Атомның құрылысының күрделілігі

Атом құрлысының күрделілігі

Барлық заттар – аса  ұсақ бөлшектер, атомдардан тұрады.

Атом XX ғасырдың басына  дейін бөлінбейтін кіші бөлшек  деген ұғым қалыптасып келді ("Атомос" – белінбейді).

XIX және XX ғасырлар  аралығында атомдардың күрделі  екендігі және олар бір біріне  ауыса алатындығы туралы физика  ғылымында жаңа тәжірибелік деректер  жинала басталды.

• 1833 ж. М. Фарадейдің тәжірибесі – электролиз құбылысын зерттелуі, (электролит ерітінділеріндегі ток иондардың реттелген қозғалысы).
• Крукс 1879 ж. тәжірибе жасап катод сәулесін ашты, бірінші per электрондар ағынын байқады. Ауасыз түтікшеде, үлкен кернеулікте электр тоғы жіберген кезде түтікшенің ішінде сәуле пайда болады. Бұл сәулелер катодтан шыққандықтан, оны катодты  сәулелер деп атады.

Ағылшын ғалымы Дж. Томсон 1897 ж. тәжірибе жасап – ультракүлгін жарықпен сәулелендірілген кез-келген химиялық элементтің атомы өзінен теріс зарядталған бөлшектердің шығатынын анықтады. Стонейдің ұсынысы бойынша оларды електрон деп атап ē  (β) таңбасымен белгілейтін болды.

Ол зарядтың (ē) электронның  массасына қатынасын өлшеді және  осы қатынастың (ē/m=1,759^.10¹¹ кл/кг) катодтың табиғатына, газдың химиялық құрамына және тәжірибенің жағдайына байланысты еместігін көрсетті.

• Неміс ғалымы Гольдштейн (1896 ж.) каналды сәулелер деп оң зарядталған тағы бір сәуленің турін ашты.

Каналды және катодты  сәулелердің ашылуы негізінде, атомдар оң және теріс зарядталған бөлшектерден тұратындығы анықталды.

Осыдан:

- электрондардың табиғаты  бірдей және олар заттың табиғатына  тәуелсіз;

• электрондар барлық элементтер атомдарының структуралық бірлігі болып табылады.
• Милликен 1909 ж. электрон зарядының мөлшері q_^ē=1,60^.10^-19 Кл; электронның массасы m_^ē = 9,1^.10^-28 г; радиусы 1,4^.10^-6 нм тапты.

 

 

 

• 1)М.Г.Павлов (1886 жылы): барлық зат материядан түрады,

материяда электр зарядтары  болады, ең кіші бөлшек атом - оң  және теріс зарядтан түзілген, элементтердің атомдары  планетарлық  қүрылысты болады.

2) А.М. Бутлеров (1886 жылы) былай деген: "Атомдар... жаратылысы бойынша бөлінбейді емес, қазіргі біздің қолымызда бар тәсілдермен ғана бөлінбейді... кейін ашылатын жаңа процестерде бөлінуі мүмкін..."

3) Осы жылдарда Н.А. Морозов: атомның күрделі екендігін айтумен қатар оның орталық бөлімі және жеңіл электр белшектері болады деген. Олар осы кездегі – а-бөлшектер, дейтрон, протон, нейтрон, электрон, позитрондар.

• 1869 ж. Д.И.Менделеевтің химиялық элементтердің периодтық заңы.

 

 

Рентген сәулелері. В.К.Рентген 1896 ж. Рентген сәулелерін ашты. Рентген сәулелері магнит және электр өрісінде ауытқымайды және үлкен энергиялық күші бар: қағаздан, денеден басқа көптеген заттардан өтіп кетеді, фотопластинкаларды қарайтып жібереді.

Радиоактивтілік. Анри Беккерельдің 1896 ж. уранның тұздары өздігінен сәулелер шығаратындығын ашты. Бұл құбылыс радиоактивтілік немесе Беккерель сәулелері деп аталды. Радиоактивтілікті зерттеуде Пьер және Мария Кюри (1898 ж.) көп еңбек сіңірді. Олар торийдың радиоактивтілігін және екі жаңа элементтерді - полоний мен радийды ашты.

Радиоактивтілікті тереңірек  зертгегенде, бұл сәулелердің бірнеше  түрі бар екендігі анықталды: α-; β-; γ-сәулелер.

• γ-сәулелер - рентген сәулелері сияқты, бірақ толқын ұлындығы кішірек, электромагнитті тербелістер.
• α-сәулелер - оң зарядталған бөлшектердің ағыны, массасы, атомдық массаның төрт бірлігіне тең және заряды электрондар зарядының екі есе көбейтіндісіне тең (He²⁺), жылдамдығы 16000 км/сек.
• β-сәулелер катодты сәулелер сияқты электрондардың ағыны, жылдамдығы 150-180 000 км/сек.

 

 

Элементтердің сызықты  спектрлері.

Өте қыздырған газ не  бу (Гейзлер трубкасында) шығарған  жарықты призмадан өткізіп айырса, экранға түсті сызықтар түседі, бүлардың толқынының үзындығы (λ) әр түрлі, демек тербеліс жиілігі (v) әр түрлі сәулелерге сәйкес келетін сызықтар. Бүл сызықтардың саны, түсі және орналасу жиілігі заттың жаратылысына тәуелді, мысалы, калийдің буы 3 сызық, темірдің буы 5000 сызық береді. Оның спектрінің көрінетін бөлімінде 5 сызық, ал ультракүлгін және инфракызыл шеттерін алсақ, барлығы 29 сызық бар.

 

 

 Сәуле  шығарудың  квант теориясы

1900-1905 жылдарда неміс  ғалымдары Макс Планк және Альберт Эйнштейн жарық сәулесіндегі энергияның шығуы (жөне сіңуі) үздіксіз ағын  емес, кесімді порция (бөлшек) - квант түрінде болады деп, заттың құрылысындағы атом (бөлшек) жайындағы  түсінікті энергияға қолданған. Жарықтың осындай порция - порция энергиясы бар белшегі фотон деп аталған.

Түрлі сәуле шығаруда  кванттың Е мөлшері әр түрлі, әрі ол жарықтың сәулесінің  тербеліс жиілігіне (ν) пропорционал  яғни:

 

Е=hν,  Дж

 

Мұнда һ пропорционалдық  коэффициенті (Планк тұрақтысы) оның  сандық мәні 6,626^.10^-34 Дж^.с.

 

 

Сонымен, екі ғасырдың  аралығындағы (XIX-XX г.) жаңалықтардың  негізінде:

• теріс зарядталған бөлшектер  электрондар,
• оң зарядталған бөлшектер протондар ашылды;
• атомдардың мөшері, массасы және электрондар мен протондардың массасы мен зарядтары анықталды.
• Атомдардың мөлшері (диаметрлері) мынадай: 1^.10^-8 см; атомдардың массасы: 1,6^.10^-24-4,3^.10^-22 г; электрондардың массасы: 0,91^.10^-30 кг (9,1^.10^-28 г); протондардың массасы: 1,67^.10^-27 кг (1,67^.10^-24 г); электронның заряды: 1,602^.10^-19 Кл.

Атомдар электрбейтарап  болғандықтан, оларда электрондардан  басқа, оң зарядталған бөлшектер  де болады.

 Бұл бөлшектер кейіннен ядро деп аталды. Ядро - атомдардың ішкі бөлшегі, көлемі өте аз 1^.10^-13 см, бірақ өте тығыз орналасқан 10¹⁴-10¹³ г/см³.

 

ATOM ядросының протонды-нейтронды  құрылыс моделі

Бір ғана элементарлы  бөлшектен тұратын қарапайым  ядро - сутек атомының ядросы. Сутек  атомының иондануы нәтижесінде  Крукс түтігінде түзілетін бөлшекті 1920 жылы Э.Резерфорд протон деп атады, яғни бірінші деген мағынада. Бастапқыда басқа да элементтердің атом ядросы протоннан, ал атом электрон мен протоннан тұрады деп есептеді. Бірақ 1932 жылы ағылшын физигі Чэдвик заряды жоқ және массасы протонның массасына сәйкес келетін жаңа бөлшектер - нейтронды ашты.

1933 жылы Д.Д.Иваненко, Е.Н.Гапон (СССР) және олардан тәуелсіз В.Гейзенберг (Германия) атом ядросының протонды-нейтронды құрылыс моделін құрды. Осы модель бойынша барлық элементтердің атом ядросы протон саны периодтық жүйедегі элементтердің реттік номіріне Z сәйкес, ал нейтрон саны (N) атомның массасынан (А) протон санын (Z) алып тастағанға тең болады.

N=A-Z; A=N+Z.

Ядро заряды протон санына тең, яғни периодтық жүйедегі элементтердің реттік номіріне Z сәйкес аңықталады. Электрон саны протон санына тең.

Мысалы: ¹¹²Sn⁵⁰(112р⁺; 112ē; 62n)

 

             ¹¹²Cd⁴⁸(48p; 48ē; 64n) 

 

 

 

• Протий           Дейтерий        Тритий

 

Сутегі  изотоптарының  моделі

Атом құрылысы

Орыстың көрнекті химигі  Б.Н. Чигерин - (1888 жылы) математикалық  есептеулер арқылы атомның қүрылымын  күн жүйесі сияқты деген қорытындыға  келген.

Ағылшын ғалымы Дж. Томсон - (1904 жылы) атомның ішіндегі оң заряд бір жерінде емес бар жерінде бірдей орналасқан (атом – R=10^-10 м шар), ал оларды нейтралдайтын электрондар осы оң зарядтың арасында (су тамшысының ішінде жүзіп жүрген түйіршіктер тәрізді қозғалып жүреді), концентрлі шеңберлер сияқты болып орналасқан;

периодтық жүйеде үқсас  элементтердің шеңберлеріндегі  электрондардың орналасуы да  үқсас деп, периодтылықты түсіндіруге  тырысқан.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У. Томсон,

1902 ж.

 

Э. Резерфордтың планетарлық (ядролық) моделі

• 1900 ж. радиоактивті заттарды зерттеп, сәулелерін ашқан (радиоактивтік ыдыраудың теориясын ұсынған).
• 1911 ж. атом ядросын зерттеп, ядролық моделді ұсынған.
• 1919 ж. бір элементтің екінші элементке айнала алатындығын алғаш ашқан.

 

Эрнест Резерфорд тәжірибесі

 

Бір шоқ альфа-бөлшектерін  жұқа металға бағыттап жібергенде, олардың басым көпшілігі жұқа  металдан өтіп, түзу бағытта жүретінін  экраннан көріп,  альфа-бөлшектерінің  біразы бағытынан ауытқып, әр  түрлі бұрыш бұрылғанын байқаған, кейбір өте сирек жағдайда  жеке альфа-бөлшектерінің кейін  қайтқаны да байқалды.

Альфа-бөлшектерінің тебілуі, атомның ішінде, бір жерге жиналған  өте көп оң зарядтардың болуына  байланысты.

 

Э. Резерфордтың планетарлық  моделі (1911ж.)

• Атомның орталығында оң зарядталған ядро орналасқан.
• Барлық оң заряд және атомның барлық массасы ядрода шоғырланған.
• Электрондар – Күн жүйесіндегі планеталар тәрізді ядроны айнала қозғалып жүреді.
• Ядроның оң заряды мен электрон саны тең, сондықтан атом бейтарап (нейтрал) бөлшек. Дж.Томсон мен Э. Резерфордтың тәжірибелерін салыстыра отырып, қысқа түрде мынадай етіп көрсетуге болады.

 

 

 

 

 

 

Нильс Бор теориясы

Дания ғалымы Нильс  Бор (1885 ж. туған) 1913 жылы ядролық  модельге квант теориясын қолданып, атом құрылысының жаңа теориясын  ұсынды. Бұл теория спектр құбылыстарын  түсіндірумен қатар, жалпы электрон  қауыздары жайындағы білімді  біраз ілгері дамытты.

Бор теориясының негізгі 3 жорамалы немесе постулаты:

• Электрон ядроны айналғанда, кез келген емес, квант, теориясынан шығатын кесімді шарттарға сай орбиталар бойымен ғана жүреді. Ол орбиталар орнықты яки квантталған деп аталады.
• Электрон өзіне мүмкін квантталған орбитамен айналғанда энергия шығармайды.
• Электрон бір орбитадан басқа орбитаға көшкенде ғана энергия бөлініп шығады.

Бұл энергия бүтін квант  түрінде болады:

                Е=Е_¹-Е_²

(мұндағы Е_¹ мен Е_² әр түрлі орбитадағы энергия).

 

 

Бұл энергия бүтін квант  түрінде болады:

                Е=Е_¹-Е_²

(мұндағы Е_¹ мен Е_² әр түрлі орбитадағы энергия).

 

Айталық ē дөңгелек  орбитамен жүрсін, онда оның центрден  тепкіш күші К=mv²/r (мұндағы m-электрон массасы, v-жылдамдығы, r-орбита радиусы).

Электрон ядродан қашықтап  кетпейді, демек, оның центрден қашықтау  күшін ядроға тартатын күш  теңестіреді. Ядроға тартатын күш  дейтініміз ядро заряды (е_¹) мен (е_²) арасындағы Кулон заңының ықпалы:

К_¹=е_¹·е_² /r²,

mv²/r = е_¹·е_² /r²

 

Бордың бірінші, екінші  постулатына сәйкес квант теориясының  орбитаға қоятын кесімді шарты  дейтініміз: электрон қозғалыс мөлшерінің  моменті mvr, Планктың тұрақтысының 2∏  бөлініп, бүтін сан Һ көбейтіндісіне  тең болуы:

mvr=h/2∏·n

Яғни 2∏·m · v · r = hn

Одан 2∏·r=h / m · n

Осы шартқа сай орбитаны  квантталған орбита дейді.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схематичное изображение  строения электронной оболочки  атома в модели Бора. .

 В модели Бора свет испускается возбужденным атомом при переходе электрона с верхних стационарных орбит (уровней) на нижние.

 

Элементтердің табиғатта  таралуы