I. Kirish Atom fizikasi

II. Asosiy qism
2.1 Atom haqida umumiy ma`lumot
Atom (qadimgi yunoncha: ἄτομος — atomos — boʻlinmas) — kimyoviy elementning barcha xossalarini oʻzida mujassamlashtirgan eng kichik zarrasi. Dastlabki „boʻlinmas“ nomini olgan bu zarraning ichki tuzilishi anchagina murakkab. Atom musbat zaryadlangan negiz (yadro) va yadro atrofida harakatlanuvchi elektronlardan tashkil topgan. Atom markazida barcha massasi jamlangan musbat zaryadlangan negiz (yadro) joylashgan; atrofida oʻlchovlari (~ 10~8 sm) atom oʻlchovlarini ifodalaydigan elektron qobiklarini hosil qiluvchi elektronlar harakat qiladi. Atom yadrosi protonlar va neytronlardan tashkil topgan. Atomdagi elektronlar soni yadrodagi protonlar soniga teng (atomdagi barcha elektronlar zaryadi yadro zaryadiga teng), protonlar soni elementning davriy tizimidagi tartib raqamiga teng. Atom elektronlarni tutib olib yoki berib, manfiy yoki musbat zaryadlangan ionlarga aylanadi. Atomning kimyoviy xossalari asosan tashqi qobikdagi elektronlar soni bilan aniqlanadi; kimyoviy qoʻshilib, atomlar molekulalar hosil qiladi. Atomning ichki energiyasi uning muhim koʻrsatkichi hisoblanadi. Ichki energiya maʼlum (diskret) qiymatlarga ega boʻlishi va u sakrashsimon kvant oʻtishlardagina oʻzgarishi mumkin. Maʼlum qiymatdagi energiyani yutib, atom qoʻzgʻalgan holat (energiyaning yuqoriroq sathi)ga oʻtadi. Atom foton chiqarib, qoʻzgʻalgan holatdan kichik energiyali holat (energiyaning pastroq sathi)ga oʻtadi. Atomning eng kichik energiyasiga mos sathi asosiy sath, Atom markazida Ze musbat zaryadli massiv yadro joylashgan, yadro atrofida — Ze elektronlar aylanadi. Atomning deyarli hamma massasi yadroda toʻplangan. qolganlari esa qoʻzgʻalgan sathlar deyiladi.atom tuzilishi haqidagi fan („Atom fizikasi“ „Yadro fizikasi“, „Elementar zarralar fizikasi“ va boshqa yoʻnalishlar) nazariyasi ancha murakkab boʻlib, fizikaning deyarli barcha yutuqlariga va hozirgi zamon matematik apparat yutuqlariga tayanadi.Ad.:Bekjonov R. B., Atom yadrosi va zarralar fizikasi, T., 1995; Modda tuzilishi, T., 1997.^[1]
Atamani yunon faylasufi Demokrit miloddan avvalgi V asrda kiritgan.

• 
  Hamma jismlar, shu jumladan oʻzimiz ham, atomlar deb ataluvchi juda mayda „gʻishtchalar“ dan iborat. Tabiatda kimyoviy elementlar qancha boʻlsa, bunday „gʻishtchalar“ turlari shuncha boʻladi. Kimyoviy element — ayni bir turdagi atomlar toʻplami.
  

Modda juda mayda zarrachalardan tuzilganligi haqidagi fikr qadimgi yunon olimlari tomonidanoq aytilgan edi. Ular ana shu zarrachalarni atomlar deb atashdi. Qadimgi yunonlar atomlar muntazam koʻpyoqliklar shakliga ega, deb faraz qilganlar: Kub („Yer atomlari“), Tetraedr („Olov atomlari“), Oktaedr (Havo atomlari), Ikosaedr („suv atomlari“). Moddaning atomlardan tuzilganligi gʻoyasining eksperimental isboti olingunga qadar yigirma asrdan ortiq vaqt oʻtdi. Bu gʻoya fanda kimyo va kinetik nazariyaning yutuqlari tufayli XIX asrning ikkinchi yarmida qatʼiy qaror topdi. XX asr boshiga kelib, fiziklar atomlarning oʻlchamlari 10 ⁻¹⁰ m va massasi 10 ⁻²⁷ kg atrofida boʻlishini bilar edilar. Bu vaqtga kelib atomlar umuman „boʻlinmas“ emas, ular maʼlum ichki tuzilishiga ega, buni bilish esa D. I. Mendeleyev aniqlagan kimyoviy elementlar hossalarining davriyligini tushuntirishga imkon berishi aniq boʻlib qoldi.
Elektron kashf etilgandan bir oz vaqt oʻtgandan keyin, 1903-yilda ingliz fizigi Jozef Jon Tomson diametri tahminan 10 ⁻¹⁰ m, ichiga elektronlar „sochilgan“, hajmi boʻyicha musbat zaryadlangan sfera shaklidagi atom modelini taklif etdi. Elektronlarning sfera markaziga nisbatan tebranganda, atom yorugʻlik nurlantiradi. Tosmon, elektronlar sfera markazi atrofida qatlam boʻlib guruhlanadi, deb hisobladi.
Tomson taklif etgan modelda atom massasi uning hajmi boʻyicha bir tekis taqsimlangan. Bunday farazning hato ekanligini tez orada ingliz fizigi Ernest Rezerford isbotladi. 1908-1911-yillarda uning rahbarligida α-zarralar (geliy yadrolari)ning metal folga (zar qogʻoz)da sochilishiga oid tajribalar oʻtkazilgan edi. (qarang Alfa yemirilish). α-zarra yupqa folgadan (qalinligi 1 mkm) oʻtib va oltingugurtli qoʻrgʻoshindan qilingan ekranga tushib, mikroskopda yaxshi koʻrinadigan chaqnashni vujudga keltirar ekan. Ekranni α-zarraning dastlabki harakat yoʻnalishida xar hil burchaklarda joylashtirildi va folgadan u yoki bu burchakka sochilgan zarralar soni sanaldi. Koʻpchilik zarralar folgadan bir oz ogʻib oʻtib ketishi aniqlandi, biroq ayrim hollarda (tahminan 10 000 lan bittasida) α-zarraning 90˚ dan katta burchakka ogʻgani kuzatildi.

Bu, agar 15 duymli snaryadni bir varaq papiros qogʻoziga otganingizda, snaryad qogʻozdan qaytib kelib, sizga tekkanidek, aql bovar qilmaydigan hol edi

”

— deb keyinchalik eslagan edi Rezerford. α-zarrachalarning sochilishiga oid tajribalar shuni yaqqol koʻrsatdiki, atomning butun massasi juda kichik hajmda — atom yadrosida toʻplangan boʻlib, uning diametri atom diametridan 10 000 marta kichikdir. Koʻpchilik α-zarralar ogʻir yadro yonidan, unga tegib ketmasdan uchib oʻtadi, biroq bunda u orqaga „sakrab ketishi“ mumkin.
Rezerford tajribalari atomning yadro modeli ni yaratish uchun asos boʻldi. Bu model bizning atom tuzilishi haqidagi bugungi tasavvurlarimizni ifodalaydi.
Atom markazida atom yadrosi joylashgan, atomning qolgan hamma hajmini elektronlar egallaydi. Yardo ichida elektronlar yoʻq (bu 1930-yillar boshida aniq boʻldi); yadro musbat zaryadlangan protonlar va zaryadga ega boʻlmagan neytronlardan iborat. Atomdagi elektronlar soni yadrodagi protonlar soniga teng; bu mazkur kimyoviy elementning atom raqami (uning davriy sistemadagi tartib raqami) dir. Elektron massasi proton yoki neytron massasidan tahminan 2000 marta kichik, shuning uchun atomning hamma massasi yadroga toʻplangan. Turli elektronlar yadro bilan turli darajada bogʻlangan; ularning baʼzilarini atom nisbatan oson yoʻqotishi mumkin, bunda u musbat ionga aylanadi. Atom qoʻshimcha elektronlarga ega boʻlib, manfiy ionga aylanadi. Atomning birinchi miqdoriy nazariyasini 1913-yilda daniya fizigi Nils Bor ishlab chiqdi. Bu eng oddiy atom — vodorod atomining nazariyasi edi. Nils Bor Rezerford tajribalarining natijalaridan va oʻsha vaqtlarda maʼlum boʻlgan atomlar vodorodning spektri haqidagi maʼlumotlardan foydalandi. U vodorod atomini quyidagi koʻrinishda tasavvur qildi: proton (atom yadrosi) atrofida aylanma orbita boʻlib elektron harakatlanadi.
Daniya fizigi Nils Bor 1913-yilda Rezerford modeliga asoslanib, vodorod A.ning ichki tuzilish nazariyasini yaratdi. N. Bor atom zarralari murakkab tizim boʻlgani holda muvozanatda boʻlishini birinchi bor tushuntirib berdi. N. Bor A. nazariyasini yaratishda faraz sifatida uchta postulat qabul qiladi.I postulat. Elektron yadro atrofida aylanma harakat qilayotganda oʻz energi-yasini yoʻqotmaydi.II postulat. Elektron yadro atrofida faqat barqaror orbitalardagina aylani-shi mumkin.Shpostulat. Elektron energiyasi kat-ta boʻlgan barqaror orbitadan energiyasi kichik boʻlgan orbitaga oʻtganda ortiqcha energiyasini yorugʻlik nuri, kvant (fo-ton), ya’ni h v sifatida chiqaradi. Bor nazariyasi faqat vodorod va vo-dorodga oʻxshagan atomlar uchungina yaroqlidir. Biroq zaryadlari soni koʻp boʻlgan elementlarning kvant nazariyasi – kvant mexanikani yaratishda Borning atom nazariyasi boshlangʻich qadam boʻlib xizmat qildi. Kvant mexanika N. Bor, V. Geyzenberg, L. de-Broyl, M. Born, A. P. Dirak va boshqa tomonidan yaratildi.Atom fizikasi fizikaning yangi boʻlimi boʻlib, yangi kashfiyotlar bilan boyib bormoqda. Atom fizikasining asosiy boʻlimlari – atom nazariyasi, atom (optik) spektro-skopiya, rentgen spektroskopiyasi, radio-spektroskopiya, lazer spektroskopiyasi, atom va ion toʻqnashishlari fizikasidan iborat. Atomning barcha holat harakte-ristikalarini mukammal aniqlash Atom fizikasining eng muhim vazifasidir. Bunda atom energiyasi qiymatlari – energiya satqi, harakat miqdori momentlarining qiymatlari va atom holatini ifodalovchi boshqa miqdorlar aniqlanadi. Atom tuzilishini batafsil tekshirishda qoʻlga kiritilgan nati-jalardan fizikaning koʻpgina boʻlimlaridagina emas, balki kimyo, astrofizika va boshqa fan sohalarida ham juda koʻp foydalaniladi. Spektral chiziqlarning kengayishi va siljishini oʻrganish muhit (suyuklik, kristall)ning ma’lum qismidagi maydonlar va uning holati haqida fikr yuritishga im-kon beradi. Elektron zaryad zichligining taqsimlanishini va tashqi kuchlar ta’si-rida uning qay tariqa oʻzgarishini bi-lish atom hosil qilishi mumkin boʻlgan kimyoviy bogʻlarni, kristall panjarasidagi ion harakatini aniqlash uchun juda muhimdir. Atom va ionlarning tuzili-shi va energiya sathi harakteristikalari haqidagi ma’lumotlar kvant elektro-nika qurilmalari uchun katta ahamiyatga egadir. Atom va ionlar toʻqnashganda ularning ionlashishi, uygʻonishi, qayta zaryadlanishi haqidagi bilimlar plazma fizikasida muhim oʻrin tutadi. Atomlar energiya sathlarining tuzilishini bilish astrofizika uchun juda zarur. Shunday qilib, Atom fizikasi tabiat fanlari bilan chambarchas bogʻliqdir. Atom haqida Atom fizikasi yaratgan tasavvur dunyoni bilish uchun ham ahamiyatga ega. Turli moddalarning turgʻunligi, Yerdagi oddiy temperatura va bo-simda kimyoviy elementlarning boshqa elementlarga aylanmasligi atomning "turgʻunligi"ga bogʻliq. Tashqi sharoit oʻzgarganda atom xossalari va holatining oʻzgara olishi, atomning "plastik" boʻlishi elementar zarralardan birining ikkinchisiga aylanishi yoʻllarini koʻrsatib berib, murakkab tizimlarning paydo boʻlishi sabablarini ochadi. Shu kunlarda Atom fizikasi modda tuzilishi haqidagi tasavvurlarni kengaytiruvchi alohida fanga aylanib qoldi. Modda tuzilishi nazariyasi ancha murakkab boʻlib, fizi-kaning deyarli barcha yutuqlari va hozirgi zamon matematik apparatning qudratiga 767tayangan. Soʻnggi yillarda atom spektro-skopiyasining plazma diagnostikasiga, astrofizik tadqiqotlarga, gazli la-zerlar spektroskopiyasi va boshqa sohalarga tatbiqi ancha rivoj topdi. Ammo bu masalalarni yoritish atom spektrlari nazariyasiga, atomda yuz berayotgan radi-atsion jarayonlarning ehtimolligi va koʻndalang kesimi kabi muhim harakte-ristikalarga tegishli tayin hisoblarni oʻtkazishni talab qiladi.
Kimyoviy birikmalarning xilma-xilligi kimyoviy elementlar atomlarining molekula va molekulyar bo'lmagan moddalarga har xil birikmasidan kelib chiqadi. Atomning kimyoviy birikmalarga kirish qobiliyati, uning kimyoviy va fizik xususiyatlari atomning tuzilishi bilan belgilanadi. Shu munosabat bilan kimyo uchun atomning ichki tuzilishi va birinchi navbatda uning elektron qobig'ining tuzilishi katta ahamiyatga ega.
Atom tuzilishi modellari
19-asr boshlarida D. Dalton oʻsha davrga maʼlum boʻlgan kimyoning asosiy qonunlariga (tarkibning doimiyligi, koʻp nisbat va ekvivalentlar) tayanib, atomistik nazariyani qayta tikladi. Birinchi tajribalar moddaning tuzilishini o'rganish uchun o'tkazildi. Biroq, kashfiyotlarga qaramay (bir elementning atomlari bir xil, boshqa elementlarning atomlari esa har xil xususiyatlarga ega, atom massasi tushunchasi kiritilgan), atom bo'linmas deb hisoblangan.
Atom tuzilishining murakkabligi (fotoeffekt, katod va rentgen nurlari, radioaktivlik) haqida eksperimental dalillar (XIX asr oxiri - XX asr boshlari) olingandan so'ng, atom o'zaro ta'sir qiluvchi manfiy va musbat zaryadlangan zarralardan iborat ekanligi aniqlandi. bir-biri.
Bu kashfiyotlar atom tuzilishining ilk modellarini yaratishga turtki berdi. Birinchi modellardan biri taklif qilingan J. Tomson(1904) (1-rasm): atom "ijobiy elektr dengizi" sifatida taqdim etilgan, unda elektronlar tebranadi.
a-zarralar bilan tajribalardan so'ng, 1911 y. Ruterford deb atalmishni taklif qildi sayyora modeli atomning tuzilishi (1-rasm), quyosh tizimining tuzilishiga o'xshash. Sayyoraviy modelga ko'ra, atomning markazida Z e zaryadli juda kichik yadro mavjud bo'lib, uning o'lchami atomning o'zi hajmidan taxminan 1 000 000 marta kichikdir. Yadro atomning deyarli butun massasini o'z ichiga oladi va musbat zaryadga ega. Elektronlar yadro atrofidagi orbitalarda harakat qiladi, ularning soni yadro zaryadiga qarab belgilanadi. Elektronlarning tashqi traektoriyasi atomning tashqi o'lchamlarini belgilaydi. Atomning diametri 10 -8 sm, yadro diametri esa ancha kichik -10 -12 sm.
Guruch. 1 Tomson va Rezerford bo'yicha atom tuzilishi modellari
Atom spektrlarini o'rganish bo'yicha tajribalar atom tuzilishining sayyoraviy modelining nomukammalligini ko'rsatdi, chunki bu model atom spektrlarining chiziqli tuzilishiga zid keladi. Rezerford modeliga asoslanib, Eynshteynning yorug'lik kvantlari nazariyasi va nurlanishning kvant nazariyasi, Plank. Nils Bor (1913) tuzilgan postulatlar, o'z ichiga oladi atom nazariyasi(2-rasm): elektron yadro atrofida hech birida emas, faqat ba'zi o'ziga xos orbitalarda (statsionar) aylanishi mumkin, bunday orbita bo'ylab harakatlanadi, u elektromagnit energiya, nurlanish (elektromagnit kvantning yutilishi yoki emissiyasi) chiqarmaydi. energiya) elektronning bir orbitadan ikkinchisiga o'tish (sakrashga o'xshash) jarayonida sodir bo'ladi.
Atom tuzilishini tavsiflovchi to'plangan tajriba materiali shuni ko'rsatdiki, elektronlarning, shuningdek, boshqa mikro-ob'ektlarning xususiyatlarini klassik mexanika tushunchalari asosida tasvirlab bo'lmaydi. Mikrozarralar yaratish uchun asos bo'lgan kvant mexanikasi qonunlariga bo'ysunadi atom tuzilishining zamonaviy modeli.
Kvant mexanikasining asosiy tezislari:
- energiya alohida qismlarda - kvantlarda jismlar tomonidan chiqariladi va so'riladi, shuning uchun zarrachalarning energiyasi keskin o'zgaradi;
- elektronlar va boshqa mikrozarralar ikki tomonlama xususiyatga ega - u zarrachalar va to'lqinlarning xususiyatlarini ko'rsatadi (zarracha-to'lqinli dualizm);
— kvant mexanikasi mikrozarrachalar uchun maʼlum orbitalarning mavjudligini inkor etadi (harakatlanuvchi elektronlar uchun ularning aniq oʻrnini aniqlash mumkin emas, chunki ular fazoda yadro yaqinida harakat qiladi, faqat fazoning turli qismlarida elektronni topish ehtimolini aniqlash mumkin).
Yadro yaqinidagi elektronni topish ehtimoli etarlicha yuqori bo'lgan (90%) bo'shliq deyiladi. orbital.
kvant raqamlari. Pauli printsipi. Klechkovskiy qoidalari
Atomdagi elektronning holatini to'rtta yordamida tasvirlash mumkin kvant raqamlari.
n bosh kvant soni. Atomdagi elektronning umumiy energiyasini va energiya darajasining sonini tavsiflaydi. n 1 dan ∞ gacha bo'lgan butun son qiymatlarini oladi. Elektron n=1 da eng kam energiyaga ega; ortib borayotgan n - energiya bilan. Atomning elektronlari shunday energiya darajasida bo'lsa, ularning umumiy energiyasi minimal bo'lsa, asosiy holat deyiladi. Yuqori qiymatlarga ega bo'lgan davlatlar hayajonlangan deb ataladi. Energiya darajalari n qiymatiga ko'ra arab raqamlari bilan ko'rsatilgan. Elektronlarni etti darajada joylashtirish mumkin, shuning uchun haqiqatda n 1 dan 7 gacha mavjud. Asosiy kvant soni elektron bulutining hajmini belgilaydi va atomdagi elektronning o'rtacha radiusini aniqlaydi.
l orbital kvant soni. U pastki darajadagi elektronlarning energiya zahirasini va orbital shaklini tavsiflaydi (1-jadval). 0 dan n-1 gacha bo'lgan butun son qiymatlarini qabul qiladi. l n ga bog'liq. Agar n=1 bo'lsa, l=0 bo'ladi, ya'ni 1-darajada 1-kichik daraja mavjud.
Atomlardagi elektronlarning holati aniqlanadi Pauli printsipi: atomda barcha kvant sonlarining bir xil to'plamiga ega ikkita elektron bo'lishi mumkin emas. Orbitallarni elektronlar bilan to'ldirish ketma-ketligi bilan aniqlanadi Klechkovskiy qoidalari: orbitallar bu orbitallar uchun yigʻindisining (n+l) oʻsish tartibida elektronlar bilan toʻldiriladi, agar yigʻindisi (n+l) bir xil boʻlsa, birinchi navbatda qiymati n dan kichikroq orbital toʻldiriladi.
Biroq, atom odatda bitta emas, balki bir nechta elektronni o'z ichiga oladi va ularning bir-biri bilan o'zaro ta'sirini hisobga olish uchun yadroning samarali zaryadi tushunchasi qo'llaniladi - tashqi darajadagi elektronga zaryad ta'sir qiladi. yadro zaryadidan kamroq bo'ladi, buning natijasida ichki elektronlar tashqi elektronlarni ekranga chiqaradi.
Atomning asosiy xarakteristikalari: atom radiusi (kovalent, metall, van-der-vaals, ion), elektronga yaqinlik, ionlanish potensiali, magnit moment.
Atomlarning elektron formulalari
Atomning barcha elektronlari uning elektron qobig'ini tashkil qiladi. Elektron qobiqning tuzilishi tasvirlangan elektron formula, bu elektronlarning energiya darajalari va pastki darajalari bo'yicha taqsimlanishini ko'rsatadi. Pastki darajadagi elektronlar soni pastki darajani ko'rsatadigan harfning yuqori o'ng tomonida yozilgan raqam bilan ko'rsatiladi. Masalan, vodorod atomida bitta elektron mavjud bo'lib, u 1-energetika darajasining s-kichik darajasida joylashgan: 1s 1. Ikki elektrondan iborat geliyning elektron formulasi quyidagicha yoziladi: 1s 2.
Ikkinchi davr elementlari uchun elektronlar 8 tadan ko'p bo'lmagan elektronni o'z ichiga olishi mumkin bo'lgan 2-energiya darajasini to'ldiradi. Birinchidan, elektronlar s-kichik darajani, so'ngra p-kichik darajani to'ldiradi. Misol uchun:
5 B 1s 2 2s 2 2p 1
Atom elektron tuzilishining elementning davriy sistemadagi o'rni bilan bog'liqligi
Elementning elektron formulasi uning D.I. davriy tizimidagi oʻrni bilan aniqlanadi. Mendeleev. Shunday qilib, davrning soni ikkinchi davrning elementlariga to'g'ri keladi, elektronlar 8 tadan ko'p bo'lmagan elektronni o'z ichiga olishi mumkin bo'lgan 2-energiya darajasini to'ldiradi. Birinchidan, elektronlar to'ldiradi Ikkinchi davrning elementlarida elektronlar 8 tadan ko'p bo'lmagan elektronni o'z ichiga olishi mumkin bo'lgan 2-energiya darajasini to'ldiradi. Birinchidan, elektronlar s-kichik darajani, so'ngra p-kichik darajani to'ldiradi. Misol uchun:
5 B 1s 2 2s 2 2p 1
Ba'zi elementlarning atomlari uchun elektronning tashqi energiya darajasidan oxirgidan oldingi darajaga "oqish" hodisasi kuzatiladi. Elektron sirpanishi mis, xrom, palladiy va boshqa ba'zi elementlarning atomlarida sodir bo'ladi. Misol uchun:
24 Cr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 1
8 elektrondan ko'p bo'lmagan energiya darajasi. Birinchidan, elektronlar s-kichik darajani, so'ngra p-kichik darajani to'ldiradi. Misol uchun:
5 B 1s 2 2s 2 2p 1
Asosiy kichik guruhlarning elementlari uchun guruh raqami tashqi energiya darajasidagi elektronlar soniga teng, bunday elektronlar valent elektronlar deb ataladi (ular kimyoviy bog'lanish hosil bo'lishida ishtirok etadilar). Yon kichik guruhlar elementlarining valentlik elektronlari tashqi energiya darajasining elektronlari va oxirgi darajaning d-kichik darajasi bo'lishi mumkin. III-VII guruhlarning yon kichik guruhlari elementlari guruhining soni, shuningdek, Fe, Ru, Os uchun tashqi energiya darajasining s-kichik darajasi va d-kichik darajasidagi elektronlarning umumiy soniga mos keladi. oxirgidan oldingi daraja.