Водород атоми учун Бор назариясини ўрганишдан аввал атомларнинг классик назарияси ва Резерфорднинг планетар моделини киритилишини тарихий кетма-кетликда ёритиш мақсадга мувофиқ.
Физика ўқитувчиси томонидан бу мавзу бўйича ўқув машғулоти ўтказишга тайёрланиш жараёнида академик лицейлар учун физика фанидан тавсия этилган янги ўқув дастурлари дарсликлар ва қўлланмалардан ташқари бошқа илмий методик адабиётлардан атом тузилиши тўғрисидаги тасаввурларнинг тарихий ривожланиши, умумий ўрта таълим мактаблари 6-9 синфларнинг физика дарсликларида ўқувчиларда атом тўғрисидаги тасаввурларнинг ривожлантирилиши ва атом моделлари қандай физикавий қонуниятлар асосида шакллантирилганлигини ўрганиб чиқиши тавсия этилади.
Маълумки 19 аср бошида классик физика тасаввурлари асосида тушунтириб бўлмайдиган муаммолардан бири атомнинг тузилиши билан боғланган, атомнинг барқарорлик масаласи ҳисобланган, масалани ҳал этиш эса атомнинг таркиби ва структураси билан боғланган.
Атом спектрларининг чизиқли спектр ҳарактерига эгалиги асосида атомнинг мураккаб тузилишга эга система эканлиги маълум бўлса ҳам, атом тузилиши тўғрисида аниқ назарий фикрлар тўла шаклланмаган, ҳатто элементар кўринишдаги модел ва назария яратилмаган эди.
Атомнинг биринчи модели 1903 йилда инглиз физиги Ж.Томсон томонидан, шу каби моделлар ўша йили немис физиги Ф.Леннард ва кейинроқ япон физиги К.Нагаока томонидан тавсия этилган.
Бир вақтда атомнинг учта моделининг тавсия этилишида, ўша даврда зарядларнинг икки, мусбат ва манфий турларга ажралиши ва манфий заряднинг ташувчиси сифатида электроннинг очилганлиги ва атомни шар шаклидаги система кўринишидаги тасаввур қилиш учун асос бўлган, лекин мусбат зарядли заррача кашф этилмаган эди.
Ж.Томсон моделига асосан, атом диаметри, тахминан м. бўлган кичик шарча кўринишида тасаввур қилинади, шарчанинг бутун ҳажми бўйлаб мусбат зарядлар текис тақсимланган, мусбат зарядлар орасида электронлар жойлаштирилган.
Атомларнинг электронейтраллигидан мусбат зарядлар йиғиндиси манфий зарядлар йиғиндисига тенг деб ҳисобланиб, электронларнинг мувозанат ҳолатларидан силжиш миқдори электронларнинг кўчишига пропорционал бўлган, квазиэластик кучларни ҳосил қилади, натижада электронларнинг гармоник тебранишлари ҳосил бўлади, гармоник тебранаётган электронларнинг тебраниш частотасига тенг частотали монохроматик электромагнит нурланиш чиқазилади деб тасаввур қилинган.
Томсон модели асосида атомлар спектрининг чизиқлилик характери тушунтирилади. А.Лоренц, атомнинг Томсон модели асосида, дисперция ҳодисасининг электрон назариясини яратди ва шу назария асосида нормал ва аномал дисперция тушунтирилди .
Леннард модели асосида модда атомлари ҳар ҳил сондаги ягона ташкил этувчилардан иборат деб қаралган.
Нагаоко моделига асосан атом катта массали мусбат заряд атрофида аниқ оралиқлардаги айланалар бўйлаб электронлар жойлашган деб қаралган. Нагаоко модели атомнинг планетар моделига ўхшаб кетади, лекин бу моделда динамик қонуниятлар шакллантирилмаган.
Ўқувчиларга, бу масалада асосий муаммо электронейтрал атомнинг ички структурасида мусбат ва манфий зарядларнинг мавжудлиги асосида, атом ичидаги шу зарядларнинг тақсимоти масаласини ҳал этишдан иборат эканлиги алоҳида таъкидланади.
1911 йилда инглиз физиги Э.Резерфорд шогирдлари билан заррачаларнинг металларда сочилишини экспериментал ўрганиб, юқоридаги барча моделларнинг асоссизлигини кўрсатиб берди ва атомнинг планетар моделини тавсия этди, бу модел баъзи ҳолларда “атомнинг ядро модели” деб ҳам юритилади.
Атомнинг Резерфорд томонидан тавсия этилган планетар моделига асосан, атом марказида зарядли, ўлчами жуда кичик, массив ядро жойлашган ва атомнинг деярли барча массаси ядрода мужассамланган.
Шу ядро атрофида электронлар доиравий ёки эллиптик орбиталар бўйлаб ҳаракатланади. Атом ўлчами м, ядро ўлчами эса м. ва атом ўлчамидан тахминан, марта кичик.
Резерфорднинг бу модели Қуёш системасининг тузилиш моделига ўхшаш, шунинг учун “Атомнинг планетар модели” деб юритилади.
Бу тарихий материаллар биринчи навбатда академик лицейларнинг физика ўқитувчилари учун жуда зарур ва ўқувчиларга бу материалларни чуқур тушунтириш тавсия этилади.
Атомларнинг тузилиши тўғрисидаги замонавий тасаввурлар заррачаларнинг сочилиши бўйича Резерфорд ва унинг шогирдлари томонидан ўтказилган тажрибалар натижаларига асосланган.
Тажрибалар натижаларининг таҳлили асосида, Томсон томонидан таклиф этилган моделнинг атом тузилишини тушунтира олмаслиги тўғрисида хулоса чиқарилган.
Резерфорд томонидан табиий радиоактив моддалардан чиқазиладиган заррачаларнинг модда билан ўзаро таъсири ўрганилган.
Фазонинг атом эгаллаган соҳаси орқали ҳаракатланаётган заррачаларнинг бир қисми атом ичида ҳаракатланиш давомида ҳаракат йўналишларини деярли ўзгартирмаслиги кузатилган, бу эса заррачаларнинг атом ичида ҳаракатланиш вақти давомида уларга таъсир қилувчи электр майдони заррачаларни ҳаракат траекторияларидан оғдириш учун етарли эмаслигини кўрсатади.
заррачаларнинг бир қисми ҳаракат йўналишларидан оғади, тажрибаларнинг кўрсатишича заррачаларнинг кўпроқ қисми кичик бурчакларга сочилади, лекин катта бурчак, масалан, 1800 га яқин бурчакга сочилган заррачалар ҳам учрайди.
Атомларнинг мусбат заряди атомнинг бутун ҳажми бўйлаб тақсимланмаган ва чизиқли ўлчами см. тартибида бўлган кичик соҳада жойлашган атом ядросида мужассамланган.
заррачаларнинг атом ичидан ўтиш жараёнида 1800 га яқин бурчакга сочилишининг мумкинлиги муҳим хулосалар қилиш учун асос бўлади.
Маълум-ки, атом ичида ҳаракатланиши давомида заррачаларга гравитацион ва кулон кучлари таъсир қилади, заррачаларга таъсир қилаётган кулон кучлари, энг оғир ҳисобланган қўрғошин атомлари томонидан таъсир қилувчи оғирлик кучларига нисбатан, тахминан марта катта бўлганлигидан заррачаларнинг атомлар билан ўзаро таъсири жараёнида гравитацион кучлар таъсирини эътиборга олмаслик мумкин.
Демак, атом ичида ҳаракатланиш давомида заррачаларнинг ҳаракат йўналишидан оғиши атомнинг таркибидаги электр зарядлари ҳосил қилган электр майдони таъсирида рўй беради.
Кулон қонунига кўра. электр майдон кучлари катталигининг масофага боғликлигидан, заррача ва қўзғалмас зарядли заррачадан қандай масофада, кулон кучлари таъсирида тормозланиб, орқага (1800 бурчакга) оғдирилиши мумкин деган саволга заррача ва қўзғалмас зарядли заррача орасидаги ўзаро кулон таъсир потенциал энергиясини заррачанинг кинетик энергиясига тенглаштириш орқали аниқлашимиз мумкин деб жавоб берилади.
Агар заррачанинг кинетик энергияси Мэв тенг деб ҳисоблашни бажарсак, см. эканлиги аниқланади. Агар нинг катталиги заррачанинг зарядидан етарлича катта бўлса, см. га тахминан тенг бўлади, демак заррача атом ичидан ўтиш жараёнида 1800 га яқин бурчакга оғиши учун у зарядга тахминан см. масофагача яқинлашиши керак экан.
Демак, атомларда чизиқли ўлчами см. тартибида бўлган, етарлича кичик соҳада жойлашган кучлик, мусбат электр заряди мавжуд экан.
Ўқувчиларга юқорида келтирилган тажриба натижаларидан, атомларнинг мусбат заряди атомнинг бутун ҳажми бўйлаб тақсимланмаган, балки чизиқли ўлчами см. тартибида бўлган, кичик соҳада жойлашган, атом ядросида мужассамланган деб хулоса қилиш мумкинлиги тушунтирилади.
Ўқув машғулотида, ўқитувчи томонидан заррачаларнинг атом ичидан ўтиш жараёнида мусбат зарядли ядродан оғишини кўрсатувчи чизма-суратлар намойиш қилинади ва тушунтирилади.
Резерфорд ва шогирдлари томонидан заррачаларнинг атом ичидан ўтиш жараёнида мусбат зарядли ядродан оғиш бурчагининг оғувчи заррачалар сонига боғланиш формуласи, яъни Резерфорд формуласи исботсиз, маълумот сифатида келтирилади.
Резерфорд тажрибалари умумийроқ кўринишда баён қилинади. атомга зарралар оқими йўналтирилади. Радиоактив манба тор тирқишли қўрғошин идишда жойлаштирилган бўлиб, зарралар маълум йўналишдагина чиқарилади ва бошқа йўналишдагиларини қўрғошин деворлар ютиб қолади. зарраларнинг йўлига перпендикуляр қилиб 1 қалинликдаги олтин қоғоз қўйилган.
Олтин қоғоздан ўтган, заряди га, массаси эса га тенг бўлган зарраларнинг йўналиши экран ёрдамида қайд қилинган. Резерфорд ўз тажрибасида зарраларнинг бир қисми дастлабки йўналишидан маълум бурчакларга бурилишини ва хатто олтин қоғоздан орқага қайтувчи зарралар ҳам бўлишини қайд этган.
Резерфорд тажрибасидан хулоса. “Атом”нинг марказига йўналтирилган зарранинг орқага қайтиши кузатилганда, Резерфорд ҳам ўз тажрибасидан атомнинг марказида ўлчами бўлган ўзак (ядро) мавжуд бўлиши керак деган хулоса чиқарган.
Ядрода атомнинг мусбат заряди ва массасининг асосий қисми (қарийб 95 фоизи) жойлашган. Агар зарра олтин қоғоздаги атом ядросидан узоқдан ўтса, ўз йўналишини ўзгартирмайди, фақат ядрога дуч келиб қолганда, унинг орқага қайтиши кузатилади. Ядро атомдан 10000 марта кичик бўлгани учун зарраларнинг 10000 тадан биттаси у билан тўқнашиши ва қайтиши кузатилган.
Резерфорд тажрибасида модда билан таъсирлашаётган зарраларнинг қайси бири (унинг энергияси ва ҳаракат йўналишига боғланган ҳолда) қандай бурчакларга сочилиши тасоддифий ҳодиса, қандай энергияли ва қандай йўналишга эга бўлган заррача моддадан ўтаётганда аниқ 180 бурчакга сочилишини олдиндан аниқ айтиш мумкин эмас, буларнинг барчаси зарраларнинг модда билан ўзаро таъсир жараёни статистик ҳарактерга эга эканлигини кўрсатади. Демак бу ҳодисани ўрганишда статистик метод асосий ҳисобланади.
Резерфорд 1911-йилда тажриба натижалари асосида атомнинг ядровий (планетар) моделини таклиф қилди. Ушбу моделга кўра атом жажжигина “қуёш системаси”дек тузилган деб тасаввур қилинади. Электронлар ядро атрофида (ёпиқ) орбиталар- яъни атомнинг электрон қобиғи бўйлаб ҳаракатланади ва уларнинг заряди ядродаги мусбат зарядга тенг.
Таклиф қилинган модел атомнинг тузилиши ҳақида тўла хулоса чиқаришга имкон берадими ?. Афсуски, йўқ.
Менделеевнинг кимёвий элементлар даврий системасида элементлар ядро зарядлари катталигининг ортиши тартибида жойлашганлигидан, нормал ҳолатдаги нейтрал атомлар заряди га тенг бўлган ядро ва та электронлардан тузилган. Мусбат зарядланган ядро ва уни ўраб турувчи электронлар атом ичидаги электр майдонини ҳосил қилади, атомнинг ташқарисида электр майдони таъсири жуда тез сўнади. Тажрибалар атомларнинг турғунлигини кўрсатади, электронларнинг турғун конфигурацияси эса статик бўлиши мумкин эмас.
та мусбат зарядли оғир ядро ва та манфий зарядли электрондан иборат атом системаси турғун ҳолатда жойлашиши учун, электронларнинг ядро атрофида узлуксиз ҳаракатда бўлиши талаб қилинади.
Атомни та мусбат зарядли оғир ядро ва унинг атрофида ёпиқ траектория бўйлаб ҳаракатланувчи та манфий зарядли электронлардан ташкил топган система кўринишида тасаввур қилувчи модели “атомларнинг планетар модели” деб аталади.
Атомларнинг планетар модели атомларнинг турғунлигини тушунтира олмайди, чунки электрон зарядланган заррача сифатида эгри чизиқли орбита бўйлаб айланма ҳаракат қилиши давомида, электродинамика қонунларига асосан, электромагнит тўлқинлар тарқатиши натижасида электроннинг энергияси камайиб бориши, спиралсимон ҳаракат қилиши натижасида, ҳисоблашларга асосан, тахминан с. ичида ядро устига қулаб тушиши керак.
Максвеллнинг электродинамик назариясига асосан айлана ёки эллипс бўйлаб ҳаракатланувчи электрон узлуксиз электромагнит тўлқинлар чиқазиши керак, лекин нормал ҳолатда жойлашган водород атомининг нурланиши кузатилмайди.
Атомнинг планетар моделида юқоридаги камчиликларининг мавжудлигидан, атом ичидаги электронларнинг ҳаракати давомида уларнинг классик механикадаги Ньютон ва классик электродинамикадаги Максвелл тенгламаларида акс этмаган янги ҳоссалари намоён бўлади деган хулосаларга қелиш мумкин.
Биринчидан, электроннинг ядро атрофидаги орбита бўйлаб ҳаракати эгри чизиқли, яъни тезланиш билан рўй берадиган ҳаракат бўлиб классик электродинамика қонунларига мувофиқ электрон ўзидан нур чиқаради, яъни ҳаракат давомида электроннинг энергияси камаяди, унинг айланиш орбитаси кичраяди ва у ядрога яқинлаша боради. Бошқача айтганда, маълум вақтдан кейин электрон ядрога “қулаб “ тушиши, яъни атом йўқолиши керак. Бу хулоса Резерфорд моделига мувофиқ атомнинг ностабил система бўлиши кераклигини кўрсатади.
Ҳақиқатда эса атомлар жуда мустаҳкам стабил система ҳисобланади.
Иккинчидан, электрон ядрога яқинлашган сари орбитасининг радиуси кичрая боради , тезлиги эса ўзгармайди . Шу сабабли унинг тезланиши ортиши билан нурланиш частотаси ҳам узлуксиз равишда ортади натижада, узлуксиз нурланиш спектри кузатилиши керак.
Тажрибалар эса атомнинг нурланиш спектри узлукли (чизиқли) эканлигини кўрсатади.
Бор постулатлари. Атомнинг планетар моделидаги мавжуд камчиликлар, атом системаларининг одатдаги макроскопик жисмлардан сифат жиҳатдан фарқ қилиши ва атомларда жойлашган электронларда, классик механика ва электродинамика қонунларида акс этмаган, ўзига ҳос ҳусусиятларнинг мавжудлиги натижасидир.
Н.Бор водород атомининг спектрларидаги фундаментал ўзига ҳосликка, яъни тўлқин сонларининг спектрал термлар фарқи сифатида ифодаланиши ва шунинг учун атомлар энергиясининг фақат дискрет миқдорларга ўзгаришини эътиборга олиб, ўз назариясида қуйидаги иккита постулатга асосланади.
1- постулат. (стационар ҳолатлар ҳақидаги постулат)
Атомлар ва атом системалари узоқ вақт фақат муайян ҳолатларда – стационар ҳолатлардагина бўлаолади, бундай ҳолатларда уларнинг таркибидаги электронларнинг ҳаракатланишларига қарамасдан, атомлар энергия нурламайди ва ютмайди. Бу ҳолатларда атом ва атом системалари дискрет қаторни ташкил этувчи энергияларга эга бўлади ва бу ҳолатлар ўз турғунлиги билан ҳарактерланади.
2- постулат. (Борнинг частоталар шарти) Атомлар бир стационар ҳолатдан иккинчи стационар ҳолатга ўтишда фақат аниқ частотали нурланиш чиқаради ва ютади. ҳолатдан ҳолатга ўтишда чиқариладиган ва ютиладиган нурланиш монохроматик нурланиш бўлиб, унинг частотаси қуйидаги шартдан аниқланади:
Бу икки постулат ҳам классик электродинамика талабларига кескин қарама-қаршидир, чунки биринчи постулатга асосан атомларда электронларнинг ёпиқ орбиталарда тезланиш билан ҳаракатланишига қарамасдан улар нурланмайдилар, иккинчи постулатга асосан эса нурланиш частоталари электронларнинг даврий ҳаракат частоталари билан умуман боғланмаган. Борнинг бу постулатлари тажрибаларда кузатиладиган натижаларга тўла мос келади, масалан стационар ҳолатларнинг реаллиги, атомларнинг стабил мавжудлиги, яъни турғунлиги каби фундаментал факт билан тасдиқланади.
Атом энергияси миқдорининг ўзгаришининг дискретлиги газсимон моддаларнинг ютилиш спектрининг чизиқлилик ҳарактерга эгалиги билан тасдиқланади.
Атомларнинг стационар ҳолатлари мавжуд бўлса, бу стационар ҳолатлар энергиясини, ёки дискрет қатор кўринишидаги энергия қийматларини қандай ҳисоблаш мумкин деган савол пайдо бўлади?.
Бор томонидан, Планк ғояларини мақсадга йўналтирилган ҳолдаги умумлашмаси ҳисобланган квантлаш методи (қоидаси) таклиф этилади.
Планк ғоясига асосан жисмлар ва нурланиш майдони орасидаги энергия алмашиниши квант ҳарактерга эга бўлиб, Планк доимийси орқали ифодаланади, агар Планк доимийси атомларнинг ички жараёнларининг квант ҳарактерига эгалигини ифодалайди деб ҳисобласак, атом механикасидаги доимий (сақланувчи) (энергия х вақт) ўлчамлилигига эга бўлган катталиклар ҳам га каррали миқдордаги қийматларни қабул қилиши керак. Шу асосда Бор томонидан водород атомининг стационар ҳолатларига мос орбиталарни танлаш мақсадида, яъни водород атомининг стационар ҳолатларига электронларнинг қуйидаги шартни қаноатлантирувчи доиравий траекториялари мос келади деган квантлаш шарти таклиф этилади.
Водород атоми учун Бор назариясида атомнинг планетар моделининг асосий ғоялари сақланиб қолган, яъни атомларда электронлар ядро атрофида кулон кучлари таъсирида орбитал ҳаракат қилади.
Электронлар ўлчамлари квантлаш шартлари (2) бўйича аниқланадиган стационар орбиталар бўйлаб ҳаракатланади.
Бор назариясида доиравий орбиталарни қараш билан чекланилади ва водород атоми учун қуйидаги модель қабул қилинади:
Водород атомидаги электрон Ze зарядли ядро атрофида айлана бўйлаб текис ҳаракат қилади. Бу ҳолда марказга интилма куч, Кулон кучига тенг деб хисобланади ва қуйидаги муносабат ўринли бўлади