiri öz makro dünyamızın kimyasında görebilirik.

Protonlar, nüvənin bütün yükünü göstərir, beləliklə öz kimyasal şəxsiyyətini tanımlayır. Neytronlar elektrik baxımından neytraldir lakin nüvənin kütləsinə demək olarkiprotonlar ilə eyni dərəcədə rol oynayırlar. Neytronlar izotop faktini açıqlmaga kömək edir.İzotop eyni kimyəvli elementin müxtəlifliyidir. Bu kimyəvi elementler yalnızca atom kütləsi baxımından fərqlilik göstərməkdədir. Kimyəvi təsirləri baxımından aralarında fərq yoxdur.

Proton və neytronlar

Protonlar və neytronlar birbirindən fərqli bərabər spin kvant nömrələrinə sahib fermiyonlardır. Buna görə iki proton və iki neytron eynı fəza dalğa funksiyasini paylaşabilir çünki iki proton və iki neytron eyni kvant xüsusiyyətinə sahib deyildir. Bunlar bəzən eyni hissəcik olan nükleonun fərqli kvant nömrələri olaraq görülməkdədir. İki fermion (İki proton ya da iki neytron ya da bir proton + bir neytron kimi) cütü olaraq birbirinə bağlı olduğunda bozon kimi davranabilməkdədir.

Hiper nüvənin nadir vəziyyətlərdə, bir ya da daha artıq kuark ya da qeyri adi quark daxil olan və hyperon adı verilən üçüncü barion da dalga funksiyasını paylaşabilir. Amma bu tip nüvə son dərəcə dayanıqsızdır və Dünya üzərinde rast gəlinmir yalnızca fizikanın yüksək enerjiylə əlaqəli təcrübələrində müşahidə edilə bilinir.

Neytron müsbət yüklü nüvənin yarısına (0.3fm) və bu müsbət yükün bərabərləşdiyi onun ətrafında orbitallar üzrə hərəkət edən mənfi yükün yarısına (0.3 fm ilə 2 fm)’yə sahibdir. Proton təqribən müsbət yük paylaşımına sahibdir.

Qüvvələr

Atom nüvəsi güclü nüvə qüvvələri tərəfındən bir arada tutulur. Bu qalıcı güclü qüvvə kuarkları birbirinə bağlayaraq proton və neytronların əmələ gəlməsini təchiz edən güclü təsirin kiçik nəticəsidir. Bu qüvvə neytronlar ilə protonlar arasında daha zəifdir çünki öz içlərində neytral hala gətirilməkdədir. Eyni şəkildə neytral atomlar arasındakı elektromaqnit qüvvəsi (misal üçün iki ədəd stabil qaz atomu arasındaki Van der Waals Qüvvələri) atomun hissəciklərini içdən birlikdə tutan elektromaqnit qüvvəsinə göre olduqca zəifdir.(Məsələn hərəkətsiz bir gaz atomundaki elektronu öz nüvəsində tutan qüvvə)

Nüvə qüvvəsi, tipik nükleon boşluğu uzaqlığında son dərəcə çəkicidir və bu da protonlar arasındakı elektromaqnit qüvvəsi tərəfindən qaynaqlanan itələyici qüvvənin üstəsindən gəlir. Beləliklə nüvənin əmələ glməsini təchiz edir. Lakin bu güclü nüvə qüvvələri limitli bir təsir sahipdir və uzaqlıqla birlikdə tezbirzamanda zəyifləməkdədir. (Yukawa potensialında bunu görəbilərsiniz) Bundan ötrü yalnızca bəlli bir sahədən kiçik olan nüvələr tamamilə dayanıqlı halda qalabilirlər. Təmamilə dayanıqlı halda qalabilən en böyük nüvə (alfa, beta ve gamma pozulmalarına qarşı dayanıqlı) Qurğuşun-208’dir. Qurğuşun-208, 208 nüvə (126 neytron ve 82 proton) daxildir. Bu maksimum səviyyədən daha böyük nüvələr dayanıqsızdı və nükleotidin böyüklüyünün artmasına paralel olaraq daha qısa ömürlü olmaya yönəlimlidirlər. Amma bismut-209’da beta pozulmasına dək dayanıqlıdır və bilinən izotoplar içərisində ən uzun yarı ömürlü alfa pozulmasına sahibdir. Kainatın yaşından milyarlarla uzun olduğu təxmin edilir.

Güclü nüvə qüvvəsi çox qısa mesafələr üçün təsirlidir. (ümumiyyətlə yalnızca bir neçə femtometre(fm), təqribən bir ya da iki nükleotid diametrindədir). Güclü nüvə qüvvəsi hərhansı nukkleotid cütü arasında cazibənin yaranmasını təchiz edir. Məsələn, proton və neytronlar arasındakı bu cazibə, deyteriumu əmələ gətirir. Bundan əlavə bu cazibə protonların öz aralarında və neytronların üz aralarında da mövcutdur.

Halo Nüvəsi və Güclü Qüvvənin Təsir Sərhəddi

Güclü nüvə qüvvəsinin təsiri mütləq sərhəddi halo nüvəsi ile göstərilir. Misal üçün, lityum-11 ve bor-14 təxminən on fermis (təqribən uranium-238’in nüvəsinin yarıqatı olan 8 fermiye bənzər) uzaqlıqta yörüngədə dönürlər. Bu nüvələr təmamilə sıx deyildirlər. Halo nüvəsi nükleotidin grafikasının ən uc nöqtələrində əmələ gəlir – neytron sızma xəttı və proton sızma xəttı-. Bunlar qısa yarı-ömürləriylə birlikdə dayanıqsızdır. Ömürləri milisaniyə olaraq ölçülmüştür. Mİsal üçün lityum-11 8.8 milisaniyə yarı ömre sahibdir.

Təsir altındaki halogenlər enerji səviyələri doldurulmamış xarici kvant səthindəki nüvələrlə birlikdə həyəcanlanmiş halı təmsil edir. (həm yarıqati həm də enerji). Halo, neytronlardan da [NN,NNN] protonlardan da [PP,PPP] oləmələ gələ bilər. Tək bir neytron halosu daxil olan nüvə ¹¹və ¹⁹C i özündə birləşdirir.İki neytron halosu ⁶, ¹¹Li, ¹⁷B, ¹⁸B və ²²C ilə göstəriləbilir. İki neytron halo nüvəsi üç parçaya ayrılabilir, heç vaxt iki yerə ayrılmaz. Bu parçalara Borromean nüvə deyilir bu davranışından ötrü. (birbirinə bağlanmiş üç həlqənin olduğu bir sistem kimi düşünəbilər, tək bir həlqəni pozmaq, ayırmaq digər ikisini də sərbəst hala gətirir). ⁸B və ¹⁴Be nin ikisi də dört neytron halosunu təmsil etməkdədir. Proton halosu daxil olan nüvə ⁸B və ²⁶P dir. İki proton halosu ¹⁷Ne və ²⁷S dir . Daha çox protonun itələyici elektromaqnit qüvvətindən ötəri proton halolarının neytron halolarından daha nadir ve daha dayanıqsız olmaları təxmin edilir.

Nüvə Modelləri

Fizikanın standart modelinin, nüvənin davranışını və məlumatlarını təmamilə müəyyən etmək inanc geniş olsa da, teoridən təxhminlər irəli sürmək hissəcık fizikasının digər sahəsindən daha çətindir. Bunun iki səbəbi vardır :

Prinsipcə nüvə üçün edilmiş hesablamalar bütünlüklə kvant rəng dinamikasindan əldə edilmişdir. Amma praktikada, aşağı enerji sistemlərindəki kvant renk dinamikasını həll etmık üçün edilən keçərli hesablamalar və riyazi yaxılaşmalar son dərəcə limitlidir. Bunun səbəbi yüksək enerjili kvark maddəsi ilə aşağı enerjili hadron maddəsi arasında gərçəkləşən hal dəyişimidir. Bu da Perturbation teoremini istifadəyə yararsız hala gətirir. Bundan əlavə nükleotidlər arasındakı qüvvənin törədilmiş kvant rəng dinamikasi modelinin doğru bir şəkildə inşa edilməsini çətinləşdirir. Keçerli hesablamalar ya Argon v18 potansiyeli kimhagigətə uyğun modeller ilə ya da chiral təsirli sahə teoremleri ilə sərhədlənir .
•Nüvə qüvvəsi çox yaxşı bir şəkildə sərhədləndirilsə belə hesablama gücünün önəmli miqdarı nüvənin başlangıcdakı xüsusiyyətlərin doğru hesablanmasını gərəkdirir. Many-Body teoriyasındakı inkişaflar, çox aşağı kütlələr və nisbi dayaniqli nüvələrüçün bu hesablamaları mümkün edir.Lakin gelecəkdə, həm hesablama gücünə həm də riyazi yaxinlaşmalara dair inkişaflar özündən evvəllki ağır nüvələr və böyük ölçüdə dayanıqsız nüvələr üzərində aparilmış çalışmaların nəailliyyətlərinə bağlıdır.

Keçmişdən bu günə, Təcrübələr istər istəməz qüsurlu ibtidai modellerə görə müqayisə edilməkdədir. Bu modellerdən heçbiri nüvənin quruluşu üzerindəki təcrübi məlumatlari tamamiylə açiqlaya bilməz.

Nüvənin radiusu (yarıqatı) (R) herhansı bir modelini təxmin etmək məcburiyyətində olduğu ən təməl böyüklüklərdən biri olaraq göz önünə alınmaqdadır.Dayanıqlı nüvələr üçün (halo nüvələr ya da digər dayanıqsız nüvələr deyil) nüvə radiusu təxminən nüvənin kütlə vahidinin kvadrat kökü ilə düz mütənasibdir. Bu mütənasiblik xüsusi ilə çox sayda nuklon daşıyan nüvələr üçün önəmlidir çünki bunlar daha kürəsəl şəkilləndirməyə uyğun şəkildə sıralanmışdır.

Dayanıqlı bir nüvə təxmini olaraq sabit bir sıxlığa sahibdir və buna görə nüvənin radiusu (R) təxmini olaraq aşağıdakı düsturla ifadə edilir

R=r_{0}A^{1/3}\,

Burada A= Atom kütlə vahidi (nüvədəki proton və neytronun cəmi) ve r0 = 1.25 fm = 1,25 × 10^−15 m’dir. Bu bərabərlikfə sabit bir ədəd olan r0 0.2 fm’ye qədər deyişəbilir. Bu dəyərin deyişgənliyinin səbəbi nüvəyə dair yaranan suallardır. Lakin sabit əmsalın %20’indən daha az bir deyişiklikdən söhbət gedə bilər.

.

Başqa sözlə, proton ve neytronları nüvədə paketləmə əməliyyatı təxminən eyni toplam ölçüsünü verir. Sabit ölçüyə sahib sıx kürəvi bir paketi (misal üçün misket) dar bir kürəyə ya da təxmini olaraq kürəvi bir çantaya paketləmək kimi. (bəzı dayanıqlı nüvələr təmamilə kürəvi deyildir lakin kürəyə bənzər bir formaya sahib olduğu bilinir)

Maye damcı modeli

Nüvəyə dair inkişaf etdirilmiş ilk modellər nüvənin dönən maye damcısı kimi təsvir edildiyi modellərdir. Bu modeldə, uzun mesafəli elektromaqnit qüvvəsi ve qisa məsafəli nüvə qüvvəsi ilə birlikdə bəlli bir davranışa səbəb olduğu düşünülür. Bu davranış, dəyişik ölçülərdəki maye dənəciklərinin üzərindəki səthi gərilmə qüvvəsinə bənzərlik göstərir. Bu yaxınlaşma nüvəyə dair çoxlu vacib məlumatları uğurla açıqlaya bilir. Misal üçün nüvənin ölçüsü və hissəcikləri dəyişdiyi zaman toplam rabitə enerjisinin necə dəyişdiyini açöqlaya bilir.(yarı təcübi kütlə formuluna baxın) Lakin bu yaxınlaşma proton ya da neytronların çox olduğu nüvələrdə dayanıqlılıq vəziyyətini açıqlaya bilmir.

Bir çox nüvənin rabitə enerjisinin təxmini qiymətini tapmaq üçün istifadə edilın yarı təcrübi kütlə düsturu beş növ enerjinin cəmi olaraq bilinir.(aşağıda görəbilərsiniz) Sıxmaq mümkün olmayan bir maye damcısı kimi təsvir edilən aşağıdakı şəkillər nüvənin ravitə enerjisindəki əsadüf edilmş dəyişiklikləri açıqlaya bilmir.

Həcm Enerjisi: Eynı ölçüyə və birbirinə bənzər nüklonlar en kiçik bir həcmə tayalandiginda hər bir iç nuklonun bəlirli bir sayda nuklonla təması subeyktidir. Buna görı nüvə enerji həcimlə düz mütənasibdir.

Səth Enerjisi: Nüvənin səthindəki bir nüklon, nüvənin içindəki bir nuklondan daha az sayda nuklonla təsirə girir. Buna görədə nüvənin səthindəki nuklonun rabitəenerjisi daha aşağıdır. Səth enerjisi mənfidir və səthin sahəsi ilə düz mütənasibdir. Buna görəsəth enerjisi diqqətə alınmalıdır.

Coulomb Enerjisi: Nuvədəki hər bir cüt proton arasöndakö itələyici qüvvə öz rabitə enerjisinin azalmasına səbəb olur.

Asimetrik Enerji (Pauli Enerjisi’də deyilir) : Bu enerji Pauli prinsipi ile Əlaqəlidir. En dayanıqlı nüvə eyni sayda proton ve neytrona sahib olan olsaydı, bu Coulomb enerjisi üçün doğru olmazdı. Çünki proton və neytron sayının eyni olmaması tək növ bir hissəciyin ən yüksək enerji səviyələrini doldurması anlamına gelir. Digər növ hissəciklər isə ən aşağı enerji səviyyələrini tərk edərkən reallaşır.

Cütləşmə enerjisi: Bu enerji, proton ve neytron cütlərinin əmələ gəlməsini təchiz edir. Cüt sayl hissəciklər tək saylı hissəciklərdən daha dayanıqlıdır.

Energetik Səviyyə Modeli və Digər Kvant Modeller:

Nüvədə yerləşən nuklonların yörüngələrdə hərəkət etdiyi bəzi atom modelleri təklif olundu. Atom fizikası teoremindəki atomik orbitals bənzər şəkildə. Bu dalğa modelleri, nuklonları ya potansiyal quyu içində sonsuz nöqtə hissəciklər olaraq ya da optiki modeldəki oehtimal dalğaları şəklində təsəvvür etmişdir. Potensial qutular içindəki bu yörüngələr sürtünməsizdir və nuklonların böyük bir sürətə sahib olduğu düşünülür.

Yuxarıdakı modellərdən, nuklonların fermiyon əmələ gətirmək məqsədilə cütlər halında yörüngələrdə gəzindiyi fikri ortaya atıla bilər. Bu, təcrübələrdən görüldüyü kimi cüt və tək atom nüvələrini açıqlamağımız üçün imkan verir. Nüvə qabığının həqiqi təbiəti və tutumu atomun ətrafindakı elektronlara görə dəyişir. Çünki nuklonların hərəkət etdiyi potensial quyular (xüsusilə böyük ölçülü nüvələrdə) elektronları atoma bağlayan mərkəz elektromaqnit potensial quyudan fərqlidir. Atomik yörüngə modeliylə olan bəzı bənzərliklər bələi helium-4 kimi kiçik atomik nüvələrdə görüləbilər. Helium-4 nüvəsində iki proton ve iki neytron 1s yörüngələrində ayrı bir şəkildə dolanır. Bu vəziyyət helium atomundaıi iki elektronun 1s ətrafında hərəkət etməsinə bənzəyir. Beləliklə eynı sebebden qaynaqlı qeyri adi bir dayaniqliliq vəziyyərinə çatır. 5 nüklonlu nüvələrdə son dərəcə dayanıqsız və qısa ömürlüdür. Amma 3 nükleonlu helyum-3, qapalı 1s orbital səviyyəsi olmamasına baxmayaraq davamlıdır. Bir digər 3 nüklonlu nüvəyə sahib olan triton hidrogen-3 dayanıqsızdır və izolə edildiyində helium-3’e bozon olur. 1sətrafındakı 2 nüklonun[NP] zəif nüvə dayanıqlılığı deyteriyum hidrogen-2’de aşkar olunur. Hər bir nükleon fermiyon ikən [NP] deyteryum bozondur və beləliklə [NP] deyteryum, səviyyə içindəki qapalı paketlənmədən ötəri Pauili qanununa tabe olmaz. 6 nuklonlu Lityum-6 isə qapalı ikinci 1p ətrafıda səviyyə olmadığı zaman olduqca dayanıqlıdır. Toplam 1’dən 6’ya qədər nuklon sayı olan yüngül nüvələr içərisində yalnız 5 nuklon sayına malik olanlar dayanıqlı olduğuna dair əlamət göstərməz. Qapalı səviyyənin xaricindəki yüngül nüvələrin beta-dayanıqlılığına dair Müşahidələri nəzərə alarsaq ,nüvə dayaniqliliğının, çox sayda proton və neytrona malik səviyyə ətrafında hərəkətinin daha mürəkkəb olduğu deyilə bilər.

Nüklonların gəzindiyi yörüngələr böyük nüvələr üçün elektron səviyyəsində fərqli bir xüsusiyətə bürünürlər. Amma ən azından, mövcud nüvə teoremi çox sayda proton ve neytron tərəfındən doldurulmuş nüvə səviyyəsini təxmin etmək mümkündür.

Həmçinin bax

Atom fizikası