ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.12.2023
Просмотров: 94
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
1. Атомдық гипотеза және оны одан әрі дамыту.
Атом - Химиялық элементтерді құрайтын, олардың өзіне тән ерекшеліктерін сақтайтын ең кішкене бөлшек. Атом бүтіндей алғанда зарядсыз, бейтарап бөлшек. Ол ортасында өзінен радиусы 104 -105 есе кіші көлемді алып жатқан оң зарядты ядродан және оны айнала қозғалып жүрген теріс зарядты электрондардан тұрады. Атом өзінің сыртқы бір немесе бірнеше электрондарын жоғалтқанда оң, ал сырттан электрон қосып алғанда теріс ионға айналады. Атомның сызықтық өлшемдері
10-8 см, көлденең қимасының ауданы
10-16 см2, көлемі
10-24 см3. Борлық атом теориясында ең қарапайым атом – сутегі атомы.
Атомның алғашқы үлгілерінің бірін Дж. Томсон ұсынды. Бұл үлгіде атом радиусы
10−10К)м оң зарядталған шар ретінде қарастырылады. Шардың ішінде тепе-теңдік жағдайының маңында электрондар тербеліп тұрады. Электрондардың теріс зарядтарының қосындысы шарға біркелкі таралған оң зарядты теңестіреді, сондықтан тұтас алғанда атом электрлік бейтарап бөлшек болады. Кейінгі зерттеулер бұл модельдің дұрыс емес екенін көрсетті, сондықтан Томсон моделі қазір тек тарихи тұрғыдан қарастырылады.
1. Атомдық гипотеза және оны одан әрі дамыту.
Атом - Химиялық элементтерді құрайтын, олардың өзіне тән ерекшеліктерін сақтайтын ең кішкене бөлшек. Атом бүтіндей алғанда зарядсыз, бейтарап бөлшек. Ол ортасында өзінен радиусы 104 -105 есе кіші көлемді алып жатқан оң зарядты ядродан және оны айнала қозғалып жүрген теріс зарядты электрондардан тұрады. Атом өзінің сыртқы бір немесе бірнеше электрондарын жоғалтқанда оң, ал сырттан электрон қосып алғанда теріс ионға айналады. Атомның сызықтық өлшемдері
10-8 см, көлденең қимасының ауданы
10-16 см2, көлемі 1. Атомдық гипотеза және оны одан әрі дамыту.
Атом - Химиялық элементтерді құрайтын, олардың өзіне тән ерекшеліктерін сақтайтын ең кішкене бөлшек. Атом бүтіндей алғанда зарядсыз, бейтарап бөлшек. Ол ортасында өзінен радиусы 104 -105 есе кіші көлемді алып жатқан оң зарядты ядродан және оны айнала қозғалып жүрген теріс зарядты электрондардан тұрады. Атом өзінің сыртқы бір немесе бірнеше электрондарын жоғалтқанда оң, ал сырттан электрон қосып алғанда теріс ионға айналады. Атомның сызықтық өлшемдері
Атомның ішінде электр зарядтарының орналасу тәртібін анықтау үшін 1911 жылы Резерфорд өзінің шекірттері Г. Гейгер және Э . Марсденмен бірге альфа-бөлшектер шоғын өте жұқа алтын фольгадан өткізіп, бірнеше тәжірибелер жасады. Осы тәжірибелерді зерделеу нәтижесінде атомның ядролық, басқаша айтсақ, планетарлық моделі өмірге келді.
Тәжірибенің нәтижесінде альфа-бөлшектердің басым көпшілігі фольгадан өткенде алғашқы бағыттан aуытқымайтыны (φ≈1-2°) анықталды. Бұл нәтиже, негізінен, Томсон моделіне сүйеніп жасалған есептеулермен дәл келді. Бірақ, альфа- бөлшектердің мардымсыз аз бөлігі 90°-тан артық бұрышқа ауытқитыны, яғни олар фольгаға соғылып, кері бағытта ұшатыны таңдандырды. Сегіз мыңға жуық бөлшектердің біреуі ғана осындай үлкен бұрышқа ауытқиды екен! Мұны Томсон моделі негізінде түсіндіру тіпті мүмкін болмады.
Тәжірибеде алынған нәтижелерді зерделей отырып Резерфорд өз моделін ұсынды. Ол атомның оң заряды оның ортасында орналасқан радиусы шамамен 10−15 м өте аз көлемге жинақталған деген қорытындыға келді. Бұл орталық бөлшекті Резерфорд ядро деп атады. Атомның массасы түгел дерлік ядрода шоғырланған. Ядроны айнала әр түрлі орбиталармен электрондар қозғалып жүреді. Ең шеткі электрон орбитасының радиусы атомның радиусына тең, Ra≈10−10 м. Бұл үлгі Күн жүйесінің құрылымына ұқсайтын болғандықтан, оны атомның планетарлық моделі деп те атайды. Модель бойынша атом көлемінің басым көпшілік бөлігі "бос" болып шығады, ядроның радиусы атомның радиусынан 100 000 есе кіші. Орбиталардағы электрондардың теріс зарядтарының қосындысы ядроның оң зарядына тең, атом электрлік бейтарап.
Атомның ішіндегі бос кеңістік "өте үлкен". Сондықтан, фольга арқылы өткенде альфа-бөлшектерінің көбі ядродан алыс өтеді де, шашырамайды. Электрондар альфа-бөлшектен 8 мың еседей жеңіл болғандықтан, оның қозғалыс траекториясын өзгерте алмайды. Тек ядроға тікелей қарсы келіп қалған альфа-бөлшектер ғана онымен әсерлесіп, кері ұшады. Мұндай бөлшектер саны ядро радиусының атом радиусына қатынасымен анықталады.
Жоғарыда біз тәжірибеге тек сапалық талдау жүргіздік. Резерфорд сонымен қатар өз моделінің және Томсон моделінің негізшде есептеу жұмыстарын жүргізді, олардың нәтижесі Резерфорд үлгісінің дұрыстығын көрсетті. Бірақ классикалық физика тұрғысынан мұндай атомның орнықты болуы мүмкін емес. Бұдан бұрын айтылғандай, зарядталған бөлшек үдемелі қозғалса, міндетті түрде сәулеленуі (электромагниттік толқындар шығаруы) керек. Бұл сәулеленудің жиілігі электронның ядро маңында айналу жиілігіне тең болуы тиіс. Электрон ядроны айнала дөңгелек орбитамен қозғалса, оның центрге тартқыш үдеуі бар. Олай болса, электрон сәуле шығара отырып, өз энергиясын азайтуы тиіс. Энергияның (орбиталық жылдамдықтың) азаюы электронның ядроға кулон күшінің әсерінен біртіндеп жақындап, ақыры оған құлап түсуіне әкеп соғады. Бұған бар болғаны 10−8 с-ка тең уақыт кетеді екен және классикалық теория бойынша мұндай атомның сәулелену спектрі тұтас болу керек, ал шын мәнінде атомдық спектрдің сызықтық болатынын алдыңғы тақырыпта айтып кеттік.
Сайып келгенде, бұл жерде классикалық физиканың заңдары жүрмейтін болып шықты. Тіпті жоғарыда әңгіме болған атомның планетарлық моделі, дәл айтқанда ол бар болғаны нағыз атомның механикалық үлгісі екеніне біртіндеп көзіміз жетеді.
2. Резерфорд пен оның әріптестерінің алғашқы және кейінгі тәжірибесін сипаттаңыз. Осы тәжірибелер нәтижелерінің мәні неде?
Резерфорд тәжірибелері. Томсон моделіндегі қайшылықтарды атом қойнауын әйтеуір бір амалмен тікелей барлап қарау арқылы шешуге болатын еді. Міне осындай тәжірибені ағылшын физигі Э.Резерфорд (1871-1937) және оның шәкірттері Г.Гейгер, Э.Марсден жүргізді (1909-1910 ж.ж). Тәжірибелер Томсон моделінің келісімсіздігін көрсетті. Осы тәжірибелер нәтижелеріне сүйеніп Э.Резерфорд атомның жаңа ядролық моделін ұсынды (1911). Атомның бұл моделінің шығуы α-бөлшектері көмегімен жүргізілген мынадай тәжірибелерге негізделген болатын.
α-бөлшектер шапшаң қозғалатын (υ∼10⁷м/с) едәуір ауыр бөлшектер, сондықтан α-бөлшектер басқа заттың атомдарымен соғылысқанда атомның ішіне енуі мүмкін. Э. Резерфорд атомның ішкі құрылысын зерттегенде осы жағдайды пайдаланған. Осы тәжірибелерде қорғасын контейнер (1) ішіне α-бөлшектер көзі-радий түйіршігі (2) орналастырылады. α-бөлшектердің жіңішке шоғы (3) (радиактивті зат шығаратын гелий иондары) жұқа металл (Aи) фольгаға (4) бағытталады. Фольгадан кейін экран (5)орналастырылған; ол зарядталған жылдам бөлшектер соғылғанда жылт етіп жарық шығаратын қабілеті бар мырыш сульфидімен (ZnS) қапталған (3.2-сурет). Экрандағы осы жарқ етулерді микроскоп (6) көмегімен көзбен бақылауға болады, α-бөлшектердің ауа молекулаларымен соқтығысып шашырауын болдырмау үшін қондырғы түгелдей ауасы сорылған қорап ішіне орнатылады. Резерфорд атомның құрылысы планеталар жүйесіне ұқсас деген жорамал ұсынды. Күннің айналасында үлкен қашықтықтарда планеталар қалай айналып жүретін болса, дәл солай атомның ішінде электрондар ядроны айналып жүреді. Ядродан ең алыс электрон орбитасының радиусы – атомның радиусы болады. Атом құрылысының осындай моделі планетарлық немесе ядролық модель деп аталды.
Атомның планетарлық моделінің классикалық фи-зика көріністерімен үйлес-пеуі. Ядро айналасында қоз-ғалатын электрондардың центрге тартқыш үдеуі бола-тындықтан олар үздіксіз электромагниттік толқындар шығаруы тиіс. Сәуле шығару-дан энергияның шығынға ұшырап, азаюы нәтижесінде электрондар орбитасының радиусы үздіксіз кішірейе беруге тиіс, ең соңында электрон ядроға құлауға тиіс, яғни классикалық физика тұрғысынан планетарлық модель түріндегі атом жалпы өмір сүре алмайды (3.7-сурет). Классикалық физика тұрғысынан атом шығаратын сәуле жиілігі электрондардың айналу жиілігімен дәл келуге тиіс және осы негізгі жиілікке еселі жиіліктерде құрамында болуға тиіс. Сәуле спектрінің осындай сипаты атомдық спектрлерде байқалатын заңдылықтарға толық қарама-қайшы келеді. Сонымен, бір жағынан Резерфорд тәжірибелері атомның планетарлық моделін растайды. Екінші жағынан бірқатар тағайындалған эксперименттік деректер мен заңдылықтарды атомның планетарлық моделіне сүйеніп және классикалық физика көріністерін пайдаланып түсіндіру мүмкін болмайды
2. Атом спектрлерін түсінуге эмпирикалық тәсіл. Атомды бейнелеудегі жартылай классикалық тәсіл.
Атомдық спектр — еркін немесе әлсіз әсерлесетін атомдардың (мыс., газ, бу) жұтылу және шығару спектрі. Ол атомның энергия деңгейлері арасындағы кванттық ауысулар нәтижесінде пайда болады. А. с. сызықтық спектр болып есептеледі, яғни олар жеке-жеке спектрлік сызықтардан тұрады. Спектрлік сызықтардың әр қайсысы Бордың жиіліктер шарты бойынша һ= Еі - Eк, (мұндағы h — Планк тұрақтысы) атомның Еі және Ек екі энергия деңгейі арасындағы ауысуға сәйкес келеді. Спектрлік сызықтар толқын ұзындығы (=), жиілік ()с/с, мұндағы с — жарық жылдамдығы) және фотон энергиясы (h) арқылы сипатталады. А. с-лерге энергиясының айырымы бірнеше эВ-тан аспайтын сыртқы электрондардың энергиялық деңгейіндегі ауысулар нәтижесінде пайда болатын, инфрақызыл (толқын ұзындығы бірнеше нм-ге дейінгі) және ультракүлгін спектрлер, сондай-ақ энергиясының айырмасы 1031104 эВ-қа жететін ішкі электрондардың энергиялық деңгейіндегі ауысулар кезінде пайда болатын рентгендік спектрлер, радиожиіліктегі спектрлер (атомның нәзік түзілісі мен аса нәзік түзілісі деңгейлеріндегі ауысуға сәйкес келетін) жатады. А. с-дің түрі берілген элемент атомының құрылысына ғана емес, сыртқы факторларға да (температура, қысым, электр және магнит өрістері) тәуелді. Ең қарапайым А. с. (сутек атомдары мен сутек тектес иондардың А. с-і) белгілі заңдылық бойынша орналасқан спектрлік сызықтар — спектрлік серияларды түзеді. Екі не одан да көп сыртқы электрондары бар атомдардың А. с-і күрделі болып келеді. Күрделі спектрлерде серияларды бір-бірінен ажырату қиын. А. с. сызықтарының нәзік түзілісі және аса нәзік түзілістері болады. Бұлар электронның спинімен (нәзік түзіліс) және атом ядросының магниттік және электрлік моменттерімен (аса нәзік түзіліс) байланысты. Электронның спиндік және орбиталық магниттік моменттерінің әсерлесуі атомның энергия деңгейлерінің бірнеше деңгейшеге жіктелуін (нәзік түзіліс) тудырады. Осының нәтижесінде атомның спектрлік сызығы бірнеше құраушыға жіктеледі. Осы сызықтар тобын мультиплет деп атайды. А. с-ді зерттеу атом құрылысын анықтау кезінде, спектроскопия мәселелерін шешуде т.б. маңызды рөл атқарады.
Атомдар мен молекулалардың құрылымы жайындағы мәлiметтердiң көпшiлiгi спектрлiк зерттеулер (спектроскопия) нәтижесiнде алынғандығы, демек спектроскопия атом және молекула физикасын ұғынудың қазiргi деңгейге жетуiне аса зор үлес қосқандығы белгiлi. Ал атомдар мен молекулалардың құрылымы және бұлардың қоршаған ортамен әсерлесуi жөнiндегi мәлiметтi электромагниттiк сәуленiң затпен әсерлесуi нәтижесiнде пайда болатын жұтылу және шығару спектрлерiнен әр түрлi тәсiлмен алуға болады.
Спектрлiк сызықтардың толқын ұзындықтарын өлшеу атомдық және молекулалық жүйенiң энергия деңгейлерiн анықтауға мүмкiндiк бередi. Сызық интенсивтiгi кванттық ауысу ықтималдығына пропорционал, ал ауысу ықтималдығы атомның ауысу жасалатын екi деңгейi қаншалықты күштi байланысқандығының өлшемi болып табылады. Кванттық ауысу ықтималдығы екi деңгейдiң екеуiнiң де толқындық функцияларына байланысты болғандықтан, интенсивтiктi өлшеулер электрондық зарядтың кеңiстiктiк үлестiрiлуiн айқындау үшiн қажет. Арнайы жоғары ажыратқыштық әдiстердi қолданып спектрлiк сызықтың табиғи енiн өлшеуге болады, бұл атомдық, молекулалық күйлердiң орташа өмiр сүру уақытын анықтауға мүмкiндiк бередi.
Сызықтың допплерлiк пiшiндерiн өлшеу арқылы сәуле шығарушы және жұтушы атом, молекулалар жылдамдықтарының үлестiрiлуi және зерттелетiн нысан температурасы анықталады.
Соқтығысу процестерi және атомаралық потенциалдар жайындағы мәлiметтi спектрлiк сызықтардың кеңеюi және ығысуынан шығарып алуға болады.
Сыртқы магнит және электр өрiстерiндегi спектрлiк сызықтардың зеемандық және штарк жiктелулерi магниттiк және электрлiк моменттердi өлшеудiң және атомдар мен молекулалардағы (тiптi күрделi электрондық конфигурациялар жағдайларындағы) әр түрлi бұрыштық моменттердiң байланыс типтерiн айқындаудың маңызды тәсiлi болып табылады.
Спектрлiк сызықтардың аса нәзiк түзiлiсiнен атомның ядросы мен электрондық қабығы арасындағы әсерлесуi жайында мәлiмет алынады. Және ядролардың магниттiк дипольдық, электрлiк квадрупольдық моменттерiн анықтауға мүмкiндiк бередi.
Осы айтылғандарға байланысты атомдық практикумда орындалатын жұмыстар негiзiнен атом және молекулалар спектрлерiн зерттеуге негiзделген.
Атомдық физика практикумдағы 3-жұмыс сутегi атомының шығару спектрiн зерттеуге арналған. Сутегi спектрiнiң атом құрылымымен байланысын Бор ұсынған атом моделi көмегiмен түсiндiруге болады. Жұмысты орындау кезiнде алынған тәжрибелiк деректер Ридберг тұрақтысын және электрон массасын анықтауға, сутегi атомының энергия деңгейлерiн,
иондану энергиясын, атом мөлшерiн анықтау үшiн пайдаланылады.
4. Сутегі атомының спектрін жартылай классикалық түрде сипаттаңыз. Бор моделі мен атом теориясының рөлі қандай?
Н.Бор (1913) сутегі атомының классикалық емес бірінші сандық теориясын жасады. Ол өз теориясында Резерфордтың ядролық моделін, атом спектріндегі тәжірибеде тағайындалған заңдылықтарды және сәуле шығару жөніндегі кванттық түсініктерді (Планк гипотезасы) біріктірді. Бор теориясы тек сутегі атомы емес, заряды Ze ядродан және оны айналып жүретін бір электроннан тұратын сутегі атомы тәріздес жүйеге де қолданылады. Мұндай жүйелердің мысалына Не+, Lі++, B+++ және басқа иондар жатады.
Атомның ядролық (планетарлық) моделі классикалық физика заңдары тұрғысынан орнықсыз. Өйткені классикалық электродинамика заңдарына сәйкес:
1. Үдемелі қозғалатын зарядталған бөлшек (электрон) электромагниттік энергияны (жарық) үздіксіз шығаруға тиіс;
2. Осы жарықтың жиілігі электронның ядроны айналу жиілігіне тең болуы керек.Демек, осы модельге сәйкес атомның толық энергиясы үздіксіз кеми беруге, ал айналу жиілігі үздіксіз арта беруге тиіс. Осы жағдайда өте аз уақыт (∼10‐⁸с) ішінде электрон ядроға құлап, атом өзінің өмір сүруін тоқтататындығын есептеп, көз жеткізуге болады. Ал бұл барлық атомдардың өте қысқа уақыт ішінде қирайтынын көрсетеді. Бұған қоса, егер берілген модель дұрыс болса, онда сутегінің оптикалық спектрі (басқа элементтердің спектрі де) үздіксіз, тұтас болуы керек. Осы екі қорытынды да тәжірибе деректеріне толығынан қарама-қайшы келеді. Шындығында атом өте орнықты жүйе болып табылады және қозбаған күйде жарық шығармайды; атом сызықтық оптикалық спектр береді. Сонымен, атомның ядролық (планетарлық) моделі (классикалық механика және электродинамикамен қосылып) атомның орнықтылығын да, атомдық спектрдің сызықтық сипатта болатынында түсіндіре алмады. Осы тұйыққа тірелуден шығу жолын 1913 ж. Дания физигі Нильс Бор (1885-1962) тапты. Ол үшін оған классикалық физика түсініктеріне қайшы келетін жорамалдар енгізуге тура келді. Бор өзінің жорамалдарын екі постулат түрінде ұсынды:
1. Классикалық механика тұрғысынан атомда мүмкін болатын шексіз көп электрон орбиталары ішінен, шындығында mυr=n (n=1,2,…) белгілі кванттық шарттарды қанағаттандыратын тек кейбір дискретті орбиталар іске асады. Электрон осы стационарлық орбиталардың біреуінің бойымен үдей қозғалғанмен ешбір электромагниттік толқын (жарық) шығармайды. Осындай орбиталарға сай атомның стационарлық (орнықты) күйдегі энергиясының дискретті мәндері (Е1, Е2, Е3,...) болады.