Atom tuzilishining modellari

6-maruza. Atom yadrosi modellari. Bor postulatlari. Bor nazariyasi. Frank va Gers tajribalari. Vodorod atomining Bor nazariyasi

Reja:
Kirish

1. 
   Atom tuzilishining modellari
   
2. 
   Atom tuzilishining Tomson modeli
   
3. 
   Rezerford tajribalari
   
4. 
   Atom planetar modelining klassik fizika tasavvurlariga mos kelmasligi
   
5. 
   Bor postulatlari. Atom tuzilishining Bor nazariyasi
   

Xulosa

Adabiyotlar

Atom tuzilishining modellari. Qadimgi grek faylasuflari Levkipp va Demokritlarning ta’limo­tiga asosan, atom – moddaning bo‘linmas zarrasi bo‘lib, sezgi organ­lar seza olmaydigan darajada kichik o‘lchamga ega degan tasavvurlar fanda uzoq vaqtgacha hukm surdi. “Atom” so‘zi grekcha “atomos” so‘zidan olingan bo‘lib, “bo‘linmas” degan ma’noni bildiradi. XIX asrning oxirlarida o‘tkazilgan bir qator olamshumul tajribalar natijalari atomning murakkab tuzilishga ega ekanligi to‘g‘risidagi fikrlarni oydinlashtirdi.

XX asr boshlarida atomlarning mavjudligi, ularning o‘lchami 10^–8sm tartibda bo‘lgan murakkab elektr tizimidan iboratligi, atomda musbat va manfiy zaryadlar mavjudligi, manfiy zaryadlarni tashuv­chilar elektronlar ekanligi aniqlangan edi. Lekin musbat zaryadlarni tashuvchilar (protonlar) hali noaniq, musbat ionlar mavjudligi esa ma’lum edi. Kun tartibida atom tuzilishini aniqlash vazifasi turar edi. Atom tarkibidagi musbat va manfiy zaryadlar o‘zaro kompensatsiya­lanishi sababli atom bir butun holda neytraldir. Atom tuzilishining ikkita nazariy modeli mavjud edi. Birinchisi 1901-yilda J.Tomson tomonidan taklif qilingan. Bu modelga asosan atom musbat zaryad­langan sfera bo‘lib, manfiy zaryadli elektronlar sfera hajmi bo‘ylab taqsimlangan. Elektronlar musbat zaryadlangan sfera elementi bilan Kulon qonuni bo‘yicha o‘zaro ta’sirlashadi. Elektronlar o‘z muvoza­nati atrofida tebranishida atom energiya nurlaydi. Ikkinchi modelga asosan atom Quyosh tizimi tuzilishi singari tuzilgan. Bu atom tuzilishining planetar modeli edi. Planetar model to‘g‘risidagi dastlabki tasavvurlar 1903-yilda Kelvin va X.Nagaoka tomonidan aytilgan. Bu modelga asosan atomning markazida musbat zaryadlan­gan yadro joylashgan bo‘lib, uning atrofida elektronlar planetalar singari harakatlanadi. Elektronlar yadroning Kulon tortishish kuchlari orqali ushlab turiladi. Atomning turg‘unligini tushuntirishda bu har ikki nazariy model ham ma’lum qiyinchiliklarga uchradi. Atom tuzilishi haqiqatan ham qanday ekanligini bilish uchun tajribalar o‘tkazish talab qilindi. Bunday tajribalar 1911-yilda ingliz fiziki E.Rezerford tomonidan o‘tkazildi. Atom tuzilishi to‘g‘risidagi tajribalarga batafsilroq to‘xtaymiz.

Atom tuzilishining Tomson modeli. 1897-yilda J.Tomson tomonidan elektron kashf qilindi. 1901-yilda esa Tomson atom tuzilishining birinchi modelini taklif qildi. Tomson modeliga asosan atom musbat zaryadlangan sfera bo‘lib, unda manfiy zaryadlangan elektronlar taqsimlangan. Sferaning yig‘indi musbat zaryadi elektronlarning yig‘indi manfiy zaryadiga teng bo‘lib, atom sistemasi bir butun holda neytraldir. Musbat zaryadlangan sferaning o‘lchami butun atomning radiusi tartibida, ya’ni 10^–10m. Atomning nurlanishi elektronlarning muvoza­nat holatlari atrofida kichik tebranishlari natijasida hosil bo‘ladi.

1-rasm
Tomson modelida atomga tushgan alfa-zarra juda kichik burchakka og‘adi (1-rasm). Bu esa Tomson atomi ichkarisida elektr maydonining kuchsiz ekanli­gini ko‘rsatadi. Bir tekis zaryadlangan sfera ichidagi maydon kuchlanganligi quyidagi formula orqali aniqlanadi:

(1)

Bu formulada e – sfera zaryadi, R – uning radiusi, r – elektronning muvozanat holatdan chetlanishi. Muvozanat holatdan (sfera markazidan) r – oraliqda turgan elektronga ta’sir etadigan kvazielastik kuch quyidagicha ifodalanadi:

, (2)

Biror yo‘l bilan muvozanat holatdan chiqarilgan elektron

, (3)

chastota bilan tebranadi.

(3) formulada m – elektron massasi, R – atom radiusi, e – elektron zaryadi. Tomson modelidan foydalanib, atom radiusi (o‘lchami) aniqlangan. (3) formuladan:

. (4)

Spektrning ko‘rinadigan sohasida λ=610^–5sm to‘lqin uzunligiga, =310¹⁵ s^–1 chastota mos keladi. U vaqtda (4)ga asosan atom radiusini hisoblash mumkin (e=1,610^–19 Kl, m=9,1110^–31kg).



R ning bu qiymati atomning gazokinetik o‘lchamiga to‘g‘ri keladi. Buni Tomson modelining tasdig‘i ham deyish mumkin. Keyinchalik Tomson modelining yaroqsizligi aniqlandi. Tomson modeli hozirgi vaqtda atom tuzilishi haqidagi tasavvurlarning rivojlanish bosqich­laridan biri sifatida tarixiy ahamiyatga egadir.

Rezerford tajribalari. 1911-yilda Tomsonning sobiq assistenti professor Ernest Rezer­ford o‘zining shogirdlari Gans Geyger va Ernest Marsdenlar bilan alfa-zarralarning yupqa metall folgalarda sochilishi ustida bir qator tajribalar o‘tkazdi. Bunday tajribalar atom tuzilishining Tomson modeli yaroqsiz ekanligini ko‘rsatdi. Bu esa Rezerfordning atom tuzilishi to‘g‘risidagi faraziga asos bo‘ldi: atom diametri juda kichik (10^–14 m), atomning barcha musbat zaryadi va massasining katta qismi to‘plangan yadrodan iborat bo‘lib, yadro (yadro – “mag‘iz” degan ma’noni bildiradi) manfiy zaryadlangan elektronlar buluti bilan o‘ralgan. Atomning o‘lchami 10^–10 m tartibidadir. Atomning neytralligi esa elektronlarning manfiy zaryadi yadroning musbat zaryadiga tengligidan kelib chiqadi. Alfa-zarralarning sochilishi ustida o‘tkazilgan tajribalarda Rezerford yupqa oltin folgasini (Z=79) ²¹⁴Po yemirilishida hosil bo‘ladigan alfa-zarralar bilan bombardimon qildi. Folgadan o‘tayotganda sochilgan alfa-zarralarning sochilish burchagini aniqlagan holda, alfa-zarrani sochayotgan nishon atomlarning (oltin atomlarining) tuzilishini aniqlash mumkin edi. Alfa-zarra geliy atomi yadrosi bo‘lib, ikki proton va ikki neytrondan iborat. Rezerford va Tomas Royds 1909-yilda alfa-zarra zaryadi 2e ga teng ekanligini aniqlagan edilar. Rezerford o‘z modeli va Tomson modeli asosida sochilish burchagi θ ni nazariy hisobladi. Natijalarini tajriba natijalari bilan taqqosladi. Tomson modelida atomga tushgan alfa-zarra dastlabki yo‘nalishidan ahamiyatsiz bo‘lgan juda kichik burchakka og‘adi, bu esa atom ichida elektr maydonining nisbatan kuchsiz ekanligini ko‘rsatadi. Rezerford atomida alfa-zarralarning dastlabki yo‘nalishidan og‘ish burchagi kattaligi kuzatiladi. Buning sababi atomning barcha musbat zaryadi +Ze kichik hajmda – yadroda to‘planganligidir.

Rezerford o‘z tajribalarida radioaktiv poloniy-214 yemirilishida hosil bo‘ladigan energiyasi 7,68 MeV bo‘lgan alfa-zarralardan foydalandi. Alfa-zarralarning parallel dastasi vakuumda qalinligi 6∙10^–7m bo‘lgan oltin folgaga yo‘naltirilgan va unda sochilishi kuzatilgan. Rezerford tajribasi sxemasi 2-rasmda keltirilgan. Alfa-zarralar manbai (S) oldiga markazida tirqishi bo‘lgan diaf­ragma (D) qo‘yilgan. Manbadan chiqqan alfa-zarralarning tir­qishga tushganlari tir­qishdan dasta ko‘rini­shida chiqib lyumi­nessensiyali ekranga (LE) tushadi. Ekran rux sulfidi (ZnS) bilan qoplangan. Ekranning har bir alfa-zarra kelib urilgan joyida yorug‘ dog‘lar-chaqnashlar (ssintillyatsiya) hosil bo‘lishi kuzatiladi. Bir sekundda ekranga tushayotgan alfa-zarralar soni juda ko‘p bo‘lganligi uchun ularning hosil qilgan yorug‘ dog‘lari qo‘shilib bir-birini qoplagan markaziy yorug‘ dog‘ni hosil qiladi (2a-rasm). Endi ekran oldiga qalinligi 6∙10^–7m bo‘lgan oltin folga (OF) joylashtiriladi (2b-rasm). Alfa-zarralar oltin folgadan o‘tib ekranga tushadi. Oltin folga bo‘lmaganda ekranda hosil bo‘lgan markaziy yorug‘ dog‘ intensivligi oz bo‘lsada kamayadi. Ekranda alfa-zarralar dastasi hosil qilgan markaziy yorug‘ dog‘dan tashqarida boshqa yorug‘ dog‘lar ham hosil bo‘ladi. Bu yorug‘ dog‘larni oltin folgadan o‘tayotganda o‘z harakat yo‘nalishini o‘zgartirgan, ya’ni oltin folga atomlarida sochilgan alfa-zarralar hosil qiladi.


2-rasm
Ekranda hosil bo‘lgan yorug‘ dog‘lar lupa yoki mikroskop (M) orqali kuzatiladi. Bu tajribada quyidagi hollar muhimdir: oltin atomining diametri 3∙10^–10m, u vaqtda qalinligi 6∙10^–7m bo‘lgan oltin folgada 3300 atom qatlami bo‘lib, bunda atomlar zich joylashadi. Shuning uchun alfa-zarralar oltin folgadan o‘tganda taqriban 3000 ta oltin atomlari bilan to‘qnashadi. Alfa-zarralarning ko‘pchilik qismi folgadan o‘tganda oltin atomlarida 13 daraja bo‘lgan kichik burchaklarda sochilishi kuzatilgan. Lekin sochilgan alfa-zarralar orasida 150 burchakgacha yetadigan katta burchaklarda sochilgan alfa-zarralar mavjudligi ham aniqlangan. Bunday katta burchaklarda sochiladigan alfa-zarralar soni juda oz bo‘lgan. Masalan, folgaga tushgan 8000 ta alfa-zarradan faqat bitta alfa-zarra 90 dan katta burchakka sochilgan. Katta tezlikdagi alfa-zarrani katta burchakka og‘dirish uchun unga katta kuch bilan ta’sir qilish kerak. Rezerford tajribada kuzatilgan natijalardan quyidagi xulosaga keldi: har bir katta burchakka sochilish, bu qandaydir biror nuqtaviy kuch markazining unga yaqin masofada uchib o‘tayotgan alfa-zarra bilan yakka ta’sirlashuvi natijasidir. Bunday kuch markazi esa musbat zaryadlangan atom yadrosi edi. Demak, atomga tushgan alfa-zarralarning atomda katta burchakka sochilishi atom ichida musbat zaryadning juda kichik hajmda to‘planganligini va uning kuchli elektr maydonini hosil qilishini ko‘rsatadi. Alfa-zarra o‘zi geliy atomi yadrosidir. Bu ikki yadro orasidagi elektrostatik o‘zaro ta’sirlashuv alfa-zarra­ning katta burchaklarda sochilishiga sabab bo‘ladi. Alfa-zarralarning o‘z harakati yo‘nalishidan og‘ishini (sochilishini) ular­ning Vilson kamerasidagi izlarining foto­suratlaridan ko‘rish mumkin (3-rasm). Rasmda alfa-zarraning kisloroddagi izi tasvirlangan. Odatda alfa-zarralar izlarining oxiri bir-biridan farq qilmaydi. Lekin rasmdagi izlar orasida oxiri siniq yoki vilka ko‘rinishida bo‘lgan izlar ham kuzatiladi. Bu izlar alfa-zarralarning yadro bilan to‘qnashuvlari natijasida hosil bo‘lgan. To‘qnashish natijasida alfa-zarraning harakat yo‘nalishi keskin o‘zgargan va to‘qnashish tufayli harakatga kelgan yadro esa yangi iz qoldirgan, bu iz alfa-zarra izi bilan vilka hosil qilgan. Bu fotosurat katta og‘ish burchaklari yakka to‘qnashish natijasida hosil bo‘lishini ko‘rsatadi. Atom ichida juda kichik hajmga (o‘lchami 10^–13sm) va katta massaga ega bo‘lgan musbat zaryad – yadro kuchli elektr maydonni hosil qiladi.

3-rasm
Demak, atom ichida musbat zaryad kichik hajmga to‘plangan, bu hajm yadro deyiladi. Bu xulosa atom tuzilishining yadroviy modeli edi. Uchib kelayotgan alfa-zarralarning atom ichida yadro hosil qilgan kuchli elektr maydoniga tushganlari maydon ta’sirida o‘z yo‘nalishini o‘zgartiradi, ya’ni katta burchaklarda sochiladi. Agar musbat zaryad atomda katta hajmda taqsimlangan bo‘lganda, atom ichida kuchli elektr maydoni bo‘lmasdi. U vaqtda atomga tushgan alfa-zarralar o‘z yo‘nalishni o‘zgartirmay, sochilmay to‘g‘ri o‘tib ketgan bo‘lardi.

O‘tkazilgan tajribalarning natijalarini Rezerford quyidagicha tushuntirdi: atomning juda kichik hajmida musbat zaryad joylashgan, uning atrofidagi atomning barcha qismi esa manfiy zaryadli elektronlar bulutidan iborat bo‘lib, bu elektronlarning to‘liq manfiy zaryadi kichik hajmdagi musbat zaryadga miqdor jihatidan teng. O‘tkazilgan tajribalarning bunday natijalari Rezerford farazining to‘g‘riligini tasdiqladi. Bunday tajribalar, hisoblashlar natijasida atomning yadroviy modeli yaratildi. Bu model ko‘pincha planetar model deb yuritiladi, chunki atomning yadroviy model asosidagi tuzilishi Quyosh tizimi tuzilishiga o‘xshatiladi, ya’ni yadroni Quyoshga, elektronlar esa planetalarga o‘xshatiladi.

4-rasm

Rezerford o‘tkazgan tajribalari asosida atom tuzilishining planetar modelini yaratdi. Bu modelga asosan atom markazida o‘lchami juda kichik (10^–14m) va zaryadi +Ze bo‘lgan og‘ir yadro turadi. Yadro atrofida Quyosh atrofida harakatlanayotgan planetalar singari manfiy zaryadlangan Z sondagi elektronlar doiraviy va elliptik orbitalarda harakatlanadi. Atom tuzilishining bu modeli dinamik planetar modelidir. Agar bu model statik model bo‘lganda edi, u vaqtda kulon tortishish kuchlari ta’sirida yadroni o‘rab turgan barcha elektronlar yadroga tortilgan bo‘lar edi. Dinamik planetar model­da esa og‘ir yadro qo‘zg‘almas deb qaraladi. Elektronlar esa yadro atro­fida doiraviy va elliptik orbitalarda harakatlanadi (4-rasm).

Eng oddiy atom vodorod atomi­ning planetar modelini ko‘rib chi­qaylik. Oddiylik uchun massasi m va manfiy zaryadli elektron atomning markazida joylashgan zaryadi +e bo‘lgan proton atrofida doiraviy orbita bo‘ylab harakatlanadi (5-rasm).

5-rasm
Birinchi yaqinlishishda massasi elektron massasidan 1836 marta katta bo‘lgan pro­tonning harakatini hisob­ga olmaslik mumkin. Elektronni orbitada ush­lab turgan kuch proton va elektron orasidagi Kulon o‘zaro tortishish kuchidir. Bu kuchni quyidagicha ifodalash mumkin:

, (5)

Bu formulada r – elektronning doiraviy orbitasi radiusidir. Nyuton­ning ikkinchi qonuni asosida (5) ifodani quyidagi ko‘rinishda yozish mumkin:

. (6)

(6) formulada – markazga intilma tezlanish. (6) formuladan foydalanib, klassik yaqinlashishda elektronning kinetik energiyasini quyidagi ko‘rinishda ifodalash mumkin:

, (7)

Atom tizimining potensial energiyasi esa:

, (8)

(8) formulada (–) ishora atom tizimida tortishish kuchlari ta’sir qilishini bildiradi. Atom tizimining to‘liq energiyasi kinetik va potensial energiyalar yig‘indisiga teng:

. (9)

Atom tizimi bog‘langan tizimdir. Elektronning bog‘lanish energiyasi elektronni atomdan ajratish uchun yetarli bo‘lgan eng kichik energiya miqdori yoki atomni ionlashtirish energiyasi ham deyiladi. Tajriba yo‘li bilan vodorod atomi uchun bog‘lanish energiyasi –13,53 eV ekanligi aniqlangan. Bu qiymatni (9) formuladagi E o‘rniga qo‘yib, atom radiusi r=0,53∙10^–10m=0,53 Å ekanligini hisoblash mumkin. Radiusning bu qiymati r=r₁ – Bor radiusi deb qabul qilingan. Elektronning orbitadagi chiziqli tezligi, uning orbitada aylanish chastotasi bilan quyidagi munosabat orqali bog‘langan:

, (10)

(10) formuladan  ning qiymatnini (7) formulaga qo‘yib quyidagi ifodani hosil qilish mumkin:

, (11)

(11) formuladan elektronning yadro atrofida aylanish chastotasi f ni aniqlash mumkin:

. (12)

(12) formulaga r=0,53∙10^–10m, e=1,6∙10^–19Kl, m=9,11∙10^–31kg qiymatlarni qo‘yib hisoblaganda, chastota f=7∙10^–15s^–1 ekanligi aniqlanadi. Bu qiymat f ning boshqa usullar orqali aniqlangan qiymatiga mos keladi.

Atom planetar modelining klassik fizika tasavvurlariga mos kelmasligi.

Atom tuzilishini tushuntirishda muvaffaqiyatlarga erishilgan bo‘lsada, fiziklar oldida ayrim qarama-qarshiliklarni oydinlashtirish vazifasi turar edi. Masalan, klassik elektrodinamika qonunlariga asosan:

1. Atomning planetar modeliga ko‘ra, elektronlar yadro atrofida yopiq orbitalarda markazga intilma tezlanish bilan harakatlanadilar. Klassik fizika nuqtai nazarida elektronlar uzluksiz ravishda elektro­magnit to‘lqinlar nurlashi kerak. Natijada elektronning energiyasi nurlanishga sarflanib asta-sekin kamayib boradi, bunda elektronlar orbitasi ham uzluksiz kichrayib boradi. Bu vaqtda elektron juda qisqa vaqtda (10^–8s) yadroga tushib qoladi (7-rasm), bunda atom buziladi, uning barqarorligi yo‘qoladi. Bunday bo‘lishi esa mumkin emas. Demak, klassik fizika nuqtai nazarida atom planetar modeli tuzilishi­da mavjud bo‘la olmaydi. Planetar model atomning barqarorligini tushuntira olmaydi.

7-rasm
2. Klassik fizika nuqtai nazaridan atom nurlaydigan energiya chastotasi elektron­ning yadro atrofida orbita bo‘ylab ayla­nish chastotasiga teng bo‘lishi kerak. Bunda atom chiqaradigan nurlanish energiyasi spektri uzluksiz bo‘la­di va elektron yadro atrofida mumkin bo‘lgan barcha orbitalarni chizadi. Bu vaqtda atomlar juda qisqa vaqt oralig‘ida buzilishi kerak. Bu ko‘rilgan har ikki mulohaza ham tajriba natijalariga ziddir. Tajriba natijalari atomning barqaror tizim ekanligini, atom spektrlari diskret energiyali spektral chiziqlar to‘plamidan iborat bo‘lgan chiziqli diskret spektr ekanligini, atomdagi elektron orbitalar diskret ekanligini ko‘rsatadi. Shunday qilib, bir tomondan Rezerford tajribalari atom tuzilishining planetar modelini tasdiqlaydi. Ikkinchi tomondan atom planetar modeliga va klassik fizika tasavvurlariga asoslanib, tajribada kuzatilgan bir qator natijalar va qonuniyatlarni tushuntirib bo‘lmaydi. Planetar model atomning barqarorligini va atom nurlanish spektrlari­ning diskretligini tushuntira olmadi, ya’ni atomning energiya chiqarish va yutish jarayonlarini tushuntira olmadi. Bunday qarama-qarshiliklarni bartaraf qilish uchun fizikaga yangi tushunchalarni kiritish talab qilinar edi. Bunday tushunchalar 1913-yilda daniyalik fizik Nils Bor tomonidan kiritildi.