Атом энергиясынын дискреттик денгээлдери

16-глава

Атом энергиясынын дискреттик денгээлдери. Атомдордун жарык квантын жутушу жана чыгарышы. Спектрлер жөнүндѳ түшүнүк. Жарыктын корпускулалык — толкундук жаратылышы

Атом энергиясынын дискреттик денгээлдери. Атомдордун жарык квантын жутушу жана чыгарышы. Жүргүзүлгѳн бир катар тажрыйбалардын жыйынтыгы атомдор ѳздѳрүнѳн нурданууларды порция (квант) түрүндѳ чыгарат деген тыянакка алып келген.

Е = nhv (15.1)

Бул учурда мүмкүн болгон энергиянын маанилери үзгүлтүксүз ырааттуулукту эмес, дискреттүү катарды түзгѳн (n=1.2.3,...).

Мындай Н. Бор атомдордун энергиясы үзгүлтүксүз өзгѳрүүсү мүмкүн эместиги жана атомдун мүмкүн болуучу абалдары дискреттүү ырааттуулукту түзсѳ, бул абалдардагы атомдун энер­гиясы дискреттүү катарды түзѳт деп жыйынтык чыгарган.

Е₁, Е₂,Е₃,.........,Е_n,..... (15.2)

Атом бул абалдардын биринде болуу менен нурду чыгарбайт да жутпайт, анын энергиясы ѳзгѳрбѳйт. Атомдун абалынын ѳзгѳрүүсү мүмкүн болуучу бир абалдан экинчисине өтүү түрүндө жүрүшү мүмкүн.

Бордун экинчи постулаты боюнча атом бир стационардык абалдан экинчисине ѳткѳндѳ жарык квантын чыгарат же жутат. Электрон башкы квант саны чоң орбитадан башкы квант саны кичине орбитага ѳтсѳ, атом ѳзүнѳн бир квант электр-магниттик энергияны нурдантат. Ал эми электрон тескерисинче башкы квант саны кичине орбитадан башкы квант саны чоң орбитага ѳтсѳ бир квант электр-магниттик энергияны жутат.

Атомдогу электрондун энергиясы башкы квант санынан кѳз карандылыкта болот. Атомдогу электрондун энергетикалык деңгээлдерин аныктоочу бүтүн сан башкы квант саны деп аталат. n=1 болгон энергетикалык деңгээл негизги энергетикалык абал (атомдун нормалдуу абалы) болуп эсептелет. Ал эми n1 болгон кездеги энергетикалык деңгээл дүүлүккѳн энергетикалык абалдар деп аталат.

Фотондун энергиясы атомдун эки стационардык абалдарындагы энергияларынын айырмасына барабар:

hν=Е_m-Е_n (15.3)

мында v_mn - атом чыгарган же жуткан нурдун жыштыгы, h - Планктын универсалдуу турактуулугу, h = 6,625 • 10^-34 Дж*с. Эгер Е_mЕ_n болсо, анда фотон нурдантылат, ал эми Е_mn болсо фотон жутулат.

Атомдор ѳздѳрү чыгара алган спектралдык сызыктарды гана жута алат. Ошентип Бордун экинчи постулаты жарыктын жутулушу менен чыгарылышынын кванттык мүнөзүнүн андан аркы ѳркүндөтүлүшүнүн негизин түзгөн.

1. Атом кайсыл учурда ѳзунѳн жарык квантын чыгарат жана жутат?

2. Фотондун энергиясы эмнеге барабар?

Спектрлер жөнүндѳ түшүнүк. Кандайдыр бир заттын нурдантуусуна кирген жыштыктардын (же толкун узундуктарынын) жыйындысы бул заттын нурдантуу спектри деп аталат. Ал эми каралып жаткан зат тарабынан жутулуучу жыштыктардын (же толкун узундуктарынын) жыйын­дысы анын жутулуу спектри деп аталат.

Ар кандай заттардын нурдантуу спектрдик курамы ар башка болот. Бирок ошого карабастан бардык спектрлер, жүргүзүлгѳн тажрыйбалар кѳргѳзгѳндѳй бири биринен ѳтө айырмаланган: сызыктуу, тилкелүү жана үзгүлтүксүз (туташ) болуп үч түрдѳгү спектрлерге бѳлүнѳт.

Кызытылып жаркырап туруучу газдар (суюлтулган) атомардык (атомдордон гана турган) абалдарында нурдантуунун сы­зыктуу спектрлерин берет. Мындай спектрлер айрым түрдѳгү спектрдик сызыктардан турат. Спектралдык сызыктар белгилүү интенсивдүүлүккѳ ээ болушуп, бири биринен кара тилкелер аркылуу бѳлүнүп турушат. Каралып жаткан химиялык элементтин ѳзүнчѳ бѳлүнгѳн атомдору, ушул химиялык элементке гана тиешелүү болгон белгилүү спектрдик сызыктардын тобун нурдантат. Мисалы, натрийдин атомдорунун жаркыраган буусунун (вакуумда) спектринен башка сызыктардын арасынан эки ачык сары сызыкты көрүүгѳ болот. Ал сары сызыктардын толкун узундуктары 5896 Å жана 5890 Å барабар (1Å ангстрем=10^-10 м).

Буу менен газдардын сызыктуу спектрлерин аларды чырактын жалынына ысытуу жолу менен алууга болот. Ушундай эле жол менен кадимки шартта катуу абалдагы заттардан да сызыктуу спектрлерди ала алабыз. Ал үчүн катуу заттын майда бөлүгүн жалынга кармоо жетиштүү. Жалынга бууланган зат сызыктуу спектрди берет. Спектралдык сызыктарды кѳпчүлүк учурларда эмиссиондук сызыктар деп да аташат.

Ар кандай заттардын сызыктуу спектрлерин талдап (анализдеп) изилдѳѳ, ар бир химиялык элемент башка элементтердин спектрлери менен дал келбей турган ѳзүнчө сызыктуу спектрлерди берерин кергѳзгѳн. Химиялык элементтердин сызыктуу спектр­лери түстѳрү, спектрлердин жайланыштары жана айрым жаркыроочу сызыктарынын саны менен айырмаланышат. Ар бир химиялык элементке мүнѳздүү болгон сызыктар спектрдин кѳзгѳ кѳрүнүүчү бѳлүгүндѳ гана пайда болбостон, ошондой эле спектрдин инфракызыл жана ультракызгылт-кѳк бѳлүктѳрүндѳ да пайда болот. Сызыктуу спектрлерди изилдѳѳ эң алгач немец окумуштуулары Г. Кирхгоф (1824—1887) жана Р. Бунзен (1811— 1899) тарабынан 1854-1859-жылдары жүргүзүлгѳн.

Сызыктуу спектрлер химиялык элементтердин молекула менен байланышпаган атомдорунун нурдантуусунан пайда болот. Бул нурдануу атомдордун ичинде жүрүүчү процесстерге байланыштуу. Сызыктуу спектрлерди изилдѳѳ ар кандай химиялык элементтердин атомдорунун электрондук катмарларынын (оболочкаларынын) түзүлүшүн билүүгѳ мүмкүндүк берген.

Тилкелүү спектрлер ортолору кара аралык менен бѳлүнгѳн бир катар ак жарык тилкелерден турат. Тилкелүү спектрлер молекулалардын нурдантуусунан пайда болот. Молекулярдык спектрлердин тилкелери электр-магниттик толкундардын инфракызыл, кѳзгө кѳрүнүүчү жана ультракызгылт-кѳк диапозонунан көрүнөт. Молекулярдык спектрдеги спектралдык сызыктар, атомдордогу спектрлер сыяктуу эле, молекулалардын энергияларынын ѳзгөрүүсүнѳн келип чыгат.

Ысытылган катуу нерселер (телолор) жана жаркырап туруучу суюктуктар үзгүлтүксүз (туташ) спектрлерди нурдантышат. Үзгүлтүксүз спектрлер жыштыктардын (же толкун узундуктарынын) биринен бирине акырындык менен ѳтүп кетүүчү үзгүлтүксүз ирээттүүлүгү болуп эсептелет. Үзгүлтүксүз спектрлер­дин мисалы катары энергиясы үзгүлтүксүз жайланышкан абсолюттук кара телонун нурдантуу спектрин алсак болот. Күндүн жаркырап турган бети - фотосфера да үзгүлтүксүз спектрди чыгарат.

1. Спектрлер кандай турлѳргѳ бѳлунѳт?

2. Сызыктуу спектрлерге түшүнүк бергиле.

3. Тилкелүү спектрлер жөнүндө түшүнүк бергиле.

4. Үзгүлтүксүз спектрлерге түшүнүк бергиле.

Жарыктын корпускулалык — толкундук жаратылышы. Немец физик-теоретиги М. Планк 1901-жылы абсолюттук кара телонун спектри, эгер нурдантуу үзгүлтүксүз эмес, порция түрүндѳ чыгарылса жана жутулса гана түшүндүрүүгѳ мүмкүн экендигин кѳргѳзгѳн. Бул учурда нурданган ар бир порциянын энергиясы Е термелүүнүн жыштыгы v менен тѳмѳндѳгүдѳй байланышта болот.

E_ф=hν, (15.4)

мында h=6,62 10^-34 Дж • сек — Планктын универсалдуу турактуулугу. Ал эми 1905-жылы А. Эйнштейн жарык бѳлүкчѳлѳрү — «фотондор» жѳнүндѳ түшүнүк киргизүү менен фотоэффекттин закон ченемдүүлүгүн түшүндүргѳн. Фотондордун энергиясы (15.4) формуласы аркылуу аныкталса, массасы жана импульсу тѳмѳнкүгѳ барабар болгон

m= E_ф /С² = hν/ С² = h/λС, р= hν/ С = h/λ (15.5)

Планк менен Эйнштейндин илимий иштери квант физикасынын өнүгүшүнүн башталышы болуп эсептелет. Бир кыйла изилдѳѳлѳрдүн жыйынтыгы жарыктын бүгүнкү күндөгү корпускулалык-толкундук жаратылышы жѳнүндѳгү түшүнүккѳ алып келди. (15.4) жана (15.5) формулалары нурдантуунун корпускулалык мүнѳздѳмѳлөрү болгон кванттын - фотондун массасын, импульсун жана энергиясын толкундук касиетти мүнѳздѳѳчү термелүүнүн жыштыгы жана толкун узундугу менен байланыштырып турат. Мына ушундан жарыктын корпускулалык-толкундук жаратылышы кѳрүнүүдѳ. Бир жагынан жарык толкун­дук касиетке ээ: интерференция, дифракция жана поляризация кубулуштары орун алат; экинчи жагынан жарык фотондордун агымы болуп эсептелет. Жыштык ν кичине болсо, жарыкта толкундук касиет кѳбүрѳѳк ролду ойнойт, ал эми ν чоң болсо, жарыктын кванттык касиети үстѳмдүк кылат. Жарыктын корпускулалык жана толкундук касиеттеринин ортосунда ѳз ара байланыштары бар. Бул байланыш жарыктын бир тектүү эмес чѳйрѳдѳ таралышында байкалат. Мисалы, жарык кичине жылчык аркылуу ѳтүп, экранда дифракциялык максимум жана минимумдардын байкалышы фотондордун зат (жылчык) менен ѳз ара аракеттенүүсүнүн натыйжасы болуп эсептелет. Бул учурда фотондор мейкиндикте ар кандай тыгыздыкта жайланышат. Жарыктын корпускулалык жана толкундук касиеттери бири- бирин ѳз ара толукташат жана жарыктын таралышынын ѳз ара байланышкан закон ченемдүүлүгүн чагылдырышат.

Жарыктын корпускулалык касиети электр-магниттик нурдануунун энергиясынын, импульсунун жана массасынын ѳзгѳчѳ бѳлүкчѳлѳргѳ-фотондорго топтолгондугунда.

Ошентип, жарык ѳзгѳчѳ бѳлүкчѳлѳрдүн-фотондордун агымы катары каралат. Фотондун тынч абалдагы массасы нѳлгѳ барабар, вакуумда жарык ылдамдыгына барабар болгон (с) ылдамдыгы менен кыймылдайт.

Фотондордун пайда болуусу (нурдануусу) атомдордун, молекулалардын, иондордун жана атом ядросунун дүүлүккѳн энергетикалык абалдарынан кичине энергиялуу абалдарга ѳтүүсүнѳ байланыштуу. Ошондой эле фотондор заряддалган бѳлүкчѳлѳр ылдамданууга ээ болгондо, же болбосо тормоздолгондо, айрым бѳлүкчѳлѳр ажыраган кезде нурданышат. Заттар тара­бынан жарыктын жутулуу процесси фотондордун ѳздѳрүнүн бүткүл энергияларын заттын бѳлүкчѳлѳрүнѳ берүүсүнѳ алып келет.

1. Нурдануу энергиясы термелүүнүн жыштыгы менен кандай байланышта болот?

2. Фотондун массасы жана импульсу кандай туюнтулат? 3. Жарыктын корпускулалык-толкундук жаратылышта экендигин кантип билебиз?