Fizika texnika fakulteti

1.1.4-rasm. Elektron,neytron va proton.
Yadrolar neytron va protonlardan iborat, ammo yadro massasi proton va neytronlarning alohida massalari yig'indisidan kichikdir. Farqi nuklonlarni bir-biriga bog'lab turadigan nuklonga bog'lanish energiyasining o'lchovidir. Bog'lanish energiyasini Eynshteyn munosabatlaridan aniqlash mumkin:
Yadroning bog'lanish energiyasi = Dmc ²
Alfa zarralari uchun Dm = 0,0304 u va 28,3 MeV bog'lanish energiyasini beradi.
Neytron o'z-o'zidan barqaror emas, lekin u yadro reaktsiyalarida topilishi va ilmiy tahlilda ishlatilishi mumkin. Proton ham, neytron ham uchta kvarkdan iborat. Protonda ikkita yuqoriga kvark (barcha kvarklarning eng yengili va moddaning asosiy tarkibiy qismi va elementar zarracha turi) va bitta pastga kvark (ikkinchi eng engil), neytron esa bitta yuqoriga kvark va ikkita pastga kvarkdan iborat.
Ular atom yadrosining ajralmas qismidir, chunki ular mustaqil nuklonlar sifatida mavjud bo'lolmaydi. Nuklonlar kuchli o'zaro ta'sir orqali bir-biriga bog'langan uchta kvarkdan tashkil topgan kompozit zarralardir. Atom yadrosi nuklonlarni kuchli quvvat bilan ushlab turadi. Biroq, kuch sindirilganda, u juda ko'p quvvat ishlab chiqarishi mumkin va bu quvvat yadroviy bombalarda ishlatiladigan narsaga o'xshash yadro energiyasi deb ataladi. Uran kabi radioaktiv parchalanuvchi moddalarda mavjud bo'lgan nuklonlar zararli bo'lishi mumkin, chunki u bir necha soniya ichida alfa nurlanishini tarqatishi mumkin.

2. 
   Nuklonlarni tuzulishini o’rganish bo’yicha Xofshtadter tajribasi.
   

1909-1911 yillarda Ernest Ruterford va uning hamkorlari Hans Geiger va Ernst Marsden Manchesterdagi juda yupqa metall plyonkalarni alfa zarrachalari bilan bombardimon qilishdi, bu esa atom ichidagi zaryadning taqsimlanishi haqida ma'lumot berishi kutilgan tarqalgan zarrachalar naqshini o'lchash uchun. JJ Tomsonning atom modeliga ko'ra, minglab mayda, manfiy zaryadlangan tanachalar massasiz musbat zaryadli bulut ichida to'planib yurgan bo'lsa, ko'p alfa zarralari nishondan deyarli ta'sirlanmasdan o'tadi yoki ko'pi bilan bir nechta tomonidan burilib ketadi. manfiy zaryadlangan elektronlar bilan uchrashish orqali daraja. Biroq, Manchester jamoasi oltin plyonkani bombardimon qilgan hayratlanarli darajada ko'p miqdordagi alfa zarralari 90 darajadan kattaroq keng burchaklar orqali tarqalib ketganini aniqladi. Ruterford, O'shandan beri fizikaning eng asosiy muammolaridan biri yadroning o'zi qanday tashkil topishini o'rganish bo'ldi. Taxminan 40 yil o'tgach, Stenfordda Robert Xofstadter yupqa nishonlardan yuqori energiyali elektronlarni sochish va bu elektronlar sonining burchak funktsiyasi sifatida taqsimlanishini o'lchash orqali Ruterfordga o'xshash tajribalar o'tkazdi. U yadrolarning ichki tuzilishga ega bo'lib, kichik, ammo o'lchanadigan masofaga cho'zilishini ko'rsatdi, shuningdek, proton va neytronning chekli o'lchamining birinchi dalillarini keltirib, nuklonlarning pastki tuzilishi bo'yicha kelajakdagi tadqiqotlar uchun yo'l ochdi.
Kristal detektorlarini yasashni o'rganish. Robert Xofstadter 1915-yil 5-fevralda Manxettenda tug'ilgan. U Nyu-York shahar kollejida fizika va matematika yo'nalishi bo'yicha ixtisoslashgan va bakalavr darajasiga sazovor bo'lgan . 1935-yilda. General Electric kompaniyasining tobut stipendiyasi unga Prinston universitetida o'qishga kirishdi va u erda doktorlik dissertatsiyasini oldi. 1938 yilda doktorlik dissertatsiyasini qo'lga kiritgach, u Prinstonda kristallardagi fotoo'tkazuvchanlik bo'yicha tadqiqotni davom ettirdi, bu uning kristallardan elektron detektor sifatida foydalanishga va ssintilatsiya hisoblagichlarining umumiy muammosiga qiziqishini uyg'otdi. 1939 yilda Xofstadter Pensilvaniya universitetidan Xarrison stipendiyasini oldi, u erda katta Van de Graaff mashinasini qurishda ishtirok etdi, bu uning yadro fizikasiga qiziqishini uyg'otdi. Ikkinchi jahon urushining boshlanishi uning sof tadqiqotchilik faoliyatini to'xtatdi va u harbiy ehtiyojlardan kelib chiqadigan sanoat ilmiy ishiga o'tdi.
Hofshtadter 1946 yilda Prinstonda fizika kafedrasi dotsenti bo'lib, akademik hayotga qaytdi. U erdagi tadqiqotlari talliy bilan qo'shilgan natriy yodidning juda yaxshi shakllangan kristallaridan yasalgan hisoblagichlarni ishlab chiqishga qaratilgan. Kristalga energetik atom zarrasi yoki foton urilganda, intensivligi zarracha yoki foton energiyasiga mutanosib bo'lgan yorug'lik portlashini chiqaradi. 1949 yilda Xofshtadter talliy bilan faollashtirilgan natriy yodid kristallarini gamma nurlari uchun samarali detektor sifatida qanday ishlatish mumkinligini ko'rsatdi va 1950 yilda Jek Makintayr bilan NaI (Tl) kristallari bilan bitta kristalli gamma-spektrometriya texnikasini ishlab chiqdi. kuchli aniqlash va spektroskopiya texnikasi. 1949 yilgacha Geiger hisoblagichi gamma nurlari uchun eng ko'p ishlatiladigan detektor edi. Bir necha yil ichida u natriy yodid detektorlari bilan almashtirildi va hisoblash samaradorligi 1000 baravar oshirildi. Bularning barchasi yadroviy nurlanishni o'rganish uchun asosiy o'lchash vositalaridan biri bo'lgan sintillyatsion spektrometrning asosiga aylandi. gamma-spektrlarni ommaviy ishlab chiqarish. O'shandan beri ushbu material yadro va yuqori energiya fizikasi va astrofizikaning barcha sohalarida, shuningdek, tibbiyot, biologiya, kimyo, geologiya va boshqa sohalarda gamma-spektrometr sifatida keng qo'llanila boshlandi. Xofshtadterning yuqori energiyali gamma nurlarini o'lchash uchun yirik kristalli detektorlarni ishlab chiqishga bo'lgan uzoq yillik qiziqishi elementar zarralarni o'rganishda va keyinchalik uning kosmik gamma-nurlar astronomiyasidagi faoliyatida muhim rol o'ynadi.
Nuklonlarni tekshirish. Keyingi qadam mutlaqo yangi sohaga sakrash edi. Yadrolarning chekli kattaligi va ichki tuzilishini ochishda qoʻllaniladigan yuqori energiyalarda elastik elektronlarni sochish usuli nuklonlarning tuzilishini aniqlashda ham qoʻllanilishi mumkin edi. Proton, deytron va alfa zarralarini o'rganish eng qiziqarli bo'lgan, chunki ular eng oddiy yadro tuzilmalari qatoriga kiradi. Bundan tashqari, yadrolar proton va neytronlardan iborat, shuning uchun protonning o'zi nimadan iboratligi haqida o'ylash juda qiziq edi. Zaryadlangan zarrachalar ishtirokidagi barcha elastik sochilish jarayonlarining negizida Rezerfordning mashhur formulasi yotadi, u elektr maydonining intensiv manbalari sifatida tasavvur qilingan, harakatlanmaydigan zaryadlangan nuqta markazlariga kinetik energiya E ning tushadigan zaryadlangan nuqta zarralarini sochish uchun differentsial kesmani ifodalaydi. Ruterfordning sochilish qonuni alfa zarralari va o'rta energiyali protonlarga taalluqli bo'lsa-da, u relativistik formula emas va tarqalish sheriklarining mumkin bo'lgan spinlarini hisobga olmaydi. 1929 yilda nashr etilgan taniqli maqolada Nevill Mott Dirak zarralarining, masalan, elektronlarning nuqta yadrolariga nisbatan relativistik tarqalishini ko'rib chiqdi. Bu holda tushayotgan zarracha, elektron spinga (va Dirak magnit momentiga) ega deb hisoblanadi, garchi tarqalish markazi (yadro) spinga ham, magnit momentga ham ega emas deb hisoblanadi. Cheklangan yadro kattaligining elektronlarning tarqalishiga ta'sirini ko'rib chiqish keyinchalik bir qancha mualliflar tomonidan qilingan. Xususan, protonning magnit momenti bilan yuqori energiyali elektronlarning elastik sochilishi 1950 yilda Rozenblyut tomonidan bashorat qilingan edi. Xofshtadterning tadqiqotlarigacha proton yoki neytronning tuzilishi yoki chekli o'lchamiga ega ekanligi haqida hech qanday dalil yo'q edi, garchi proton Dirak tenglamasiga bo'ysunmasligi allaqachon ma'lum bo'lgan, chunki uning magnit momenti prognoz qilinganidan kattaroq ekanligi aniqlangan. Dirak nazariyasi. Endi agar proton nuqta zaryadi ham, nuqta magnit momenti ham bo'lmasa, bu proton va elektron o'rtasidagi elektrostatik va magnit o'zaro ta'sirni hisobga olgan holda ikki xil shakl omilining mavjudligini talab qiladi. Darhaqiqat, Rozenblut relyativistik kvant mexanikasiga asoslanib, shu kabi shakl omillarini o'z ichiga olgan bunday hisob-kitobni amalga oshirdi. 1955 yilda chiziqli tezlatgich 600 MeV da ishonchli ishlashga erishdi. O'sha paytda yangi spektrometr qurilmasi va suyuq vodorod nishoni qurildi va o'rnatildi. Katta kuch yadrosi bitta proton bo'lgan vodoroddan tarqalishga qaratilgan. Xofstadter va Robert MakAllister o'z elektronlarini vodorodga otganlarida, ularning natijalari protonning zaryad taqsimoti cheklangan o'lchamga ega ekanligini ko'rsatdi, radiusi 0,7 fermi, taxminan 0,7 santimetrning o'n trilliondan bir qismi.
Neytronning tuzilishini o'rganish uchun xuddi shu elektronlarni tarqatish usullarini qo'llashda Xofshtadter, proton kabi, u nuqta emas, balki cheklangan hajmda taqsimlanganligini ko'rsatdi. Neytron zaryad taqsimotiga ega emasligi sababli, uning strukturasi protonning magnit momenti sifatida cheklangan radius bo'ylab taqsimlangan magnit momenti bilan ifodalanishi kerak.
Hofshtadter 1954 yildan 1957 yilgacha bo'lgan yillarda eng mos natijalarga erishdi. Yuqori energiya fizikasida ilgari erishilmagan aniqlik bilan erishilgan bu natijalar proton va neytronning cho'zilgan tuzilmalar ekanligini ishonchli ko'rsatdi. Shundan so'ng u nuklonlarda zaryad taqsimotini beruvchi matematik miqdorlarning aniqligini oshirish va aniqroq shakl omillarini olish bilan shug'ullangan. Ushbu fundamental kashfiyot fizika jamoatchiligi tomonidan tezda qabul qilindi va 1959 yilda Xofstadter Kaliforniyada yilning eng yaxshi olimi deb topildi.
Ikki yil o'tgach, 1961 yilda Robert Xofshtadter fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'ldi, u proton aslida nuqtaga o'xshash zarracha emas, balki pastki tuzilishga ega va shuning uchun kengaytirilgan ob'ekt ekanligini kashf etgani uchun olgan. U mukofotni atom yadrolari tomonidan gamma nurlanishining emissiyasi va yutilishi orqali materiya tuzilishini batafsil o'rganish uchun olgan Rudolf Mössbauer bilan bo'lishdi. Ushbu tadqiqot davomida u kashf etgan kutilmagan ta'sir o'sha paytdan beri Mossbauer effekti nomini oldi.
Erkin holatda p-barqaror, n-esa radioaktiv ~12 minutdan keyin n yemiriladi. Yadro ichida neytron, protonlar bir-biriga o‘tib turadi. Proton va neytronlarning spinlari teng, massalari deyarli teng, bir-birlariga uzviy almashinib turadi, yadro kuchlari ham teng bir xil zarralar hisoblanadi, bir so‘z bilan ular nuklon deb ataladi. Nuklonlar uchun yadro kuchlari bir xil bo‘lgan faqat elektromagnit maydonga nisbatan ikkita erkinlik darajasiga ega bo‘lgan aynan bir xil (zaryadli proton, zaryadsiz neytron) zarralardir.
Yadro kuchlari ta’sirida proton va neytronlar birikib, turli yadrolami hosil qiladi.