კვანტური ფიზიკა

კვანტური მექანიკა (ტალღური მექანიკა) — თეორია, რომელიც ადგენს მიკრონაწილაკებისა (ელემენტარული ნაწილაკების, ატომების,მოლეკულების, ატომთა ბირთვების) და მათი სისტემების (მაგ., კრისტალების) აღწერის ხერხებსა და მოძრაობის კანონებს, აგრეთვე ნაწილაკებისა და სისტემებისათვის დამახასიათებელ სიდიდეთა კავშირს მაკროსკოპული ცდის დროს უშუალოდ გაზომილ ფიზიკურ სიდიდეებთან.

კვანტური მექანიკა ცნებათა სისტემის და მისი ადეკვატური მათემატიკური აპარატის სინთეზია, რომელიც აუცილებელია და საკმარისი შესაბამისი ფიზიკური სისტემების და მათი მოძრაობის დამახასიათებელი ყველა დამზერადი სიდიდის აღწერისათვის. კვანტური მექანიკის კანონები ნივთიერების აგებულების შესახებ მეცნიერებათა ქვაკუთხედს წარმოადგენენ. ამ კანონებით აიხსნა ატომების და ატომბირთვების აგებულება, გაირკვა ქიმიური ბმის ბუნება, გასაგები გახდა, თუ რა კანონზომიერება განსაზღვრავს ელემენტთა პერიოდულ სისტემაში ელემენტების განლაგებას. რადგან ნივთიერების მაკროსკოპულ თვისებებს მისი შემადგენელი ნაწილაკების მოძრაობა და ურთიერთქმედება განსაზღვრავს, ამიტომ კვანტური მექანიკის კანონები ხშირად მაკროსკოპული მოვლენების ასახსნელად გამოიყენება. მყარი სხეულების (ლითონების, ნახევარგამტარების,დიელექტრიკების) თეორიას და მის მრავალრიცხოვან გამოყენებას საფუძვლად უდევს კვანტური მექანიკის კანონები. მხოლოდ მათ ნიადაგზე შეიქმნა ნივთიერების მაგნიტური თვისებების თანმიმდევრული თეორია. კვანტურმა მექანიკამ კლასიკური სტატისტიკური ფიზიკის პარადოქსები ახსნა. ზეგამტარობა და ზედენადობა მაკროსკოპულ კვანტურ ეფექტებს წარმოადგენენ. კვანტური მექანიკა ასტროფიზიკის მძლავრი იარაღია. კვანტური მექანიკის კანონები განსაზღვრავენვარსკვლავებში თერმობირთვული რეაქციების მსვლელობას, ხსნიან ნეიტრონული ვარსკვლავებისწარმოშობის და მომდევნო ევოლუციის პროცესებს, და ა. შ. XX საუკუნის უდიდესი ტექნიკური მიღწევები კვანტურ ეფექტებზეა დაფუძნებული. კვანტური მექანიკის კანონების აღმოჩენამ მეცნიერულ–ტექნიკური რევოლუცია განაპირობა.

მნიშვნელობა[რედაქტირება]

XX საუკუნის დასაწყისში გაირკვა, რომ კლასიკური მექანიკა განზოგადოებას საჭიროებს. მისი გამოყენების არე შეზღუდულია. ისეთ სიჩქარეებზე, რომლებიც სინათლის სიჩქარესთან ახლოსაა, კლასიკური მექანიკა ცდას ეწინააღმდეგება. ალბერტ აინშტაინის ფარდობითობის სპეციალური თეორიის ნიადაგზე რელატივისტური მექანიკა შეიქმნა. გარდა ამისა, კლასიკურ მექანიკაში ნაწილაკის მოძრაობა აღწერილია, თუ ცნობილია კოორდინატების და სიჩქარის დროზე დამოკიდებულება. ასეთ აღწერას შეესაბამება ნაწილაკისგანზომილების მქონე სიდიდეები –ს ბევრად აღემატება, მაშინ კლასიკური მექანიკის გამოყენება ნებადართულია.

შექმნის ისტორია[რედაქტირება]

XX საუკუნის დასაწყისში აღმოჩენილი მოვლენები იმაზე მეტყველებდნენ, რომ ატომის შიგნით მიმდინარე პროცესების აღწერა კლასიკური მექანიკით და ელექტროდინამიკით შეუძლებელია. კლასიკური ფიზიკა სინათლის და ნივთიერების ურთიერთქმედებასაც ადეკვატურად ვერ აღწერდა. აღნიშნული პრობლემების გადაჭრის მცდელობას კვანტური მექანიკის წარმოქმნა მოჰყვა. პირველადი კვანტური წარმოდგენები ფიზიკაში 1900 წელს მაქს პლანკმა შემოიღო (იხ. შავი სხეული). იგი სითბური გამოსხივების პრობლემაზე მუშაობდა. კლასიკურ ელექტროდინამიკაზე და სტატისტიკურ ფიზიკაზე აგებული თეორია უაზრო შედეგს იძლეოდა: თერმოდინამიკური წონასწორობა გამოსხივებას და ნივთიერებას შორის შეუძლებელია, რადგან მთელი ენერგია გამოსხივებაში უნდა გარდაიქმნას. პლანკმა დაუშვა, რომ სინათლე უწყვეტად კი არ გამოსხივდება, როგორც ამას კლასიკური ფიზიკა გულისხმობს, არამედ დისკრეტული პორციებით — კვანტებით. ასეთი კვანტის ენერგია სიხშირის პროპორციულია: . ექსპერიმენტმა პლანკის თეორიის ჭეშმარიტება ცხადჰყო, თუმცა პლანკის ჰიპოთეზის დასაბუთება კლასიკური ფიზიკის ფარგლებში შეუძლებელი აღმოჩნდა. პლანკის ჰიპოთეზას ფიზიკოსები ორი განსხვავებული მიმართულებით ავითარებდნენ, რის გამოც1927 წელს ჩამოყალიბდა კვანტური მექანიკის ორი დასრულებული ფორმულირება. განვიხილოთ ორივე მიმართულება. 1) 1905 წელს აინშტაინმა ფოტოეფექტის თეორია შექმნა. მან ივარაუდა, რომ სინათლე ცალკეული კვანტებისაგან — ფოტონებისაგან — შედგება.თითოეული ფოტონის ენერგია . ამ ჰიპოთეზის მეშვეობით აინშტაინმა ფოტოეფექტის კანონზომიერებები ახსნა, კლასიკური ფიზიკა კი ამჯერადაც უძლური აღმოჩნდა. სინათლის კორპუსკულური ბუნების კიდევ ერთი მტკიცებულება 1922 წელს არტურ კომპტონმა მოიპოვა. მან ექსპერიმენტულად დაამტკიცა, რომ თავისუფალ ელექტრონებზე რენტგენული სხივების გაბნევისას სხივების სიხშირე ისე იცვლება, თითქოს ადგილი აქვს ორი ნაწილაკის – ფოტონის და ელექტრონის დრეკად დაჯახებას (იხ.კომპტონის ეფექტი). დაჯახების კინემატიკა ენერგიის და იმპულსის მუდმივობის კანონებითგანისაზღვრება. ფოტონს აქვს  იმპულსი ( - ტალღის სიგრძე), რომელიც ენერგიას ფორმულით უკავშირდება. ეს თანაფარდობა რელატივისტურ მექანიკაში ნულოვანი მასის მქონე ნაწილაკს შეესაბამება. ამგვარად, ექსპერიმენტულად დამტკიცდა, რომ სინათლეს, ცნობილ ტალღურ თვისებებთან ერთად (დიფრაკცია, ინტერფერენცია, პოლარიზაცია), კორპუსკულური თვისებებიც გააჩნია. სწორედ ამაში მდგომარეობს სინათლის კორპუსკულურ – ტალღური დუალიზმი. შეიქმნა ლოგიკური წინააღმდეგობა: ექსპერიმენტების ერთ ნაწილში სინათლე ტალღურ ბუნებას იჩენს, ზოგიერთი მოვლენის ანალიზი კი მის კორპუსკულურ ბუნებას ცალსახად ადასტურებს. 1924 წელსლუი დე ბროილმა კორპუსკულურ–ტალღური დუალიზმის უნივერსალობის ჰიპოთეზა გამოთქვა. დე ბროილის თანახმად, ნებისმიერ ნაწილაკს გარკვეული სიგრძის ტალღა შეესაბამება. აქედან გამომდინარე, დე ბროილმა ნაწილაკების დიფრაქცია იწინასწარმეტყველა. 1927 წელს ელექტრონების დიფრაქცია დევისონ–ჯერმერის ცდამ დაადასტურა, ხოლო მომდევნო ექსპერიმენტებში სხვა ნაწილაკების ტალღური ბუნება დამტკიცდა. 1926 წელს ერვინ შრედინგერმა ასეთი ტალღების აღმწერი განტოლება გამოიყვანა, მაქს ბორნმა კი მათი სტატისტიკური ინტერპრეტაცია შეიმუშავა. ასე შეიქმნატალღური მექანიკა. შრედინგერის განტოლება არარელატივისტური კვანტური მექანიკის ძირითად განტოლებას წარმოადგენს. 1928 წელს პოლ დირაკმა გარეშე ველში მოძრავი ელექტრონის აღმწერი რელატივისტური განტოლება მიიღო; ეს განტოლება რელატივისტური კვანტური მექანიკის ძირითადი განტოლებაა. 2) პლანკის ჰიპოთეზის განვითარების მეორე მიმართულებას საფუძველი ჩაუყარა ალბერტ აინშტაინმა, რომელმაც 1907 წელს მყარი სხეულების სითბოტევადობის საკითხი გამოიკვლია. ელექტრომაგნიტური გამოსხივება სხვადასხვა სიხშირის მქონე ტალღების ერთობლიობაა. აინშტაინმა აჩვენა, რომ გამოსხივება ოსცილატორების ერთობლიობის ეკვივალენტურია. გამოსხივება და შთანთქმა შესაბამისი ოსცილატორების აგზნებას ან ძირითად (არააგზნებულ) მდგომარეობაში გადასვლას ნიშნავს. ნივთიერება ასხივებს ან შთანთქავს ენერგიას  კვანტების სახით. ეს იმას ნიშნავს, რომ ველის ოსცილატორს აქვს დისკრეტული ენერგეტიკული დონეები, რომელთა შორის მანძილია . აინშტაინმა ელექტრომაგნიტური ველის ოსცილატორის დაკვანტვის იდეა ნებისმიერი ბუნების ოსცილატორზე განაზოგადა. მყარ სხეულში სითბური მოძრაობა ატომების რხევითი მოძრაობაა, ამიტომ მყარი სხეული შეიძლება განვიხილოთ როგორც ოსცილატორების ერთობლიობა.1913 წელს ნილს ბორმა ენერგიის დაკვანტვის იდეა ატომის აგებულების პლანეტარული მოდელის განხილვისას გამოიყენა. ერნსტ რეზერფორდის მოდელის თანახმად, ატომის ცენტრში დადებითად დამუხტული ბირთვი მდებარეობს, რომელშიც ატომის მასის უდიდესი ნაწილია თავმოყრილი. ბირთვის გარშემო უარყოფიტად დამუხტული ელექტრონები ბრუნავენ. ასეთი მოძრაობის განხილვა კლასიკური წარმოდგენების ნიადაგზე პარადოქსულ შედეგს იძლეოდა, რომლის მიხედვით სტაბილური ატომების არსებობა შეუძლებელია. კლასიკური ელექტროდინამიკიდან გამომდინარე, მბრუნავი ელექტრონი უწყვეტად ასხივებს ელექტრომაგნიტურ ტალღებს და, მაშასადამე, კარგავს ენერგიას; მისი ორბიტის რადიუსი სწრაფად უნდა შემცირდეს და 10⁻¹¹ წამში იგი ბირთვს უნდა დაეცეს. ეს ნიშნავდა, რომ კლასიკური ფიზიკის კანონების გამოყენება ატომში მოძრავი ელექტრონების მიმართ არ შეიძლება. ატომების მდგრადობა ბორმა შემდეგნაირად ახსნა (იხ. ბორის პოსტულატები): ელექრონის გამოსხივება, ემორჩილება რა კვანტურ კანონზომიერებებს, ხდება დისკრეტულად, გარკვეული ულუფებით. ნიუტონის მექანიკის ფარგლებში არსებული ყველა შესაძლო ორბიტიდან რეალურად მხოლოდ ის ხორციელდება, რომლის შესაბამისი ქმედება პლანკის მუდმივის ჯერადია. ასეთ ორბიტებს სტაციონალური ორბიტები ეწოდა. ყოველ მათგანს გარკვეული ენერგია შეესაბამება. ბორმა ჩათვალა, რომ სტაციონალურ ორბიტებზე მოძრაობისას ელექტრონი არ ასხივებს. გამოსხივება ხდება მაშინ, როცა ელექტრონი ერთი სტაციონალური მდგომარეობიდან მეორეში გადადის.

 ბირთვული ფიზიკა — თანამედროვე ფიზიკისნაწილი, რომელიც შეისწავლისატომის ბირთვს, ბირთვულ პროცესებსა და ელემენტარულ ნაწილაკებს. ბირთვული ფიზიკა ატომური მრეწველობის მეცნიერების საფუძველია.

ბირთვული ფიზიკა როგორც მეცნიერება, დასაბამს იღებს ფრანგიმეცნიერის ანტუან ბეკერელის მიერ რადიოაქტივობის მოვლენის აღმოჩენიდან (1896), რომლის შედეგადაც დადგინდა ატომისრთული აღნაგობა. ნივთიერებაში გამავალი α-ნაწილაკების ნაკადის გაბნევის შესწავლის საფუძველზე (1911) ინგლისელმა მეცნიერმა ერნესტ რეზერფორდმა აღმოაჩინაატომის ბირთვი და წამოაყენა ატომის აღნაგობის პლანეტური მოდელი, რომლის თანახმად, ატომი შედგება დადებითად დამუხტული ბირთვისა და მის ირგვლივ მოძრავი ელექტრონებისაგან. შემდეგი მნიშვნელოვანი ნაბიჯი ბირთვული ფიზიკის განვითარებაში არის ჯეიმზ ჩედვიკის მიერ ნეიტრონისაღმოჩენა (1932), რასაც მოჰყვა ჰიპოთეზა იმის შესახებ, რომ ატომის ბირთვი შედგება ნეიტრონებისადა პროტონებისაგან. ამავე წელს ხელოვნურად აჩქარებული ნაწილაკების გამოყენებით პირველად განხორციელდა ბირთვული გარდაქმნა.

თეორიული ბირთვული ფიზიკის განვითარებაში უმნიშვნელოვანესი მიღწევა იყო ბირთვული ძალების მეზონური თეორიის შექმნა, რაც იაპონელი მეცნიერის ჰიდეკი იუკავას დამსახურებაა. ბირთვის გაყოფის მოვლენის აღმოჩენამ (1939) საფუძველი ჩაუყარა თანამედროვე ბირთვულ ენერგეტიკას. ბირთვული ფიზიკის განვითარების თანამედროვე ეტაპი ხასიათდება მძლავრი ამჩქარებლების შექმნით, რაც საშუალებას იძლევა შესწავლილ იქნეს ბირთვული ურთიერთქმედებები დიდი ენერგიის დროს. მიუხედავად იმისა, რომ დაგროვილია დიდი ექსპერიმენტული მასალა, ჯერჯერობით ვერ მოხერხდა ბირთვული ძალების ბუნების დადგენა.

თეორიული ბირთვული ფიზიკა ორი სახის სიძნელეს აწყდება. პირველი დაკავშირებულია იმ გარემოებებთან, რომ ცნობილი არ არის ბირთვის შემადგენელ ნაწილაკებს — ნუკლონებს შორის ურთიერთქმედების დეტალური ხასიათი, ხოლო მეორე იმ ფაქტთან, რომ ბირთვი მრავალი სხეულის სისტემაა, რის გამოც მისი თეორიული აღწერა დიდ მათემატიკურ სიძნელებთანაა დაკავშირებული. ბირთვის სრულყოფილი თეორიის შექმნა ორივე სიძნელის გადალახვას გულისხმობს. XX საუკუნის 60-70-იან წლებში თეორიული ბირთვული ფიზიკის მნიშვნელოვანი მიღწევაა ბირთვის მოდელური აღწერიდან მრავალი სხეულის პრობლემის ამოხსნის ზუსტ მათემატიკურ მეთოდებზე გადასვლა, რაც ბირთვული ძალების ხასიათის დეტალურად დადგენის საშუალებას მოგვცემს.

სექციების სია

  [დამალვა] 

·         1 ბირთვის ზოგადი თვისებები და სტრუქტურა

·         2 ბირთვული რეაქციები და ძალები

·         3 ელემენტარული ნაწილაკები

·         4 ნეიტრონული ფიზიკა

·         5 ბირთვული ფიზიკის ექსპერიმენტული მეთოდები

·         6 დოზიმეტრია

·         7 ლიტერატურა

ბირთვის ზოგადი თვისებები და სტრუქტურა[რედაქტირება]

ბირთვი

ბირთვის მნიშვნელოვანი მახასიათებელი სიდიდეებია: მასა,ელექტრული მუხტი, მასური რიცხვი, ბმის ენერგია, მაქანიკური, მაგნიტური და ელექტრული მომენტები, ეფექტიანი ზომები, აგზნებულიენერგეტიკული დონეების სისტემა. ბირთვული ფიზიკა ბირთვის თვისებებისა და სტრუქტურის თეორიული აღწერისათვის ფართოდ იყენებს სხვადასხვა ბირთვულ მოდელებს.

ბირთვული რეაქციები და ძალები[რედაქტირება]

ბირთვული ძალების დამაკმაყოფილებელი თეორია ჯერ არაა შექმნილი. ფართოდაა გავრცელებული ბირთვული ძალების პრობლემისადმი ფენომენოლოგიური მიდგომა, რაც ნუკლონებს შორის ურთიერთქმედების ისეთი თვისებების შესწავლას ეყრდნობა, რომლებიც მეზონური თეორიის გამოყენების გარეშე უშუალოდ გამომდინარეობს ექსპერიმენტულ ფაქტებიდან. ბირთვული ძალების ბუნების შესახებ ცნობებს იძლევა სხვადასხვა ენერგიის ნეიტრონებისა და პროტონების პროტონებით გაბნევის ცდები, აგრეთვედეიტრონისა და სხვა უფრო რთული ბირთვების თვისებების შესწავლა. ბუნებრივი და ხელოვნურირადიოაქტივობა α-ნაწილაკების, β-ნაწილაკების, γ-კვანტების ამოფრქვევით, აგრეთვე მძიმე ბირთვების სპონტანური გაყოფა. ბირთვული ფიზიკის მნიშვნელოვანი ამოცანაა ბირთვის სხვადასხვა ტიპის გამოსხივების შესწავლა. ბირთვული რეაქციები, ბირთვების გარდაქმნები, რომლებიც მიმდინარეობს მათი ერთმანეთთან ან ელემენტარულ ნაწილაკებთან ურთიერთქმედების შედეგად. აღსანიშნავია დიდი პრაქტიკული მნიშვნელობის მქონე რეაქციები, როგორიცაა: ნელი და სწრაფი ნეიტრონებით გამოწვეული ბირთვების გაყოფის რეაქცია, მსუბუქი ბირთვების შეერთების მოვლენა, რომელიც საფუძვლად უდევს თერმობირთვულ რეაქციებს. ბუნებაში არარსებული ელემენტების სითეზისათვის დიდი მნიშვნელობა აქვს მრავალმუხტიანი იონების აჩქარებას და მძიმე ბირთვებთან მათი ურთიერთქმედების შედეგად მიმდინარე რეაქციებს.

ელემენტარული ნაწილაკები[რედაქტირება]

ბირთვული ფიზიკის ეს ნაწილი შეისწავლის ელემენტარულ ნაწილაკებს — ელექტრონის,პოზიტრონის, მეზონების, ნუკლონების, ანტინუკლონების, ჰიპერონების, მეზონური და ბარიონული რეზონანსების თვისებებს, მათი წარმოქმნისა და ურთიერთქმედების პროცესებს. განსაკუთრებით დიდი მნიშვნელობა ენიჭება მაღალი ენერგიების ფიზიკას, რომლის შესწავლის საგანია კოსმოსურ სხივებში მიმდინარე პროცესები და დამუხტული ნაწილაკების მძლავრ ამჩქარებელში მიმდინარე მოვლენები.

ნეიტრონული ფიზიკა[რედაქტირება]

ნეიტრონი

ნეიტრონული ფიზიკა იკვლევს ნეიტრონის თვისებებს, ბირთვების მიერ ნეიტრონების ჩაჭერისა და გაბნევის მოვლენებს, სხვადასხვა ნივთიერებაში ნეიტრონების შენელებისა და დიფუზიის პროცესებს. ნეიტრონული ფიზიკა ბირთვული რეაქტორების აგების მეცნიერული საფუძველია. ბირთვული ფიზიკის ამ დარგთან მჭიდროდაა დაკავშირებული მეცნიერული და ტექნიკური სხვა დარგებიც: მყარი სხეულების ფიზიკა, მასალათმცოდნეობა, მეტალურგია და სხვა.

ბირთვული ფიზიკის ექსპერიმენტული მეთოდები[რედაქტირება]

ბირთვული ფიზიკის ამ ნაწილში მნიშვნელოვანი ადგილი უჭირავს დამუხტული ნაწილაკების ამჩქარებლებს და კვლევითს ბირთვულ რეაქტორებს. რეაქტორები რადიოაქტიური იზოტოპების დიდი რაოდენობით მიღების საშუალებას იძლევა. ბირთვული ფიზიკის ექსპერიმენტული მეთოდიკის ამოცანაა აგრეთვე ელემენტარული ნაწილაკების აღმოჩენისა და რეგისტრაციისათვის განკუთვნილი ხელსაწყოების შექმნა, რაშიც დიდ როლს ასრულებს ელექტრონიკა და იმპულსური რადიოტექნიკა. ასეთი ხელსაწყოებია: საიონიზაციო კამერა, ვილსონის კამერა, ბუშტოვანი კამერა, დამუხტული ნაწილაკების სხვადასხვა ტიპის მთვლელები და სხვა . ქართველ მეცნიერთა ჯგუფმა შექმნანაპერწკლოვანი კამერის ახალი სრულყოფილი ვარიანტი, რომელმაც დიდი გამოყენება პოვა სხვადახვა ქვეყნის მეცნიერთა მიერ ჩატარებულ ბირთვულ გამოკვლევებში.

დოზიმეტრია[რედაქტირება]

დოზიმეტრია ბირთვული ტექნიკის ნაწილია, რომელიც წარმოიშვა ატომური ენერგიის სწრაფი განვითარების შედეგად. მისი ერთ-ერთი ამოცანაა ბირთვული ფიზიკის გამოყენებით დარგებში მომუშავე პერსონალის დაცვა მავნე გამოსხივებისაგან. ბირთვულმა ფიზიკამ ფართო გამოყენება პოვაბირთვულ ენერგეტიკასა და ბირთვულ ტექნიკაში, სამხედრო საქმეში (ატომური და წყალბადის ბომბები). რადიოაქტიურ იზოტოპებს იყენებენ სხვადსხვა პროცესის შესწავლისათვის მეცნიერულ და ტექნიკურ ისეთ დარგებში, როგორიცაა: ფიზიკა, ქიმია, მეტალურგია, ბიოლოგია, სასოფლო-სამეურნეო მეცნიერებანი, მედიცინა და სხვა.