АТОМ ЖНЕ ЯДРОЛЫ ФИЗИКА

Резерфорд моделі. Альфа блшектер кейбір элементтерді атомдары ыдыраанда пайда болады. Оны радиоактивті элементтерді атомдары шыарады. Ол о зарядталан, заряды -ге те. Массасы сутегіні массасынан трт есе ауыр. Альфа блшектерімен алтыннан жасалан жа фольганы атылаан Резерфорд тжірибесі суретте крсетілген.

орасыннан жасалан ралды ішіне альфа блшектерін шыаратын рал (1) орнатылан. Альфа блшектері (2) зекше (алан альфа блшектерін орасын жтып алады) бойымен тарала отырып фольганы (3) соылайды. Фольгадан ткен альфа блшектерді экран (4) тіркеп отырады. Резерфорд альфа блшектеріні ауытымай бірден фольгадан тіп кететінін байады.Алайда, альфа блшектеріні аз блігіні ауытуы байалады. Ал кейбірі 135⁰-150⁰ дейін ауытыаны байалан. О зарядталан альфа блшектеріні з баытынан ауытуы, оны жолында о зарядталан «бір нрсемен» кездесуінен деп тсіндірді, Резерфорд. Бл «бір нрсе» деп отыранымыз ядро. Ядро о зарядталан. Оны айнала теріс зарядталан электрондар озалып жреді. Бл Резерфорд сынан атомны моделі еді. Ядроны массасы атомны массасыны 99,94% - іне те. Басаша айтанда атом массасы тгелімен ядрода жинаталан деуге болады. Сйтіп, альфа блшектері фольгадан ткенде з жолында электрондармен жне ядромен кездеседі. Электрондармен кездескен альфа блшектері з баытын згертпей тура таралатын болса, ядромен кездескен альфа блшектері з баытын 135⁰-150⁰ згертеді екен. Алайдасоыларыны саны онша кп емес. Орта есеппен аланда 8000 альфа блшекті тек біреуі ана з баытын 150⁰ згертеді. Атом крделі жйе, оны центрінде о зарядталан ядро бар, оны заряды (мндаы элементті реттік нмірі). Ядрны айнала электрондар озалып жреді, алыпты кйде оларды саны -ке те. Ядроны млшері шамамен м, ал атомны диаметрі шамамен м. Резерфорд моделі атом рылысын дрыс тсіндіре білді. Алайда классикалы физика задарын пайдаланып араанда бл модельді з кемшіліктері бар. Атап айтанда классикалы электродинамика задарына сйенсек:

Біріншіден, ядроны айнала озалып жрген электрондар электромагниттік толындар шыаруа тиіс. Электронны айналуынан шыып отыран электромагниттік сулелену нтижесінде атомны энергиясы кеми беруге тиіс. Олай болса, электрон ядроа жаындай тсуге, сйтіп те аз уаыт ішінде электрон ядроа лап тсуі тиіс. Атом з мір сруін тотатады. Екіншіден, электрон ядроа жаындаан сайын оны айналыс жиілігі арта тседі. Демек, шыарылан жары жиілігі здіксіз артып отырады. Олай болса, атом шыаратын жары спектрі ттас спектр болуа тиіс.

Демек, атом орнысыз жйе жне ол ттас спектр шыарады. Ал шындыында атом те орныты жйе жне ол сызыты спектр тзеді. Бдан атом ішіндегі процестерді тсіндіру шін классикалы электродинамика задарыны жарамсыз екендігі байалады. Резерфорд моделін бл иыншылытардан алып шыуа кмектескен дат физигі Нильс Бор болды. Ол мынандай ш постулат сынды:

1. Электрон ядроны айнала озаланда, ол кез келген орбитаны бойымен озалмай, тек белгілі орбита бойымен озалады. Оны стационар орбита деп атайды. рбір стационар орбитаа тн энергияны мндері болады. Стационар орбитамен озалып жрген электрон жары шыармайды жне де жары жтпайды.

Бл стационар кйлерді постулаты деп аталады.

2. Электрон бір стационар орбитадан екінші стационар орбитаа ткенде квант энергия шыарады немесе жтады:

Бл постулат жиіліктер ережесі деп аталады.

3. Мына шарт орындаланда электрондарды дгелек траекториялары стационар орбиталара сйкес келеді, мндаы , жне электронны массасы мен жылдамдыы, Планк тратысы. Бл постулат орбиталарды кванттау ережесі деп аталады.

Сйтіп, Бор бірінші болып атом теориясында кванттар идеясын сынды. Яни атом энергияны здіксіз шыара бермейді. Атом энергияны здік-здік (квант трінде) шыарады немесе жтады.

Квант теориясы трысынан сутегі атомын тсіндіру. Сутегі атомында ядроны тек бір ана электрон айналып жреді. Сутегі атомыны ядросын (протон) озалмайды деп йарып, электронны озалу орбитасын дгелек деп алайы. Сонда электрондарды орбитада стап тратын центрге тартыш кш ( .т) электрон мен протонны арасындаы кулон кшіне те болады:

(1.1)

ал , екенін еске алса:

(1.2)

жне (2)-ны біріктіріп арастырса, стационар орбиталарды радиусын анытайтын мына формуланы табамыз:

, (1.3)

бас квантты сан, ол , (3) формуланы о жаындаы шамасынан басаны брі траты шамалар. Олай болса, стационар орбиталар радиустарыны атынастары натурал сандар атары квадраттарыны атынасындай болады, яни .

Бірінші стационар орбитаны радиусы мынаан те: м.

Екінші орбитаны радиусы: м.

шінші орбитаны радиусы: м т.с.с.

Электрон орбитасыны радиусын немесе электронны жылдамдыын дл лшеуге келе бермейді. Сондытан теорияны дрыс екенін тексеру шін лшеуге кнетін физикалы шама ажет. Ондай шама атомны шыаратын жне жтатын энергиясы болып саналады.

Сутегі атомыны стационар кйіндегі энергиясы (Е) электронны ядроны айнала озаланда кинетикалы энергиясы мен электрон мен ядро арасындаы потенциалы энергияларыны осындысына те болады.

Ал кинетикалы энергия немесе (2) формуланы пайдаланса,

(1.4)

Бір-бірінен ашытыта орналасан о жне теріс зарядталан екі денені потенциялы энергиясы:

(1.5)

Минус табасы екі дене біріне-бірі жаындаан сайын, оларды потенциялы энергиясыны кеми беретінін крсетеді. (1.4) жне (1.5) формулаларды ескерсек, онда сутегі атомыны толы энергиясы мынаан те:

(1.6)

немесе (1.3) формуладаы ді мнін соы формулаа ойса:

(1.7)

(1.7) формула сутегі атомыны стационар кйіні энергиясы теріс екенін крсетеді. (1.7) формуланы пайдаланып кез-келген стационар орбитадаы электронны энергиясын табуа болады.

Бірінші орбита шін , сонда эВ. Бл энергияны негізгі кйді энергиясы деп атайды. Егер атом негізгі кйде тран болса, онда электронды атомнан «жлып» алып кету шін 13,6 эВ энергия керек болады екен. Сонымен негізгі кйде тран сутегі атомыны байланыс энергиясы мен иондалу энергиясы біріне-бірі те жне ол мынаан те: .

Екінші орбита шін , .

шінші орбита шін , .

Тртінші орбита шін , .

Бесінші орбита шін , , , .

Сонымен эВ, мндаы

бас квантты сан атом энергиясын анытайды. рбір ге тн энергияны мнін жоарыда тапты. скен сайын атом энергиясы да седі. кездегі энергиясы эВ те болатын кйді алыпты немесе негізгі кй деп атайды. Егер болса, онда оан сйкес келетін кйді озан кй деп атайды. Негізгі кй траты болады да, озан кй трасыз (орнысыз) болады. Атомны , , энергия мндеріні жиынтыын энергетикалы дегейлер жйесі ретінде арастыруа болады. Суреттен кріп отырандай дегейлер бірінен-бірі бірдей ашытыта орналаспаан, скен сайын дегейлерді орналасуы жиілей тседі.

Егер электрон жоары орбитадан тменгі орбитаа кшсе, онда атом квант шыарады, ал электрон тменгі орбитадан жоары орбитаа кшетін болса, онда атом квант энергия жтуы керек. Мысалы, электрон екінші орбитадан бірінші орбитаа кшсе, онда атомны шыаратын квант энергиясы мынаан те. эВ. Электрон тменгі орбитадан жоары орбитаа з бетінше кше алмайды. Ол шін энергия ажет. Мысалы, электрон бірінші орбитадан екінші орбитаа кшу шін оан 10,20 эВ энергия болу керек. Сонда ана атом озан кйге келеді. Сондытан, біз атом белгілі бір жиіліктегі толынды жта алады немесе шыара алады дейміз. Міне осыдан барып сутегі сызыты болатындыы шыады. Біз жоарыда атом энергиясы кбірек стационар кйден энергиясы аз стационар кйге кшкенде энергия шыарады дедік. Жалпы трде оны былай жазуа болады: . Осы кездегі шыарылатын жары жиіліктері мына формуламен аныталады:

(1.8)

Осы формулаа баынатын спектрлер спектрлік сериялар деп аталады, мндаы - атомны фотон шыарана дайінгі бас квантты саны мен энергиясы: атомны фотон шыараннан кейінгі бас квантты саны мен энергиясы.