1-mavzu. Atom tuzilishi

Avogadro qonuni. Tabiiy bilishning asosiy qonunlaridan biri — Avogadro qonuni italyan olimi Avogadro tomonidan 1811 yilda maydonga tashlangan:

Bir xil sharoitda (bir xil temperatura va bir xil bosimda) va baravar hajmda olingan turli gazlarning molekulalar soni o’zaro teng bo’ladi.

Bu qonunni shuningdek, konsentratsiya uncha katta bo’lmagan holatlarda ionlar va ionlashgan gazlar elektronlari uchun qo’llash mumkin.

Keyinchalik (1850 yil o’rtalarida) Jerar tomonidan Avogadro qonuniga asoslanib, gaz holatdagi moddalarning kimyoviy tarkibiga bog’liq bo’lmagan holda molekulyar massasini aniqlashning ikki yo’lini ko’rsatildi:

1-yo’l: Bir xil fizik sharoitda har qanday gazning gramm-molekulasi bir xil hajmni egallaydi (OC, 760 mm. sim. ust.).

v = 22414 sm³/mol = 22,4 l/mol yoki 22,4 m³/kmol.

Bu miqdor gazlarning molyar xajmi deyiladi.

2-yo’l: Gazsimon moddaning molekulyar massasi uning vodorodga nisbatan zichligini ikkiga ko’paytirilganiga teng (aniqrog’i 2,016).

bu yerda: D^X(H₂) - X gazining vodorodga nisbatan zichligi yoki

X va H₂ gazlari zichliklarining nisbati, bu oddiy fizik ekcperiment bilan aniqlanadi.

1908-1910 yillarda fransuz olimi Perren tomonidan birinchi bo’lib 10 g molekula gazdagi (n.sh.da) molekulalar soni aniqlandi:

N = 6,02 • 10²³ mol^–1

Bu son Avogadro soni deb ataladi.

Atom tuzilishining hozirgi zamon nazariyasi uzoq tarixga ega. XIX asr oxiri va XX asrning boshlarida fizika sohacidagi ko’pgina tekshirishlar natijasida atom moddaning eng kichik bo’linmaydigan zarrachasi emas, balki bo’linadigan, biridan ikkinchisiga aylanadigan, murakkab tuzilishiga ega degan xulosa chiqarildi. Bu xulosaning chiqarilishiga fizika va kimyo sohasida erishilgan quyidagi asosiy yutuqlar sabab bo’ldi.

Atom tuzilishining murakkabligi to’g’risidagi dastlabki tushunchalar o’tgan asrda paydo bo’la boshladi. Dalton va uning safdoshlari atomga bo’linmaydigan zarracha deb qaradilar. Ammo sekin asta atom ichki strukturaga ya’ni yanada mayda zarrachalardan iborat degan faktlar to’plana bordi. Atom tuzilishining hozirgi zamon modeliga olib kelgan eng muhim tajribalarga to’xtalamiz.

XIX asr boshlarida atom bilan elektr o’rtasida uzviy bog’lanish ya’ni atomlar bir-birlari bilan elektr jarayonlari asosida birikkan degan umumiy tushuncha mavjud edi. 1834 y ingliz fizigi M.Faradey elektroliz qonunlari asosida ionlar ixtiyoriy hohlagancha miqdordagi zaryadni emas, balki qat’iyan aniq porsiyadagi elektr miqdori tashishini isbotladi. 1874 y. DJ. Stoni bu fikrga asoslanib, elementar elektr zaryadining son qiymatini hisoblab, u 10^-20 Kl. ekanligini topdi. Atomda qarama-qarshi elektr zaryadlari mavjudligi, havosi siyraklashtirilgan sohada elektr razryadlari ta’sirida katod yoki anod nurlari vujudga kelishi bilan to’liq isbotlandi.

Katod nurlarini 1879 y. ingliz olimi Kruks ochdi. Yuqori kuchlanishli ( 71000 V) elektr tokini havosi so’rib olingan shisha nayda kavsharlangan elektroddan (katoddan) o’tkazilganda ko’zga ko’rinmaydigan nurlar vujudga kelishi aniqlandi. Bunday nurlar katod nurlari deyiladi. Bu nurlar ko’zga ko’rinmas bo’lib, ularning yo’liga qattiq moddalar qo’yilsa nurlanish vujudga keladi. Masalan: oddiy shisha plastinkasi yashil nurlanadi, siyrak-yer elementlarning oksidlari, siyrak-yer element tabiatiga qarab turli rangdagi nurlanishni vujudga keltiradi. (Bu hodisa hozir rangli televizorlarda foydalaniladi). Ayrim kimyoviy birikmalar katod nurlari ta’sirida parchalanadi. Masalan: katod nurlari ta’sirida fotoplastinka yoki fotoqog’ozdagi Ag tuzlarining parchalanishi natijasida uning qorayishi kuzatiladi. Demak, ko’zga ko’rinmas katod nurlari qattiq to’siqqa urilganda uning nurlanishini yuzaga keltiradi. Kuzatiladigan nurlanishlar manfiy zaryadlangan zarrachalar oqimidan iborat bo’lib, ularga "elektronlar "deb ataldi. Katod nurlari magnit va elektr maydonlari bo’lmaganda to’g’ri chiziqli yo’naladi. Manfiy zaryadlangan zarrachalar magnit va elektr maydonlarida og’ishi kabi katod nurlari ham og’adilar. Shunday qilib katod nurlari elektronlar oqimidan iborat ekanligi isbotlandi. 1897 yilda ingliz fizigi Dj. Tomson elektron elektr zaryadini uning massasiga nisbatini (e/m)ni o’lchashga muvaffaq bo’ldi va bu nisbat 1,7610 ⁸ kl/g. teng ekanligini aniqlandi. Faqat 1909 yilda Chiqago universitetidan R.Milliken juda ko’p tajriba natijalariga asoslanib elektron zaryadini o’lchashga muvaffaq bo’ldi va bu qiymat 1,610^-19 Kl. teng ekanligini topdi. Bu qiymatni Tomson aniqlagan nisbat qiymatiga bo’lib, elektron massasini hisoblash mumkin:

ye^- 1,60*10^-19 Kl

m = =  = 9,11*10^-28 g

ye^-/m 1,76*10⁸Kl/g

Atom tuzilishining murakkab ekanligini isbotlovchi kashfiyotlar dan yana biri 1895 y. fransuz olimi Anri Bekkerel tomonidan ochilgan tabiiy radioaktivlik hodisasidir. Radioaktivlik hodisasi ochilishidan sal oldin 1896 yil yanvarda Rentgen  -nurlarni ochdi va keyinchalik bu nurlar "Rentgen" nurlari nomini oldi. Rentgen nurlari to’lqin uzunligi 10 ² nm bo’lgan, ko’zga ko’rinmaydigan elektromagnit nurlanishi bo’lib, kuchli teshib o’tish qobiliyatiga ega. Rentgen nurlarining bu xossasidan texnikada va medisinada ko’p qo’llaniladi.

A. Bekkerel bu kashfiyot bilan juda qiziqdi va K₂[UO₂ (SO₄)₂] 2N₂O mineralini qorong’ulikda o’z-o’zidan ko’zga ko’rinmas nur tarqa tishini aniqladi. Bu hodisa radioaktivlik deyiladi.

Bekkerel maslahati bilan M. Skladovskaya-Kyuri va uning eri Pyer-Kyurilar o’zlarining eng muhim tajribalariga kirishadilar va uran rudasi tarkibidan 1898 y. poloniy va radiy elementlarini ajratib olishga muvaffaq bo’ladilar.

Radioaktivlik hodisasini keyinchalik asosan tekshirgan ingliz olimlardan Ernest Rezerford bo’lib, u uch xil - (alfa),   (beta) va   (gamma) nurlanishni aniqladi. H’ar bir nurlanish o’zining elektr xossasi va teshib o’tish qobiliyatlari bilan farq qiladi.

 -nurlanish juda katta tezlik bilan harakatlanuvchi elektronlar oqimidan iborat ekanligi isbotlandi. Elektron zaryadi birligida har bir  -zarracha birligi - 1 ga teng.

 -nurlar musbat zaryadlangan zarrachalar bo’lib, ularning zaryadi +2 ekanligi isbotlandi. Rezerford  -zarracha massasi   -zarrachasiga nisbatan juda yuqori ekanligini va ular atrof muhitdagi elektronlarni biriktirib geliy atomini hosil qilishini aniqladi. Shu sababli u  -zarrachasi geliy yadrosidan iborat degan xulosaga keldi. - nurlar esa juda yuqori energiyali nurlanish bo’lib, elektroneytral zarrachalardan tarkib topgan.   -,   -zarrachalarning va  -nurlanishni xossalari I - jadvalda taqqoslangan.

1 Jadval

  -,  - va  -nurlanish xossalari

Xossasi	Nurlanish -zarrachalar	Nurlanish -zarrachalar	Nurlanish -zarrachalar
Zaryadi massasi,g Nisbiy teshib o’tish qobiliyati Nurlanish tabiati	+2 6,64*10^-24 1 Ne – yadrosi	-1 9,11*10^-28 100 Elektronlar	0 0 1000 yuqori energiyali nurlanish

Atom tuzilishi to’g’risidagi eng birinchi model Tompson (1904 y) tomonidan yaratilgan bo’lib, unga asosan atom-ma’lum bir zichlikka ega bo’lgan, taxminan uning diametri 0,1 nm hajmidagi musbat elektrosferadir, elektronlar bu maydonda ularni neytrallab turadi. Elektronlarning tebranuvchan harakati elektromagnit to’lkinini yaratadi deydi. Buni Rezerford (1907 y) amalda isbot qildi. U toza oltin folgasidan  -nurlar o’tkazganda ularning 10000 tadan bir spektr 180  burchak ostida orqaga qaytadi. Bularni hisoblab bu musbat zaryadlarning o’lchovi  710^-13  sm ekanini aniqladi. Bu asosda Rezerford 1911 y. atom tuzilishining planetar modelini yaratdi.

 Rezerfordning atom tuzilishining yadro-planetar modeli.

Atom tuzilishi to’g’risidagi turli tushunchalarning yaratilishida Rezerford va uning shogirdlari Geyger hamda Marsdenlar tomonidan o’tkazilgan tajriba natijalari ya’ni turli moddalarda  -zarrachalarining og’ishi muhim rol o’ynadi.

Radioaktiv manbadan chiqayotgan  -zarrachalar oqimi tor tirqish orqali oltin folgaga yuboriladi.  -zarrachalarni yuziga ZnS yoki K₂[PtCl ₆] qoplangan flyuoressirlovchi aylanma ekranda qayd qilinadi.  -zarrachalarning yoyilishini kuzatuvchi Rezerford tajribasi 1 - rasmda keltirilgan. Oltin folgasidan o’tayotgan  -zarrachalarning ko’pchilik qismi yoyilmasidan o’tadi. Faqat ularning bir qismigina ma’lum darajada yoyiladi, hatto ulardan ayrimlari butunlay qarama-qarshi tomonga (orqaga) yo’naladi va ekranda chaqnash kuzatiladi.

Q’arama-qarshi tomonda vujudga keladigan chaqnashlar soni  -zarrachasi yo’liga qo’yilgan folganing qanday metalldan tayyorlanganligiga bog’liq bo’ladi. Bir xil sharoitda o’tkazilgan tajribalar shuni ko’rsatdiki, metall massasi qancha katta yoki metallning tartib raqami qanchalik katta bo’lsa teskari tomonga yo’nalgan  -zarrachalar soni shuncha ko’p bo’ladi.

Masalan: bir minutda alyuminiy plastinkasidan qaytgan  -zarrachalar soni - 3ta, temirda-10, misda - 15, kumushda - 27, qalayda - 34, platinada - 63 va h.k.zolarga teng bo’ladi. Juda katta energiyaga va sekundiga o’n minglar kilometr tezlikka ega bo’lgan  -zarrachalarining to’g’ri yo’lini butunlay teskari tomonga o’zgartirishi kutilmagan hodisa bo’lib, hammani hayratga soldi. Tajriba natijalarini eshitgan Rezerford bu mening hayotimdagi eng kutulmagan voqyeadir va bu papiros qog’oziga qaratib otilgan o’qning undan qaytib o’zingni yarador qilishi kabi kutilmagan hodisadir deydi.

Bu tajribadan ikkita haqiqiy savol tug’iladi:

1. Nima uchun metall plastinkasidan o’tgan  -zarrachalarining bir qismi ma’lum burchakka og’adi?

2. Nima uchun ulardan ayirimlari esa harakat yo’lining butunlay teskari tomoniga yo’naladi?

1911 yilda Rezerford bu kuzatishlarni quydagicha tushuntiradi:  -zarrachalarining ko’pchilik qismini plastinkadan og’masdan o’tishini sababi, atomning asosiy yuzasi juda kichiq massaga ega bo’lgan elektronlar bilan bandligidir.

Ulardan oz qismining yoyilishiga sabab, ular atomning musbat zaryadi to’plangan metall yadrosiga juda yaqin kelishidir. -zarrachalarining harakat yo’lini butunlay o’zgarishiga sabab, ularning juda katta musbat zaryadiga ya’ni yadro bilan to’qnash kelishidir. Bu to’qnash bir tomondan  -zarrachasini juda katta kuch bilan itaradi. Ikkinchi tomondan atom yadrosining juda kichik o’lchami oz sondagi  -zarrachalari bilan to’qnashishiga va bu juda oz sondagi  -zarrachalar dastlabki harakat yo’lini o’zgartirishiga sabab bo’ladi.

Bu yerda eslatilgan yangi hodisalarning ochilishi va tajriba natijalari 1911 yilda Rezerfordga atom tuzilishining planetar gipotezasini aytishga yordam berdi va u atom tuzilishining yadrodinamik nazariyasini yaratdi.

Rezerford fikricha atomning asosiy massasi, atomning musbat zaryadlangan yadrosiga to’plangan bo’lib uning atrofida manfiy zaryadlangan elektronlar aylanma orbitalarda xuddi quyosh atrofidan quyosh sistemasi planetalari aylanganidek aylanadi. Bu massa juda kichik hajmga to’plangan bo’lib, atom yadrosini tashqil qiladi. Rezerford nazariyasiga muvofiq, har qanday element atomi musbat zaryadlangan va juda kichik hajmni egallovchi yadrodan tarkib topgan. Yadro atrofida aylanadigan elektronlar soni, yadro zaryadi soniga teng bo’ladi. Atom elektr jihatidan neytraldir. Yadro zayadining soni element tartib nomeriga tengdir. Atomning hamma massasi yadroda joylashgan bo’lib, uning hajmi - 10^-36 sm ³, dimatri esa - 10 ^-13 - 10 ^-12 sm ni tashkil qiladi. O’sha davrdayoq atomni va uni tashkil qiluvchi zarrachalarni o’lchamlarni aniqlash mumkin bo’ldi.

Masalan: vodorod uchun quyidagi harakteristika olindi:

Atom yadrosi o’lchovi, sm - 10 ^-13

Atom radiusi, sm - 10 ^-8

Elektron radiusi, sm - 1,5 * 10 ^-16

Vodorod atomi yadrosi (proton) radiusi, sm - 3 5 * 10 ^-13

Rezerford nazariyasi atom tuzilishi to’g’risida to’g’ri tushunchalarni bersada, u kamchiliklardan holi emas edi - bu sifatiy nazariya edi.

Bu nazariya o’sha paytda ma’lum bo’lgan ko’pchilik tajribaviy faktlarni miqdoriy jihatdan tushuntirib bera olmasdi. Klassik fizika qonunlariga muvofiq katta tezlik bilan harakatlanayotgan elektron o’z luksiz elektromagnit nurlarini chiqarib, energiyasini yo’qotishi va yadroga tushishi kerak edi. Nyuton mexaniq asi va klassik elektrodinamika hisoblariga ko’ra elektron taxminan 10 ^-8 sek. vaqtichida yadroga tushishi kerak. Bu hodisa atomlarning beqarorligiga olib keladi, haqiqatda esa bunday bo’lmaydi, atomlar elektromagnit to’lqinlarini nurlantirmay cheksiz uzoq vaqt mavjud bo’la oladi. Demak, atom ichida bo’ladigan hodisalarga klassik fizikaning hamma qonunlarini tadbiq qilib bo’lmaydi.

Atom tuzilishining miqdoriy nazariyasini yaratishda asosiy rolni 1913 yilda N. Bor o’ynadi va u atom tuzilishining yadroviy nazariyasini hamda Plankning kvant nazariyasini birlashtirdi. Bor atomning asosiy xarakteristikasi va tajribada aniqlangan qiymatlarni matematik jihatdan bog’laydigan ikkita pastulotini yaratdi.

 Bor nazariyasi .  Vodorod atomining spektri va tuzilishi.

Bor o’z nazariyasini yaratishda, yadro atrofida elektronlarning harakatlanishidan iborat bo’lgan sistemaga kvant nazariyasini asos qilib oldi. Kvant nazariyasi 1900 y. ingliz fizigi Plank tomonidan yaratildi. Bu nazariyaga muvofiq yorug’lik energiyasining nurlanishi va yutilishi uzluksiz oqim bilan chiqib va yutilib turmay, balki ayrim kichik  porsiyalar  bilan chiqadi va yutiladi. Energiyaning bu porsiyalarini  yorug’lik kvanti ,  kvant energiyasi  yoki fotonlar deb ataladi. Nur chiqarayotgan jism energiyasi zapasi bir tekisda o’zgarmasdan to’satdan (sakrab-sakrab), kvantma-kvant o’zgaradi. Jism kasr sondagi kvantlar chiqara olmaydi ham, yutmaydi ham. Energiya kvanti Ye tebranish chastotasiga to’g’ri proporsional bo’lib, quyidagi formula bilan ifodalanadi:

Ye = h   = c/ .

  - tulqin uzunligi;

h-proporsionallik koeffisiyenti yoki Plank konstantasi bo’lib h=6,625 10^-27 erg/sek yoki 6,62 10^-34 Dj/s ga teng.

Bor elektronlarning yadro atrofida aylanish xodisasiga kvant nazariyasini asos qilib, vodorod atomining spektri va tuzilishi asosida o’zining 2 ta pastulotini yaratdi.

1 - chi pastulot.  Elektron yadro atrofida har qanday orbita bo’ylab emas, balki ma’lum energiya darajasiga muvofiq keladigan orbitalar bo’ylab harakat qiladi.  Bu orbitalar barqaror  yoki kvant orbitalar deyiladi. Atom normal holatda bo’lganda elektron yadroga yaqin orbitada turadi va atom minimal energiya qiymatiga ega bo’ladi.

Atomning bu holatini  g’alayonlanmagan, normal yoki asosiy holat deyiladi. Atomga tashqaridan energiya berilsa uning energiyasi oshadi va undagi elektron yadroga yaqin orbitadan uzoqroq orbitaga o’tadi. Atomning bu holatini g’alayonlangan yoki yuqori energetik darajadagi holat deyiladi. G’alayonlangan atomning energiyasi g’alayonlanmagan atomning energiyasidan ortiqdir. Atom g’alayonlangan holatda juda qisqa muddat sekundning yuz mln. (10 ^-8 sek) dan bir ulushi vaqtigacha tura olishi mumkin.

2 - chi pastulot. Bor nazariyasining 2-chi pastulotiga muvofiq elektron bir orbitadan boshqa orbitaga o’tgandagina atom o’z energiyasini o’zgartiradi: Elektron kvantlangan yoki barqaror orbitalar  bo’ylab harakatlanganda atom energiya chiqarmaydi va yutmaydi.

Elektron yadrodan uzoqroq orbitadan yaqinroq orbitaga o’tganda atom energiya yo’qotadi. Elektron bir orbitadan 2-chisiga o’tganda atomning yo’qotadigan energiyasi nur energiyasining bir kvantiga teng bo’ladi.

Ye = I₁-I₂  yoki Ye = h  Ye₂ -Ye₁ = h

Bor o’zining pastulotlariga asoslanib, vodorod atomi atrofida harakat qiluvchi elektron uchun bo’lishi mumkin bo’lgan orbitalarning radiuslarini hisoblab, ularning oddiy sonlar kvadratlari nisbati kabi nisbatda bo’lishini topdi va vodorod spektrining hosil bo’lishi sxemani yaratdi.

1²: 2² : 3² ......n²

N₂-atomida yadroga eng yaqin orbitaning radiusi 0,53 A ga teng undan keyingilari 2,12 A, 4,74 A ...... va h.k.
=R o

  -to’lqin takrorligi

Ro -Ridberg konstantasi

n-yadroga yaqin orbita

m-yadroga uzoq orbita.

I-Layman seriyasi (ultrabinafsha soha)

II-Balmer seriyasi (ko’zga ko’rinadigan soha)

III-Pashen seriyasi (infra qizil)

IV-Brekket seriyasi - infra qizil.

Bor nazariyasining yutuqlari: u kvant qonunlari asosida va klassik molekulyar nazariyalar asosida tushuntirdi. Lekin u faqat vodorod atomini tuzilishinigina tushuntirdi.

Ko’p elektronli murakkab molekulalarni tuzilishini. Bor nazariyasi asosida tushuntirib bo’lmadi. Atom mikrozarrachalardan tuzilganligi isbotlangandan keyin ularning harakatini tushuntiradigan fizikaning bo’limi kvant (to’lqin) mexanikasi XX asrning 20 -chi yillarida vujudga keldi. U kvantlangan energiya tasavvuriga, mikrozarrachaning to’lqin harakterdagi harakatiga, mikroobyektni ehtimollar (statistik) usulida ifodalashga asoslangan.

 Mikrozarracha harakatining to’lqin harakteri .. Ma’lumki, elektromagnitning nurlanishni ifodalashda to’lqin va korpuskulyar deb tasavvur qilish mumkin: 1-chidan monoxromatik nurlanish xuddi to’lqin kabi tarqaladi va to’lqin uzunlik   (yoki tebranish chastotasi ) bilan harakterlanadi; 2-chidan u mikrozarracha kvant energiyani tashuvchi fotonlar deb qarash mumkin.

Elektromagnit nurlanishning interferensiyasi va difraksiya hodisasi (nur, radioto’lqin,  -nurlar, rentgen nurlar va h.k.) uning to’lqin tabiatli ekanligini ishonchli holda isbotladi. Shu bilan birga elektromagnit nurlanishlar ma’lum bir energiyaga, massa va bosimga ega.

Shu yo’l bilan quyosh massasi bir yilda nurlanish hisobiga 1,510 ¹⁷ kg ga kamayishi aniqlangan.

1924 yil Lui de Broyl hamma mikrozarrachalarga korpuskulyar to’lqin tushunchasini tatbiq qilishni va ya’ni har qanday mikrozarrachaning harakatini xuddi to’lqin jarayoni kabi to’g’risida taklif kiritdi. Matematik jihatdan bu ifoda de - Broyl nisbati nomini oldi va unga binoan V - tezlik bilan harakatlanayotgan m-massali zarrachaga -to’lqin uzunlik xos bo’ladi:

De - Broyl gipotezasini difraksion va interferension effektlarda elektronlar oqimini aniqlash bilan tajribada isbotlandi. Bu ifoda bilan elektron harakati (massasi 9,110^-31 kg, tezligi  7 10⁶  0m/s) to’lqin uzunligi  710^-10  0m tengligi ya’ni uning o’z unligi atom o’lchami kabi o’lchash mumkinligi aniqlandi. Makrozarrachalarning harakatida aksincha to’lqin juda kichik uzunlikka (10^-29  0m va undan ham kichik) ega bo’lganligi uchun ularni to’lqin jarayon ekanligini tajribada aniqlash mumkin emas.

 Noaniqlik prinsipi . Atom tuzilish nazariyasiga ko’ra elektron zarracha va to’lqin tabiatga ega. Buni 1925 yilda V.Geyzenberg mikrozarracha (elektron) ning ikki xil tabiatli ekanligini o’zining noaniqlik prinsipi asosida tushuntirdi. Bu prinsipiga muvofiq bir vaqtning o’zida mikrozarrachaning tezligi impuls r=m.. va o’rnini (koordinatlarini) aniqlash mumkin emas. Elektron harakatining xarakteri prinsipini aniq belgilanishi mumkin emas.

Matematik jihatdan noaniqlik prinsipi quyidagicha ifodalanadi:

h v - elektron tezligini o’lchashdagi xato.

 q v  -----   q - elektron impulsi (o’rni) ni o’lchashdagi xatosi. 4q - noaniqlik holatining, tezlikka (v) ko’paytmasi h/4   dan kichik bo’lishi mumkin emas.

Bu tenglamadan, elektronning zarrachaning koordinatlari qanchalik aniqlik bilan o’lchansa, uning tezlik kattaligi shunchalik noaniq bo’ladi va aksincha degan xulosa kelib chiqadi. Mas: elektron tezligi 2000 km/sek. harakatda bo’lgan elektronning fazodagi o’rni (holati) 10^-10 sm aniqlik bilan topilgan bo’lsa, uning tezligini topishdagi noaniqlik 58000 km/sek) ni tashkil qiladi. Elektronning 2 xil tabiati uning quyidagi xossalarida namoyon bo’ladi: 1 - chidan elektron ma’lum kattalikdagi tinch massaga ega, 2-chidan elektron to’lqinsimon harakatga ega, 3-chidan uni amplituda, to’lqin uzunlik, tebranish chastotasi kabi fizikaviy konstantalar bilan tavsiflash mumkin. Shu sababli elektronni harakatini aniq trayektoriya bilan harakterlash mumkin emas. Kvant energiyasi, elektronning to’lqin xarakterdagi harakati, noaniqlik prinsipi kabilar - klassik mexanika elektronning harakterini mutlaqo tushuntirib beraolmasligini ko’rsatdi.

Elektron buluti. To’lqin funksiya. Elektronning harakati to’lqin harakterda bo’lganligi uchun uning atomdagi harakatini kvant mexanikasi to’lqin funksiya f deb nomlanadigan funksiya yordamida ifodalaydi. Atom sohasining har xil nuqtasida bu funksiya har xil qiymatni oladi. Bu matematik jihatdan quyidagi tenglik bilan yoziladi:  f = f (x, y, z), bu yerda x, y, z nuqta koordinatalari. To’lqin funksiyaning fizik ma’nosini tushuntirish qiyin uning kvadrati  f² -ma’lum fizik ma’noga ega: u atom sohasidagi berilgan nuqtadagi elektronni topish ehtimolligini harakterlaydi.  f² dv-kattaligi ko’rilayotgan zarrachani dv-element hajmida aniqlash ehtimolligini ifodalaydi. Kvant mexanikada atomdagi elektronning holati modeli sifatida  elektron bulut  tushunchasi qabul qilingan. Tegishli sohalardagi zichlik u yerda elektronning bo’lish ehtimolligiga muvofiq proporsionaldir. Atomda bo’lishi mumkin bo’lgan elektron bulut shakllaridan biri 2-rasmda ko’rsatilgan. Elektronning bo’lish ehtimoli ko’p bo’lgan joyda bulut zich bo’ladi.

Elektron yadro bilan qancha mustahkam bog’langan bo’lsa, elektron bulut o’lchami bo’yicha shuncha kichik bo’ladi va zaryad zich taqsimlanadi.

Elektron bulutni ko’pincha chegaralangan soha ko’rinishida ifodalaydi. (elektron bulutni   90% ga qamrab oladi). Bunda zichlikni nuqtalar bilan belgilash tushirib qoldiriladi (3 - rasm) Yadro atrofida elektronni bo’lish ehtimolligi eng ko’p bo’lgan sohaga orbital deyiladi. (orbitalni bunday ifodalash birmuncha sodda bo’lib, orbital matematik tushuncha, uning ma’nosi to’lqin tenglamasidan kelib chiqadi). Yadroga nisbatan elektron zichlikni ifodalashni boshqa usullari (3-rasm) ham bor, masalan radial taqsimlanish ehtimolloti egri chizigi usuli (4-rasm). Bu egri chiziq elektronni radiusi r, qalinligi dr bo’lgan konsentrik shardagi yadro atrofida bo’lish ehtimolligini bildiradi. Bu qavatning hajmi dv=4r² dr. Bu qavatlar elektronning bo’lishi umumiy ehtimolligi (4r² dr)  f²  ga 4-rasm teng. 3-rasm 4r² f²  ni r bilan bog’liqligini ifodalaydi. Atom yoki molekulaning ma’lum joyida elektronning bo’lish ehtimolligini va uning energiyasini hisoblash murakkab matematik muammodir. Bu Shredingerning to’lqin tenglamasi yordamida yechiladi.

Shredingerning to’lqin tenglamasi. 1926 y. Ervin Shredinger kvant mexaniq asida Shredinger to’lqin tenglamasi deb atalgan tenglamani taklif etdi. Bu tenglama to’lqin funksiya  f ni elektronning potensial energiyasi U va uning to’liq energiyasi Ye bilan bog’laydi:

8²m

² = (E - U) =0

h²

Bu yerda: ²²²

² =  +  + ; x,y,z

dx² dx² dx²

Koordinatlari bo’yicha to’lqin funksiyaga  f -2 lamchi differensiali. m-elektron massasi, h-Plank doimiysi. Shredinger tenglamasini yechimi bo’lgan to’lqin funksiyasiga - orbital deyiladi. Elektronning yadro atrofida fazoda bo’lish ehtimolligi (O 1) gacha bo’ladi. Uning fizik ma’nosi shuni ko’rsatadiki  f = 0 bo’lganida u yerda elektron bo’lmaydi.

Buni quyidagi misolda ko’rish mumkin. Maydonda m massaga ega bo’lgan birgina elektron mavjud. Uning potensial energiyasi V maydonning harakteristikasini belgilaydi, hamda quyidagi funksiyalar V(x,u,z) berilgan. Bunda sistema stasionar holatda bo’ladi yani sistemaning umumiy energiyasi doimiy bo’lib u vaqtga bog’liq bo’lmaydi Ye=T-U=Sonst.

Maqsad: Maydonning qaysi sohasida elektronning joylashish ehtimoliyatini aniqlash. Bu ehtimollik to’lqin funksiyasi deb atalgan  j (x,u,z) bilan harakterlanadi.

Bu to’lqin funksiyasining maydon kuchlanishi V ga bog’liqligini ko’rsatuvchi tenglama Shredenger tenglamasidir.To’lqin funksiyasining fizik manosi nimani bildiradi. Agar x,u,z nuqtalari berilgan bo’lsa, bu nuqtalarda to’lqin funksiyasi  j  (x,u,z) ga teng bo’ladi.

Agar juda cheksiz kichik hajmda dV nuqtalarni kubik holda olib ularning (1 rasm) qirralari dx,dy,dz, . dU=dx.du,dz. Bunda elektronning hajmdagi joylashish ehtimoliyati yoki bu dV hajmdagi elektronning bo’lish vaqtidir. Agar bu ehtimoliyatni hajmga bo’lsak  j² dv/dv: j² , unda malum bir hajmga to’g’ri keladigan ehtimollikni topamiz bu ehtimollik zichligi yoki kimyoda buni "elektron zichlik" termini bilan ataydi. Demak, elektron zichlik degani  j ² dU yoki  j² dir. Elektronning to’lqin funksiyasi har bir momentda elektronning har xil nuqtalarda har xil ehtimollik bilan bo’lish ehtimoliyatini ko’rsatadi. Shunday qilib elektron bo’lut har xil nuqtalardagi elektron zichlikni ko’rsatadi. To’lqin funksiyasi elektronning holatini harakterlaydi. H’ar bir to’lqin funksiyasi elektronning umumiy energiyasini beradi.

Atom sistemalarining to’lqin funksiyasi sistema holatining funksiyasi bo’lib uning kvadrati tekislikning har bir nuqtasidagi elektronlar zichligining funksiyasidir. To’lqin funksiyasining asosiy harakteristikalaridan biri shundan iboratki, uni -1 ga ko’paytirsak ham u o’z holatini saqlab qoladi. H’ar bir elektron bulut uchun elektron zichligining teng yuzalaridan bir qanchasini olish mumkin. ( j²=Sonst). Yuza chegarasi elektron bulutning shaklini beradi. Yuza chegarasi to’lqin funksiyasi kvadratining bir xil miqdor dagi qiymati bo’lib unda elektron zichlik 80-90 %. ni tashqil qiladi. Uzlovoy yuza deb  j² =0 to’lqin funksiyasi kvadrati nolga teng bo’lgan vaqtga aytiladi. Bu shuni bildiradiki elektron hyech qachon atomdan cheksiz uzoqlikka ajralib ketmaydi. To’lqin funksiyasi ximik uchun nima beradi. To’lqin funksiyasi elementlar kimyoviy xossalarini beruvchi kimyoviy bog’larni tashkil qiluvchi elektronlar zichligining tarqalishini ko’rsatadi.

Shredenger tenglamasini yechish

1.to’lqin funksiyasini topish:

2.mikrozarrachalarning to’liq energiyasi miqdorini topish:

3:to’lqin funksiyasi kvadratini yani elektron zichlikning tarqalishini ko’rsatadi. Shuning uchun Shredenger tenglamasini o’rganish kimyogarlar oldidagi birinchi galdagi masaladir. Shunday qilib to’lqin funksiyasi yani atomlardagi elektron holati kvant sonlar bilan aniqlanadi.

H’ozirgi paytda atomdagi elektronning harakatini aniqlash uchun orbita termini o’rniga orbital termini ishlatiladi. Yadro atrofida fazoda elektronlar bo’lib turish ehtimolligini quyuq va siyrak sohalarga ega bo’lgan elektron bulut deb qabul qilsak, uning shakli orbital nomli maxsus funksiyalar bilan tavsiflanadi va hozirgi paytda to’lqin mexanikasi asosida elektronlarning harakati 4 ta kvant sonlari bilan harakterlanadi.

1.Bosh kvant son - n. Elektron energiyasining kattaligini ko’rsatadi. uning qiymatlari - 1,2,3,4,----- ga teng butun sonlar bo’ladi. Bosh kvant sonlari bir - biriga teng bo’lgan bir nechta elektron atomda elektron qavatni yoki elektron pag’onani hosil qiladi. Atom energetik pag’onalarini K, L, M, N, O, P, Q harflari bilan ham belgilanadi. Yadroga eng yaqin joylashgan qavat - K qavat bo’lib uning uchun n = 1, L qavat uchun n = 2, M qavat uchun n = 3, N qavat uchun esa n = 4 uzoqlikda turadi va h.k. Ayni qavat elektronlari bir - biridan o’zlarining energiyalari bilan farq qiladi va har bir qavat bir yoki bir nechta orbitallarni yoki pag’onachalarni hosil qiladi. Bu orbitallar o’z shakllari bilan bir - biridan farq qiladi. Kvant mexanikasida qavat nomeri n - kattalashgan sayin o’sha qavat orbitallarining xilma - xilligi ortadi va E_ps = n² formula bilan ifodalanadi. Bu yerda E_ps- ayni energetik qavatdagi pag’onachalar soni. n - bosh kvant son.

1 chi qavat 1 ta orbitalga (pog’onacha)

2 chi qavat 4 ta orbitalga ( - // - )

3 chi qavat 9 ta orbitalga ( - // - )

n chi qavat n² ta orbitalga tengdir. ( - // - )

Buni sxematik ravishda quyidagicha ko’rsatish mumkin:

bosh kvant son: n = 1 2 3 4 5 6 7 n

energetik pog’onadagi

pog’onachalar soni: + 1 4 9 16 25 30

Energetik pog’onalar: K L M N O P Q -

2.Elektron orbitalining shakli yoki elektron bulutining shakli, orbital ( yonaki orbital) yoki azimutal kvant son l bilan tasvirlanadi.

l - ning qiymatlari n - 1 gacha bo’lgan sonlarga teng bo’ladi, ya’ni bosh kvant sonning har bir qiymati uchun, orbital kvant soni 0 va n-1 qiymatlarga ega bo’ladi ya’ni l= 0, 1, 2, 3, 4,..  l-ning har bir qiymati uchun ma’lum bir pog’onacha to’g’ri keladi, ular o’zlarining shaklllari va energiyalari bilan bir biridan farq qiladi.

Masalan: l = 0, 1, 2, 3, 4,....

Pog’onacha belgisi: s, p, d, f, g .....kabi belgilanadi.

Bosh kvant son bilan orbital kvant son orasida bog’liqlik quyidagicha ifodalanadi.
¦bosh kvant son-n . ¦ orbital kvant son- l .orbital belgisi ¦
¦ 1 ¦ 0 ¦ 1S ¦

¦ 2 ¦ 0, 1 ¦ 2S, 2p ¦

¦ 3 ¦ 0, 1, 2 ¦ 3S, 3p, 3d ¦

¦ 4 ¦ 0, 1, 2, 3 ¦ 4S, 4p, 4d, 4f ¦

¦ 5 ¦ 0, 1, 2, 3, 4 ¦ 5S, 5p, 5d, 5f, 5g ¦

3. Elektron orbitallarning fazodagi vaziyatini xarakterlash uchun uchinchi kvant son m_l  magnit kvant soni kiritildi. Magnit kvant sonining qiymatlari: - l, 0, + l gacha ya’ni:

m_l = 0,   1, 2,  3 .... l bo’lishi mumkin. m_l - ayni energetik pog’onachada necha xil orbital bor ekanligini va mye ularning shaklini ko’rsatadi. Pagonachalardagi orbitallar soni 2l + 1 ga teng bo’ladi.Mas: P_o.c = 2l + 1

Demak, s - holatda 1 ta orbital,

p - holatda 3 ta orbital,

d - holatda 5 ta orbital,

f - holatda 7 ta orbital,

g - holatda 9 ta orbital,

h - holatda 11 ta orbital bo’ladi va h.k.

( Ma’lum energetik qavatdagi orbitallar soni n ga teng bo’ladi.). s, p, d - elektronlarning bulutlari ( orbitallari ) fazoda joylanishlari bilan farq qiladi. Kvant mexanir hisoblashlar asosidas - orbital shar shaklida, r - orbital gantel shaklida, d va f - orbitallar ancha murakkab shaklga ega ekanligi isbot qilindi.

Elektronning fazodagi holatini belgilash uchun, bosh kvant son orbital kvant sonning belgisi oldiga qo’yiladi. Mas: 4s - bo’lgan elektron n = 4, va l = 0 ya’ni shar shaklini, 2r - elektron esa n = 2 va l = 1 gantel shaklini bildiradi.

4. Atom spektrlarini tuzilishini o’rganish asosida, elektron bulutlari bir - biridan o’lchamlari va shakli bilan farq qilib qolmasdan, balki spinlari bilan ham farq qilishi aniqlandi. Elektronning o’z o’qi atrofida aylanishi uning spini deyiladi. Spin kvant sonin xarakterlash uchun 4 - chi kvant son m_s - spin kvant soni qabul qilingan. Uning son qiymatlari + 1/2 va - 1/2 ga teng.

Xulosa: Orbitadagi elektronning holatini 4 ta kvant son n, l, m_l, m_s  lar yordamida to’liq harakterlash mumkin. 4 ta kvant sonlar yadro atrofida bo’lish ehtimoli bo’lgan elektronni spinini, elektronning energiyasini va fazodagi shakl va holatini belgilaydi. Atom bir kvant holatidan 2 - chi kvant holatiga o’tganda, kvant sonlarining qiymati o’zgaradi va elektron buluti qayta tuziladi. Bu vaqtda atom kvant energiya yutadi yoki chiqaradi. Pauli prinsipi: - 1925 yilda Pauli tomonidan ochildi. Uning moxiyati quyidagilardan iborat. Bir atomda to’rtala kvant sonlari bir - biriga teng bo’lgan ikkita elektron bo’la olmaydi. Boshqa so’z bilan aytganda n, l, m_l , m_s  kvant sonlari bilan faqat bitta elektron xarakterlanadi. Atomdagi boshqa har qanday elektron uchun hyech bo’lmaganda kvant sonlarining bittasi boshqa qiymatga ega bo’lishi kerak. Pauli prinsipidan, bitta orbitalda spin kvant soni m_s  - = + 1/2, yoki m_s = -1/2 qiymatga ega bo’lgan faqat 2 ta elektron bo’lishi mumkin degan xulosa kelib chiqadi. Demak, s - holatida 1 ta orbital bo’lib, unda faqat 2 ta elektron bo’ladi, r - holatda 3 ta orbital bo’lib, unda 6 ta elektron, d - holatda 5 ta orbital bo’lib, 10 ta elektron, f - holatda 7 ta orbital bo’lib, 14ta elektron bo’ladi. Energetik qavatdagi orbitallar soni n ga teng bo’lganligi uchun, energetik qavatdagi ( Elektron qavatdagi ) elektronlar soni N = 2n² ga teng bo’ladi. Bunga ayni energetik qavatdagi elektronlarning maksimal sig’imi deyiladi. Q’avatlarning sig’imi qavat yadrodan uzoqlashgan sari ortib boradi va: n = 1 = 2,

n = 2 = 8, n = 3 = 18, n = 4 = 32 va h. k. tartibda bo’ladi.

Atom orbitallarida elektronlaning joylashish tartibi.

Xund qoidasi.

Atom tuzilishini hozirgi zamon nazariyasiga asosan hamma element atomlarining elektron strukturalarini tuzish imkoni yaratildi. Normal ( g’alayonlanmagan ) atomda orbitallarning elektronlar bilan to’lish tartibi quyidagicha: Dastlab eng kam energiyali orbital to’ladi, undan keyin energiyasi ko’prok bo’lgani, so’ngra energiyasi undan ko’prog’i va shu tartibda orbitallar to’lib boradi. Bundan 1 chi qavat energiyasi eng kam, 2 chi qavat energiyasi undan ko’proq, 3- chisiniki esa 2 chisinikidan ko’proq, lekin 4 chi va undan keyingi qavatlarga o’tganda bu qoidadan chetga chiqiladi: 4s - orbitalning energiyasi 3d - orbitalning energiyasidan kam 5s, 5p va 6s orbitallarning energiyalari 4 f - orbital elektronlarining energiyasidan kam. 4 chi va undan keyingi qavatlarni elektronlar bilan to’lishini ko’rsatish uchun Klyachkovskiy qoidasi yaratildi.

Klyachkovskiy qoidasiga binoan berilgan 2 - holatdan qaysi biri uchun l + n yig’indisi kichik bo’lsa, shu holatda turgan elektronning energiyasi minimal qiymatga ega bo’ladi, agar berilgan 2 holatlar uchun l + n yig’indisi bir xil bo’lsa, bosh kvant soni kichik bo’lgan holat minimal qiymatga ega bo’ladi. Demak, Klyachkovskiy qoidasiga muvofiq l + n yig’indisi kichik bo’lgan orbital birinchi navbatda to’ladi. Mas: 3d - uchun n + l yig’indisi 3 + 2 = 5, 4s - orbital uchun n + l yig’indisi 4 + 0 = 4 bo’ladi, demak, birinchi navbatda 3d emas 4s orbital to’ladi. Yoki:3d n + l=3 + 2=5 4p n + l = 4 + 1 = 5 birinchi navbatda 3d orbital to’ladi, chunki p = 3 dir. Atomda elektronlar pog’onachalarga joylashganda quyidagi 3 ta asosiy qoidaga bo’ysinadi:

1. H’ar qaysi elektron minimal energiyaga muvofiq keladigan holatni olishga intiladi.

2. Elektronlarning joylashishi Pauli prinsipiga zid kelmasligi kerak.

3. Pog’onachadagi elektronlarning spin sonlari yig’indisi maksimum ( ko’proq ) bo’lishi kerak, yoki ayni pog’onachada turgan elektronlar mumkin qadar ko’proq orbitallarni band qilishga intiladi. ( Xund qoidasi ). Demak, normal ( g’alayonlanmagan )atomda elektronlarning joylanishi quyidagi tartibga bo’ysinadi:

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s <4f< 5d < 6p < 7s < 6d < 7p < ....

Elektronlarning energetikaviy pog’ona va orbitallar bo’ylab joylashishiga ayni elementning elektron konfigurasiyasi deb yuritiladi. Mas: 1 N - 1s¹, 2 Ne - 1s²,..... 11 Na - 1s² <2s²<2p⁶ <3s¹ va h. k. yoki kletka - orbital, strelka - elektron, strelkaning yo’nalishi - spinning yo’nalishini, bo’sh katakcha - bo’sh orbital mavjudligini bildiradi. H n=1 1S¹, He 1S²
Atom yadrosining tuzilishi.
1932 yilda -->₄⁹Be + ₂⁴He --->_o¹n + ₆¹²C

Rezerford 1911 yilda  ₇¹⁴N +₂⁴He -->₁¹H + ₈¹⁷O,

( H - proton deb ataladi ).

Atom yadrosi proton ( r ) va neytrondan ( n ) tuzilgan. Proton va neytronlar yadroning 2 xil holatdagi elementar zarrachalari bo’lib ularga nuklonlar yoki nuklidlar deyiladi. Yadroning zichligi juda katta (10¹⁴g/sm³ ), bo’lib bu juda katta kuchdan dalolat beradi va yadrodagi nuklonlarni ushlab turadi. Yadro kuchlari juda oz masofaga -10^-13 sm ga ta’sir etadi.( 1  10^-13 sm = 1 fermi ).

Yadroda doimo proton va neytronlar  - mezon hisobiga almashi nish xossasiga ega.  - mezon - massasi elektron massasidan 270 marta ortiqcha bo’lgan zarrachadir. Ana shu almashinish tufayli proton neytronga, neytron esa protonga aylana oladi:

n + r  < - > r +    + p < - > p + n

p + n < - > n +    + n < - > n + p.

Demak, bir nuklon  - mezon chiqaradi, 2 chisi esa uni yutadi.

Yadro xossasi - uning tarkibidagi proton va neytronlar soni bilan xarakterlanadi. Yadrodagi protonlar uning zaryadini bildiradi. Yadroning boshqa muhim xarakteristikasi uning massa soni bo’lib A, proton ya’ni yadro zaryadi Z va neytronlarning umumiy soni N ga teng.

A = Z + N. N = A - Z, Na: A - Z = 23 -11 = 12 N va h.k.

Proton va neytronlar soni har xil, nuklonlar soni ( A ) bir xil bo’lgan elementlarga izobarlar deyiladi. Yadro zaryadlari bir xil bo’lib, atom massasi bir - biridan farq qiladigan atomlarga shu elementlarning izotoplari deyiladi. Atomdagi neytronlar soni bir xil bo’lsa bunga izotonlar deyiladi.

Izotoplar: Izobarlar: Izotonlar:

Sa ( 20 r, 20 n ), Ar ( 18 p, 22 n ), Xe ( 54 p, 82 n ),

Ca ( 20 p, 22 n ), K ( 19 p, 21 n ), Ba ( 56 p, 82 n ),

Ca ( 20 p, 23 n ), Ca ( 20 p, 20 n ), La ( 57 p, 82 n ).