Резерфорд Тажiрибесi

1911 жылы ағылшын физигі Резерфорд атомның ядролық моделін ұсынды. Резерфорд өзінің шәкірттері Г.Гейгер және Э. Марсденмен бірге альфа-бөлшектер шоғын өте жұқа алтын фольгадан өткізіп, бірнеше тәжірибелер жасады. Осы тәжірибелерді зерделеу нәтижесінде атомның ядролық, басқаша айтсақ, планетарлық моделі өмірге келді.

Тәжірибе барысында өте жұқа (l=6*10^-7 м) алтын фольганы энергиясы 7,68 МэВ жылдам альфа бөлшектермен атқылаған. Қорғасын контейнердің түбінде орналасқан ²¹⁴₈₄ Ро радиоактивті элементтен шыққан альфа-бөлшектердің жіңішке шоғы алтын фольгадан өткенде шашырайды, яғни алғашқы бағытынан ауытқиды. Ол кезде альфа-бөлшектердің оң заряды (2е) гелий иондары екені белгілі болатын. Фольгадан шашыраған альфа-бөлшектердің қаншасы қандай бұрышқа ауытқығанын есептей отырып, осы ауытқуларды тудырған нысана-атомдардың құрылымы анықталады. Фольганың қалыңдығы өте аз болғандықтан, одан өткенде әрбір альфа-бөлшек тек бір атоммен ғана әсерлеседі, яғни бір-ақ рет шашырауға ұшырайды деп есептеуге болады. Шашыраған альфа-бөлшектер күкіртті цинкпен (ZnS) қапталған экранға келіп соғылады. Күкіртті цинк молекулаларының альфа-бөлшекпен соқтығысқанда сәуле шығаратын қасиеті бар. Сондықтан экранның альфа-бөлшек соғылған жерлерінде сцинтилляция, яғни өте әлсіз жарқыл байқалады. Тәжірибенің мақсаты берілген уақыт аралығында байқалатын жарқылдардың φ ауытқу бұрышына тәуелділігін анықтау.

Тәжірибенің нәтижесінде альфа-бөлшектердің басым көпшілігі фольгадан өткенде алғашқы бағыттан ауытқымайтыны (φ≈1 – 2°) анықталды. Бұл нәтиже, негізінен, Томсон моделіне сүйеніп жасалған есептеулермен дәл келді. Бірақ, альфа-бөлшектердің мардымсыз аз бөлігі 90°-тан артық бұрышқа ауытқитыны, яғни олар фольгаға соғылып, кері бағытта ұшатыны таңдандырды. Сегіз мыңға жуық бөлшектердің біреуі ғана осындай үлкен бұрышқа ауытқиды екен! Мұны Томсон моделі негізінде түсіндіру тіпті мүмкін болмады.

Тәжірибеде алынған нәтижелерді зерделей отырып Резерфорд өз моделін ұсынды. Ол атомның оң заряды оның ортасында орналасқан радиусы шамамен 10^-15 м өте аз көлемге жинақталған деген қорытындыға келді. Бірақ орталық бөлшекті Резерфорд ядро деп атады. Атомның массасын түгел дерлік ядрода шоғырланған. Ядроны айнала әр түрлі орбиталармен электрондар қозғалып жүреді. Бұл үлгі Күн жүйесінің құрылымына ұқсайтын болғандықтан, оны атомның планетарлық моделі деп те атайды. Модель бойынша атом көлемінің басым көпшілік бөлігі «бос» болып шығады, ядроның радиусы атомның радиусынан 100000 есе кіші. Орбиталардағы электрондардың теріс зарядтарының қосындысы ядроның оң зарядына тең, атом электрлік бейтарап.

Атомның ішіндегі бос кеңістік «өте үлкен». Сондықтан, фольга арқылы өткенде альфа-бөлшектерінің көбі ядродан алыс өтеді де, шашырамайды. Электрондар альфа-бөлшектен 8 мың еседей жеңіл болғандықтан, оның қозғалыс траекториясын өзгерте алмайды. Тек ядроға тікелей қарсы келіп қалған альфа-бөлшектер ғана онымен әсерлесін, кері ұшады. мұндай бөлшектер саны ядро радиусының атом радиусына қатынасымен анықталады.

Жоғарыда біз тәжірибеге тек сапалық талдау жүргіздік. резерфорд сонымен қатар өз моделінің және Томсон моделінің негізінде есептеу жұмыстарын жүргізді, олардың нәтижесінде Резерфорд үлгісінің дұрыстығын көрсетті. Бірақ классикалық физика тұрғысынан мұндай атомның орнықты болуы мүмкін емес. Бұдан бұрын айтылғандай, зарядталған бөлшек үдемелі қозғалса, міндетті түрде сәулеленуі керек. Бұл сәулеленудің жиілігі электронның ядро маңында айналу жиілігіне тең болуы тиіс. Электрон ядроны айнала дөңгелек орбитамен қозғалса, оның центрге тартқыш үдеуі бар. Олай болса, электрон сәуле шығара отырып, өз энергиясын азайтуы тиіс. Энергияның азаюы электронның ядроға кулон күшінің әсерінен біртіндеп жақындап, ақыры оған құлап түсуіне әкеп соғады. бұған бар болғаны 10^-8 с-қа тең уақыт кетеді екен және классикалық теория бойынша мұндай атомның сәулелену спектрі тұтас болу керек

Ядроның массасы жəне байланыс энергиясы. Масcалар ақауы. Ядролық күштер.

Ядродағы нуклондардың байланыс энергиясы Байланыс энергиясы — байланысқан жүйені оны құрайтын бөлшектерге жіктеуге және оларды бір-бірінен арасында өзара әсер болмайтындай қашықтыққа алыстату үшін жұмсалатын энергия; біртұтас жүйе болып байланысқан бөлшектер жиынтығының сипаттамасы.

Байланыс энергиясының шамасы бөлшектер арасындағы өзара әсерге байланысты анықталады. Егер бөлшектер жиынтығы молекула құрайтын атомдар болса, онда Байланыс энергиясы ретінде химикалық байланыстың, ал бөлшектер жиынтығы ядро құрайтын нуклондар (протондар мен нейтрондар) болса, онда ядролық байланыстың энергиясы қарастырылады.

Байланыс энергиясы — теріс таңбалы шама. Өйткені байланысқан жүйенің түзілуі кезінде энергия бөлініп шығады. Байланыс энергиясының абсолют шамасы жүйе байланысының беріктілігін және жүйенің орнықтылығын сипаттайды. Басқаша айтқанда, Байланыс энергиясы артқан сайын жүйе берік болады, яғни жүйені оны құрайтын бөлшектерге жіктеу үшін жұмсалатын энергия да көп болады. Мысалы, молекулалардың химикалық Байланыс энергиясы бірнеше эВ болса, ядролық Байланыс энергиясы миллиондаған эВ-қа дейін жетеді. Сондықтан атом ядросы өте берік жүйе болып есептеледі.

Атом ядросының Байланыс энергиясы ядродағы нуклондардың күшті өзара әсеріне байланысты анықталады. Ядроның Байланыс энергиясы: толық, меншікті және жеке бөлшектіктің Байланыс энергиясы болып ажыратылады. Толық Байланыс энергиясы — ядроны жеке нуклондарға ыдырату үшін жұмсалатын энергияға немесе жеке нуклондардан ядро құралғанда бөлініп шығатын энергияға тең.

Меншікті Байланыс энергиясының шамасы өте жеңіл және аса ауыр ядролардан басқалары үшін тұрақты шама (жуық шамамен 8,6 МэВ) болады. Меншікті Байланыс энергиясы ауыр ядролар үшін біртіндеп кеми келе уран ядросында (²³⁸U) 7,5 МэВ-қа жуықтайды. Бұл байланыстың сипатынанэнергия алу үшін, ауыр ядролардың бөлінуі және жеңіл ядролардың бірігуі тиімді екендігі көрінеді. Ауыр ядроларды бөлу арқылы энергия алу ядролық реакторда жүзеге асырылады. Ал жеңіл ядролардың бірігуі кезіндегі энергияның бөлініп шығу процесі термоядролық реакцияда байқалады. Ядро құрамындағы жеке бөлшектің Байланыс энергиясы деп сол жеке бөлшекті ядродан бөліп алуға қажетті энергия мөлшерін айтады.

Атом не молекула электрондарының Байланыс энергиясы электр магниттік өзара әсер арқылы анықталады және ол әрбір электронның иондалу потенциалына пропорционал болады. Молекула мен кристалдардың Байланыс энергиясы да осындай әсерлерге байланысты болып келеді. Ал гравитациялық өзара әсердің Байланыс энергиясының шамасы өте аз және ол кейбір ғарыштық объектілерде ғана байқалады.

Ядролық күштер

Әлемдегі іргелі әрекеттесу күштерінің екі түрі гравитациялық және электромагниттік күштері бар. Атом ядросындағы аттас оң зарядталған протондардың арасында   қуатты электростатикалық тебіліс күші бар екені белгілі. Ауыр элементтердің ядроларында, мысалы, уранда 92 протон бар, олардың бір-бірімен тебілу күші бірнеше мыңдаған ньютонға жетеді. Массаларына байланысты протондар мен нейтрондарды ұстап тұрған гравитациялық күш   шығар деген пайымдау жасауға болар еді. Алайда, жүргізілген есептеулер, ядродағы екі протонның арасындағы гравитациялық тартылыс күші, олардың арасындағы электростатикалық кулондық тебіліс күшінен кіші екенін көрсетті: F_γ/F_эл = 10^-36.

Атом ядроларының тұрақтылығы ядролардың ішінде осы күнге дейін белгілі күштерден табиғаты мүлдем ерекше аса зор тартылыс күшінің бар екенін дәлелдейді.

Ядродағы нуклондарды ыдырап кетуден сақтап, оның берік байланысын қамтамасыз ететін күштер ядролық күштер деп аталады.

Қазіргі кезде тәжірибелер негізінде ядролық күштердің қасиеттері жақсы зерттелген. Олардың ішіндегі ең маңыздыларына назар аударайық.

· 1. Мысалы, протонның центрінен r = 10^-15 м қашықтықта ядролық күштер кулондық күштен 35 есе, ал гравитациялық күштен 1038 есе қуатты болады. Сол себепті ядролық күштер күшті әрекеттесу деп аталатын әлемдегі өзгеше іргелі өзара әрекеттесу күштері болып табылады.

· 2. Ядролық күштер қысқа қашықтықта ғана әрекет ететін күштер. Арақашықтықтың артуына байланысты ядролық күштер өте шапшаң кемиді. Әрекет ету аймағының шегі r > 3 · 10^-15 м-ден үлкен жағдайда ядролық күштің әрекетін ескермесе де болады. Нуклондардың арасындағы тартылыс күшінің ең үлкен мәні r=1,41 · 10^-15 м қашықтықта байқалады. Ал қашықтық r < 0,5 · 10^-15м болғанда, нуклондардың арасында ғаламат тебіліс күші пайда болады. Сонымен, ядролық күштер тартылыс күштері болып табылады.

· 3. Тәжірибелерден протон-нейтрон, нейтрон-нейтрон және протон-протон жұптарының арасындағы ядролық тартылыс күштері барлық жағдайда да бірдей болатыны анықталды. Олай болса, ядролық күштер нуклондардың электр зарядының бар-жоғына тәуелсіз әрекет етеді.

· 4. Ядролық күштердің қаныққыштық қасиеті бар, ол нуклонның ядродағы барлық нуклондармен емес, тек өзіне жақын көршілерімен ғана әрекеттесетінін көрсетеді

· 5. Ядролық күштер кулондық сияқты центрлік күштер қатарына жатпайды. Ядролық күштер немесе күшті әсерлесу атом ядросындағы ең үлкен қарқынмен өтетін құбылыстарды басқаратын күштер. Олар элементар деп аталатын бөлшектер арасында күшті байланысты туғызады. Тек күшті әрекеттесу ғана атом ядросындағы протондар мен нейтрондарды біріктіріп, берік ұстап тұр. Жердегі барлық заттардың ядроларының тұрақтылығын қамтамасыз етеді. Ядролық әрекеттесу күштерінің осы және басқа қасиеттерін түсіндіру үшін оның теориясы қажет. Ядролық әрекеттесудің күрделілігінен осы кезге дейін ядролық күштердің тиянақты теориясы жасалмаған.

Атомның алғашқы үлгілерінің бірін Дж. Томсон ұсынды. Бұл үлгіде атом радиусы ~10⁻¹⁰К)м оң зарядталған шар ретінде қарастырылады. Шардың ішінде тепе-теңдік жағдайының маңында электрондар тербеліп тұрады. Электрондардың теріс зарядтарының қосындысы шарға біркелкі таралған оң зарядты теңестіреді, сондықтан тұтас алғанда атом электрлік бейтарап бөлшек болады. Кейінгі зерттеулер бұл модельдің дұрыс емес екенін көрсетті, сондықтан Томсон моделі қазір тек тарихи тұрғыдан қарастырылады.

Атомның ішінде электр зарядтарының орналасу тәртібін анықтау үшін 1911 жылы Резерфорд өзінің шекірттері Г. Гейгер және Э . Марсденмен бірге альфа-бөлшектер шоғын өте жұқа алтын фольгадан өткізіп, бірнеше тәжірибелер жасады. Осы тәжірибелерді зерделеу нәтижесінде атомның ядролық, басқаша айтсақ, планетарлық моделі өмірге келді.

Тәжірибенің нәтижесінде альфа-бөлшектердің басым көпшілігі фольгадан өткенде алғашқы бағыттан aуытқымайтыны (φ≈1-2°) анықталды. Бұл нәтиже, негізінен, Томсон моделіне сүйеніп жасалған есептеулермен дәл келді. Бірақ, альфа- бөлшектердің мардымсыз аз бөлігі 90°-тан артық бұрышқа ауытқитыны, яғни олар фольгаға соғылып, кері бағытта ұшатыны таңдандырды. Сегіз мыңға жуық бөлшектердің біреуі ғана осындай үлкен бұрышқа ауытқиды екен! Мұны Томсон моделі негізінде түсіндіру тіпті мүмкін болмады.

Тәжірибеде алынған нәтижелерді зерделей отырып Резерфорд өз моделін ұсынды. Ол атомның оң заряды оның ортасында орналасқан радиусы шамамен 10⁻¹⁵ м өте аз көлемге жинақталған деген қорытындыға келді. Бұл орталық бөлшекті Резерфорд ядро деп атады. Атомның массасы түгел дерлік ядрода шоғырланған. Ядроны айнала әр түрлі орбиталармен электрондар қозғалып жүреді. Ең шеткі электрон орбитасының радиусы атомның радиусына тең, R_a≈10⁻¹⁰ м. Бұл үлгі Күн жүйесінің құрылымына ұқсайтын болғандықтан, оны атомның планетарлық моделі деп те атайды. Модель бойынша атом көлемінің басым көпшілік бөлігі "бос" болып шығады, ядроның радиусы атомның радиусынан 100 000 есе кіші. Орбиталардағы электрондардың теріс зарядтарының қосындысы ядроның оң зарядына тең, атом электрлік бейтарап.

Атомның ішіндегі бос кеңістік "өте үлкен". Сондықтан, фольга арқылы өткенде альфа-бөлшектерінің көбі ядродан алыс өтеді де, шашырамайды. Электрондар альфа-бөлшектен 8 мың еседей жеңіл болғандықтан, оның қозғалыс траекториясын өзгерте алмайды. Тек ядроға тікелей қарсы келіп қалған альфа-бөлшектер ғана онымен әсерлесіп, кері ұшады. Мұндай бөлшектер саны ядро радиусының атом радиусына қатынасымен анықталады.

Жоғарыда біз тәжірибеге тек сапалық талдау жүргіздік. Резерфорд сонымен қатар өз моделінің және Томсон моделінің негізшде есептеу жұмыстарынжүргізді, олардың нәтижесі Резерфорд үлгісінің дұрыстығын көрсетті. Бірақ классикалық физика тұрғысынан мұндай атомның орнықты болуы мүмкін емес. Бұдан бұрын айтылғандай, зарядталған бөлшек үдемелі қозғалса, міндетті түрде сәулеленуі (электромагниттік толқындар шығаруы) керек. Бұл сәулеленудің жиілігі электронның ядро маңында айналу жиілігіне тең болуы тиіс. Электрон ядроны айнала дөңгелек орбитамен қозғалса, оның центрге тартқыш үдеуі бар. Олай болса, электрон сәуле шығара отырып, өз энергиясын азайтуы тиіс. Энергияның (орбиталық жылдамдықтың) азаюы электронның ядроға кулон күшінің әсерінен біртіндеп жақындап, ақыры оған құлап түсуіне әкеп соғады. Бұған бар болғаны 10⁻⁸ с-ка тең уақыт кетеді екен және классикалық теория бойынша мұндай атомның сәулелену спектрі тұтас болу керек, ал шын мәнінде атомдық спектрдің сызықтық болатынын алдыңғы тақырыпта айтып кеттік.

Сайып келгенде, бұл жерде классикалық физиканың заңдары жүрмейтін болып шықты. Тіпті жоғарыда әңгіме болған атомның планетарлық моделі, дәл айтқанда ол бар болғаны нағыз атомның механикалық үлгісі екеніне біртіндеп көзіміз жетеді