1-ma’ruza. Zamonaviy tadqiqotlarning xususiyatlari Reja: Zamonaviy tadqiqotlarning xususiyatlari

1-ma’ruza. Zamonaviy tadqiqotlarning xususiyatlari
Reja:

1. 
   Zamonaviy tadqiqotlarning xususiyatlari
   
2. 
   Fizika va astronomiya sohasidagi tadqiqotlar xarakteri.
   
3. 
   Fizika va astronomiya sohasidagi tadqiqot yo‘nalishlari.
   
4. 
   Atom tuzilishi to’g’risidagi tasavvurlarning rivojlanishi.
   
5. 
   Mikrodunyoda fizik kattaliklar o’lchamlari
   

Ma’lumki, fizika fani insoniyat erishgan va erishayotgan ilmiy-texnik taraqqiyotning asosini tashkil qiladi. Qadimdan to XVIII asr oxirigacha bu fan falsafa fani tarkibida o’z rivojlanish yo’lini bosib o’tgan bo’lsa, XIX asr boshidan mustaqil fan sifatida tabiat sir-sinoatlarini ochishga, ular asosida jamiyat taraqqiyotiga, insoniyat turmush tarzini yaxshilashga xizmat qilib kelmokda.
Elektron va radioaktivlik hodisasining kashf qilinishi materiyani o`rganishning yangi erasini boshlab berdi. Bu paytga kelib materiyaning atomlardan tuzilganligi, ya`ni kimyo fanidagi proportsional munosabatlar, gazlar termodinamikasi, kimyoviy elementlarning davriy jadvali yoki Broun harakati kabi bilimlar keng ma`lum edi. Lekin atomlarning mavjudligi umumjamiyat tomonidan hali ta`n olinmagan edi. Buning sababi oddiy edi: hech kim bu atomlarning tuzulishini tasavvur qila olmas edi. Yangi kashfiyotlar shuni ko`rsatdiki, materiyadan paydo bo`ladigan ―zarralar bu atomlarning tashkil etuvchilari deb qaralishi kerak edi. 
Hozirda radioaktiv parchalanishdan hosil bo`lgan zarralarni boshqa elementlarni bombardimon qilishda qo`llash imkoniyati mavjud. Bu esa o`sha elementlarning tashkil etuvchilarini o`rganish imkoniyatini beradi. Ushbu eksperimental imkoniyat zamonaviy yadro va zarralar fizikasining asosini tashkil qiladi. Yadrolarni sistematik o`rganish imkoniyati so`nggi 30 yillar ichida zamonaviy zarralar tezlatkichlari imkoniyatlari sababli yuzaga keldi. Lekin atomlarning asosiy qurilish bloklari – elektron, proton va neytron bundan oldin qayd qilingan edi.
Sochilish eksperimentlari yadro va zarralar fizikasining eng muhim quroli hisoblanadi. Ular turli zarralar orasidagi o`zaro ta`sir xususiyatlarini o`rganishda va atom yadrolari ichki tuzilishi, ularning tashkil etuvchilari to`g’risida ma`lumot olishda keng qo`llaniladi.
Atomistik tasavvurlarning rivojlanishida 1869-yilda D.Mendeleyev tomonidan kimyoviy elementlar davriy tizimining kashf etilishi muhim o’rin tutdi. D.Mendeleyev davriy qonuni asosida hali ma‘lum bo’lmagan yangi elementlarning mavjudligini, ularning fizik va kimyoviy xossalarini oldindan ayta oldi. Lekin bu tizim ham ko’p yillar davomida ilmiy jihatdan tushuntirilmadi. XIX asr oxirida moddalar tuzilishi haqidagi fikrlarni tasdiqlovchi bir qator hodisalar, tajribalar ma‘lum bo’ldi. Yorug’likning elektromagnit xossalari kashf qilindi, ayrim gazlar spektrida empirik qonunlar ixtiro qilindi va moddalar atomlardan tuzilgan degan nazariya to’g’ri ekanligi asoslandi. Atomlar eng kichik zarralardan tuzilganligi ko’rsatildi. Vakuum texnikasida past bosimlarni hosil qilish usullari kashf etildi. Past bosimli gazlarda elektr razryadlarini kuzatishga imkoniyat tug’ildi. Past bosimli gazlardan elektr tokining o’tishini o’rganish bo’yicha Goldshteyn, Krukslar tadqiqot ishlarini olib bordilar. J.Tomson (1856-1940) tomonidan katod nurlari va uning xossalari o’rganildi. Tomson tomonidan o’tkazilgan tadqiqotlar jarayonida atomdan ham bir necha marta kichik bo’lgan elektron mavjudligi aniqlandi. Elektron massasi vodorod atomi massasidan 1837 marta kichikligi va uning elektr zaryadi mavjud bo’lgan elektr zaryadlardan eng kichikligi ko’rsatildi. Elektronning zaryadi va masssasi o’zgarmasligi aniqlandi. Elektron emissiyasi hosil bo’ladigan uch xil hodisa aniqlandi. Birinchisi, fotoelektrik effekt, bu hodisa metallarni ultrabinafsha nurlar bilan nurlantirganda hosil bo’ladi. Ikkinchisi, termoelektron emissiya, bu hodisa agar metall tola yuqori temperaturada qizdirilsa, undan elektronlar ajralib chiqa boshlaydi. Uchinchisi, radioaktiv elementlarning o’z-o’zicha beta-nurlar (elektronlar) chiqarishidir. Elektronlar qaysi usulda hosil qilinishidan qat‘iy nazar, ularning barchasi bir xil xossaga, bir xil miqdordagi elektr zaryadiga va massaga ega. Elektronlar maydalanmaydigan elementar qism deb qaraladi, ular manfiy zaryadlangan. Atomlar esa normal holatda neytral bo’ladi. Atomlarning o’ziga xos chastotali yorug’likni chiqarish yoki yutish xossalari ularda elektr zardlarining borligini ko’rsatadi. Siyraklashtirilgan gaz va qizigan metall bug’larining atomlari turli rangdagi chiziqlardan iborat spektrni beradi. Shuning uchun, bu spektrlar chiziqli spektrlar deyiladi. Atom spektrini o’rganish atom tuzilishini bilishda muhimdir. Atom spektridagi chiziqlar tartibsiz joylashmay, balki chiziqlar seriyasi deb ataluvchi guruhlarga ma‘lum bir qonuniyatlar asosida birlashishi aniqlandi. XX asr boshlarida atom tuzilishining turli modellari taklif qilindi. 1897-yilda elektronni kashf etgan J.Tomson 1903-yilda atom tuzilishining dastlabki modelini taklif qildi. Tomson modeliga asosan atom musbat zaryadlangan shar bo’lib, manfiy zaryadlangan elektronlar shu sharda taqsimlangan. Shardagi musbat zaryad miqdori elektronlar zaryadi yig’indisiga teng va atom neytral hisoblanadi. Elektronlarning o’z muvozanati atrofida kichik tebranishlari natijasida atom yorug’lik chiqaradi. Lekin keyinchalik bu modelning asossizligi aniqlandi. Shunday bo’lsada, bu model Lorens tomonidan tajriba bilan to’g’ri keladigan ko’pgina nazariyalarning yaratilishiga asos bo’ldi. Lorens elektromagnit to’lqinlarning moddalar bilan o’zaro ta‘siri, harakatdagi muhit elektrodinamikasi nazariyalarini qarab chiqdi. Shu bilan u A.Eynshteynning (1879-1955) nisbiylik nazariyasiga zamin yaratdi. 1905-yilda A.Eynshteynning nisbiylik nazariyasi, 1926-yilda kvant mexanikasi yuzaga keldi. Kvant mexanikasining rivojlanishi murakkab va davomli bo’ldi. 1900-yilda M.Plank ishlarida mikrodunyoning birinchi asosiy postulati – fizik kattaliklarning kvantlanishi prinsipi asoslandi. Plank tomonidan absolyut qora jism muvozanatli nurlanishi spektrida energiyaning taqsimlanishi haqidagi qonunini ifodalaydigan formulani chiqarishda nurlanishning modda bilan o’zaro ta‘siri haqidagi klassik fizika tasavvurlariga zid bo’lgan gipoteza aytildi: chastotasi  bo’lgan yorug’lik to’lqini bilan ta‘sirlashadigan moddaning atomi yoki molekulasi energiyaning istalgan porsiyasini chiqarmaydi ham yutmaydi ham, balki energiyaning butun sondagi elementar ħ porsiyalarini chiqaradi yoki yutadi. Bu bilan Plank atom yoki molekula chiqaradigan yoki yutadigan energiya kvantlanganligini ko’rsatdi. Bunda proporsionallik doimiysi Plank doimiyligi deb nomlandi. Uning tajribada aniqlangan qiymati ħ=1,05410^–34 Js. Kvantlash g’oyasining keyingi rivojlanishi Eynshteyn (1905) tomonidan davom ettirildi. Eynshteyn gipotezasiga asosan yorug’likni to’lqin sifatida emas, balki har birining energiyasi E=ħ va P=ħ/c bo’lgan kvantlar (fotonlar) oqimi sifatida qaraladi. Bu gipoteza mikrodunyo fizikasining korpuskulyar-to’lqin dualizmi haqidagi ikkinchi asosiy prinsipini tasdiqladi. 1913-yilda daniyalik fizik olim N.Bor energiyaning kvantlanishini atomning yadroviy modeliga tatbiq qildi. Bor nazariyasi atom tuzilishi nazariyasining rivojlanishida yirik yutuq hisoblanadi. Lekin rentgen spektrlarini, ishqoriy metallar spektrlarini vodorod atomi spektrining nozik strukturasi, Shtark va Zeeman effektlarini tushuntirishdagi muvaffaqiyatlar Bor nazariyasining chegaralanganligini ko’rsatdi. Yangi kvant prinsiplarining ochilishi va rivojlanishi murakkab davrlardan o’tdi va nihoyat, 1926-yilda kvant mexanikasi yaratilishi bilan mikrodunyoning nazariyasi yuzaga keldi. Atom tuzilishining ikkinchi modeli atomning planetar modeli bo’lib, bu model to’g’risidagi dastlabki tushunchalar 1903-yilda Kelvin va X.Nagaoka tomonidan aytilgan edi. Atomning planetar modeliga asosan atomning markazida musbat zaryad joylashgan bo’lib, elektronlar uning atrofida yopiq orbitalarda harakatlanadi. Ammo atom tuzilishini tushuntirishda bu ikki model ham ma‘lum qiyinchiliklarga uchradi. Atom tuzilishini tushuntirish uchun tajribalar o’tkazish talab qilinar edi. Bunday tajribalar 1911-yilda Rezerford tomonidan o’tkazildi. U alfa-zarralarning yupqa 22 metall folgalarda sochilishi ustida bir qator tajribalar o’tkazdi. Rezerford o’tkazgan tajribalari asosida atom tuzilishining planetar modelini taklif qildi. Atomning planetar modeliga asosan atom quyidagicha tuzilgan: atom musbat zaryadlangan yadro va uni o’rab olgan manfiy zaryadli elektronlar qobig’idan iborat. Elektronlar yadro atrofida doiraviy orbitalar bo’ylab harakatlanadi. Elektronlarning to’liq manfiy zaryadi yadroning musbat zaryadi miqdoriga teng bo’lib, atom neytral holda bo’ladi. Yadroning o’lchami 10^–13 -10^–12 sm, atomning o’lchami esa 10^–8 -10^–7 sm dir. Atomning asosiy massasi (99,95%) yadroda joylashgan. Bor nazariyasi vodoroddan keyingi element geliy atomi spektridagi qonuniyatlarni mutlaqo tushuntira olmadi. Bor nazariyasi yarim klassik va yarim kvant nazariya edi. Lekin Bor nazariyasi fan rivojlanishida muhim o’rin tutdi, mikrodunyo hodisalariga klassik fizika qonunlarini qo’llash mumkin emasligini ko’rsatdi. 1905-yilda A.Eynshteyn tomonidan elektromagnit nurlanishlarning kvantlanishi kiritildi. 1924-yilda Lui de-Broyl elektron va boshqa zarralarning to’lqin xossasiga ega ekanligi to’g’risida o’z gipotezasini taklif qildi. 1926-yilda esa E.Shredinger de-Broyl gipotezasi asosida to’lqin mexanikasini rivojlantirdi va o’zining to’lqin tenglamasini taklif qildi. Bu tenglama Shredinger tenglamasi deb ataldi. To’lqin mexanikasi mikrodunyo hodisalarini klassik nuqtai nazardan tushuntirib bo’lmasligini ko’rsatdi. Atom to’g’risidagi tasavvurlar 1928-yilda P.Dirak tomonidan to’lqin tenglamasini relyativistik umumlashtirishi natijasida yanada rivojlandi. Dirak nazariyasi musbat elektron – pozitronning mavjudligini ko’rsatdi. Pozitron 1932- yilda K.Anderson tomonidan kashf qilindi. Dirak nazariyasidan vodorod atomi uchun kelib chiqadigan xulosalarning tajribada tekshirilishi nazariya bilan tajriba natijalari orasida oz bo’lsada farq borligini ko’rsatdi. Bu farq 1947-yilda U.Lemb va E.Rezerford tomonidan o’lchandi va unga Lemb siljishi deb nom berildi. Lemb siljishi 1947-yilda G.Bete tomonidan tushuntirildi. Atom to’g’risidagi tasavvurlarning rivojlanishi bilan birga atomni tashkil qilgan zarralar elektron, neytron, proton xossalari ham o’rganila bordi. Yangi elementar zarralar tizimi ochildi. Mikrodunyoda fizik kattaliklar o‘lchamlari. Mikrodunyo hodisalarini tekshirishlar ko’rsatadiki, atomlar va boshqa elementar zarralar bo’ysinadigan qonunlar mikrodunyo qonunlaridan farq qiladi. Uzunlik. Atom o’lchami 10^–8 sm (1 Å=10^–8 sm=10^–10 m) yoki 10^–10 m tartibidadir. Bu kattalik atomning tashqi elektron orbitasi radiusini ifodalaydi. Yuz million atomni bir qatorga joylashtirsa 1 sm=10^–2 m uzunlikni egallaydi. Yadroning o’lchami (10^–1210^–13)sm yoki (10^–1410^–15)m tartibidadir. 10^–13 sm=10^–15 m uzunlik bir Fermi deb qabul qilingan. Ya‘ni, 1 Fermi = 10^–15 m yoki 1 Fermi = 10^–13 sm. Energiya. Atom va yadro tadqiqotlarida energiyaning o’lchov birligi sifatida elektronvolt (eV), kiloelektronvolt (keV), megaelektronvolt (MeV) va gigaelektronvolt (GeV) birliklari ishlatiladi. Bir elektronvolt elektron elektr maydonida potensiallari farqi bir volt bo’lgan ikki nuqta orasida harakatlanganida olgan energiyasidir. Bir elektronvolt energiya va ish birliklari orasidagi bog’lanishlarni ko’raylik. Elektr maydonda zaryadni bir nuqtadan ikkinchi nuqtaga ko’chirishda maydon kuchlarining bajargan ishi quyidagicha aniqlanadi: A  qU , (1) q – elektron zaryadi. O’lchov birligi SI – tizimida Kulon. Zaryad kattaligi q=1,610^–19 Kl. 1 Kl=310⁹ SGSE zaryad birligi. U vaqtda: q=1,610^–19 310⁹ =4,810^–10 CGSE zaryad birligi. U – potensiallar farqi, o’lchov birligi SI tizimida volt. Demak, mikrodunyoda energiya birliklari quyidagicha: 1 eV =1,610^–12 erg=1,610^–19Joul; Bu birliklar asosida massa atom birligining energiya ekvivalentini aniqlash mumkin: 1 m.a.b = 931,5 MeV; 1 elektron massasi = 0,511 MeV. Tezlik. Har qanday harakatlar tezligining mutlaq chegarasi yorug’likning vakuumdagi tezligi hisoblanadi, ya‘ni: c = 310¹⁰ sm/s = 310⁸ m/s. Yorug’lik tezligi bilan elektromagnit to’lqinlar va massaga ega bo’lmagan neytrino harakatlanadi. Massaga ega bo’lgan boshqa elementar zarralar yorug’lik tezligiga yaqin tezlikka ega bo’lishi mumkin, lekin yorug’lik tezligidan kichik. Vaqt. Uzunlik Fermilarda, tezlik yorug’lik tezligi ulushlarida o’lchanadigan mikrodunyoda hodisalar yuz beradigan vaqt masshtabi ham biz odatlangan vaqtdan farq qilish kerak. Agar 10 Fermi uzunlikni yorug’lik tezligiga bo’lsak, ya‘ni, zarra yorug’lik tezligi bilan harakatlanib yadroni diaametri bo’yicha kesib o’tishi uchun ketgan vaqti hisoblansa, quyidagi kattalik hosil bo’ladi: 10^–23 sekund yadro vaqti deb ham yuritiladi, bu bilan elementar zarralar mikrodunyosida vaqt masshtabi aniqlanadi. Massa. Massa zarralarning inertligini va gravitatsion xossalarini ifodalaydi. Massa orqali zarraning zahira energiyasi aniqlanadi. Elementar zarralarning massa birligi sifatida elektronning tinchlikdagi massasi (m_e): m_e=910^–28 g=910^–31kg qabul qilingan. Agar bu massa energetik birliklarda ifodalansa, elektron massasining energiyaga ekvivalentligi hosil bo’ladi: m_e c  0,511 MeV Atom va yadro fizikasida atom va yadro massalari massaning atom birliklarida o’lchanadi. 1962-yilgacha massaning bir atom birligi qilib, kislorod neytral atomi massasining 1/16 qismi qabul qilingan edi. 1962-yildan boshlab atom massasining yangi uglerod shkalasi qabul qilindi. Bunda massaning bir atom birligi qilib uglerod atomi massasining 1/12 qismi qabul qilindi. Massaning atom birligi qisqacha m.a.b ko’rinishida yoziladi. Bu birlik atom massasining xalqaro birligidir. 1 m.a.b=1/12¹²C massasi. Uglerod shkalasida vodorod atomining massasi 1,0078252, neytron massasi 1,0086654, elektron massasi 0,0005486 massa birligiga teng. Massaning atom birligini grammlarda ifodalash mumkin: ya‘ni, 1 m.a.b=1,6610^–24 g=1,6610^–27kg. Massaning bir atom birligining energiyaviy ekvivalenti (m=1,6610^–24 g va c=310¹⁰ sm/s), E=mc² =1,49210^–3 erg. Harakat miqdor momenti. Harakat miqdor momentining kvant birligi qilib ħ qabul qilingan. Demak, ħ=1,05410^–27 ergs yoki ħ=1,05410^–34 Js.
Nazorat savollari
1. Atom fizikasi fani qaysi asrlarda va qanday yuzaga keldi?
2. Atom fizikasi nimalarni o’rganadi?
3. Atomistik nazariya qanday nazariya va uning asoschilari kimlar edi?
4. Atom og’irliklari o’lchanganda kimning nazariyasiga tayanildi?
5. Atom fizikasining rivojlanishida qaysi hodisalar asos bo’ldi?
6. Atom tuzilishining planetar modeli qanday va u qaysi olim tomonidan taklif qilindi? 7. Atomning energiya nurlashi qanday va uni qaysi olim tushuntirdi? 8. Atom energetik sathlarining kvantlanishi qaysi olim