Dərslik respublikanın universitetlərinin fizika fakültələrinin tələbələri üçün "Atom fizikası"
tom haqqında ümumi məlumat. İzotoplar
Download 18.1 Mb. Pdf ko'rish
|
|
tom haqqında ümumi məlumat. İzotoplar Atom yunanca "atomos" sözündən götürülmüş və bölünməz deməkdir. Hələ eramızdan xeyli əv ) təbiətdəki bütün cisimlərin xırda və bölünməz xüsusi hiss ciklərdən, yəni atomlardan ibarət olması haq
haqqındakı təsəvvürlərin doğru olmadığını göstərdi. Mü ir. Belə ki, qaz halında olan azotu və ya hidrogeni təqr ə
Ё40. A vəl yaşamış qədim yunan alimləri (Demokrit və b. ə qında fikir söyləmişdilər. Məhz bu fikrə əsaslanaraq bu gün də kimyada və fizikada belə hesab olunur ki, bütün cisimlər atom və molekul adlanan ayrı-ayrı çox kiçik hissəciklərdən təşkil olunmuşdur. Atom dedikdə kimyəvi elementin fiziki və kimyəvi xassələrini müəyyən edən ən kiçik hissəcik başa düşülür. Molekul isə atomlardan təşkil olunmuş daha mürəkkəb hissəcikdir. XIX əsrin axırına qədər atomun bölünməzliyi haqqında fərziyyə elmdə əsas götürülür və belə hesab edilirdi ki, atomlar maddənin sadə və bölünməz hissəcikləridir. Lakin elmin sonrakı inkişafı atomun bölünməzliyi əyyən edildi ki, atom heç də sadə hissəcik olmayıb, xeyli mürəkkəb olan quruluşa malikdir. Optika, xüsusi halda isə işığın elektromaqnit nəzəriyyəsi bu müddəanın doğru olduğunu göstərirdi. İsbat edilmişdi ki, elektromaqnit dalğaları və deməli, işıq elektrik yüklərinin təcillə hərəkət etməsi nəticəsində buraxılır. Həm də məlum idi ki, maddənin atomları da görünən elektromaqnit dalğaları buraxır və özü də hər bir elementin atomları üçün xarakteristik olan şüalanma, yəni spektr alınır (Ё38). Buradan təbii olaraq belə nəticə çıxır ki, atomların daxilində hərəkət edə bilən elektrik yükləri olmalıdır. Metalların və qazların elektrik keçiriciliyinin, termoelektron emissiyasının, fotoeffektin və təbii radioaktivliyin (Ё39) öyrənilməsi göstərdi ki, atomların tərkibində kütləsi atomun kütləsinə nisbətən çox kiçik olan mənfi yüklü hissəciklər – elektronlar vardır. Atom bütövlükdə elektroneytral olduğu üçün atomun daxilində elektronlarla yanaşı müsbət yüklü hissəciklər də mövcud olmalıdır. Beləliklə, atomlar daha sadə hissəciklərdən təşkil olunmuş mürəkkəb hissəciklərdir. Atomun tərkib hissələri elektronlardan və sonra görəcəyimiz kimi, müsbət yüklü nüvədən ibarətdir. Nüvənin özü də müsbət yüklü zərrəciklərdən – protonlardan və yüksüz zərrəciklərdən – neytornlardan təşkil olunmuşdur və daha mürəkkəb quruluşa malikdir. Atomlar molekullara nisbətən daha dayanıqlı və möhkəm sistemlərdir. Doğrudan da, hər bir molekulu nisbətən asanlıqla onu təşkil edən atomlara ayırmaq olar. Bu məqsədlə maddəni, məsələn, qızdırmaq kifayətd ibən 2000 0 S temperatura qədər qızdırdıqda N 2 və ya H 2 molekullarının əksər hissəsi uyğun atomlara parçalanır. Bu zaman həm də qeyd etmək yerinə düşər ki, N 2 və H 2
təbiətdə ən möhkəm molekullar sırasına aiddir. Otaq temperaturunda və ya azacıq qızdırdıqda ammonium xlorid (NH 4
3 ) və
hidrogen xloridə (HCl) parçalanır. Bir parça metal natriumu suya atdıqda baş verən kimyəvi reaksiya nəticəsində su moekulu (H 2
2 ) ayrılır və aşındırıcı NaOH yaranır, yəni molekulların radikal (kəskin) çevrilməsi baş verir. Atomların isə belə çevrilmələrini həyata keçirmək uzun müddət mümkün olmamışdı. Çox güclü təsirlər (qızdırma, təzyiqin dəyişməsi, güclü elektrik boşalmalarının buraxılması və s.) atomların yalnız çox kiçik dəyişməsinə səbəb olur: məsələn, atomlar ionlaşırlar, yəni onlardan bir və ya bir neç elektron qopa bilir.
205 İon onu atomdan fərqləndirici bəzi xüsusiyyətlərə malik olsa da, o, atomun əsas xassələrini özündə saxlayır; özünə elektronlar birləşdirərək ion yenidən çox asanlıqla neytral atoma çevrilə bilər. Atoma müxtəlif kimyəvi və fiziki təsirlər yolu ilə bir atomu digərinə çevirmək, xüsusən də "nəcib olmayan" elementlərdən qızıl almaq üçün əlki lların ölçüləri 10 sm, kütləsi isə ur. Verilmiş maddənin bir dənə molekulunun (atomunun) m kütl myaçıların uzun müddət göstərdikləri cəhdlər boşa çıxmışdır. Yalnız son dövrlərdə bir elementin atomlarının dərin dəyişikliklərə uğrayaraq digər elementlərin atomlarına çevrilməsi ilə nəticələnən hadisələr kəşf olunmuşdur. Bu hadisələr radioaktiv əevrilmələr və nüvə reaksiyalarına aiddir və nüvə fizikasında öyrənilir. Atom və molekulların ölçüləri çox kiçik olduğu üçün onları bilavasitə görmək mümkün deyildir. Lakin son dövrlərdə ion proyektoru və ya ion mikroskopu adlanan cihaz vasitəsilə ayrı-ayrı atomların xəyallarını almaq və ölçülərini qiymətləndirmək mümkün olmuşdur. Müəyyən edilmişdir ki, atom və moleku -8 10 -26 kq tərtibindədir. Atom və molekulların kütləsi çox kiçik olduğundan praktikada onların kütləsinin ədədi qiymətindən deyil, nisbi qiymətindən istifadə etmək əlverişli olur. Beynəlxalq razılaşmaya görə hər bir atom və molekulun kütləsi karbon atomunun kütləsinin 1/12 hissəsi ilə müqayisə olun 0 əsinin karbon atomunun m 0C kütləsinin 1/12-nə olan nisbətinə bu maddənin nisbi molekul (atom) kütləsi M
deyilir: C r m m M 0 0 12 1 = . (40.1) Nisbi kütlə M
adsız kəmiyyətdir və baxılan maddənin bir dənə molekulunun (atomunun) kütləsinin karbon atomunun kütləsinin 1/12-dən neçə dəfə fərqlə Atom və molekulların ölçüsü çox kiçik olduğu üçün istənilən makroskopik cisimdə atom və molekulların sayı da çox böyük ədədlərlə ifadə olunduğundan, onların nisbi k qəbul
olu ndiyini göstərir. sayını göstərmək daha əlverişlidir. Bu məqsədlə, verilmiş cisimdə olan atom və molekulların sayını 0,012 kq karbonda olan atomların sayı ilə müqayisə etmə nmuşdur. Cisimdəki atom və molekulların sayı maddə miqdarı adlanan fiziki kəmiyyətlə ifadə olunur. Verilmiş cisimdəki molekulların (atomların) N sayının 0,012 kq karbondakı atomların N
sayına olan nisbətinə maddə miqdarı deyilir. A N N = ν . (40.2) BS vahidlər sistemində maddə miqdarının vahidi 1 mol adlanır. 0,012 kq karbondakı atomların sayı qədər molekul (atom) daxil olan maddə miqdarına 1 mol 1 mol maddədə olan atom və ya molekulların N
sayına XIX s aliya alimi Avoqadronun şərəfinə, Avoqadro ədədi deyilir. Tərifindən göründüyü kimi, bütün o ədədini tap
deyilir. ə rdə yaşamış it maddələr üçün N
Avoqadro ədədi eyni olub 1 mol, yəni 0,012 kq karbondakı atomların sayına bərabərdir. Ona görə də karbon atomunun m 0C kütləsini bilərək, Avoqadr maq olar. Müəyyən edilmişdir ki, m 0C =1,995
⋅10 -26
kq-dır. Onda 1 23 26 0
10 02 , 6 1
10 995
, 1 012 , 0
012 , 0 − − ⋅ = ⋅ = = mol mol m mol kq N C A (40.3)
206
alarıq. (40.1) düsturu ilə təyin olunan M r nisbi molekul (atom) kütləsi a şqa molyar kütlə M anlayışından da geniş istifadə olunur. Maddənin 1 əsinə həmin maddənin molyar kütləsi deyilir, yəni maddənin molyar kütləsi M onun bir dənə lunun (atomunun) m kütləsi ilə N Avoqadro ədədinin hasilinə bərabərdir: nlayışından ba molunun kütl moleku
0 A M=m 0
A
(40.4)
BS sistemində molyar kütlənin vahidi mol kq
1 –dur. M molyar kütləni M r nisbi molekul kütləsi ilə ifadə etmək olar. Bu məq ifadələri (40.4)-də nəzərə almaq lazımd r (kq/ .2) və (40.3) düsturlarını nəzərə almaqla
əyin etmək olar. Buradan ν maddə miqdarı üçün (40.2) ilə yanaşı sədlə (40.1) və (40.3) düsturlarından m 0 və N A üçün
ır. Onda M=10 -3
mol)
(40.5) olur.
İstənilən ν maddə miqdarının m kütləsini (40 m=m 0
0 ν
A = ν M
(40.6) kimi t
M = ν
(40.7) m kimi praktik cəhətdən daha əlverişli olan ifadə alınır. Avoqadro ədədi atom fizikasında çox mühüm sabitlərdən biridir. Belə ki, Avoqadro ədədini bilərək hər bir atomu xarakterizə ed tapmaq olar. Ona görə də Avoqadro ədədinin dəqiq təyin olunması böyük prinsipial k üçün müxtəlif fiziki hadisələrə may % azaldılması üçün təzyiqin bir neçə yüz atmosfer təzyiqi qəd ən kəmiyyətləri (kütlə, ölçü, ionun yükü və s.) əhəmiyyət kəsb edir. Avoqadro ədədini təyin etmə edə və ya qazda xırda hissəciklərin broun hərəkətini, radioaktivliyi, işığın qazlarda səpilməsini və s. misal göstərmək olar. Lakin Avoqadro ədədinin təyini üçün rentgen şüalarının difraksiyasına əsaslanmış metod (Ё37) hal-hazırda ən dəqiq metod hesab olunur. Avoqadro ədədini təyin etmək üçün istifadə olunan müxtəlif metodlar vasitəsilə eyni bir qiymət alınır ki, bu da maddənin atomlardan ibarət olmasını inandırıcı şəkildə sübut edən mühüm faktdır. Atomların ölçüsünü qiymətləndirmək üçün müxtəlif aqreqat hallarında maddənin sıxılmasındakı kəskin fərqlərə diqqət yetirək. Boyl-Mariot qanununa görə məlumdur ki, qazın həcmini 1% azaltmaq üçün onun təzyiqini 1% artırmaq kifayətdir. Bərk cisimlərdə və mayelərdə isə həcmin 1 ər artırılması tələb olunur. Bu fərq onunla izah olunur ki, qazlarda molekullar bir- birindən öz ölçülərinə nisbətən xeyli böyük olan məsafələrdə yerləşirlər və onların bir- birinə yaxınlaşmasına istilik hərəkəti mane olur. Bir-birindən böyük məsafələrdə yerləşmiş qaz molekulları arasındakı qarşılıqlı təsir qüvvələri isə nəzərə alınmayacaq dərəcədə kiçikdir. Mayelərdə və bərk cisimlərdə isə əksinə, atomlar (və ya molekullar) bir-birinə çox yaxın yerləşmişdir və ona görə də bu cisimlərdə atomlar (molekullar) bir- birinə yaxınlaşdıqda onlar arasında böyük itələmə qüvvələri meydana çıxır ki, bu da həcmin kiçilməsini çətinləşdirir. Beləliklə, bərk və ya maye cisimlərdə qonşu atomların mərkəzləri arasındakı məsafəni təqribi olaraq atomun xətti ölçüsünə (diametrinə) bərabər hesab etmək olar. N
Avoqadro ədədini bilərək isə bu məsafəni tapmaq mümkündür. Doğrudan da, 1 mol maddədə N
sayda atom vardır (xatırladaq ki, Ё35-də 1 mol NaCl
207
maddəsində N A sayda NaCl molekulu, 2N A sayda atom olduğu nəzərə alınmaqla kristal qəfəsdə atomlar arasındakı məsafə hesablanmışdır) və onun həcmi M/ ρ -ya bərabərdir. Burada ρ – maddənin sıxlığı, M – molyar kütləsidir. Bu 1 mol maddənin kub şəklində olduğunu fərz etsək, belə kubun bir tili üzərində 3
N sayda atom yerləşmiş olar və həmin tilin uzunluğunu da bu kubun həcminin kub kökünə, yəni 3 ρ M -ya bərabər götürülə bilər. Beləliklə, kubun tilinin uzunluğunu bu tilin üzərində yerləşən atomların sayına bölərək, iki qonşu atomun mərkəzləri arasındak orta məsafəni tapırıq ki, bu da ı atomun təqribi ölçüsünə bərabər olur /(35.1) düsturu ilə müqayisə et/: 3 3 3 A A N M N M d ρ ρ = = . (40.8) Maye hidrogen üçün (T=24 K) M=10 -3 kq/mol və ρ =86 kq/m 3 olduğunu bilərək (40.8) düsturuna əsasən d=2,7 ⋅10
-8 sm tapırıq. Digər madd ər üç n cələr alınır.
Avoqadro ədədini bilərək verilmiş maddənin bir dənə atomunun (molekulunun) əl ü də buna oxşar nəti kütləsini də A N 0 düsturuna əsa M m =
(40.9) sən tapmaq olar. (40.9) düsturu kimyəvi elementin atomunun kütləsinin orta qiymətini təyin edir. Lakin ionların xüsusi yükünü təyin etmək üçün kütlə spektroqrafları (Ё27) vasitəsilə aparılan təcrübələrlə müəyyən edilmişdir ki, eyni entin atomlarının kütləsi heç də həmişə eyni olmur. Eyni kimyəvi elementin müxtəlif kütləli bir kimyəvi elem atomları bu elementin izotopları adlanır. İzotoplar kimyəvi xassələrinə görə bir-birindən fərqlənmirlər. Təbiətdə ən kiçik kütləli atom hidrogen atomudur. Hidrogen üçün atom kütləsinin M H ≈10
-3 kq/mol olduğunu (40.9)-da nəzərə alsaq, hidrogen atomunun m H kütləsi üçün kq mol H
10 02 , 6 1 23 − ⋅ qiymətini tapırıq. Həqiqətdə isə hidrogen üçün M mol kq
10 27 3 − − m
10 66 , 1 ⋅ = ≈ (40.10) r qədər böyük alınır. Atom fizikasında elektrik yükü vahidi olaraq elementar yü kütlə
vahidi olaraq atom kütlə vahidi (a.k. υ
) və enerji vahidi olaraq elektronvolt (eV) istifadə n m 0C kütləsinin 1/12 hissəsi atom kütlə vahidi adlanır, yəni H =1,008
⋅10 -3 kq/mol olduğundan m H bi
k (e=1,6 ⋅10
-19 Kl), edilir. Karbon atomunu kq mol mol kq N M m k a C C
10 66 , 1 10 02 , 6
10 12 12 1 12 1 12 1 . . .
1 27 1 23 3 0 − − − ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ = = υ (40.11) A Bur
kütləsi M r =1) elementin bir dənə atomunun kütləsinə bərabərdir. Ona görə də atomun kütləsinin a.k. υ
ilə ifadə olunmuş qiyməti (dəqiq desək, orta qiyməti) uyğun k entin
nisbi atom kütləsinə (M r ) bərabərdir. Təbiətdə M r =1 olan element yoxdur. Yalnız adan görünür ki, 1 a.k. υ
atom kütləsi M=10 -3
/mol olan (və ya nisbi atom imyəvi elem hidrogen atomu üçün M
=1,008 olub. 1-dən çox az fərqlənir. Deməli, hidrogen atomunun
208
kütləsi m H =1,008 a.k. υ
-dir.
Elementar e yükünə malik olan hissəciyin (məsələn, elektronun) 1 V potensiallar fərqini keçməsi nəticəsində qazandığı enerji 1 eV adlanır: 1 eV=1,6 ⋅10
-19 Kl ⋅1 V=1,6⋅10 -19
.
(40.12) (40.12) ifadəsinə əsasən yalnız yüklü hissəciklərin deyil, həm də elektroneytral hissəciklərin malik olduğu enerjini də eV vahidi ilə ifadə etmək olar. Məsələn, 10 3 m/s sürətlə hərəkət edən oksigen atomunun (m 0 =16 a.k. υ . ) kinet
rj ik ene isi eV eV C E к
083 , 0
10 33 , 1
10 33 , 1 2 2 19 21 21 0 = ⋅ = ⋅ = = = = − − −
C 10 6 , 1
⋅ olar.
Atomların kütləsini təyin etmək üçün kütlə spektroqraflarından (Ё27) istifadə olunur. Misal olaraq neon atomunun müsbət ionlarının kütləsinin təyin edilməsindən alınan nəticələri nəzərdən keçirək. Hər şeydən əvvəl onu qeyd edək ki, elektronun kütləsi çox olduğundan neytral neon atomunun kütləsi praktik olaraq neonun müsbət ionunun kütl
10 10 66 , 1 16 6 27 2 ⋅ ⋅ ⋅ − υ kiçik əsinə bərabərdir. 40.1 şəklində neonun müsbət ionları üçün alınmış kütlə- spektroqramı verilmişdir. Bu spektroqramda müxtəlif intensivliyə malik olan üç dənə A, B və C zolaqları aydın görünür. Bu zolaqların yarıqdan olan məsafələrini müqayisə edərək tapmışlar ki, A, B və C zolaqlarına uyğun gələn e m kəmiyyətlərinin nisbəti 20:21:22 kimidir. Üç dənə zolağın alınmasını ionların müxtəlif yükə malik olması ilə izah etmək olmaz. Çünki neon ionunun yükü bir neçə elementar yükə bərabər ola bilər. Doğrudan da neon atom elektron vardır (Mendeleyev cədvəlin sıra nömrəsi Z=10) və kütl ionlaşma kamerasında baş verən qaz boşalması şəraitində bu atom və çox nadir hallarda ən çoxu iki elektron qopa bilər. Ona görə də y ola bilər və unda cəmi 10 də ə spektroqrafının dan əksə a bir
üklərin nisbəti 3:2:1 r hallard 20 :
: 22 22 1 : 21 1 : 20 1 = kimi heç vaxt ola bilməz. Beləliklə, yalnız onu qəbul etmək qalır ki, A, B və C zolaqları eyni yükə malik, lakin kütlələrinin nisbəti 20:21:22 kimi olan müxtəlif kütləli ionlar tərəfindən yaradılmışdır. Məlumdur ki, neon üçün M
=20,2 v
un kütləsinin orta qiyməti 20,2 a.k. υ
zolaqlarını ya ə, uyğun olaraq, 20, 21 və 22 a.k. υ
Deməli, belə nəticəyə gəlmək olar ki, neon elementi kütlələri ilə bir-birindən fərqlənən üç növ atomun, yəni üç növ izotopun qarışığından ibarətdir. Kütlə spektroqramında zolaqların qaralma intensivliyini müqayisə edərək, təbii neonda müxtəlif izotopların nisbi miqdarını tapmaq olar. Kütlələri 20, 21 və 22 a.k. υ
miqdar nisbəti 90:0,3:9,7 kimidir. Onda neon atomunun kütləsinin orta qiyməti ə deməli, neon atomun radan ionların kütlələri is 2 , 20 7 , 9 3 , 0 90 7 , 9 22 3 , 0 21 90 20 = + + ⋅ + ⋅ + ⋅ = m a.k. υ
olar. Neon atomunun kütləsi üçün tapılmış bu orta qiymətin təcrübədən tapılmış qiymətlə üst-üstə düşməsi neon elementinin üç izotopun qarışığı olması haqqında təsəvvürün A B C
A B C Шякил
209 doğruluğunu sübut edir. Qeyd etmək vacibdir ki, müxtəlif lərdən (atomosferdən, dağ suxurlarından və s.) götürülmüş neon nümunələrinin əsi 20, 21 və ada ərqlə irmə ün ı mad lərin özünü nec mənbə hamısında kütl 22 a.k. υ
(məsələn, mayeləşmə, buxarlanma, diffuziya və s) zamanı bu nisbət dəyişmir və ya çox az dəyişir. Bu isə neonun üç müxtəlif növ izotopunun öz xassələrinə görə demək olar ki, eyni olduğunu göstərir. Lakin bəzi hallarda eyni bir elementin izotopları bir sıra fiziki xassələrinə görə /radioaktivlik (Ё39), zəncirvari nüvə reaksiyası və s./ kəskin fərqlənirlər. İzotopların olması təkcə neona xas olan xüsusiyyət deyildir. Bir çox kimyəvi elementlər iki və daha çox izotopların qarışığından ibarətdir. 40.1 cədvəlində bəzi elementlərin izotop tərkibi göstərilmişdir. Bu cədvəldən görünür ki, bütün elementlərin izotoplarının kütlələri a.k. υ
fizikasında aydın olur. Belə ki, atom nüvəsini təşkil edən proton və neytronların hər birinin sükunət kütləsi 1 a.k. υ
və neytronların ümumi sayına, yəni tam ədədə bərabər olur. Daha dəqiq ölçmələr göstərir ki, izotopların kütləsinin tam ədədlə ifadə olunması təqribi xarakter daşıyır və kütlənin qiyməti vergüldən sonra 2-4-cü rəqəmlərlə tam ədəddən fərqlənir. Bir sıra məsələlərdə, xüsusilə nüvə reaksiyalarının öyrənilməsində izotopların kütləsinin qiymətinin tam ədəddən az da olsa fərqlənməsi mühüm rol oynayır. Bir çox hallarda izotopun kütləsinin a.k. υ
qiymətindən istifadə etmək praktik cəhətdən əlverişli olur. İzotopun a.k. υ
nisbi atom kütləsi) ilə kütləsinin tam ədədə yuvarlaqlaşdırılmış qiymətinə kütlə ədədi A deyilir. İzotopları işarə etmək üçün uyğun kimyəvi elementin X işarəsinin sol tərəfində yuxarı indeks kimi A kütlə ədədi, aşağı indeks kimi isə bu elementin Mendeleyev cədvəlindəki sıra nömrəsi yazılır: X A Z . Məsələn, neonun izotopları Ne 20 10
21 10 və Ne 22 10 kimi işarə edilir. Verilmiş kimyəvi elementin bütün izotopları eyni bir kimyəvi reaksiyalara girir və həllolunması, uçuculuğu və digər xassələri demək olar ki, eyni olan kimyəvi birləşmələr əmələ gətirir. Kimy elementləri bir-birindən f nd k üç adətən bu xassələrdən istifadə edildiyinə görə, kimyəvi reaksiyalar zaman də ə
bir-birindən ayırmaq üçün yaramır. Məhz buna görə də izotopların ayrılması kimyəvi elementlərin ayrılması ilə müqayisədə çox çətin bir məsələdir. İzotopların ayrılması ilk dövrlərdə kütlə spektroqrafı vasitəsilə həyata keçirilirdi (Ё27). Yuxarıda gördüyümüz kimi, spektroqrafın fotolövhəsində hər bir izotopa məxsus zolaq alınır və bu zolaqların qaralması intensivliyinə görə izotopların faizlə miqdarını da təyin etmək olar. Lakin bu cihazın məhsuldarlığı çox azdır. Ayrılmış izotopların böyük miqdarını almaq üçün konstruksiyası ilə fərqlənən və daha böyük ölçülərə malik olan kütlə spektroqrafından istifadə olunur. Bu cihazlarda izotopların qəbuledicisi kimi fotolövhədən deyil, ionların düşdüyü yerlərdə yarıqları olan xüsusi qablardan istifadə olunur. İzotopların faizlə miqdarı kütlə spektrometrləri (Ё27) vasitəsilə nisbətən asan və dəqiq təyin edilir. Bütün kütlə spektrometrlərinin xarakterik cəhəti də məhz bundan ibarətdir.
Download 18.1 Mb. Do'stlaringiz bilan baham: 
|