Атомның құрылысы. Атомдық спектрлер.

ХХ ғ асырдың бас кезінде атомның шын бар екендігі ешқ андай кү мә нсіз жалпылай мойындалды. Атомдар реттік шамасы 10^{-10 м болатын электрлік жү йе қ ұ райтындығ ы тағ айындалды. Енді кү н тә ртібінде атом қ ұ рылымы қ андай деген мә селе қ ойылды. Атом қ ұ рылысы туралы бірқ атар пікірлер айтылды, атомның модельдері ұ сынылды.}

Томсон моделі. Атом оң зарядталғ ан атомның негізгі массасымен байланысқ ан бө ліктен жә не жең іл теріс зарядталғ ан электрондардан тұ ратындығ ы тағ айындалғ аннан атомның статистикалық моделін қ ұ руғ а ә рекеттер жасалды. Соның бірі ағ ылшын физигі Дж. Дж. Томсон ұ сынғ ан атом моделі (1902-04). Бұ л атомның кү рделі қ ұ рамы жө ніндегі белгілі ғ ылыми деректерге сү йеніп ұ сынылғ ан атомның алғ ашқ ы физикалық моделі. Бірақ бұ л модель тікелей тә жірибеге негізделмегендіктен болжау ғ ана еді. Осы модельге сә йкес атомның оң заряды сфера тә різдес атомды біркелкі толтырып тұ руғ а тиіс, ал оның ішінде нү ктелік теріс зарядтар – электрондар атом бү тіндей бейтарап болатындай мө лшерде сфераның ә р жерінде орналасқ ан болады.

Томсон моделі Лоренцтің классикалық электрондық теориясымен ү йлесім тапты; осы теорияғ а сә йкес атомдар гармоникалық осциллятор болып табылады (атом-осциллятор моделі). Атом-осцилляторда зеріс зарядталғ ан бө лшектер (электрон) электромагниттік жарық толқ ындары ә серінен гармоникалық тербелістер жасауғ а қ абілетті деп саналды. Ал Томсон моделіне сә йкес атом ішіндегі электронғ а квазисерпімді кү ш ә сер етеді де, ол гармоникалық тербелістер жасай алады. Осылай қ абылдау арқ ылы заттың кө птеген оптикалық қ асиеттерін, мысалы, атомның монохромат жарық шығ аруын тү сіндіру, жарық дисперсиясын, яғ ни сыну кө рсеткішінің жиілікке тә уелділігін тү сіндіру мү мкін болды.

Мұ ны Томсон моделінің расталуы ретінде қ арастыруғ а болар еді. Бірақ кейіннен осы модельдің жарамсыздығ ы анық талды. Томсон моделіне сә йкес атом негізгі жиілікті жә не оның 2 , 3 ,... гармоникаларын шығ ара алады. Бұ л тә жірибеге қ айшы. Тұ тас алғ анда Томсон моделі кө птеген кү дік туғ ызды. Мысалы, оң зарядталғ ан атом сферасының материялық табиғ аты тү сініксіз болды; спектрлік заң дылық тарды жә не толып жатқ ан басқ а қ ұ былыстарды тү сіндіре алмады.

Резерфорд тә жірибелері. Томсон моделіндегі қ айшылық тарды атом қ ойнауын ә йтеуә р бір амалмен тікелей барлап қ арау арқ ылы шешуге болатын еді. Міне осындай тә жірибені ағ ылшын физигі Э. Резерфорд (1871-1937) жә не оның шә кірттері Г. Гейгер, Э. Марсден жү ргізді (1909-1910 ж.ж.). Тә жірибелер Томсон моделінің келісімсіздігін кө рсетті. Осы тә жірибелер нә тижелеріне сү йеніп, Э. Резерфорд атомның жаң а ядролық моделін ұ сынды (1911).

Резерфорд былай ұ йғ арды: атом ө те кішкентай, бірақ ауыр, оң зарядталғ ан ядродан (мұ нда атом массасының 99, 9 % шоғ ырланғ ан) жә не оны қ айсыбір қ ашық тық та қ оршағ ан электрондардан тұ рады. Электрондар ядроны айналып қ озғ алуы тиіс болды (кү нді айналатын планеталар сияқ ты), ө йткені, егер олар тыныштық та болса, онда электрлік кулондық тарту ә серінен ядроғ а қ ұ лағ ан болар еді. Резерфордтың бағ алауы бойынша ядро мө лшерінің реттік шамасы 10^-15-10^{-14 м болуғ а тиіс. Кинетикалық теориядан, ә сіресе Эйнштейннің броундық қ озғ алысты талдау жү ргізуінен атом мө лшерінің реттік шамасы 10-10 м болып бағ аланады. Бұ дан электрондар ядродан шамамен 104}-10⁵ ядро диаметріндей қ ашық тық та болуғ а тиіс, яғ ни атомның басым бө лігі бос кең істік болады.

Сонымен, егер ядро радиусы атом радиусынан шамамен 10⁵ есе кіші болса, онда ядро маң ындағ ы электр ө рісінің кернеулігі Томсон моделінің атомы бетіндегі ө ріс кернеулігінен шамамен 10¹⁰ есе ү лкен болуғ а тиіс. Электр ө рісі кернеулігінің осындай болуы -бө лшектердің ү лкен бұ рыштарғ а, соның ішінде тиісті кері бағ ытта шашырауын мү мкін етеді.

Резерфорд тә жірибелерінде оң зарядталғ ан ядро анық талғ аннан кейін енді электрондар атомның қ ай жерінде болады, ал қ алғ ан кең істік немен толтырылғ ан деген сұ рақ қ а жауап беру керек болды. Резерфорд атомның қ ұ рылысы планеталар жү йесіне ұ қ сас деген жорамал ұ сынды. Кү ннің айналасында ү лкен қ ашық тық тарда планеталар қ алай айналып жү ретін болса, дә л солай атомның ішінде электрондар ядроны айналып жү реді. Ядродан ең алыс электрон орбитасының радиусы – атомның радиусы болады. Атом қ ұ рылысының осындай моделі планетарлық немесе ядролық модель деп аталды.

Резерфорд тә жірибелері атомның ядролық «планетарлық» моделін растайды: атом центрінде оң зарядталғ ан ауыр ядро болады, оның айналасында, кү ннің айналасындағ ы планеталар сияқ ты, зарядталғ ан жең іл электрондар айналып жү реді.

Атомдардың сә уле шығ ару спектрлері атомдардың оптикалық қ асиеттерінің маң ызды сипаттамалар – жеке спектрлік сызық тардан немесе жақ ын орналасқ ан сызық тар топтарынан тұ рады; бұ ларды сызық тық спектрлер деп атайды.

Ең қ арапайым спектрлердің бірі сутегі атомының спектрі болады. Ө йткені сутегінің атомы ең қ арапайым атом болады. Спектрдің кө рінетін бө лігінде сутегінің тек 4 сызығ ы бар, олар Н_α , Н_β , Н_γ жә не Н_δ сызық тары (2-сурет). Осы сызық тардың толқ ын ұ зындық тарын бір формуламен ө те дә л ө рнектеуге болады. Оны 1885 ж. ең алғ аш Швейцариялық ғ алым И. Бальмер тағ айындағ ан. 1890 швед ғ алымы И. Ридберг бұ л формуланы басқ а тү рде жазуды ұ сынғ ан. Сонда:

, (1)

мұ ндағ ы – спектрлік сызық тың толқ ындық саны, см^-1, – Ридберг тұ рақ тысы, оның сан мә ні 109677, 581 см^-1, n =3, 4, 5, 6, ….

Бальмер формуласы қ амтитын сутегі атомының спектрлік сызық тарының тобы Бальмер сериясы деп аталады. Одан басқ а да сериялар бар. Спектрдің ультракү лгін бө лігіндегі бір топ сызық тар Лайман (1906) сериясы деп аталады:

, n =2, 3, 4, ….

Сутегі спектрінің жақ ын инфрақ ызы бө лігінде Пашен (1908) сериясы деп аталатын бір топ сызық тары мына формуламен ө рнектеледі:

, n =4, 5, 6, ….

Бұ дан басқ а спектрдің алыс инфрқ ызыл бө лігінде ү ш серия бар. Олар:

Брэкет сериясы (1922): , n =5, 6, 7,...

Пфунд сериясы (1924): , n =6, 7, 8,...

Кэмфри сериясы (1953): , n =7, 8, 9,...

Сонымен сутегі атомының барлық спектрлік сызық тарын сынадай жалпы формуламен ө рнектеуге болады:

, (2)

мұ ндағ ы жә не – бү тін сандар жә не .