Атомдық спектрлердегі заңдылықтар. Атом құрылысы. Бор постулаттары.
Әр түрлі химиялық элементтердің атомдарының сызықтық спектрлері бірдей болмайды. Кейбір элементтердің атомдық спектрі қарапайым болса, кейбіреулерінің атомдық спектрі өте күрделі болады. Мысалы, аргоннын спектрі гелийдің спектрінен, ал гелийдің спектрі сутегінің спектрінен әлдеқайда күрделі болады. Атомдар спектрлерін талдап зерттеу үшін спектрлік сызықтардың толқын ұзындықтары мен салыстырма интенсивтіктерін өте мұқият өлшеу керек болады. Осылайша зерттей келгенде спектрлік сызықтардың орналасуында интенсивтіктері өзгеруде белгілі заңдылық бар екеігдігі байкалады. Мұндай заңдылықтар құрылысы қарапайым спектрлерден өте айқын көрінеді. 1) Сутегі атомының спектріндегі заңдылықтар. Ең қарапайым спектрлердің бірі сутегі атомының спектрі болады. Өйткені сутегінің атомы ең қарапайым атом болады. сутегі атомының спектрінің фотографиясы келтірілген. Мұнда спектрдің көрінетін бөлігі мен жақын ультракүлгін бөлігіндегі спектрлік сызықтар көрініп тұр. Абайлап қарағанда бұл сызықтардың аралығы спектрдің қысқа толқындық шетіне қарай жақындай беретіндігі және осы бағыт бойынша олардың интенсивтігі кеміп отыратындығы ап-анық байқалады. Осы сутегі атомының спектрінің көзге көрінетін бөлігінде жатқан төрт сызық Нα , Нβ , Нγ, Нδ әріптерімен белгіленген. Бұлардың толқындарының ұзындығын (λ) бір формуламен өрнектеуге болады. Оны ең алғаш швейцариялық Бальмер (1885 ж.) тағайындаған.
Сутегі спектріндегі серияларды сипаттайтын Бальмердің жалпылама формуласы:
мұндағы - сутегі атомының спектріндегі спектрлік сызықтардың жиілігі; - Ридберг тұрақтысы; серияны анықтайды ( ); - сәйкес сериядағы жеке сызықтарды анықтайды ( ); (Лайман сериясы), (Бальмер сериясы), (Пашен сериясы), (Брэкет сериясы), (Пфунд сериясы), (Хэмфри сериясы).
Атом құрылысы - 1897 жылы көптеген электр құбылыстарын түсiндiруге мүмкiндiк беретiн жаңалық ашылды. Ағылшын ғалымы Дж.Томсон элементар заряд тасымалдаушысы болып табылатын бөлшектi тапты. Бұл бөлшекті электрон деп атады.
Электрон массасы m=9,1*10-31 кг-ға тең және табиғаттағы ең жеңiл сутегi атомы массасынан 3700 еседей аз болып шықты. Электр зарядын арттыруға және азайтуға болады. Яғни олар әр түрлі мәнге ие болуы мүмкін. Ендеше электр заряды физикалық шама. Екі электрометр алып олардың біреуін зарядтайық. Сосын оқшаулағыш тұтқасы бар жіңішке сыммен екі электрометрді жалғайық. Сонда біз зарядтың теңдей екіге бөлінгенін көре аламыз. Атом құрылысы 1911 жылы ағылшын ғалымы Э. Резерфорд басқарған тәжiрибелер нәтижесiнде ашылған. Электрон заряды терiс: qэл = – е = – 1,6 • 10–19 Кл.
Бұл заряд электронның ерекше сипаттамасы болып табылады. Жәй денелердi зарядтауға немесе разрядтауға болады, ал электронды зарядынан “айыру” мүмкiн емес. Сондай-ақ электрон зарядын азайтуға немесе көбейтуге болмайды. Электрон заряды барлық уақытта тек бiр мәнге ие. Электрондар атом ішінде орналасқан оң зарядталған атомдық ядроны айнала қозғалады. Резерфорд тәжiрибелерiн жоғары сыныптарда егжей-тегжейлi қарастырылады. Мұнда бiз оның тәжiрибе нәтижесiнде жасаған қорытындыларымен шектелемiз.
Резерфорд атомының құрылысын Күн жүйесiне ұқсатты. Күн жүйесiндегi планеталар оған тартылып айналғаны сияқты, электрондар да ядроға тартылып оны айнала қозғалады. Осындай ұқсастығы үшiн Резерфорд ұсынған модельдi планетарлық модель деп атаған. Ядро мен электронның ара қашықтығы олардың өлшемдерiне қарағанда өте үлкен. Егер атомды ойша үлкейткенде ядроның диаметрi он теңгелiктей болса, онда ядро мен электрон ара қашықтығы шамамен бiр километрдей болар едi. Егер барлық электрондар атомдық ядроларға тығыз орналасса, онда ересек адамның денесiнiң көлемi бiр куб миллиметрдiң миллионнан бiр бөлiгiндей болатындығы есептелген. Бiр тектi атомдар жиынтығы химиялық элемент деп аталады. Әр түрлi химиялық элементтердiң атомдары бiр-бiрiнен ядроларының зарядымен және сол ядроны айнала қозғалатын электрондар санымен ерекшеленедi. Мысалы, сутегi атомында жалғыз электрон бар, оттегi атомында – сегiз электрон, ал уран атомында – тоқсан екi. Атомдағы электрондар саны элементтiң Д.И. Менделеев кестесіндегі реттiк нөмiрiмен сәйкес келедi. Осы нөмiр атом ядросының зарядын да анықтайды. Белгiлеу енгiзейiк: Z – элементтiң реттiк нөмiрi, е = атомдағы электрондар саны. Онда атом ядросының және атомдағы барлық электрондардың жалпы заряды үшiн былай жазуға болады: qядро = + Ze, qэл-н = – Ze. Атомдағы электрондардың жалпы зарядын, атом ядросының зарядына қоссақ нөл шығады. Бұл атомның толықтай бейтарап екендiгiн көрсетедi. Бейтарап атомдардан тұратын заттардың молекулалары да бейтарап болады. Кейбiр жағдайларда атомдар бiрнеше электронын жоғалтуы мүмкiн. Атомдар электрондармен бiрге өздерiнiң терiс зарядының бiр бөлiгiн жоғалтып, бейтарап емес жүйеге айналады. Осының салдарынан пайда болған оң зарядталған атомды оң ион деп атайды. Керi жағдайлар да болуы мүмкiн: бейтарап атом өзiне артық электрон қосып алып, терiс зарядталады. Мұндай атомды терiс ион деп атайды.
Даниялық атақты физик Н. Бор Планктың кванттық теориясына сүйене отырып, атомның ядролық моделін жаңа нысанадан қарап талқылады, атомның құрылысы туралы кванттық жаңа теория ойлап шығарды. Бұл жөнде Н. Бор (1913 ж.) мынадай екі постулат ұсынды. Бірінші қағида немесе орнықты күйлер қағидасы: атомдағы электрондар кез келген энергиясы бар орбиталармен емес, тек белгілі бір энергиясы бар орбиталар бойымен қозғалады. Оларды орнықты орбиталар деп атайды. Орнықты орбиталардың энергиясы тек белгілі бір дискретті мәндерді ғана иеленеді. Электрондар мұндай орнықты орбита бойымен қозғалып жүргенде сәуле шығармайды. Екінші қағида немесе сәуле шығарудың жиіліктік шарты: атом бір орнықты күйден екінші бір сондай күйге ауысқанда ғана жарықтың бір фотонын жұтады не шығарады. Шығарылған не жұтылған фотонның энергиясы (һν) екі орнықты күй энергияларының (Е1 және Е2) айырымына тең (һν = Е1 – Е2, мұндағы ν – шығарылған не жұтылған сәуле фотонының жиілігі, һ – Планк тұрақтысы). Осы қағидалар негізінде құрылған Бор теориясы тек сутек және сутек тәріздес атомдардың құрылысын түсіндіруге қолданылады. Бор қағидалары классикалық физика заңдылықтарына толығымен қайшы келеді. Бұл қағидалар – микродүние қасиеттерін түсіндіру үшін табылған алғашқы тұжырымдар. Атом құрылысы кванттық механика арқылы ғана толық түсіндіріледі.
Бордың бірінші постулаты (стационарлық күйлер постулаты):
мұндағы - электронның массасы; - радиусы болатын т -ші орбитадағы электронның жылдамдығы.
• Бордың екінші постулаты (жиіліктер ережесі):
мұндағы және - сәйкес түрде атомның сәулеленуге (жұтуға) дейінгі және одан кейінгі сатционарлық күйлерінің энергиялары.
• - стационар орбитадағы электронның энергиясы:
мұндағы - Мендлеевтің периодтық кестесіндегі элементтің реттік нөмірі; - электрлік тұрақты.