Атом, атом ядросы жне арапайым блшектерді даму тарихы
Кіріспе
Жоары оу орнында оылатын жалпы физика курсыны «Атом, атом ядросы, атты дене жне арапайым блшектер» физикасыны негізгі масаты-білімгерлерді белгілі задылытарды практикалы олдануа, талдауа, табиатта кездесетін оларды арама-айшылытарын ажырата білуге, оларды олдану аясын болжай алуа, денелерде тетін физикалы процестері кезіндегі трленулерді жне оларды атысуымен тетін былыстарды наты анытауа йретіп, тсіндіру.
Атом, атом ядросы, атты дене жне арапайым блшектердегі кптеген тжірибелерден алынатын ядролы реакциялар нтижесінде бір химиялы элементті ядросы баса химиялы элемент ядросына айналатыны жне баса да блшектерді блініп шыатынын анытайды.
Атом туралы ілім ерте заманнан-а басталан болатын. Гректі ататы философтары Левкипп (б.д.д. 500 жыл брын), Анаксагер (б.д.д. 500-428жж.), Эмпедокл (б.д.д. 492-432 жж.), Демокрит (б.д.д. 460-370 жж.), Эпикур (б.д.д. 341-270 жж.) денені атомды рылысын дамытты.
сіресе, бл салада Демокритті осан лесі те зор, яни ол лем бос кеістіктен жне шексіз кптеген блінбейтін блшектерден, материядан, атомнан трады деген ойа келді. Демокритті айтуы бойынша атомнан тратын барлы денені бір-бірінен згешелігі оларды формасы мен таралу жне орналасуында. Дене атомдарды зара осылу немесе ыдырау нтижесінде байалады. Олар сырттан тосын табии кштер сер етпей-а, атомдарды з ішіндегі кштер нтижесінде де озала алады. Демокритті атом туралы кзарасы - материалистік болып табылады. Біра, оны кзарасында да елеулі кемшіліктер кездеседі, ол - бос кеістікті болатындыы туралы. Бл пікірді ертедегі гректі лы ойшыл алымы Аристотель (б.д.д. 384 - 322 жж.) уаттамады. Ол материя здіксіз болса, онда бос кеістікті болатындыына арсы болды, сонымен атар блінбейтін атомдарды болуын да теріске шыарды.
Сонымен, ерте асырды зінде-а материя туралы екі трлі кзарастар пайда болды: бірі материяны здіксіздігі (блінбейтіндігі), ал екіншісі материяны блінетіндігі. алымдар арасындаы бл арама-арсы пікірлер (ойлар) кптеген асыра созылды. Осылайша, кптеген жылдар ткеннен кейін ылымдаы теріс пікірлерден кейін, физика ылымы айта дами бастады. Физика кптеген иындытарды ткеріп, диалектиканы табии тсінігіні негізіне сйене отырып, осы иындытарды жеді. Олай болса, материя здіксіз (ттас) жне блінетін (атомдар) болып келеді.
Кп жылдардан кейін атомистикалы кзарасты ойшыл Лукреций Кар (б.д.д. 95-55 жж.) біршама дамытты. Ол, атом - материяны те са блшегі екендігі туралы ой тастады. Осыдан кейін барып, атом туралы ылыми кзарастар кптеген асырлара дейін тотап алды.
Орта асырдаы ойшылдар мен алымдарда атомистикалы даму болмады, оан діни кзарасты дамуы кедергі болды. Сонымен атар, сол кездерде: алхимия, астрология, магия сияты т.б. жалан ылымдар стемдік жасап, оны дамуына жол бермеді.
ХVII-XVIII асырларда ана атомистика баса ылымдар сияты біршама ылыми жетістіктерге жете бастады. йткені сол аралытарда экономика, техника жне ылымны баса салаларыны крт даму процестеріні жалпы озалыстары пайда болды. Біра, бл аралыта атомистикадаы жаалытар тжірибе жзінде (эксперимент бойынша) арастырылмады. Сол кездегі Галилей, Декарт сияты ататы алымдар да, атомистерді саясатын жатамады. Біра, Декартты ебектері, ылыми кзарастары, материяны шексіздігі, оны са блшектерден тратындыы жаына келгенде, ойлары атомистіктерге араанда басым екендігін аартады. Декарт бос кеістікті болатындыына келіспеді. Ал, Декартты осы кзарасына Ньютон келіспеді. Солай бола тра Ньютонны механикадаы «бкіл лемдік тартылыс заы» атомистиканы дамуына серін тигізді. Оны кзарасы бойынша, денелер арасындаы тартылыс кші бос аралы арылы сер етуі ммкін деген ойа келді.
Атом туралы ылымны дамуына аылшын химигі Р. Бойлю (1627-1691 жж.), аылшын физигі Р. Гук (1635-1703 жж.) жне голланды физик Х. Гюйгенс (1629-1695 жж.) ебектеріні лкен сері тиді.
Орысты лы алымы М. В. Ломоносовты (1711-1765 жж.) материя рылысыны атомистикасына осан ебегі те зор. Ол зіні «О составляющих телах природы нечувствительных физических частичках, в которых находится достаточное основание частичных веществ» жне «Элементы математической химий» деген ебектерінде химиялы элементтерді рамын жіктеу нтижесінде, арапайым жне крделі денелерді блшектері арасындаы згешеліктерді анытады. Сонымен атар, молекуланы зі те крделі блшектерден, яни атомдардан тратындыын талдап тсіндірді.
Он тогызыншы жз жылдыта атомистика ылымы интенсивті (ауырт) дамыды. Англияны химигі Д. Дальтонны ылыми ебектеріні арасында атомистикалы ылым лкен жетістіктерге жетті. Оны кзарасы бойынша, атом - блінбейтін блшек. Ал, аылшын алымы Проутты кзарасы оан арама-арсы болды. Ол атом рылымы те крделі, оны зі баса блшектерден трады деген орытындыа келді.
Осы кезеде орысты лы алымы Д. И. Менделеевті (1834-1907 жж.), зерттеулері нтижесінде атом туралы те лкен жаалытар ашылып, атомистикалы ылым саласы толытырылды. Ол химиялы элементтерді аралы жйеде орналастыру задылыын ашты.
Атомистикалы ілімні лкен жетістіктеріні бірі - атомны электрлік рылымы. Атомны электрлік рылымы, корпускулалы теориялара негізделген. Осыан негізделіп затты электрлік теориясы дамыды. Англияны крнекті алымы М. Фарадей (1781-1867 жж.) сйы арылы электр тогыны туін зерттей келіп, сол сйытан ткен электр млшеріне, электродтан блінген зат млшері тыыз байланысты екендігін анытады. Неміс физигі Г. Гельмгольц (1821-1894 жж.) осы нтижелерді талдау арылы мынадай орытындыа келді: егер электролит ерітіндісі арылы электр тогы тетін болса, онда ол арылы тасымалданатын бір валентті зат атомыны электр заряды бір алыпта болып алады, ал атом екі валентті немесе ш валентті болса, онда тасымалданатын электр зарядыны млшері екі-ш есе артады. Мндай зарядталан атомдар (немесе атомдар тобы) жаа термин бойынша иондар деп аталады. Осыан байланысты Гельмгольц электр зарядыныда атомды рылымы болады деген орытындыа келді. Яни теріс табалы блшегін - электрон деп атады, ол атоммен еркін трде байланыста болады, ал о табалы блігіні атоммен байланысы еркін трде байалмайды.
Электронны тжірибе жзінде длелденуінен электронды теория негізі рылды. Аылшынны физигі Д. Д. Томсон электрон массасын, ал Милликен оны зарядын анытады. Электронды теорияны одан рі дамуы те тиімді болды. Одан рі атомны молекулалы рылымыны электронды теориясы жасалды.
Д. Д. Томсон атом рылымыны моделін сынды. Оны сынысы бойынша атом о зарядты бірттас шар, оны ішкі жаында теріс зарядты электрон орналасан. Электрон - о зарядты шармен электр кші арылы байланысып трады деп тсіндірді. Шын мнінде бл модель тжірибе жзінде зерттелмеген еді. Томсон электронны тынышты массасын ана анытады. Негізінде, электрон массасы озалыс жылдамдыына байланысты згереді.
1886 жылы француз физигі Анри Беккерель (1852-1905 жж.) радиоактивтік былысты ашты, біра ол кп жылдар тсінігін таппады. Алаш бл еш мні жо былыс сияты болып крінді, ал шын мнінде ол атом асырыны жаа дуірлеу кезеі екенін ешкім байамады. алымдар радиоактивтілікті зерттей келіп, атом ыртысыны тере абаттарына дейін те алды. Осы былысты француз физигі П. Кюри (1859-1906 жж.) жне Мария Складовская-Кюри (1867-1934 жж.) сонымен атар крнекті аылшыналымы Э. Резерфорд (1871-1937 жж.) сияты алымдар зерттей келіп, радиоактивтілікті себептерін жне оны негізгі асиеттерін анытады. Сонымен атар, кптеген ауыр химиялы элементтерді (уран, радий, радон, торий жне т. б.) кзге крінбей дайы альфа, бета жне гамма сулелерін шыарып тратындыын анытады. Альфа, бета жне гамма сулелерініні ашылуы, атомды зерттеуші алымдара кшті рал болды. Резерфорд ртрлі химиялы элементтерді атомдарын жылдам альфа блшегімен атылау нтижесінде мынадай орытындылара келді: біріншіден, атомдарды барлы о зарядтарын иемделетін блігі кішкене клемге шоырланады, оны диаметрі 
см. Екіншіден, о зарядталан атом блігіні массасы, сол атом массасына шамалас болатындыын длелдеді. Атомны осы блігі, атом лшемінен жздеген мы есе аз болады. Резерфорд атомны осы о зарядты блігін - атом ядросы деп атады. Осыны негізінде 1911 жылы атомны ядролы (планетарлы) моделін Э. Резерфорд сынан болатын, яни ядролы модель-альфа блшектерді металл абыршытарында шашырайтындытарын жасы тсіндіреді. Сондытан да ядролы физика осы Резерфорд моделінен басталады деп есептеуге болады. Ядролы модель Кн жйесіне сас. Кн жйесінде планеталара кнні тарту кші (гравитациялы) сер етеді, ал ядро нуклондарыны арасында, кулонды немесе гравитациялы кштерден баса ерекше белгілі ашытыа(2·10-15 м) дейін сер ететін ядролы кш болатынын тсіндіреді.
Резерфорд альфа блшектермен жасаан тжірибелерін жаластыра отырып, азот ядросынан жне баса да заттардан ыдырау кезінде, одан о зарядты, массасы сутек атом ядросына те блшек шып шыатынын анытап, бл сутек атом ядросына те «протон» деп атады. Осы протонны ашылуы атом ядросыны протон-электорнды моделін сынуа ммкіндік берді.
Боте мен Беккер кейбір жеіл элементтерді () альфа блшектермен атылаанда протонны орнына заттарда нашар жтылатын блшектер шып шыатынын байады. Ерлі зайыпты Кюрилер бл блшекті жеіл ядромен серлесу кезінде ядролардан тебілетінін анытады. Импульс пен энергияны саталу задарына сйеніп зерттеу нтижесінде Чедвик осы блшекті массасы протон массасына жуы екенін анытады. Бл блшек затта нашар жтылу шін электрбейтарап болу керек. Осы массасы протон массасына жуы электрбейтарап блшек «нейтрон» (оны мір сру уаытты 16 мин.) деп аталды. Олай болса атом ядросы са блшектерге (протон мен нейтрона) жіктеледі. Осыдан кейін ядроны протон нейтронды моделін Д. Д. Иваненко мен В. Гейзенберг сынды. Атомны бл моделі Томсон моделін алмастырды.
Э. Резерфорд 1919 жылы жылдам альфа блшегімен азот атомын атылау нтижесінде, азот атомынан сутек атом ядросы – протон блініп шыатынын байады. Бл, атом ядросын зерттеудегі лкен жетістік болып саналады. Осындай трлену ядролы реакция деп аталды.
1919 жылы аылшын физигі Астон изотопты ашты. Изотоп дегеніміз - бір химиялы элементті массалы саны (А) ртрлі, ал реттік саны (Z) бірдей болып келетін атом.
Француз физиктері И. Кюри, Жолио-Кюри жне аылшын физигі Чадвик жаа арапайым блшек - нейтронды ашты.
Бл блшекті массасы протон массасымен шамалас, біра заряды жо (нейтраль) блшек.
Жолио-Кюри (1934 ж.) жеіл ядроларды альфа блшектермен атылау кезінде жасанды радиоактивтілік (позитрон) пайда болатынын ашы зертхана жадайында баылады.
Дирак (1928 ж.) электрон шін релятивистік квантты механикалы тедеуді зерттеу кезінде зарядтан баса асиеттері бірдей, электр заряды о блшек “позитрон” болу керек деген тжырым жасады. Паули бета ыдырауды ттас спектрін тсіндіру кезінде, таы бір арапайым блшекті болуы жайлы болжам жасады. Бл блшек электроннан кп жеіл жне электрбейтарап“нейтрино” болу керек деп атады.
Альварец(1938ж.)радиоактивтілікті ерекше трі электронды армауды баылады. Осы армау кезінде ядро зіні электронды абатынан (К-абаттан) бір электронды жтады да, армау кезінде бета ыдыраудаыдай “нейтрино” бліп шыарады.
Атомны жаа моделін жасау жне оны дамуын зерттеу, атомны жары шыару мен жары жту процесіне тыыз байланысты. Жиырмасыншы асырды басында осы нтижелерге байланысты жарыты квантты табиаты ашылды. Содан барып зат рылысыны молекулалы, атомды жне баса блшектеріні квантты асиеттері аныталды.Квантты теория нтижесінде жары табиатыны екі жатылыы-корпускулалы жне толынды асиеттері болатындыы аныталды. Осындай екі жатылы тек атомдар мен молекулаларда ана емес, затты баса блшектерінде де (электрондарда да) кездеседі.
Француз физигі Луи де Бройль (1924 ж.) рбір озалан блшек толын трінде таралатындыын тсіндірді. Американ физиктері Девиссон жне Джермер (1927 ж.) электронны дифракциясын эксперимент бойынша анытап, бл блшекті толынды асиеті болатындыын длелдеді. Олай болса азіргі кездегі атомды ядролы физиканы интенсивті дамуы ылымны, техниканы жне энергетиканы даму жетістіктеріні нтижесі болып табылады. Егер атомды, ядролы физика зат рылысын оып йренуді негізі деп арастырса арты болмайды. Олай болса квантты физика азіргі кездегі ылыма стем ететін физиканы жаа блігі деп айтуа болады.
Осындай жаалытарды ашылу нтижесінде атом ішіндегі процестерді жаа квантты теориясы жасалды.Оны ататы ірі алымдар: Бор, Гейзенберг, Шредингер, Дирак жне баса алымдарды ебектерінен кре аламыз. орыта келгенде квантты физика негізінен: фотоэффект, жылулы жары шыару, атом, атом ядросыны рылымы, арапайым блшектер, арышты сулелер жне атты денелер физикасы сияты негізгі тарауларды арастырады.
Жапон физигі Юкава 1935-1938 жылдар аралыында ядролы блшектер: протон мен нейтронны негізінде ядролы кштерді мезонды теориясын жасады. Осы протон мен нейтрон арасында озалыстаы жаа арапайым блшек болатындыы, оан жауапты блшекті массасы электрон массасынан 200-300 есе арты болатынын ( 
сынды. Осылайша, 1947 жылы арыш сулесіні рамында 
-мезон мен 
-мезон болатыны аныталды.
Американды физик Андерсон арышты сулелерді тжірибе жзінде зерттеу нтижесінде 1937 жылы мезонды ашты. Олай болса, Юкава гипотезасы тжірибе жзінде длелденді. Бан дейін 1933 жылы Андерсон позитронды (о зарядты электрон) ашан болатын.
1939 жылы атом ядросыны энергиясын пайдалану идеясыны ала ойылуы лкен жаалы болды.
Неміс физхимигі Ган мен Штрассман уран ядросы жылулы нейтронмен сотыысанда шамамен бірдей екі жарышаа блінетінін анытады. Бл реакция кезінде те жоары энергия (200 МэВ) блінеді жне атом ядросынан бірнеше жаа нейтрондар блінеді де, олар баса ядролара сотыысып жаа реакция тудырады, мндай реакция тізбекті реакция деп аталады. Осы тізбекті реакция реттеліп отырмаса, онда опарылыс болады - ол атомды опарылыс деп аталады. Мндай реакция атом бомбасында орындалады. Реакцияны реттеп белгілі млшерде стаса, онда ол реттелген тізбекті реакция деп аталады. Бл реакция бейбітшілік масатында (АЭС т.б.) олданылады.
Кеес Одаы, лемде бірінші болып (1954ж.), атомды электр станциясын орнатты. Осы ядролы энергияны дамуына И. В Курчатовты ебегі зор.
Зарядталан блшектерді дету, атом ядросын жне арапайым блшектерді зерттеуде, те лкен рл атарады. Осы масатта кптеген млшердегі деткіш ралдары жасалды. 1942 жылы дниежзінде бірінші ядролы реактор Э. Фермиді басаруымен Чикаго аласында іске осылды. Евразияда бірінші реактор 1946 жылы Мскеуде іске осылды.
1932 жылы Кокфорт пен Уолтон бірінші протонды деткішті рып, оны кмегімен литий ядролары детілген блшектер серінен ыдырайтынын баылады. Осыдан бастап физиктер ядроны трлендіруді уатты ралын тапты. азіргі кезде деткіштер тек протон мен электронды ана емес, кез келген элемент ядросын дете алатын ммкіндігі бар. детілген блшек энергиясы бірнеше ТЭВ-а (тераэлектронвольта) дейін жетеді.
1950 жылдары блшектерді тіркеуді жаа дістері (алы абатты фотоэмульсия жне кпіршіктік камера) табылып, оларды дету дістері жетілдірілді. Осыларды нтижесінде 1960-1990 жылдар арасында кптеген жаалытар ашылды. Оан арапайым блшектерді лсіз серлесу барысында жптылыты саталмайтындыы, адрондарды кваркты рылымы, лсіз серлесу кванттары жне т.б. ашылды. Сонымен атар, кшті серлесу теориясы ашылды.
1944 жылы бір мезгілде В. И. Векслер (КСРО) жне Мак Миллан (АШ) жаа діспен зарядталан блшектерді дететін ралды сынды. Осындай жаа типті деткіш - синхротрон деп аталды. Зарядталан блшектерді синхротрон жздеген, мыдаан, миллиондаан жне миллиардтаан электронвольт энергияа дейін дете алады.
1955 жылы Кеес Одаында энергиясы 10 ГэВ болатын деткіш жасалды. Ал 1969 жылы протонды дету арылы энергиясы 70 ГэВ болатын деткіш жмыса осылды.
деткішті жрдемімен арапайым жылдам блшектерді серін зерттеу нтижесінде кптеген жаа трасыз арапайым блшектер: мезондар, гиперондар, массасы, заряды ртрлі баса блшектер жне бейтарап блшектер аныталды. Оларды асиеттерін арастыра отырып, физиканы жаа тарауы «арапайым блшектер физикасы» рылды.
арышты сулелерді зерттеуге арапайым блшектер кп серін тигізді. Бл облысты аылшын физигі Вильсон, неміс физиктері Эльстеро жне Гейтел (1901ж.) бірінші болып баылады, жабы ыдыстаы газдарды электрткізгіштік былысын анытады. Алаш бл ткізгіштікті Жер бетіндегі атмосфераны радиоактивті алдытары иондалып ластану нтижесі деп арастырма болды. Гессон аэростатикамен шу кезінде бл иондалу биіктікке байланысты жедел сетіндігін байап, бл лем кеістігінде тетін, арышты суле сері деген орытындыа келді.
1929-1931 жылдар аралыында Д. В. Скобельцын мен Оже арышты сулелердегі блшектер нсерін тапты. 1933 жылы Андерсон (жоарыда айтыландай) арышты сулелердегі позитрондарды, ал 1937 жылы Нидермайермен бірге мезонды глюонды ашты.
С. Н. Верновты (1948 жылы) басшылыымен арышты сулелерді жоары биіктікте, автоматты стратостат арылы зерттеу жргізіп, нтижесінде арышты сулені бірінші компоненті те лкен жылдамдыпен озалан атом ядросы екендігін длелдеді. Ол атмосфера арылы ткенде, екінші ретті блшектер: мезондар, электрондар, гамма-фотондар атмосфераны тменгі абатында байалатындыын тсіндірді.
Кеес даында 1957 жылы 4 азанда Жерді бірінші жасанды серігі шырылды. Бл ылым мен техниканы жаа дуіріні басталуы болып табылады. Осы жылы 3 арашада - екінші, ал 1958 жылды 15 мамырында - шінші жасанды Жер серігі шырылды. Осы 2-3 жасанды Жер серіктер ке бадарламамен арышты сулелер зерттеліп, фотондарды бірінші компонентін жне ауыр атом ядролары тіркелді.
Американды физик Ван-Аллен 1958 жылы жасанды Жер серігі арылы зерттеулер жргізіп, Жер шарыны айналасында зарядталан блшектерден тратын бірінші радиациялы шар белдеуін тапты. Сол жылы шінші жасанды Жер серігі жрдемімен (КСРО), зарядталан блшектен тратын екінші радиациялы шар белдеуі аныталды.