Дәріс тақырыбы: Атом кұрылысы туралы заңдылықтар. Атомның ядролық моделі.

Жоспары:

1. Атом кұрылысы туралы заңдылықтар.

2. Атомның ядролық моделі.

Қазіргі кездегі атомдық ғылымның, техниканың және энергетиканың өте зор жетістігі, атомдық және ядролық физиканың қарқынды дамуының нәтежиесі болып табылады. Тек заттарға ғана емес жарық, электр тағы да басқа түрлі материяның табиғаты және оның қозғалысы да атомдық физика тұрғысынан қарастырылады. Сөйтіп қазіргі физикада заттың, ішкі құрылысы мен материя қозғалысы жөніндегі басты ғылымның саласы атомдық және ядролық физика туралы ілім екендігіне көзіміз толық жетіп отыр. Сол сияқты бұл ғылым саласы дүниежүзі ғылымдарының алдына, қазіргі атомдық және ядролық физиканың негізгі философиялық мәселелерін шешудң талап теді.

Атомдық физика бөлімінде мынадай негізгі үш мәселені ерекше атап өтуіміз керек.

1. Атомдық физика атомның электронды қабықша құрылысын және оның негізгі химиялық, электрлік, оптикалық қасиеттерін қарастырады.

2. Ядролық физикада ядро құрылысы және ядролық реакция, ядроны түзейтін бөлшектер және оларды зерттеп тіркеуші приборларды пайдалану әдістері қарастырылады. Ал атомдық ядро құрылысын оның ядролық моделі арқылы зерттеу қажет.

3. «Элементар бөлшектер» бөлімінде қазіргі кездегі мәлім болған элементар бөлшектер қасиетін, сол сияқты олардың жоғарғы энергиялы бөлшектерінің затқа әсері және ғарыш әлемінен жер бетіне келетін жоғары энергиялық элементар бөлшектерді қарастырады.

Атом туралы ілім сонау ерте кезден – ақ пайда болған болатын. Әсіресе грек ғалымдары, Левкин, Анаксагор, Демокрит, Эпикур, Лурецкий дененің атомдық құрылысы туралы көзқарастарды біздің эрамызға дейінгі 500 – 270 жылдары дамытты. Әсіресе, бұла мәселе жөнінде Демокриттің бүкіл аспан әлемі ішінде бөлінбейтін ұсақ бөлшектер, яғни атомдар бар бос кеңістік деп түсіндіруі ерекше болды. Ол атомдардан құрылған денелерді бір-бірінен сыртқы пішіні және орналасу жағынан ғана айыруға болады деді. Сонда денелер атомдардың қосылуы немесе бөліну нәтежиесінде ғана пайда болады және жойылады. Сөйтіп атомдар өзінің табиғи күшінің нәтежиесінде қозғалыста болады. Бұла жөнінде Демокрит көзқарасы терең мағналы материалистік ілім еді. Аристотель материя үздіксіз қозғалыста болады, ал атом болса бөлінетін ұсақ бөлшектер болуы керек деді.

Сөйтіп өткен ғасырдың аяғына дейін атом заттың бөлінбейтін, өзгермейтін бөлшегі деп саналса, ХІХ ғ аяғы мен ХХ ғбас кезіндегі ғылымның жаңа жетістіктері атомның күрделі бөлшек екендігін сипаттады.

Ең алғаш көптеген тәжірибелердің қорытындысына сүйене отырып атом құрылысының моделін 1903 жылы ағылшын ғалымы Д. Томсон (1856-1940) ұсынды. Оның болжауынша атом он зарядпен бірқалыпты зарядталған радиусы 10 м шамасындай сфера болады да, электрондар осы сфераның ішінде орналасқан. Сфераның оң зарядының мөлшері барлық электрондардың зарядына тең, сондықтан атом бейтарап; электрон орнынан қозғалғанда оған квазисерпімді күш әсер етіп, электрон гармоикалық тербелмелі қозғалысқа келеді. Бірақ бұл қағида шындыққа сай келмеді.

Атом құрылысы туралы пікірді дамытуда 1911 ж ағылшын физигі Э. Резерфорд (1871-1937) өзінің мынадай моделін ұсынды.

Атомның барлық оң заряд түгелінен оның ортасына өте шағын көлемге шоғырланған ядро болады да, оның сыртқа жағында электрондар қозғалып жүреді. Бұла қортынды белгілі бір затты α-бөлщектермен атқылаудың нәтежиесінде пайда болды. Сөйтіп α-бөлшектер негізінен радиоактивті заттардың түрленуі кезінде пайда болатын зарядының шамасы 2-ге тең оң зарядталған бөлшектер болып есептеледі. Оның массасы электрон массасынан 7300 есе үлкен де, қозғалыс жылдамдығы шамамен ≈ 10 м/с-қа тең.

Сонымен α – бөлшектер шапшаң қозғалатын едәуір ауыр бөлшектер, демек α – бөлшектер басқа заттың атомдарымен соқтығысқанда атомның ішіне енуі де мүмкін.

Э.Резерфорд атомның құрылысын осы α – бөлшектерді пайдаланып, тәжірибе жасап зерттеген, яғни жұқа металл пластинкадан (қалыңдығы шамамен 1-мкм болатын алтын фольгадан) өткен α – бөлшектердің қозғалыс бағыттарының өзгерісін бақылаған. α – бөлшектердің фольгадан өткенде шашырауының себебі, оларға атомның құрамындағы зарядтардың әсер етуінен деген қорытынды шығады. Сонда электрон соқтығысқанда оның бағыты өзгере қоймайды, өйткені α – бөлшектердің массасы электронның массасынан өте ауыр. Ал α – бөлшектер атомның оң зарядталған бөлшегімен соқтығысқанда, олардың бағыты едәуір өзгереді.

Сонымен α – бөлшектер атомның барлық оң зарядтар шоғырланған ядросымен күштірек әсерлеседі. Өйткені атомның ішіне тиіс. Ал шын мәнінде бұл қорытындының екеуі де дұрыс емес. Тәжірибелердің нәтижелері атом орнықты жүйе екендігін, ал оның спектрі сиретілген атомдық газ спектрі дара сызықтардан түзілетін сызықты спектр болатыны көрсетті.

Сөйтіп, Резерфорд моделінің кемшіліктерін ескеріп, дат физигі Н.Бор бірінші рет жаңа теорияның негізін қалады, яғни 1913ж. кванттық теорияны ойлап шығарды. Мұнда, ол атомның ядролық моделінің сызықтық спектрлерінің заңдылықтарын және жарықтың сәулеленуі мен жұтылуы туралы Планктың кванттық теориясын байланыстырып, ерекше теория моделін жасамақ болды. Бұл теорияның негізіне ол өзінің екі потулатын ұсынды.

1. Электрон ядроны айнала қозғалғанда, ол кез-келген орбита бойымен қозғалмай, тек белгілі орбиталардың, яғни стационар орбиталардың бойымен ғана қозғала алады. Осында йорбиталардың біреуінің бойымен үдей қозғалаған электрон ешқандай жарық шығармайды және стациоанр күйдегі энергиясының дискрет мәндері болады. Осы кездегі қозғалыс моментінің импульсі мынадай шартты қанағаттандырады:

(13.1)

мұндағы m – электрон массасы, - радиусы орбита ойымен қозғалған электронның жылдамдығы,

.(13.2)

2. Атом бір стационар күйден екінші стационар күйге көшкенде ғана жарық шығарады немесе жарық жұтылады. Ал осы күйлердегі атом энергиясының айырмасы монохрамат жарық кванты түрінде шығарылады немесе жұтылады. Атом жоғары энергетикалық Е₂ күйінен төменгі энергетикалық Е₁ күйіне көшкенде бір квант жарық шығарылады, яғни

,(13.3)

Мұндағы - монохрамат жарықтың тербеліс жиілігі, - Планк тұрақтысы.

Соңғы өрнек Бордың жиіліктер ережесі деп аталады. Сутек атомының құрылысы жайындағы Бордың теориясы атомның ядролық моделіне негізделген. Сондықтан, сутектің атомдық нөмірі болғандықтан, Бордың теориясы бойынша сутек атомсы бір элементар оң заряды бар ядродан және оны айнала қозғалатын бір ғана электроннан құралған. Электронның енген α – бөлшектер оң зарядты ядроның әсерінен өзінің бастапқы қозғалыс бағытын өзгертіп шашырайды. Бұдан, ядродан қашығырақ өткен α – бөлшектер шамалы бұрышқа, ал ядроға өте жақын келген α – бөлшектер үлкен бұрышқа бұрылады деген қорытынды шығады.

Сөйтіп, Резерфорд өз зерттеулерінің нәтижесінде атомның ядролық моделін жасады. Себебі теріс зарядты электрон ядроның төңірегінде электрондар қабықшасын түзеп үздіксіз орбита бойымен айналмалы қозғалыста болады. Сонда оң зарядталған ядроның заряды . Электрон ядродан 10^-10м шамасындай арақашықтықта айналып жүреді, олай болса ядро атомнан 10⁵ еседей кіші екендігін көреміз. Бұдан атом центрінде оң зарядталған ядросы бар, оны айнала қозғалып жүрген электрондардан құралған күрделі жүйе болып табылады.