Атом жӘне ядролыҚ физика

Резерфорд моделі. Альфа бөлшектер кейбір элементтердің атомдары ыдырағанда пайда болады. Оны радиоактивті элементтердің атомдары шығарады. Ол оң зарядталған, заряды -ге тең. Массасы сутегінің массасынан төрт есе ауыр. Альфа бөлшектерімен алтыннан жасалған жұқа фольганы атқылаған Резерфорд тәжірибесі суретте көрсетілген.

Қорғасыннан жасалған құралдың ішіне альфа бөлшектерін шығаратын құрал (1) орнатылған. Альфа бөлшектері (2) өзекше (қалған альфа бөлшектерін қорғасын жұтып алады) бойымен тарала отырып фольганы (3) соққылайды. Фольгадан өткен альфа бөлшектерді экран (4) тіркеп отырады. Резерфорд альфа бөлшектерінің ауытқымай бірден фольгадан өтіп кететінін байқады.Алайда, альфа бөлшектерінің аз бөлігінің ауытқуы байқалады. Ал кейбірі 135⁰-150⁰ дейін ауытқығаны байқалған. Оң зарядталған альфа бөлшектерінің өз бағытынан ауытқуы, оның жолында оң зарядталған «бір нәрсемен» кездесуінен деп түсіндірді, Резерфорд. Бұл «бір нәрсе» деп отырғанымыз ядро. Ядро оң зарядталған. Оны айнала теріс зарядталған электрондар қозғалып жүреді. Бұл Резерфорд ұсынған атомның моделі еді. Ядроның массасы атомның массасының 99,94% - іне тең. Басқаша айтқанда атом массасы түгелімен ядрода жинақталған деуге болады. Сөйтіп, альфа бөлшектері фольгадан өткенде өз жолында электрондармен және ядромен кездеседі. Электрондармен кездескен альфа бөлшектері өз бағытын өзгертпей тура таралатын болса, ядромен кездескен альфа бөлшектері өз бағытын 135⁰-150⁰ өзгертеді екен. Алайдасоңғыларының саны онша көп емес. Орта есеппен алғанда 8000 альфа бөлшектің тек біреуі ғана өз бағытын 150⁰ өзгертеді. Атом күрделі жүйе, оның центрінде оң зарядталған ядро бар, оның заряды (мұндағы элементтің реттік нөмірі). Ядрны айнала электрондар қозғалып жүреді, қалыпты күйде олардың саны -ке тең. Ядроның мөлшері шамамен м, ал атомның диаметрі шамамен м. Резерфорд моделі атом құрылысын дұрыс түсіндіре білді. Алайда классикалық физика заңдарын пайдаланып қарағанда бұл модельдің өз кемшіліктері бар. Атап айтқанда классикалық электродинамика заңдарына сүйенсек:

Біріншіден, ядроны айнала қозғалып жүрген электрондар электромагниттік толқындар шығаруға тиіс. Электронның айналуынан шығып отырған электромагниттік сәулелену нәтижесінде атомның энергиясы кеми беруге тиіс. Олай болса, электрон ядроға жақындай түсуге, сөйтіп өте аз уақыт ішінде электрон ядроға құлап түсуі тиіс. Атом өз өмір сүруін тоқтатады. Екіншіден, электрон ядроға жақындаған сайын оның айналыс жиілігі арта түседі. Демек, шығарылған жарық жиілігі үздіксіз артып отырады. Олай болса, атом шығаратын жарық спектрі тұтас спектр болуға тиіс.

Демек, атом орнықсыз жүйе және ол тұтас спектр шығарады. Ал шындығында атом өте орнықты жүйе және ол сызықты спектр түзеді. Бұдан атом ішіндегі процестерді түсіндіру үшін классикалық электродинамика заңдарының жарамсыз екендігі байқалады. Резерфорд моделін бұл қиыншылықтардан алып шығуға көмектескен дат физигі Нильс Бор болды. Ол мынандай үш постулат ұсынды:

1. Электрон ядроны айнала қозғалғанда, ол кез келген орбитаның бойымен қозғалмай, тек белгілі орбита бойымен қозғалады. Оны стационар орбита деп атайды. Әрбір стационар орбитаға тән энергияның мәндері болады. Стационар орбитамен қозғалып жүрген электрон жарық шығармайды және де жарық жұтпайды.

Бұл стационар күйлердің постулаты деп аталады.

2. Электрон бір стационар орбитадан екінші стационар орбитаға өткенде квант энергия шығарады немесе жұтады:

Бұл постулат жиіліктер ережесі деп аталады.

3. Мына шарт орындалғанда электрондардың дөңгелек траекториялары стационар орбиталарға сәйкес келеді, мұндағы , және электронның массасы мен жылдамдығы, Планк тұрақтысы. Бұл постулат орбиталарды кванттау ережесі деп аталады.

Сөйтіп, Бор бірінші болып атом теориясында кванттар идеясын ұсынды. Яғни атом энергияны үздіксіз шығара бермейді. Атом энергияны үздік-үздік (квант түрінде) шығарады немесе жұтады.

Квант теориясы тұрғысынан сутегі атомын түсіндіру. Сутегі атомында ядроны тек бір ғана электрон айналып жүреді. Сутегі атомының ядросын (протон) қозғалмайды деп ұйғарып, электронның қозғалу орбитасын дөңгелек деп алайық. Сонда электрондарды орбитада ұстап тұратын центрге тартқыш күш (.т) электрон мен протонның арасындағы кулон күшіне тең болады:

(1.1)

ал , екенін еске алсақ:

(1.2)

және (2)-ны біріктіріп қарастырсақ, стационар орбиталардың радиусын анықтайтын мына формуланы табамыз:

, (1.3)

бас кванттық сан, ол , (3) формуланың оң жағындағы шамасынан басқаның бәрі тұрақты шамалар. Олай болса, стационар орбиталар радиустарының қатынастары натурал сандар қатары квадраттарының қатынасындай болады, яғни .

Бірінші стационар орбитаның радиусы мынаған тең: м.

Екінші орбитаның радиусы: м.

Үшінші орбитаның радиусы: м т.с.с.

Электрон орбитасының радиусын немесе электронның жылдамдығын дәл өлшеуге келе бермейді. Сондықтан теорияның дұрыс екенін тексеру үшін өлшеуге көнетін физикалық шама қажет. Ондай шама атомның шығаратын және жұтатын энергиясы болып саналады.

Сутегі атомының стационар күйіндегі энергиясы (Е) электронның ядроны айнала қозғалғанда кинетикалық энергиясы мен электрон мен ядро арасындағы потенциалық энергияларының қосындысына тең болады.

Ал кинетикалық энергия немесе (2) формуланы пайдалансақ,

(1.4)

Бір-бірінен қашықтықта орналасқан оң және теріс зарядталған екі дененің потенциялық энергиясы:

(1.5)

Минус таңбасы екі дене біріне-бірі жақындаған сайын, олардың потенциялық энергиясының кеми беретінін көрсетеді. (1.4) және (1.5) формулаларды ескерсек, онда сутегі атомының толық энергиясы мынаған тең:

(1.6)

немесе (1.3) формуладағы дің мәнін соңғы формулаға қойсақ:

(1.7)

(1.7) формула сутегі атомының стационар күйінің энергиясы теріс екенін көрсетеді. (1.7) формуланы пайдаланып кез-келген стационар орбитадағы электронның энергиясын табуға болады.

Бірінші орбита үшін , сонда эВ. Бұл энергияны негізгі күйдің энергиясы деп атайды. Егер атом негізгі күйде тұрған болса, онда электронды атомнан «жұлып» алып кету үшін 13,6 эВ энергия керек болады екен. Сонымен негізгі күйде тұрған сутегі атомының байланыс энергиясы мен иондалу энергиясы біріне-бірі тең және ол мынаған тең: .

Екінші орбита үшін , .

Үшінші орбита үшін , .

Төртінші орбита үшін , .

Бесінші орбита үшін , , , .

Сонымен эВ, мұндағы

бас кванттық сан атом энергиясын анықтайды. Әрбір ге тән энергияның мәнін жоғарыда таптық. өскен сайын атом энергиясы да өседі. кездегі энергиясы эВ тең болатын күйді қалыпты немесе негізгі күй деп атайды. Егер болса, онда оған сәйкес келетін күйді қозған күй деп атайды. Негізгі күй тұрақты болады да, қозған күй тұрақсыз (орнықсыз) болады. Атомның , , энергия мәндерінің жиынтығын энергетикалық деңгейлер жүйесі ретінде қарастыруға болады. Суреттен көріп отырғандай деңгейлер бірінен-бірі бірдей қашықтықта орналаспаған, өскен сайын деңгейлердің орналасуы жиілей түседі.

Егер электрон жоғарғы орбитадан төменгі орбитаға көшсе, онда атом квант шығарады, ал электрон төменгі орбитадан жоғарғы орбитаға көшетін болса, онда атом квант энергия жұтуы керек. Мысалы, электрон екінші орбитадан бірінші орбитаға көшсе, онда атомның шығаратын квант энергиясы мынаған тең. эВ. Электрон төменгі орбитадан жоғарғы орбитаға өз бетінше көше алмайды. Ол үшін энергия қажет. Мысалы, электрон бірінші орбитадан екінші орбитаға көшу үшін оған 10,20 эВ энергия болу керек. Сонда ғана атом қозған күйге келеді. Сондықтан, біз атом белгілі бір жиіліктегі толқынды жұта алады немесе шығара алады дейміз. Міне осыдан барып сутегі сызықты болатындығы шығады. Біз жоғарыда атом энергиясы көбірек стационар күйден энергиясы аз стационар күйге көшкенде энергия шығарады дедік. Жалпы түрде оны былай жазуға болады: . Осы кездегі шығарылатын жарық жиіліктері мына формуламен анықталады:

(1.8)

Осы формулаға бағынатын спектрлер спектрлік сериялар деп аталады, мұндағы - атомның фотон шығарғанға дайінгі бас кванттық саны мен энергиясы: атомның фотон шығарғаннан кейінгі бас кванттық саны мен энергиясы.