Атомдун ядролук модели. Резерфорддун тажрыйбасы. Бордун кванттык постулаттары

15-глава

АТОМДУК ЖАНА ЯДРОЛУК ФИЗИКА Атомдун ядролук модели. Резерфорддун тажрыйбасы. Бордун кванттык постулаттары

Атомдун ядролук модели. Резерфорддун тажрыйбасы. Атомдун бүтүндѳй бардык оң заряддары ядрого - атомдун бүткүл кѳлөмүнө салыштырганда ѳтѳ эле кичине кѳлѳмгѳ топтошулган деп эсептелинген атомдун түзүлүшү ядролук (планетардык) модель деп аталат. Химиялык элементтердин атомунун ядролору оң заряддалган протондордон жана электр зарядына ээ болбогон нейтрондордон турат. Мисалы, оор суутектин атомунун ядросун бир протон, бир нейтрон түзүп, ядронун айланасында бир электрон кыймылда болот. Протондун заряды абсолюттук чоңдугу боюнча электрондун зарядына барабар. Ядро­нун сызыктуу ѳлчѳмү болжол менен 10^{- 15} — 10^-14 м тартипти түзөт. Ал эми сызыктуу ѳлчѳмү болжол менен 10^-10 м болгон атомдун калган бѳлүгүн терс заряддалган электрондор ээлейт жана электрондордун терс заряддарынын абсолюттук суммасынын мааниси ядронун оң зарядына барабар келип, атомдун нейтралдуулугун камсыз кылат. Ядродогу протондордун саны элек­трондордун санына барабар болуп, Менделеевдин мезгилдүү сис­темасындагы каралып жаткан химиялык элементтин атомунун катар номери (атомдук номери) Z менен дал келет. Атом­дун бардык массасы, иш жүзүндѳ, анын ядросуна топтолгон. Ядрого жакын аралыкта кыймылда болушкан электрондордун массасы ядродогу нуклондордун (протондор менен нейтрондордун) массаларына караганда эң эле кичине. Ядродогу нейтрондордун саны N аркылуу белгиленет. Бардык ядролор (суутектен, гелийден башкасы) үчүн N≥Z. Менделеевдин мезгилдүү системасынын биринчи жарымындагы жеңил ядролор үчүн N/Z≈ 1. Ал эми мезгилдүү системанын аягына жайгашкан химиялык элементтердин атомдорунун ядролорунда нейтрондор кѳптүк кылат — алар үчүн N/Z≈1,6.

Атомдун ядролук модели англиялык улуу физик Э. Резер­форддун тажрыйбаларынын натыйжасы болуп эсептелет. Ал α- бѳлүкчѳлѳрүнүн агымынын алтындан жасалган ѳтѳ жука плас­тинка (фольга) аркылуу ѳтүшүн изилдеген. Урандын ядросунан чыккан альфа-бѳлүкчѳлѳрдүн ар бири 4,05 МэВ энергияга ээ болушкан. Ушундай бѳлүкчѳлѳрдүн жардамы менен Резерфорд жука металл пластинкаларын «аткылоо» аркылуу α - бѳлүкчѳлѳрдүн заттын ичиндеги чачыроосун изиддеген. Резерфорддун тажрыйбасынын жѳнѳкѳй түрдѳгү

1-сүрөт. түзүлүшү 1-сүрөттѳ берилген. α - бѳлүкчѳлѳрү Б булагынан чыгат. Ал булак α- бѳлүкчѳлѳрү учуп чыгууга ылайыкталып жасалган К каналдуу ичи көңдѳй коргошунга жайгашкан. Канал аркылуу кыймылда болбогон

башка баардык α- бөлүкчѳлѳрү коргошун тарабынан жутулуп алынат. α - бѳлүкчѳлөрүнүн ичке агымы гана алтындан жасалган Ф фольганын бетине түз келип түшѳт.

Фольга аркылуу ѳткѳндѳ, анын ичинде чачыроого дуушар болгон α бѳлүкчѳлѳрү (Э) экранына түшүп анда жарк этүүлөрдү пайда кылат. Экран болсо ага бѳлүкчѳлөр келип урунганда жарк этүүнү камсыз кылуучу зат менен капталган. Абада α- бѳлүкчѳлѳрүнүн кошумча чачыроолору болбос үчүн фольга менен экрандын ортосундагы мейкиндикте жетишээрлик денгээлде вакуумдук абал түзүлгѳн. Мындай түрдѳ түзүлгѳн курал (прибор) 150° ка дейре чачыроочу - бөлүкчѳлѳрдү байкоого мүмкүндүк берген.

Резерфорддун тажрыйбалары фольга аркылуу ѳткѳн α — бѳлүкчѳлөрүнүн дээрлик бардыгы ѳздѳрүнүн баштапкы кыймыл багыттарын сактагандыгын, же болбосо эң эле кичине бурчка кыйшайгандыгын кѳргѳзгѳн. α - бѳлүкчѳлѳрүнүн айрымдары гана 135-150° тартибиндеги чоң бурчтарга кыйшайышкан.

Резерфорддун тажрыйбаларынын жыйынтыктары жогоруда айтылган атомдун ядролук моделининин ишенимдүү далили болуп эселтелет. Аны тѳмѳнкү көрүнүштѳр аркылуу түшүндүрсѳк болот.оненеи кеьтмкмаликка

α - бѳлүкчѳлѳрү атомдун электрондук катмарлары аркылуу ѳткѳндѳ ѳздѳрүнүн баштапкы багыттарын анчалык деле белгилүү ѳлчѳмдѳ ѳзгѳртпѳѳлѳрү керек. Электрондун массасы α - бѳлүкчөлѳрүнүн массасынан ѳтѳ эле кичине, ал эми баардык электрондордун терс заряддары электрондук катмарлардын бүткүл кѳлѳмү боюнча жайланышкан. Ѳзүнүн кыймыл жолунда затта-гыэлектрондорго туш болгондо α-бөлүкчөлөрү, иш жүзүндө алардан чачырашбайт. Ядронун бетине жакын аралыктан өткөн гана аз сандагы α –бөлүкчөлөрү багытын кескин өзгөртүүгө мажбур болушат. Анткени +2е зарядына ээ болгон, оң заряддалган α- бөлүкчөсү ядрого чейинки r кичине аралыгына ядро тарабынан таасир эткен бир кыйла чоң F кулондук күчүнө дуушар болот:

F=1(+2еZе)/4πε_οr²

е- протондун оң заряды, Z-ядродогу протондордун саны, ε_ο- электрдик турактуулук. Эгер массасы т болгон α- бөлүкчөсү Zе заряддуу ядрону көздөй учса, анда α- бөлүкчөсү менен ядронун ортолорунда эң кыска аралык r_мин төмөнкү шарттан аныкталат:

тυ²/2=(2е)(Zе)/ 4πε_οr_мин

r_мин аралыгында α-бөлүкчөсүнүн кинетикалык энергиясы ядро менен α-бөлүкчөсүнүн электростатикалык түртүлүү потенциялдык энергиясына өтүп кетет. Мына ушул барабардыгынан атомдун ядросунун ээлеген сызыктуу өлчөмү (r_мин ≈10^-14-10^-15м) аныкталат.

Резерфорд белгилүү Θ бурчуна чачыраган α-бөлүкчөлөрдүн саны менен α-бөлүкчөлөрүнүн энергиясы жана ядродогу протондордун Z санын байланыштырган формуланы да алган. Алынган формуланын тууралыгы Резерфорддун тажрыйбасы аркылуу текшерилген. Ошондой эле бул тажрыйба ядродогу протондордун саны Z химиялык элементтин атомдук номери менен дал келерлигин кѳргѳзгѳн. Атомдогу протондордун санынын химиялык элементтин атомдук номери менен дал келиши, атомдун ядролук моделинин атомдун чыныгы түзүлүшүнѳ туура келүүсүнүн маанилүү далили болун эсентелет.

? 1. Атом ядросу кайсы бѳлүкчөлѳрдѳн турат?

2. Резерфорддун тажрыйбасы жөнүндө түшүнүк бергиле.

3. Ядрого жакын кичине аралыкта α- бѳлүкчѳсүнѳ кандай күч таасир этет?

4. Ядро менен α- бѳлүкчѳсүнун ортолорундагы минималдуу аралык кандай шарттан аныкталат?

Бордун кванттык постулаттары. Ѳткѳн параграфта атом оң заряддалган оор ядродон жана анын айланасындагы электрондордон турарын кѳрдүк. Классикалык механика боюнча мындай система электрондор ядронун айланасында кандайдыр бир белгилүү орбита боюнча кыймылдап айлануу кыймыл жасаган учурда гана тең салмактуулук абалда боло алат. Ал эми классикалык электр-динамика боюнча мындай атом тең салмаксыздык абалда болушу мүмкүн. Анткени электрон­дор айлана боюнча ылдамдануу менен кыймылда болгон учурда энергияны электр-магниттик толкундар түрүндѳ чыгарып туруулары керек. Ушуга байланыштуу натыйжада акырындап элек­трондор ядрого кулап түшмѳк. Ошону менен катар эле, мындай шартта, нурдануу жыштыгы да үзгүлтүксүз ѳзгѳрүп турмак. Демек, бири биринен кескин айырмаланган атомдук спектралдык сызыктардын ордуна туташ спектр алмакпыз. Чындыгында мын­дай кѳрүнүштүн байкалбагандыгы атомдордун бири биринен кес­кин айырмаланган спектралдык сызыктуу спектрди чыгарып туруусун, алардын туруктуу экендигин кѳргѳзѳт. Бул болсо клас­сикалык электр-динамикага туура келбестикти билдирет.

Классикалык физиканын алдындагы мындай кыйынчылыктардын айрым учурларын чечүүдѳ даниялык физик Н. Бордун суутек атому жѳнүндѳгү теориясы чоң мааниге ээ болгон. Бул теория бардык атомдук системага да жайылтылган. Бордун теориясы боюнча классикалык физиканын закондору микродүйнѳдѳгү кубулуштарга колдонууга жараксыз. Бор тарабынан сунуш кылынган теориянын негизин Резерфорддун атом жѳнүндѳгү моделинен келип чыккан эки постулат түзѳт.

1-постулат. Атомдор (ошондой эле атомдук системалар), алар­дын курамына кирген электрондордун кыймылда болуусуна карабастан узак убакытка чейин белгилүү бир стационардык абалда гана боло алышат жана алар энергияны нурдантышпайт жана жутушпайт.

Андагы электрондордун кыймылдашына карабастан стацио­нардык абалдарда атом электр-магниттик толкундарды нурдантпайт. Ар бир стационардык абалдарга атомдун белгилүү Е_п энер­гиясы туура келет. Электрондор атомдун стационардык абалдарына туура келүүчү стационардык орбиталар боюнча кыймылда болушат. Электрондор ылдамдануу менен кыймылда болушса да электр-магниттик толкундарды нурдантышпайт. Ал эми электродинамиканын теориясы боюнча ылдамдануу менен кыймылда болуучу электр заряддары дайыма электромагниттик толкундарды нурдантышат.

2-постулат. Бир стационардык абалдан экинчисине ѳткѳн атомдор жарык кванттары түрүндѳ абалдардын энергияларынын айырмасына барабар энергияны нурдантышат жана жутушат.

ћω=Е_m-Е_n, ω= Е_m-Е_n/ ћ, (Е_m Е_n) (2.1)

Демек, электрондор бир стационардык абалдан экинчисине ѳткөндѳ гана атомдор электр-магниттик толкундарды нурданты­шат же жутушат. Е_m Е_n учуру нурдантууга туура келет жана Бордун жыштык жѳнүндѳгү шарты деп аталат. Эгер Е_m Е_n болсо фотондор жутулат.

Жогорудагы эки постулат тең классикалык электродинамиканын талаптарына түздөн түз карама каршы келет. Анткени биринчи постулат боюнча электрондор ылдамдатылган кый­мылда (туюк орбита боюнча айланууда) болушса да атомдор нурдантышпайт. Ал эми экинчи постулат боюнча нурдантуунун жыштыгы электрондордун мезгилдүү кыймылдарынын жыштыгы менен эч кандай байланышы жок.

Ошентип даниялык физик Н. Бор 1913-жылы атом теориясына биринчи жолу кванттык моделди, башкача айтканда атомдун планетардык түзүлүшүн киргизген.

Бордун кванттык постулаттары немец физиктери Дж. Франк (1882-1964) менен Густав Герцтин (1887-1975) тажрыйбаларнда түздѳн түз эксперименттик далилдѳѳлѳргѳ ээ болгон.

Аталган тажрыйбаларда суюлтулган газдын атомдору же молекулалары жай кыймылдагы электрондор менен аткыланган. Бул учурда электрондордун урунганга чейинки жана андан кийинки ылдамдыктары изилденген. Эгер урунуу серпилгичтүү болсо, анда урунуудан кийинки ылдамдык ѳзгѳргөн эмес. Ал эми серпилгичтүү эмес урунуулар болсо электрондордун бѳлүгү ѳздѳрүнүн энергияларын урунган атомдорго берүү менен ылдамдыктарын ѳзгѳрткѳн.

Франк менен Герцтин тажрыйбаларынан тѳмѳндѳгүдѳй жыйынтыктар алынган:

1. Электрондордун ылдамдыктары критикалык ылдамдыктан кичине болсо, урунуу серпилгичтүү болуп, электрондор энергияларын атомдорго бербей, андан ыргып кетүү менен болгону ылдамдыгынын багыты гана ѳзгѳргөн.

2. Электрондордун ылдамдыктары критикалык ылдамдыкка жетсе, урунуу серпилгичтүү эмес болуп, электрондор ѳздѳрүнүн энергияларын атомдорго ѳткөрүү менен энергия­ларын жоготкон. Атомдор мындай учурда чоң эңергияга мүнөздүү болгон башка стационардык абалга өткөн.

Ошентип, атом серпилгичтүү эмес урунууларда кошумча энергияга ээ болгон. Бул кошумча энергия эки стационардык абалдардагы энергиялардын айырмасына барабар болгон. Тажрыйбадан алынган бул жыйынтыктар Бордун кванттык постулаттарынын толук далили болуп эсептелет.

1. Бордун теориясынын негизин кайсыл постулаттар түзөт?

2. Бордун теориясын кайсыл эксперименттер далилдейт?

3. Франк менен Герцтин тажрыйбаларынан кандый жы­йынтыктар алынган?