Атом ядросының ашылуын талқылайтын мысал сұрақтар
Атом ядросының ашылуы физика мен химияның дамуындағы шешуші оқиға болды. Мысал сұрақтары мен оларды талқылауға кіріспес бұрын, атом ядросының қалай ашылғаны және бұл жаңалықтың артындағы негізгі тұлғалар туралы аздап шолу жасайық.
Атом ядросының ашылуының алғышарттары
Атомдарды зерттеу ежелгі заманнан бері жүргізіліп келеді, сол кезде Демокрит пен Левкипп сияқты грек философтары материя атомос ("кесілмейтін" дегенді білдіреді) деп аталатын ұсақ, бөлінбейтін бөлшектерден тұрады деген идеяны ұсынған болатын. Дегенмен, атомның ғылыми тұжырымдамасы 19 ғасыр мен 20 ғасырдың басына дейін дамымады.
1803 жылы Джон Далтон әрбір элемент бір типтегі атомдардан тұратынын және әртүрлі элементтердің атомдарының массалары мен қасиеттері әртүрлі болатынын айтатын атомдық теорияны ұсынды. Дегенмен, бұл теория атомдардың ішкі құрылымын түсіндірмеді.
Келесі маңызды қадам Дж.Дж. Томсонның 1897 жылы электронды ашуы болды, ол атомдардың ұсақ, бөлінбейтін бөлшектер емес екенін көрсетті. Томсон сонымен қатар атомдар теріс электрондар шашыраңқы оң заряд теңізінен тұратын «қара өрік пудингі» моделін ұсынды.
Дегенмен, Томсон моделі ақырында Эрнест Резерфорд шешкен тәжірибелік қиындықтарға тап болды. 1911 жылы Резерфорд Гейгер-Марсден эксперименті (немесе алтын шашырауы эксперименті) деп аталатын альфа бөлшектерінің шашырау экспериментін жүргізді. Нәтижелер атом массасының көп бөлігі кейінірек атом ядросы деп атала бастаған кішкентай орталықта шоғырланғанын көрсетті.
Гейгер-Марсден тәжірибесі және Резерфорд моделі
Бұл тәжірибеде Резерфорд альфа бөлшектерін (оң зарядталған) жұқа алтын қабатына лақтырды. Альфа бөлшектерінің көпшілігі алтын қабатынан әсер етпей өтті, бірақ кейбіреулері әртүрлі бағыттарға шашыраңқы болды, ал кейбіреулері тіпті кері қайтты. Бұл таңқаларлық нәтиже болды, себебі Томсонның «қара өрік пудингі» моделіне сәйкес, альфа бөлшектері айтарлықтай кедергісіз тікелей өтуі керек еді.
Резерфорд атомдардың кішкентай, тығыз және үлкен оң зарядты ядросы бар, ал атом көлемінің көп бөлігін электрондар алып жатқан бос кеңістік құрайды деген қорытындыға келді. Резерфордтың атомдық моделі «қара өрік пудингі» моделін алмастырды, себебі ол экспериментте байқалған құбылыстарды жақсы түсіндірді.
Резерфорд теңдеуі және Бордың атомдық моделі
Резерфорд моделі атом ядросы тұжырымдамасын енгізгенімен, атом тұрақтылығы мен сәулелену спектрлерін түсіндіруде бірнеше кемшіліктерге ие болды. 1913 жылы Нильс Бор электрондардың ядроның айналасында дискретті орбиталарда қозғалатынын және сәулелену шығармай тек осы орбиталарда қала алатынын ұсынып, Резерфорд моделін жетілдірді. Бор моделі сутегі спектрін сәтті түсіндірді.
Кейіннен атомдық модель кванттық механикамен одан әрі дамыды, бұл атом құрылымы мен электрондардың әрекетін тереңірек түсінуге мүмкіндік берді.
Үлгі сұрақтар және талқылау
Төменде атом ядросы мен атом құрылымының ашылуы туралы бірнеше үлгі сұрақтар мен талқылаулар берілген. Бұл сұрақтар біз бұрын қарастырған ұғымдарды қамтиды.
1-сұрақ: Алтын шашырауы бойынша тәжірибе
Сұрақ:
Резерфордтың тәжірибесінде алтын фольгаға атылған альфа бөлшектері көбінесе әсер етпей өтті, бірақ аз бөлігі әртүрлі бағыттарға шашыраңқы болды. Бұл тәжірибеден қандай қорытынды жасауға болады және ол Дж.Дж. Томсонның «қара өрік пудингі» моделіне қалай қарсы шығады?
Талқылау:
Бұл тәжірибенің негізгі қорытындысы - атомдардың өте кішкентай, тығыз, оң зарядталған орталығы - ядросы бар. Тәжірибе нәтижелері атом көлемінің көп бөлігі бос кеңістік екенін көрсетті, себебі альфа бөлшектерінің көпшілігі кедергісіз өтеді. Шашыраңқы альфа бөлшектері ядрода оң зарядталған альфа бөлшектерін шашырата алатын оң зарядтың үлкен концентрациясының бар екенін көрсетеді.
Бұл тәжірибе оң заряд атом бойынша біркелкі таралған деп болжаған Томсонның «қара өрік пудингі» моделіне қарсы шықты. Егер Томсон моделі дұрыс болса, альфа бөлшектері байқалғандай шашырамас еді. Осы тәжірибенің нәтижесінде ұсынылған Резерфорд моделі дәлірек болды, себебі ол альфа бөлшектерінің шашырауы нәтижелерін түсіндіре алды.
2-сұрақ: Резерфордтың атомдық моделі
Сұрақ:
Томсонның «қара өрік пудингі» моделі мен Резерфордтың атомдық моделінің арасындағы негізгі айырмашылықтарды түсіндіріңіз. Резерфорд атом ішіндегі зарядтың таралуы туралы не болжады?
Талқылау:
Бұл екі модельдің негізгі айырмашылығы - атом ішіндегі зарядтың таралуы:
– Томсонның «қара өрік пудингі» моделі атомдар пудингтегі мейізге ұқсас, теріс электрондары шашыраңқы оң зарядталған сфералар деп болжады.
– Резерфорд моделі, керісінше, оң заряд атомның орталығындағы кішкентай, тығыз ядрода шоғырланған, ал электрондар ядроның айналасында кең, бос кеңістікте шашыраңқы орналасқан деп мәлімдеді.
Резерфорд атом көлемінің көп бөлігі бос кеңістік екенін және бұл кішкентай, тығыз ядро альфа бөлшектерінің шашырауына жауапты екенін болжады.
3-сұрақ: Далтонның атомдық теориясы және Резерфордтың атомдық моделі
Сұрақ:
Далтонның атомдық теориясын Резерфордтың атомдық моделімен салыстырыңыз. Бұл атомдық модельдің дамуы атом құрылымын толығырақ түсіндіруге қалай көмектесті?
Талқылау:
Далтонның атомдық теориясы әрбір элементтің бір типтегі атомдардан тұратынын және әртүрлі элементтердің атомдарының массалары мен қасиеттері әртүрлі екенін мәлімдеді. Дегенмен, бұл теория атомдардың ішкі құрылымын сипаттамады.
Резерфордтың атомдық моделі атом ядросы туралы ұғымды электрондар ядроның айналасында қозғалатын кішкентай, тығыз, оң зарядталған орталық ретінде енгізді. Бұл модельдегі әзірлемелер альфа бөлшектерінің шашырауын түсіндіруге көмектесті және атом көлемінің көп бөлігі бос кеңістік екенін анықтады. Бұл атом құрылымын түсінуді одан әрі дамытудағы маңызды қадам болды және атомдық физика мен химиядағы одан әрі жаңалықтардың негізін қалады.
Қорытынды
Эрнест Резерфордтың Гейгер-Марсден тәжірибесі арқылы атом ядросын ашуы атом құрылымын түсінуімізде түбегейлі өзгеріс әкелді. Атомдық модельдер Томсонның «қара өрік пудингі» моделінен бастап Бор моделіне және одан әрі кванттық механикаға дейін көптеген дамулардан өтті. Атом ядросы мен электрондардың әрекеті туралы түсінігіміз атомдар мен заттың табиғаты туралы егжей-тегжейлі көрініс бере отырып, дамып келеді.
Жоғарыдағы мысалдар атом ядросы ұғымын эксперименттік жолмен қалай тексеруге болатынын және әртүрлі атомдық модельдердің бақыланатын құбылыстарды түсіндіруге қалай көмектесетінін көрсетеді. Атом теориясының тарихи дамуын түсіну қазіргі заманғы ғылым мен оның қолданылуын бағалаудың кілті болып табылады.
