O‘zbekiston respublikasi oliy va o‘rta maxsus ta'lim vazirligi ajiniyoz nomidagi nukus davlat pedagogika instituti fizika-matematika fakulteti fizika o‘qitish metodikasi kafedrasi

1.2.ELEMENTAR ZARRALAR FIZIKASINING RIVOJLANISH BOSQICHLARI
Elementar zarralar haqidagi taʼlimot hozirgi zamon atomistikasining eng yuqori bosqichidir. Mikrodunyoni oʻrganishda uch bosqichni taʼkidlab oʻtish mumkin:
a) atom tuzilishini va unda sodir boʻladigan jarayonlarni oʻrganish;
b) yadro tuzilishini va yadro ichida sodir boʻladigan jarayonlarni oʻrganish;
v) atom yadrolari va atomlarning elektron qobiqlarini tashkil qilgan, shuningdek, yadro aylanishlarida vujudga keladigan zarralarni va ularni tashkil qilgan zarralarni oʻrganish.
Atomlar haqidagi taʼlimot qadim zamondayoq paydo boʻlgan. Mashhur grek faylasuflari: Yevklid (eramizdan 500-yil oldin), Anaksagor (e.a. 500—428 yy.), Empedokl (e.a.492—432 yy.), Demokrit (e.a. 460—370 yy.), Epikur (e.a.341 —270 yy.) jismlarning atom tuzilishi haqidagi taʼlimotni rivojlantirganlar. Bu sohada Demokritning xizmati ayniqsa kattadir. U koinot boʻsh fazodan va cheksiz koʻp boʻlinmas materiya zarralari — atomlardan tuzilgan deb hisoblagan. Barcha jismlar atomlardan tuzilgan boʻlib, bu atomlar bir-biridan shakli, vaziyati va taqsimlanishi boʻyicha farq qiladi. Jismlar faqat atomlarning qoʻshilishi va boʻlinishi tufayli paydo boʻladi va yoʻq boʻladi. Harakat qandaydir gʻayri-tabiiy kuchlar taʼsirida emas, balki atomlarning oʻziga xos boʻlgan kuchlar taʼsirida vujudga keladi. Demokritning atom taʼlimoti tom maʼnoda materialistik taʼlimot edi. Biroq uning dunyoqarashida muhim kamchilik boʻlgan, yaʼni u boʻsh fazo mavjud, deb faraz qilgan. Qadimgi mashhur mutafakkirlardan biri Aristotel (e.a. 384—322-y.) bunga qarshi chiqdi, u materiyaning uzluksizligiga asoslanib, boʻsh fazoning mavjudligini rad etdi. Lekin shu bilan birga Aristotel boʻlinmas atomlarning mavjudligini ham inkor qildi. Shunday qilib, qadim zamonlardayoq, materiya tabiati haqidagi ikki qarama-qarshi nuqtai nazar orasida kurash paydo boʻlgan: bir nuqtai nazarga koʻra materiya boʻlinadi va uzlukli deb hisoblangan, boshqasi esa materiyaning uzluksizligiga asoslangan. Bu kurash koʻp asrlar davom etdi. U antik fandan fizika fani rivojining oxirgi davrlariga ham yetib keldi. Hozirgi vaqtda tabiatni dialektik asosda qarama-qarshiliklar birligi sifatida tushunib, fizika bu muammoni hal etdi: shunday qilib, materiya ham uzlukli (atomlardan tuzilgan) ham uzluksiz (tutash) hisoblanadi.Atomistik nazariyani keyinchalik qadimgi yirik mutafakkirlardan Lukretsiy Kar (e. a. 95-55yy.) rivojlantirdi. Qadimgi Atomistikafakkirlari atom materiyaning eng mayda zarrasi deb tushunganlar. Antik fan tushkunlikka uchrashi bilai qadimgi faylasuflarning nazariyalari ancha vaqtgacha esga olinmadi.
Oʻrta asrlar. Oʻrta asrlar sharoitida atomistika taraqqiy etish imkoniga ega boʻlmadi, chunki kelgusida materialistik taʼlimotga aylanadigan atomistika oʻsha vaqtda hamma yerda hukmron boʻlgan cherkov aqidalari bilan qarama-qarshilikka uchradi. Xuddi shu cherkov hukmronligi, shuningdek, har xil turdagi soxta fanlar: alximiya, astrologiya, sehrgarlik va h. k. larning rivojlanganligi sababli atom haqidagi taʼlimot taraqqiy eta olmadi.
Uygʻonish davri. XVII va XVIII asrlar atomistikasi. Boshqa fanlar kabi atomistika ham Uygʻonish davrida sezilarli muvaffaqiyatlarga erisha boshladi. Bunga shu davrdagi jamiyat rivoji ning ekonomika, texnika, fan va boshqa sohalaridagi keng taraqqiyoti sabab boʻldi.
Qadim zamonlardagi kabi, bu davrda ham atomistik tasavvurlar eksperimentga asoslanmasdan, balki aqliy konsepsiyalar tarzida ilgari surilar edi. Shuning uchun bu davrda materiyaning uzlukli va uzluksizligi haqidagi masalaga qarashlar turlicha boʻlganligi ajablanarli emas. O‘sha davrning yirik olimlari G. Galiley va Rene Dekart atomistika olimlar boʻlmagan. Dekartning materiya haqidagi taʼlimotida koʻproq materiyaning uzluksizligi haqida gapirilgan boʻlsa-da, u oʻz nazariyalarida materiya zarralardan tashkil topgan deb tasavvur qilgan. Bu atom tasavvuriga maʼlum darajada yaqinlashish edi. Dekart boʻsh fazoning mavjudligini inkor qilgan. Dekart tasavvurlariga qarama-qarshi oʻlaroq, P. Gassendi Demokritga oʻxshab, boʻlinmas atomlar va ular orasida boʻsh fazo mavjudligi haqidagi tasavvurlarni ilgari surdi. Materiya tuzilishi haqida: ikki xil dunyoqarash orasida boʻlgan kurashda I. Nyutonning mexanika va butun olam tortishishi sohasida qilgan buyuk kashfiyotlari katta ahamiyatga ega boʻldi. Nyuton taʼlimoti atomistikaning rivojlanishiga bilvosita taʼsir koʻrsatdi. Nyuton izdoshlari esa ayni paytda Dekart nazariyasiga qarshi edilar. Ular oʻz nazariyalarida Nyutonning jismlar orasida boʻshliq orqali masofadan turib kuchlar taʼsir qo‘yilishi mumkinligi haqidagi tasavvuriga tayangan edilar. Nyutonning izdoshlaridan biri chex olimi I. Boskovich uzoqdan taʼsir etuvchi kuchlar haqidagi tasavvurga asoslanib, materiya haqidagi atomistik tasavvurlarni ishlab chiqdi. U jismni tashkil qilgan zarralar uzoq masofada bir-birini tortadi, yaqin masofada esa bir-birini itaradi deb hisobladi. Ana shu tasavvurlar asosida kristallar tuzilishini aniqlash mumkin boʻldi. Boskovichning umumiy gʻoyasi toʻgʻri boʻlib chiqdi va u ancha keyinroq, ilmiy atomistika rivojlangan vaqtdagina oʻz tasdigʻini topdi. Atom haqidagi taʼlimotning rivojlanishida ingliz ximigi R.Boylning, ingliz fizigi R. Gukning va Golland fizigi X. Gyuygensning xizmatlari katta. Materiyaning atomistik tuzilishi va harakati haqidagi buyuk ishlar genial rus olimi Mixail Vasilyevich Lomonosov nomi bilan chambarchas bogʻliq. M. V. Lomonosov kimyoviy elementlar haqidagi tasavvurlarni ishlab chiqdi va sodda hamda murakkab jismlarni tashkil qilgan zarralar orasidagi farqni aniqladi. Shunday qilib, molekula haqidagi tasavvurlarni birinchi boʻlib M. V. Lomonosov ishlab chiqdi. U molekulani atomlardan tuzilgan murakkab zarra deb taʼrifladi. M. V. Lomonosov molekulyar harakat haqidagi tasavvurlarni ishlab chiqishda ham katta hissa qoʻshgan.
XX asr boshida atom haqidagi taʼlimot. 1896-yilda fransuz fizigi Anri Bekkerel radioaktivlik hodisasini kashf qildiki, bu hodisani ancha vaqtgacha hech kim tushuntirib bera olmadi. Yuzaki qaraganda unchalik ahamiyatsiz boʻlgan bu hodisa, haqiqatda yangi davrning — atom asrining boshlanishi boʻldi. Olimlar radioaktivlik hodisasini oʻrganish bilan atom bagʻriga kirib bordilar. Fransuz fizigi Pyer Kyuri va Mariya Sklodovskaya-Kyuri polyak ayoli, shuningdek qator boshqa olimlar va ayniqsa, mashhur ingliz fizigi Rezerforning radioaktivlik sohasidagi tadqiqotlari radioaktivlikning asosiy xossalarini aniqlashga va uning sababini bilib olishga imkon berdi. Maʼlum boʻldiki, bir qator ogʻir elementlar (uran, radiy va boshqalar) har doim koʻrinmas nurlar: α, β va Ɣ nurlar chiqaradi. α, β va Ɣ nurlarning kashf qilinishi tadqiqotchilarga atomlarni oʻrganish uchun keng imkoniyat yaratib berdi. Rezerford tez α zarralarning har xil kimyoviy element atomlari bilan toʻqnashuvini tekshirib chiqdi va bu tajribalar natijasida quyidagi xulosaga keldi: atomlarning musbat zaryadli va atomning deyarli hamma massasini oʻzida mujassamlashtirgan qismi juda kichik hajmga mujassamlashgandir. Demak, atomning bu qismi atom oʻlchamidan yuz ming marta kichik oʻlchamga ega. Atomning musbat zaryadlangan qismini Rezerford atom yadrosi deb atadi. Shu asosda 1911-yilda atomning yadro modeli (yoki planetar model) yaratildi. Tomsonning atom modeli oʻrnini olgan bu atom modeli shu paytgacha atom tuzilishi haqidagi tasavvurlar asosi boʻlib kelmoqda. Hozirgi zamon atom modelining yaratilishi va rivojlanishi, atomlarda sodir boʻladigan protsesslarni tekshirishlar atomlarning yorugʻlik chiqarishi va yutishi haqidagi taʼlimot bilan uzviy bogʻliqdir. Bu XX asr boshida yorugʻlik nurlanishi va yorugʻlik prosesslarining kvant tabiati ochilishiga olib keldi. Shundan soʻng kvantlar haqidagi taʼlimot atom va molekulyar fizikaga, shuningdek, modda tuzilishi haqidagi hamma boʻlimlarga yoyildi. Yorugʻlikning kvant nazariyasi yaratilishi yorugʻlik ikki yuzlama tabiatga — korpuslyar (uzlukli, atomli) va toʻlqin (uzluksiz) tabiatga ega degan tasavvurga olib keldi. Biroq faqat yorugʻlik tabiatigina ikki yuzlama emas ekan. Tez orada moddaning boshqa hamma zarralari ham, xususan, elektronlar ham ikki yuzlama tabiatga ega ekanligi aniqlandi. 1924-yilda fransuz fizigi Lui de Broyl har bir zarra harakatiga toʻlqin tarqalishi mos keladi, degan farazni aytdi va uni materiya toʻlqini deb atadi. Amerikalik fiziklar Devisson va Jermyor 1927-yilda elektronlar difraksiyasini eksperimentda aniqladilar, bu—elektronlar toʻlqin tabiatining tasdigʻi boʻldi. Devisson va Jermer tajribalaridan keyin boshqa koʻpgina fiziklar ham shunday tadqiqotlarni amalga oshirdilar. Qattiq jismlar tuzilishini tekshirish uchun moʻljallangan, elektronograflar deb ataluvchi asboblar xuddi shu prinsipda yaratilgan edi. Nihoyat, bu kashfiyotlar natijasida modda zarralari ham yorugʻlik kabi ikki yuzlama tabiatga — toʻlqin va korpuskulyar tabiatga ega degan qatʼiy xulosaga kelindi. Atom fizikasidagi yangi dalillarning ochilishi eng yangi atomichi protsesslari nazariyasining yaratilishiga olib keldi. Hozirgi zamon yirik fizik-nazariyotchilari: Bor, Geyzenberg, Shredinger, Dirak va boshqalarning ishlari asosida korpuskulyar va toʻlqin tasavvurlarni sintez qilishga imkon beruvchi kvant mexanikasi ishlab chiqildi. Bu yangi nazariya atom fizikasi sohasidagi hisoblashlarni bajarish uchun asos boʻldi. Bu sohadagi bir qator muhim metodlar sovet fiziklari Ya. I. Frenkel, V. A. Fok, D. D. Ivanenko, I. Ye. Tamm, L. D. Landau, A. A. Sokolov, A. S. Davidov va boshqalar tomonidan yaratildi. Yuqorida aytilgan ediki, elektron va boshqa eelementar zarralarning tabiati harakatni mexanikaviy harakat deb tushunishga asoslangan tasavvurlar doirasiga sigʻmas edi. Elektronlar va boshqa zarralarning difraksiyasi zarralar harakati Nyuton mexanikasi qonunlariga qaraganda murakkabroq qonunlarga boʻysunishini. shuning uchun elektronning harakatini mexanika qonunlari bilan hisoblash mumkin emasligini koʻrsatadi.Yadro fizikasining rivojlanishi. Atom yadrosi haqidagi taʼlimot rivojlanishi bilan katta muvaffaqiyatlarga erishildi. Rezerford tadqiqotlari bu sohada muhim qadam boʻldi. U 1919-yilda a-zarralarning azot yadrolariga urilishi natijasida azot yadrolaridan vodorod atomi yadrosi — protonlar uchib chiqishini payqadi. Rezerfordning bu ishlari atomlarni bir turdan ikkinchi turga sunʼiy aylantirish davrining boshlanishi boʻldi. Bunday aylanishlar yadro reaksiyalari deyiladi. 1919-yilda ingliz fizigi Aston izotoplarni kashf qildi, yaʼni bitta ximiyviy element atomlarining har xil turda boʻlishini aniqladi. Fransuz fiziklari I. Kyuri (1897—1956), F. Jolio-Kyuri (1900—1958) va ingliz fizsgi Chedviklarning yangi elementar zarralarni—neytronlarni kashf qilishlari atom yadrosi fizikasidagi eng yirik voqealardan biri boʻldi. Bu zarralarning massasi deyarli proton massasiga teng, lekin elektr zaryadga ega emas. Atom yadrolarining xossalarini toʻgʻri tushuntira olmagan, avval taklif qilingan (protonlar va elektronlardan tuzilgan) yadro modellaridan farqli ravishda D. D. Ivanenko taklif qilgan model tajriba natijalari bilan mos tushdi. Tez orada yadro kuchlari haqidagi masala qoniqarli hal etildi. D.D. Ivanenko va I. Ye. Tamm 1934-yilda yadro kuchlari nazariyasini taklif qildilar, bu nazariyani keyinchalik D. D. Ivanenko va A.A. Sokolovlar (1936) rivojlantirdilar. Shuningdek, bu sohadagi ishlarga yapon fizigi Yukava ham salmoqli hissa qoʻshdi. U 1935—1938-yillar davomida asosiy yadro zarralarining (protonlar va neytronlarning) oʻzaro taʼsiriga sabab, ular orasida yangi elementar zarralar — mezonlar harakatidir, degan tasavvurlar asosida yadro kuchlari nazariyasini mukammallashtirdi. Yukavaning bu gipotezasi amerikalikfiziklar Anderson va Nidermayerlarning tajribalarida eksperimental tasdiqlandi — ular kosmik nurlarni oʻrganishda mezonlarni (1937) kashf qildilar. Anderson bundan bir necha yil oldin kosmik nurlarni tekshirayotganda yangi elementar zarra pozitron — musbat elektronni (1938) kashf qilgan edi. Pozitronni I. Kyuri va F. Jolio-Kyurilar ham aniqlagan edi-lar, sunʼiy radioaktivlikning ochilishi ham ularga tegishlidir. Italyan fizigi Enriko Fermining (1901 — 1954) koʻpgina yadro reaksiyalarini tadqiq qilishdagi xizmatlari juda katta. Radioaktivlik kashf etilib, uning tabiati aniqlangan paytdan boshlab maʼlum boʻldiki, atom yadrolari juda katta potensial energiyaga ega ekan, uni ajratib olish bilan inson qoʻliga yangi energiya manbai berilgan boʻlar edi. Biroq 1939-yilgacha bu masalani ijobiy yechish uchun aniq yoʻl yoʻq edi. 1939-yildagi yangi kashfiyot atom yadrolari energiyasidan amaliy foydalanish masalasini koʻndalang qilib qoʻydi. Nemis fizik-ximiklari Gan va Shtrassman uran yadrosining taxminan teng ikki qismga (boʻlakka) boʻlinish reaksiyasini ochdilar. Bu reaksiya uran atomi yadrosining ichiga neytronlar tushganda amalga oshadi. Boʻlinish reaksiyasida juda katta energiya (200 Mev ga yaqin) ajraladi. Bu reaksiyaning yana bir muhim tomoni shundaki, bunda bir qancha yangi neytronlar chiqadi. Bu neytronlar oʻz navbatida yangi boʻlinish reaksiyasini yuzaga keltiradi va h. k. Shunday qilib, uran yadrolarining juda katta energiya ajralib chiqadigan oʻz-oʻzidan rivojlanib boruvchi (zanjir) reaksiyasini hosil qilish imkoni topildi. Bunday reaksiyalar keyingi yillarda AQSh va SSSR da, soʻngra boshqa mamlakatlarda amalga oshirildi. Agar zanjir reaksiya rivojlanayotganda u boshqarilmasa va toʻsqinlikka uchramasa, u holda atom portlashi deb atalgan portlash sodir boʻladi. Bunday portlashlar atom bombalarida amalga oshadi. Atom energiyasidan foydalanish energetikaning yangi turi —atom energetikasining rivojlanishiga olib keldi. SSSR da 1954-yilda dunyoda birinchi atom elektrostansiyasi kurildi. SSSR da yadro energetikasining rivojlanishida sovetfizigi I. V. Kurchatovning xizmatlari katta boʻldi. Uning rahbarligi ostida ishlagan koʻpgina fiziklar yadroning zanjir reaksiyasini amalga oshirdilar va yadro energetikasi sohasidagi boshqa qator ilmiy-texnikaviy muammolarni hal qildilar. Xususan, 1954-yilda boshqariladigan termoyadro reaksiyalari olish maqsadida yuksak temperaturali plazmalar fizikasi boʻyicha intensiv tadqiqot ishlari boshlab yuborildi. Zaryadlangan zarralar tezlatkichlari. Atom yadrosi va elementar zarralarni tadqiq qilishda zaryadlangan zarralar tezlatkichlari katta rol oʻynaydi. Bu maqsad uchun juda koʻp turli apparatlar taklif qilingan edi. 1930—1940-yillar ichida yuqori kuchlanishli (yuq ori voltli) elektr qurilmalar: impulsli transformatorlar, koʻp kaskadli transformatorlar, elektr kuchlanishni 106 v gacha oshirib beruvchi kuchlanish koʻpaytirgichlar ishlab chiqildi. Van de Graaf tomonidan 107 V gacha kuchlanish olishga imkon beruvchi elektr generatorining yaratilishi (1936) bu sohada olgʻa tomon qoʻyilgan katta qadam boʻldi. Biroq barcha bu xildagi qurilmalarning oʻlchamlari juda katta. Bundan katta kuchlanishni, demak, tezlatiladigan zarralarning bundan yuqori energiyasini bu metodlar bilan olish amalda mumkin emas va yangi tipdagi tezlatkich yaratish zarur edi. Bunday tezlatkich — siklotron birinchi marta 1932-yilda amerikalik fizik Lourens tomonidan yaratildi. Bu apparat millionlab va oʻn millionlab elektronvolt energiyali zaryadlangan zarralar-protonlar olishga imkon beradi, 1941-yilda amerikalik fizik Kerst elektron tezlatkichni - betatronni yaratdi. Elektron tezlatkich bilan aloqador nazariy muammolar P.Terleskiy tomonidan ishlab chiqildi. 1952-yilda AQShda kosmotron deb ataluvchi, zarralar energiyasi 2,3 Gev boʻlgan protonlar tezlatkichi; 1954-yilda bevatron deb ataluvchi 5 Gev energiyali tezlatkich yaratildi. 1955-yilda SSSRda zaryadlangan zarralar 10 Gev energiyaga erishadigan tezlatkich qurildi. Shveysariyada esa 1959-yilda protonlarni 30 Gev gacha tezlatadigan tezlatkich qurildi. 1969-yilda SSSRda protonlarni 70 Gev gacha tezlatadigan tezlatkich qurildi va ishga tushirildi. Bu esa elementar zarralar fizikasi sohasida juda muhim eksperimentlarni amalga oshirishga imkon berdi. 1955-yilda AQSHda bevatron yordamida yangi elementar zarra — antiproton, yaʼni manfiy zaryadli proton ochildi, yana tez orada antineytron ham ochildi. Tezlatkichlar yordamida olinadigan tez zarralarning oʻzaro taʼsirini tekshirish massasi va zaryadi turlicha boʻlgan qator yangi beqaror elementar zarralar — mezonlar, giperonlar va boshqalarning, shuningdek, neytral zarralarning kashf qilinishiga olib keldi. Bularning hammasi hozirgi vaqtda fizikaning yangi boʻlimi — elementar zarralar fizikasining yaratilishiga sabab boʻldi. Bu sohadagi muhim muammo — elementar zarralar tuzilishi muammosidir. Koʻp mamlakatlarning fiziklari oʻz kuchlarini ana shu muammoni oʻrganishga qaratganlar.