Атомдық физика бойынша түсініктер мен тест тапсырмалары

Атомның құрылысы. Д.Д. Томсон жəне Э.Резерфорд моделі

Атом ядродан және электроннан тұрады. Ядроның өзі электрон мен протоннан тұрады. Электронның массасы me = 9.1·10-31 кг, ал заряды e = 1.6·10-19 Кл, болатын теріс зарядты элементар бөлшек. Бірақ қалыпты жағдайда атом заряды білінбейді, сондықтан да атом бейтарап бөлшек.

Ағылшынның физигі Д. Д. Томсонның (1903 ж.) болжауы бойынша, атом дегеніміз оң жəне теріс электронмен бірқалыпты зарядталған сфера, теріс зарядты электрондар осы сфераның ішкі жағына орналасқан. Д. Д. Томсон моделінің негізгі кемшілігі атомдағы, оң жəне теріс зарядтарды араласып жатуында. Томсон моделін тамшылық модель дейміз.

Екінші модель – Э. Резерфордтың планетарлық моделі. Радиоактивтік құбылыс ашылғаннан (1896 ж.) кейін атом құрылысының күрделі екендігі анықталды. 1906 жылы Э. Резерфорд атом құрылысын зерттеу үшін іргелі тəжірибелер жасап, ол - бөлшегімен азот атомын атқылау нəтижесінде, ауыр - бөлшегінің шашырайтындығын байқады.

Осыларды қорыта келіп Резерфорд мынадай қорытындыға келді:

1) түскен альфа бөлшектерінің саны, шашыраған альфа бөлшегінен көп үлкен болады;

2) кейбір альфа бөлшегі өте үлкен бұрышқа шашырайды жəне кері қарай шашырайтын бөлшектерде кездеседі;

3) шашырау бұрышы артқанда шашыраған бөлшектер саны кемиді.

Резерфорд тəжірибесі .

Резерфордтың 1909 жылы жасаған тәжірибесі атомның құрылысы туралы маңызды жаңалық ашты. Ол жұқа алтын фольгаға альфа-бөлшектерін жіберіп, олардың шашырауын зерттеді. Көптеген бөлшектер тура өткенмен, кейбіреуі күшті шашыраған немесе кері қайтқан. Бұл атомның массасы мен оң заряды өте кішкентай, бірақ тығыз ядроға шоғырланғанын көрсетті. Осы тәжірибе атомның ядролық моделінің негізін қалады.

Спектрдің түрлері. Жұтылу жəне шығару спектрлерінің сипаттамасы

Спектрдің түрлері негізінен сызықтық, жолақты, және тұтас спектрлер болып бөлінеді. Жұтылу спектрі заттың белгілі толқын ұзындықтарындағы жарықты жұтуынан пайда болады және үздіксіз спектрде қара жолақтар түрінде көрінеді. Бұл спектр заттың химиялық құрамын анықтауға мүмкіндік береді. Шағылу спектрі заттың түскен жарықты әртүрлі толқын ұзындықтарында шағылыстыру қабілетін сипаттайды. Ол заттың бетінің қасиеттерін, мысалы, түсін немесе жарықтықты зерттеуде қолданылады.

Сутегі атомының спектрлік сериясы

Сутегі атомының спектрлік сериялары электронның жоғары энергетикалық деңгейлерден төменгі деңгейлерге өтуі кезінде шығарылатын сәулелену спектрін сипаттайды. Негізгі серияларға Лайман, Бальмер, Пашен, Брэкетт, және Пфунд сериялары жатады. Лайман сериясы ультракүлгін аймақта (n=1), ал Бальмер сериясы көрінетін жарықта (n=2) байқалады. Пашен (n=3), Брэкетт (n=4) және Пфунд (n=5) сериялары инфрақызыл аймақта орналасқан. Бұл сериялар спектрлік талдау арқылы сутегі атомының құрылымын және энергия деңгейлерін зерттеуге мүмкіндік береді.

Сутегі тəріздес атомдардың спектрлік сериясы

Сутегі тәріздес атомдардың спектрлік сериялары электронның энергия деңгейлері арасындағы ауысуларына байланысты сәуле шығару немесе жұтылу нәтижесінде пайда болады. Мұндай атомдардың спектрі сутегі атомына ұқсас, бірақ ядро зарядының (Z) мәніне тәуелді. Әрбір спектрлік серия (Лайман, Бальмер, Пашен және т.б.) белгілі бір негізгі деңгейге ( 1 2 3) электронның ауысуын сипаттайды. Сәулелену жиілігі Ридберг формуласымен анықталады:

Бор постулаттары

Нильс Бор атом құрылысы туралы теориясында екі негізгі постулат ұсынды. Бірінші постулат бойынша, электрон ядроны тек белгілі стационар орбиталарда айналып, энергия жоғалтпайды. Екінші постулатта электрон бір орбитадан екіншісіне ауысқанда энергия кванттары түрінде жұтылады немесе шығарылады. Бұл энергия формуласы арқылы анықталады E=hv, мұнда h — Планк тұрақтысы, v — сәулелену жиілігі. Бор постулаттары атомның спектрлік сызықтарын және тұрақтылығын түсіндіру үшін маңызды болды.

Бор теориясы бойынша сутегі атомының құрылысы

Бор теориясы бойынша, сутегі атомында электрон ядроны стационар орбиталар бойымен айналып, энергия жоғалтпайды. Әрбір орбита белгілі бір энергия деңгейімен сипатталады, ал электрон энергиясы тек дискретті мәндерге ие бола алады. Электрон бір орбитадан екіншісіне өткенде энергия кванттары түрінде сәуле шығарылады немесе жұтылады. Орбиталардың радиусы формуласымен анықталады

мұнда n — орбитаның кванттық саны. Бор теориясы сутегі атомының спектрін түсіндіруге және атомның тұрақтылығын негіздеуге мүмкіндік берді.

Франк – Герц тəжірибелері

Франк пен Герцтің 1914 жылғы тәжірибелері атомның энергия деңгейлерінің дискретті екенін дәлелдеді. Олар төмен энергиялы электрондарды сынап буы арқылы өткізіп, электрондардың энергия жоғалтуын зерттеді. Белгілі бір энергия мәндерінде ( 4.9 эВ) электрондар сынап атомдарына энергиясын бере отырып, олардың қозған күйге өтуін туғызатынын байқады. Бұл құбылыс энергияның кванттық сипатын және атомдардың тек белгілі бір энергияны жұта алатынын көрсетті. Франк пен Герцтің жұмысы Бор теориясын эксперименттік түрде растады.

Сутегі атомының эллипстік орбитасы

Сутегі атомының эллипстік орбитасы идеясы Борадан кейінгі Соммерфельдтің теориясында қарастырылды. Ол электронның тек шеңберлік емес, эллипстік орбиталар бойымен де қозғала алатынын ұсынды. Бұл теорияда электрон орбиталарының пішіні эксцентриситет арқылы сипатталады, ал қозғалыс бірдей квантталған бұрыштық және радиал моменттерге тәуелді. Эллипстік орбиталар атомның спектрлік сызықтарының бөлінуін (спектрлік деңгейлердің қосарлануын) түсіндіруге мүмкіндік берді. Соммерфельдтің бұл моделі кванттық механиканың дамуында маңызды рөл атқарды.

Бор – Зоммерфельд кванттау ережелері. Бор теориясының қайшылықтары

Бор-Зоммерфельд кванттау ережелері:

Бор-Зоммерфельд теориясы электронның орбиталары тек шеңберлік емес, эллипстік орбиталар да болуы мүмкін екенін қарастырды. Бұл ереже электронның қозғалысын толық сипаттап, оның дискретті энергия деңгейлерін есептеуге мүмкіндік береді. Зоммерфельд теориясы сутегі спектріндегі спектрлік сызықтардың бөлінуін түсіндіре алды.

Бор теориясының қайшылықтары:

Бор теориясы көп электронды атомдардың спектрлерін түсіндіре алмады, тек сутегі сияқты қарапайым атомдарға қолданылды. Ол атом ядросының құрылымын және ядро әсерін толық қарастырмады. Теорияда электронның қозғалысы классикалық механика заңдарына негізделген, бұл микродүниенің шынайы кванттық сипаттамаларын ескермейді. Бор теориясы электронның орбитасының тұрақтылығын сипаттағанымен, толқындық қасиеттерін қарастырмады.

Жарық пен бөлшектердің корпускулалық-толқындық табиғаты. Луй – де – Бройль теңдеуі

Жарық пен бөлшектердің корпускулалық-толқындық табиғаты Л. Де Бройльдің гипотезасы арқылы анықталды. Ол жарықтың да, бөлшектердің де екі түрлі қасиетке ие болатынын ұсынды: корпускулалық және толқындық. Оның айтуынша, кез келген бөлшектің, соның ішінде электронның да толқындық қасиеттері бар, ал толқынның ұзындығы = h/p формуласымен анықталады, мұндағы h — Планк тұрақтысы, p — бөлшектің импульсі. Бұл теңдеу бөлшектердің корпускулалық сипатын толқындық сипаттамалармен байланыстырады. Де Бройль гипотезасы эксперименттік тұрғыдан дәлелденіп, электрондардың дифракциялық қасиеттерін зерттеу арқылы растады. Бұл идея кванттық механиканың дамуына негіз болды.

Девиссон жəне Джермер тəжірибелері

Деэвиссон мен Джермердің 1927 жылғы тәжірибесі электрондардың толқындық табиғатын эксперименттік түрде дәлелдеді. Олар электрондарды сынап кристалдары арқылы өткізді және олардың дифракциялық үлгісін бақылады. Бұл тәжірибе электрондардың, толқындық қасиеттерін көрсететінін көрсетті, өйткені дифракция тек толқындардың өтуі кезінде байқалады. Тәжірибенің нәтижелері Де Бройльдің электрондардың толқындық қасиеттері туралы гипотезасын растады. Осылайша, бұл жұмыс электрондардың корпускулалық-толқындық дуализмін тәжірибе арқылы көрсетуге мүмкіндік берді.

Гейзенбергтің анықталмаушылық принципі

Гейзенбергтің анықталмаушылық принципі бойынша, микробөлшектердің екі өзара байланысты қасиетін, мысалы, орны мен импульсін бір мезгілде дәл анықтау мүмкін емес. Бұл принцип келесі формуламен жазылады

Шредингер теңдеуі. Толқындық функция жəне оның физикалық мағынасы

Шредингер теңдеуі – кванттық механиканың негізгі теңдеуі, ол жүйенің толқындық функциясын анықтайды. Толқындық функция жүйенің күйлерін сипаттайды және ықтималдық амплитудасы ретінде қарастырылады. Оның квадрат модулі бөлшектің белгілі бір нүктеде болу ықтималдығын береді. Шредингер теңдеуінде потенциал энергиясы мен жүйенің кинетикалық энергиясы арасындағы байланыс көрсетіледі. Бұл теңдеу бөлшектердің қозғалысын толқындық сипатта түсіндіруге мүмкіндік береді.

Потенциалдық шұңқырдағы бөлшек

Потенциалдық шұңқыр кванттық механикада бөлшектің қозғалысын шектеу үшін қолданылады. Бөлшек тек белгілі бір энергия деңгейлерінде ғана бола алады, бұл квантталу деп аталады. Нөлдік потенциал жағдайында шұңқырдағы бөлшектің энергиясы минималды, бірақ нөлге тең болмайды. Толқындық функция шұңқырдың шекараларында нөлге тең болуы тиіс. Бұл кванттық шектеулер бөлшектің қасиеттерін анықтайды.

Сызықты гармониялық осциллятор жəне оның энергиясының квантталуы

Сызықты гармониялық осциллятор – классикалық және кванттық физикада тербелмелі қозғалысты зерттейтін модель. Кванттық механикада осциллятордың энергиясы дискретті деңгейлермен сипатталады. Осциллятордың негізгі энергиясы , мұнда – тербеліс жиілігі. Бұл жүйе кванттық шектеулерді және энергияның минималды деңгейін көрсетеді. Осциллятордың тербеліс амплитудасы энергия деңгейімен байланысты.

Кеңістік квантталу. Электрон спині. Штерн-Герлах тəжірибесі Кеңістік квантталу бөлшектердің белгілі бағытталған күйде болуын сипаттайды. Электрон спині – бөлшектің ішкі айналу моменті, оның мәні немесе болуы мүмкін. Штерн-Герлах тәжірибесі арқылы магнит өрісінде бөлшектердің кеңістіктегі квантталуы дәлелденді. Бұл тәжірибе бөлшектердің дискретті қасиеттерін көрсетті. Спиннің квантталуы атомдардың магниттік қасиеттерін анықтайды.

Зееман эффектісі

Зееман эффектісі магнит өрісінде спектр сызықтарының бөлінуін сипаттайды. Бұл эффект атомдардың магниттік қасиеттерін зерттеуге мүмкіндік береді. Сызықтардың бөлінуі магнит өрісінің күші мен атомның энергетикалық деңгейлеріне тәуелді. Зееман эффектісі кванттық физикада спектроскопияның маңызды құралы ретінде қолданылады. Бұл құбылыс спектр сызықтарының күрделілігін түсіндіреді.

Штарк эффектісі

Штарк эффектісі электр өрісінде спектр сызықтарының бөлінуін сипаттайды. Бұл құбылыс атомдардың және молекулалардың электрлік қасиеттерін зерттеуге мүмкіндік береді. Сызықтардың бөлінуі электр өрісінің кернеулігіне тәуелді. Штарк эффектісі спектроскопиялық әдістердің дәлдігін арттырады. Ол электр өрістерінің атомдық деңгейге әсерін түсінуге көмектеседі.

Паули принципі. Электрондық қабаттар

Паули принципі бір кванттық жүйеде екі электрон бірдей кванттық күйлерде бола алмайтынын айтады. Бұл принцип атомдардың электрондық құрылымын анықтайды. Электрондар энергетикалық деңгейлерге және орбитальдарға толтырылады. Осы принцип химиялық элементтердің қасиеттерін және олардың периодтық жүйедегі орнына түсінік береді. Электрондық қабаттардың орналасуы атомдардың химиялық реакцияға түсу қабілетін анықтайды.

Магниттік резонанс

Магниттік резонанс – сыртқы магнит өрісінде бөлшектердің ядролық немесе электрондық спиндерінің тербелу құбылысы. Бұл әдіс ядролық магниттік резонанс (ЯМР) және электрондық парамагниттік резонанс (ЭПР) деп бөлінеді. Магниттік резонанс заттардың құрылымын анықтауда және медицинада томографияда қолданылады. Резонанс жиілігі магнит өрісінің кернеулігіне тәуелді. Ол молекулалардың ішкі құрылымын зерттеудің қуатты әдісі болып табылады.

Мозли заңы

Мозли заңы элементтердің рентгендік спектр сызықтары мен атомдық номерлері арасындағы байланысты көрсетеді. Сызықтардың жиілігі атом номерінің квадратына пропорционал. Бұл заң атом ядросының құрылымын зерттеуде маңызды рөл атқарды. Мозли заңы элементтердің периодтық жүйесінің рентгендік спектроскопия арқылы дәлелденуін қамтамасыз етті. Ол жаңа элементтерді анықтауда және ядролық физикада қолданылды.

Қатты денелердің зоналық теориясының элементтері. Ферми беті

Қатты денелердің зоналық теориясы электрондардың энергетикалық күйлерін зерттейді. Ферми беті электрондардың энергетикалық деңгейлерінің жоғарғы шегін анықтайды. Бұл теория металдардың, жартылай өткізгіштердің және диэлектриктердің қасиеттерін түсіндіреді. Ферми беті заттың электрлік және жылу өткізгіштік қасиеттеріне әсер етеді. Ол қатты денелер физикасында маңызды теориялық құрал болып табылады.

Зоналардың электрондармен толтырылуы

Қатты денелерде электрондар энергия зоналарын толтырады. Толық толтырылған зона валенттік зона, ал жартылай толтырылған зона өткізгіштік зона деп аталады. Электрондардың зоналарға орналасуы материалдардың электр өткізгіштік қасиеттерін анықтайды. Металдарда өткізгіштік зона бос, ал диэлектриктерде ол толтырылған. Жартылай өткізгіштерде өткізгіштік зонаға аз ғана электрондар өтеді.