Тақырыбы: Электронның ашылуы туралы. Атом модельдерін оқыту әдістемесі

ХІХ-ғасырдың басында Петербург физигі академик В.В.Петров сиретілген газдардың электр тогын өткізуге қабілеті бар екенін байқады. 1869 жылы неміс ғалымы Гитторф сол уақыттағы газды сиретудің ең жоғары тәсілін қолданғанда, шыны түтіктегі газдың жарқырауы жоғалып кететінін, оның есесіне теріс электродқа қарама-қарсы шыны қабырғадан жасыл жарық дақ пайда болатынын көрген. Ғалымдар көзге көрінбейтін ерекше сәулелер түтіктің шыны қабарғасынан өтіп, жарқыл шығарады деп түйді. Неміс физигі Гольдштейн бұл сәулелерді катод сәулелері деп атады. Катод сәулелерінің табиғаты көпке дейін құпия болып келді. Тек 1879 жылы бұған ағылшын физигі Крукс дұрыс жауап бере алды. Ол катод сәулелері өздерімен энергия алып жүреді, соның нәтижесінде шынының жасыл дақ түскен жері қызады деп дәлелдеді. Магнит әсерінен катод сәулелері бұрылады. Ендеше, катод сәулелері жарық сәулелерінен өзгеше, себебі жарық сәулелері магнит өрісінде бұрылмайды.

Сондықтан катод сәулелері – зарядты бөлшектер ағыны. Кейіннен француз ғалымы Перрен тәжірибе жасап катод сәулелері теріс зарядты бөлшектер ағыны екенін көз жеткізді. Алайда, катод сәулелері туралы нақты қорытынды жоқ еді.

1897 жылы ағылшын физигі Дж.Томсон катод сәулелерін зерттеумен шұғылданды. Разрядты түтіктің ішіндегі газ молекулаларын сирету дәрежесін үлкейтіп, жоғары вакуум жасағанда катод сәулелерінің бұрылуы айқын байқалды және ол бұрылу катод сәулелерінің теріс зарядты екенін тағы да дәлелдеді. Өз тәжірибелеріне талдау жасай отырып Томсон 1897 жылы 29 апрельде Лондонның Корольдік қоғамында мынадай негізгі қорытындыларға келгенін баяндады.

1. Атомдар бөлінбейді, алайда жылу, жарық, электр өрісі немесе жылдам ұшатын бөлшектердің механикалық соққыларының әсерінен олардан теріс бөлшектер ұшып шығуы мүмкін.

2. Теріс бөлшектер қандай текті атомнан ұшырылып шығарылғанынан тәуелсіз олардың бәрінің де массалары мен зарядтары бірдей.

3. Мұндай бөлшектің массасы шамамен сутегі атомы массасының 1/2000 бөлігіне тең.

4. Сонымен теріс бөлшектер –теріс зарядты «атомдардың» негіздері.

Бұл бөлшекті Стоней 1890 жылы электрон деп атауды ұсынған.

Томсон 1897 жылы өзінің электронды ашқанын хабарлағаннан кейін-ақ ғалымдар электронның зарядын өлшеуге талап жасады. Алайда, электронның өте кішкене заряды өлшеу техникасын қиындатты және өлшеулер өте жақсы дәлдіктерді бермеді.

Тек 1911 жылы американ физигі Милликен және 1912 жылы совет академигі А.Ф.Иоффе барлық қиындықтарды жеңіп, электронның зарядын өлшеп тапты.

Милликен тәжірибесінің мәні мынадай. Ауасы барынша сорылып шығарылған камераның ішіне жоғарғы пластинкасында тесігі бар горизонталь жазық конденсатор қойылды. Арнайы аспаптың көмегімен камераға май тамшылары ендіріледі. Олар пульверизаторлардан ажырап шыққан кезде кедергінің әсерінен зарядталады. Бұл тамшылар құлап бара жатқан жолындағы тесік арқылы конденсатордың электр өрісіне енеді.

Пластинканың кернеуін өзгерте отырып тамшының салмағы электр күшімен теңестіріледі. Сонда тамшы қозғалмастан қалқып тұрады. Оны микроскоппен де қарауға болады. Тамшының мөлшерін анықтап, оның салмағын есептеп табуға болады. Тамшының салмағы белгілі болса, оны теңгеретін электр күші де белгілі, олай болса бұдан тамшының зарядының мөлшерін анықтауға болады. Осы тәсілмен Милликен электрон заряды е=1,6*10^-19 Кл-ға тең екенін тапты. Осындай нәтижені А.Ф.Иоффе де алды.

Томсон моделі.

ХІХ ғасырдың аяғында көптеген ғалымдардың разрядты түтіктің көмегімен жүргізген тәжірибелерінен атомның электрондар мен бөлшектерден тұратыны белгілі болды. Атомның алғашқы моделін 1904 жылы Томсон жасады. Томсон моделі бойынша атом дегеніміз – ішінде теріс зарядтты электрондар бірқалыпты орналасқан оң зарядтты шар. Қалыпты жағдайда атомдағы электрондар мен оң зарядтты бөлшектер саны өзара тепе-теңдікте болады. Егер атомға қандай да болмасын сырттан күш әсер етсе, ол қозады да электрондар тербеле бастайды. Енді осы модель тұрғысынан бір электроннан тұратын сүтегі атомын қарастырайық. Қалыпты жағдайда электрон шардың центрінде орналасады, өйткені электронға әсер ететін күштер теңгерілген. Егер дененің температурасы артып, атомдардың соқтығысулары жиіленсе, электрон тепе-теңдік жағдайдан шығып, сыртқа қарай ығысады. Сөйтіп, атом центрімен салыстырғанда электрон үздіксіз тербелісте болады. Жиілігі секундына миллион-миллиард тербеліске тең электромагниттік жарық толқындарын шығару үшін атомдағы элекрондар да сондай жиілікпен тербелуі керек. Бұл жағдайда оң зарядтты шардың диаметрі шамамен сантиметрдің жүз миллионнан бір бөлігіне тең болатынын Томсон есептеп шығарды. Атомның мұндай мөлшері Томсонның басқа есептеулері мен тәжірибелерінен алған қорытындыларына дәл келеді.

Сондықтан да бұл атом моделінің дұрыс екендігіне кезінде сенім тудырғандай еді. Томсон моделі алғашқы кезде көптеген физикалық құбылыстарды түсіндіргенмен, бертін келе атомның өзіне тікелей қатысты бірсыпыра мәселелерді шешуде дәрменсіз болып қалды. Мысалы, сутегі атомының сызықтық спектрінен табылған заңдылықты түсіндіре алмады. Сондықтан Томсон моделі ғылымда көп өмір сүрген жоқ.

Резерфорд моделі.

Атомның жаңа моделін жасауда шешуші тәжірибені Томсонның шәкәрті ағылшын физигі Резерфорд 1911 жылы өз лабороториясында іске асырды. Ол өзінің тәжірибесінде нысана ретінде қалыңдығы миллиметрдің екі мыңнан бір үлесіне тең алтын фольганы алып, оны альфа бөлшектермен атқылады. -бөлшектің ұшуын бақылау үшін фольганың артына арнаулы экран қойып, әрбір -бөлшек ұрылғанда шығатын жарқыл бақыланды. Көпшілік -бөлшектер фольгадан өткенде бос кеңістіктен өткендей болған. Сонымен бірге Резерфорд кейбір -бөлшектердің тік бұрышқа, тіпті кейде онан да үлкен бұрышқа бұрылып шашырайтынын байқады. Алғашқыда Резерфорд -бөлшектердің шашырау құбылысын Томсон моделі негізінде түсіндірмекші де болды. Алайда, осы құбылысты түсіндіруге бұл модельдің жарамсыз екені анықталды, өйткені Резерфорд тәжірибелерінен Томсон моделі тұрғысынан қарағанда атом құрылысы туралы түсініксіз жағдайлар байқалады. Біріншіден, зат «бостықтан» тұрады екен, өйткені -бөлшектің көпшілігі жұқа фольга арқылы өткенде бұрылмады. Екіншіден, атомның ішінде жылдам ұшатын -бөлшектердің бағытын кілт өзгертетін қуатты күш болу керек. Мұндай күштерді тек атомның оң не теріс зарядты бөлшектерінің электр өрісі тудыра алады.

Ал теріс зарядты бөлшектер-электрондар олардың массалары ауыр -бөлшектердің массаларымен салыстырғанда өте аз, сондықтан -бөлшектерді бұратын атомның оң зарядты бөлшектері болу керек. Тәжірибеге сүйене отырып Резерфорд 1911 жылы Томсон моделінен өзгеше атомның жаңа моделін жасады. Бұл модель бойынша атом электрондар мен ядродан тұрады. Ал ядроға атомның көпшілік массасы мен оң заряды жинақталған. Ядроның айналасында шеңбер бойымен электрондар айналып жүреді. Резерфорд есептеулерінен ядроның диаметрі шамамен атомның диаметрінен жүз мың есе кіші екенін байқауға болады.

Атом құрылысының жаңа моделі планетарлық деп аталды. Дегенмен, атомға тән көптеген құбылыстарды бұл модель де дұрыс түсіндіріп бере алмады. Атап айтқанда, атом ішінде шеңбер бойымен үдей қозғалған электрон қалай болғанда да сәуле шығару керек. Соның салдарынан электронның энергиясы біртіндеп азая отырып, электрон ядроға жақындай беріп, электр күшінің әсерінен ақыр соңында құлап түсу керек. Демек атом, атом болудан қалуға, яғни күйреуге тиіс. Шын мәнісінде атом орнықты жүйе.

Тек 1900 жылы неміс ғалымы Макс Планк ірге тасын қалаған кванттық теория арқасында бұл сұрақтың шешімі табылды. Планктің идеясын алғаш рет Резерфорд моделіне қолданған дания ғалымы Нильс Бор болды. Ол 1913 жылы атомның стационар орбиталары туралы және атомның сәуле шығару шарттары жайлы өзінің үш постулатын ұсынды.

Бұл постулаттар бойынша электрондар ядроны кез-келген орбитамен емес, белгілі стационар орбитамен айналып жүреді. Электрондар стационар орбитамен айналып жүргенде атом сәуле шығармайды және оны жұтпайды. Егер электрондар бір орбитадан басқа орбитаға ауысатын болса, онда атом сәуле шығарады немесе жұтады. Атомның шығаратын электромагниттік толқынының жиілігі электронның айналу жиілігіне емес, олардың энергияларының айырмасына байланысты.

Атом кванттық система деп есептеліп, ондағы электрондардың күйін сипаттау үшін негізгі орбиталық, магниттік және спиндік кванттық сандар еңгізілді. Мысалы, әрбір орбитадағы электрондардың саны Паули принципі бойынша былай өрнектеледі: N=2n²; мұндағы n-негізгі кванттық сан. Сонымен Бор атомның ішкі құрылысына қатысты біраз мәселені шешті. Өзіне дейін түсініксіз болып келген атомның орнықтылығын және спектрдің дискреттілігін түсіндірді, бірақ атомның құпия сырларын ертеден келе жатқан көне классикалық теориядан бас тартудың себептерін түсіндіре алмады. Бұл қиыншылықты жеңу үшін Эйнштейннің, Гейзенбергтің, Луи-де-Бройльдің, Шредингердің еңбектері зор. Олар ескі классикалық механиканың орнына жаңа кванттық механиканы қалыптастырды. Осы кванттық механиканың арқасында Бор постулаттарының сыры ашылды.

Лекция 13