Fizika · Atom va kvant fizikasi · 11-sinf

Atom tuzilishi va spektrlar

Nega neon yozuv qizil, natriy chiroq esa sariq nur sochadi?

Vaziyat

Kechqurun Toshkent ko‘chalarida reklama yozuvlari turli rangda yonadi: neon naychasi qizil-to‘q sariq, boshqa gazlar esa ko‘k, pushti yoki sariq nur beradi. Ba’zi ko‘cha chiroqlarining sarg‘ish nuri natriy bug‘idan chiqadi. Bu nurlarga difraksion panjara orqali qarasangiz, kamalak o‘rniga qora fonda alohida rangli chiziqlarni ko‘rasiz. Bu chiziqlar qayerdan paydo bo‘ladi va nega olimlar ular yordamida Quyosh va uzoq yulduzlar tarkibini aniqlay oladi?

Mavzu

Atom tuzilishi va spektrlar. Neon reklama va yulduzlar spektri

Asosiy tushunchalar

Chiziqli spektr
Bor modeli
Ridberg formulasi

Formulalar

E_{n} = - \frac{13,6 eV}{n^{2}}

Bor modeli: vodorod atomidagi elektronning ruxsat etilgan energiyalari; $n = 1, 2, 3, \dots$

h ν = \frac{h c}{λ} = E_{n_{2}} - E_{n_{1}}

Elektron yuqori sathdan pastkisiga o‘tganda energiyalar farqiga teng foton chiqadi.

\frac{1}{λ} = R_{H} (\frac{1}{n_{1}^{2}} - \frac{1}{n_{2}^{2}}), R_{H} = 1,0968 \cdot 10^{7} m^{- 1}

Ridberg formulasi; $n_{1} = 2$ — Balmer seriyasi (ko‘rinadigan chiziqlar).

r_{n} = n^{2} r_{1}, r_{1} \approx 0,053 nm

Bor orbitalarining radiusi $n^{2}$ ga proporsional.

d \sin θ = m λ

Difraksion panjara: $d = 1 / 600$ mm, birinchi tartibda ( $m = 1$ ) har bir rang o‘z burchagiga og‘adi.

Nazariya

Spektr turlari va spektral tahlil

Siyrak gazda elektr razryadi atomlarni uyg‘otadi. Uyg‘ongan atom faqat ma’lum to‘lqin uzunliklarida nur chiqaradi — spektroskopda qora fonda alohida chiziqlar ko‘rinadi (chiziqli spektr). Issiq zich jismlar (cho‘g‘, lampochka tolasi, Quyosh fotosferasi) uzluksiz spektr, molekulalar esa zich chiziqlar to‘dasidan iborat yo‘l-yo‘l spektr beradi. Har bir elementning chiziqlari takrorlanmas “barmoq izi”: neon qizil-to‘q sariq chiziqlarga boy, natriyda 589,0 va 589,6 nm li sariq qo‘shaloq chiziq, simobda ko‘k (435,8 nm) va yashil (546,1 nm) chiziqlar kuchli. Bunga asoslangan spektral tahlil (Kirxgof va Bunzen, 1859–1860) moddadagi juda kichik aralashmalarni ham topadi: metallurgiyada qotishma tarkibi, ekologiyada suv va havodagi og‘ir metallar, astrofizikada yulduzlar tarkibi. Spektroskopda nurni difraksion panjara ( $d \sin θ = m λ$ ) yoki prizma — dispersiya hisobiga — yoyadi. Laboratoriyada (masalan, UM-2 monoxromatorida) avval shkala ma’lum chiziqlar bo‘yicha darajalanadi, keyin simob lampasi chiziqlari o‘lchanadi — “Simob” naychasida kursor bilan shuni bajaring.

Bor postulatlari

N. Bor (1913): 1) elektron atomda faqat statsionar orbitalarda bo‘ladi va ularda nur chiqarmaydi; ruxsat etilgan orbitalarda impuls momenti kvantlangan: $m v r = n ℏ$ ; 2) elektron bir statsionar holatdan boshqasiga o‘tganda energiyasi $h ν = E_{n_{2}} - E_{n_{1}}$ bo‘lgan bitta foton chiqaradi yoki yutadi. Bundan vodorod uchun $E_{n} = - 13,6 / n^{2}$ eV va $r_{n} = n^{2} r_{1}$ kelib chiqadi. $n_{1} = 1$ ga o‘tishlar (Layman) ultrabinafsha, $n_{1} = 2$ ga (Balmer) ko‘rinadigan, $n_{1} = 3$ ga (Pashen) infraqizil nur beradi. A. Zommerfeld (1916) ellips orbitalarni ham kvantlagan: $\oint p d q = n h$ . Bitta elektronli vodorodsimon ionlarda (He⁺, Li²⁺) $E_{n} = - 13,6 Z^{2} / n^{2}$ eV. He⁺ ning $n \to 4$ o‘tishlari — Pikering seriyasi — avval yulduzlar spektrida topilib, vodorodniki deb o‘ylangan; Bor ular He⁺ ga tegishli ekanini ko‘rsatgan, Balmer chiziqlaridan kichik farqni esa yadro massasi beradi: $R = R_{\infty} / (1 + m_{e} / M)$ . “Bor atomi”da He⁺ ni tanlab, 6 → 4 o‘tishni Hα bilan solishtiring.

Ridberg formulasi, termlar va o‘lchash

Balmer chiziqlari: Hα 656,3 nm (3 → 2), Hβ 486,1 nm (4 → 2), Hγ 434,0 nm (5 → 2), Hδ 410,2 nm (6 → 2). Har bir chiziqning to‘lqin soni ikki spektral term $T (n) = R / n^{2}$ ning ayirmasi: $1 / λ = T (n_{1}) - T (n_{2})$ . Shuning uchun ikki chiziq to‘lqin sonlarining ayirmasi ko‘pincha yana bir chiziqni beradi — Rits kombinatsion prinsipi (1908): masalan, $1 / λ_{H β} - 1 / λ_{H α}$ — Pashen seriyasining 4 → 3 chizig‘i (1875 nm). Ridberg formulasi vakuumdagi to‘lqin uzunligini beradi; jadvallarda havodagi qiymat yoziladi — u taxminan 0,03 % qisqaroq. Laboratoriya ishi: vodorod naychasi chiziqlarini kursor bilan o‘lchab, har biri uchun $R = 1 / [λ (1 / 4 - 1 / n_{2}^{2})]$ ni hisoblang — barcha chiziq bir xil $R$ berishi kerak. Panjarali spektroskopda chiziq burilish burchagidan $λ = d \sin θ$ topiladi.

Yutilish spektri: Quyosh nima deydi?

Issiq zich jism (Quyosh fotosferasi) uzluksiz spektr beradi. Uning ustidagi sovuqroq gaz xuddi o‘zi chiqara oladigan to‘lqin uzunliklarini yutadi — kamalakda qora Fraunhofer chiziqlari paydo bo‘ladi: vodorod, natriy, magniy, temir, kalsiy. A va B chiziqlarini esa Yer atmosferasidagi kislorod beradi. To‘liq tutilishda fotosfera yopilib, xromosferaning yorqin chiziqlari ko‘rinadi — 1868-yilda geliy aynan shunday topilgan. Model: chiziqlar intensivligi taqribiy, kengligi spektroskop aniqligi bilan belgilangan; Bor modeli faqat vodorodsimon atomlar uchun to‘g‘ri; Frank–Gers egri chizig‘i soddalashtirilgan modeldan hisoblanadi (elektronlar energiyasining yoyilishi Gauss taqsimoti bilan berilgan).

Frank–Gers tajribasi

J. Frank va G. Gers (1914) simob bug‘i to‘ldirilgan naychada elektronlarni tezlatib, anod tokini o‘lchagan. Elektron energiyasi 4,9 eV dan kichik bo‘lsa, simob atomlari bilan to‘qnashuvlar elastik: og‘ir atom deyarli energiya olmaydi. Energiya 4,9 eV ga yetganda elektron atomni birinchi uyg‘ongan holatga o‘tkazib, energiyasini beradi — endi u tormozlovchi $U_{r}$ ni yenga olmay, anodga yetmaydi va tok keskin kamayadi. $U$ yana 4,9 V oshsa, elektron ikki marta to‘qnashadi va hokazo: tok maksimumlari orasidagi masofa doim ≈ 4,9 V. Uyg‘ongan simob atomlari $λ = h c / E_{1} \approx 254$ nm ultrabinafsha nur chiqaradi. Bu Bor postulatlarining bevosita isboti: atom energiyani faqat ma’lum ulushlar bilan qabul qiladi. Neonli naychada maksimumlar oralig‘i ≈ 19 V, uyg‘ongan atomlar to‘q sariq nur sochadi va naychada yorug‘ qatlamlar ko‘rinadi. Birinchi maksimum kontakt potensiallar farqi qadar siljigan, shuning uchun oraliqlar o‘lchanadi. Frank va Gers 1925-yilda Nobel mukofotini olgan.

Lyuminessensiya va Bor nazariyasining chegaralari

Modda yorug‘lik yutib uyg‘onsa va keyin o‘zi nur sochsa — fotolyuminessensiya. Stoks qoidasi: chiqqan nurning to‘lqin uzunligi yutilganidan uzunroq — energiyaning bir qismi issiqlikka ketadi. Yoritish to‘xtagach nur ≈ 10⁻⁹–10⁻⁸ s da so‘nsa — fluoressensiya, metastabil holatlar tufayli millisekundlardan soatlargacha davom etsa — fosforessensiya (qorong‘ida yonadigan bo‘yoqlar). Kunduzgi lampada simob atomlari asosan 253,7 nm ultrabinafsha nur chiqaradi — Frank–Gers tajribasidagi o‘sha o‘tish — va naycha devoridagi lyuminofor uni ko‘rinadigan nurga aylantiradi. Bor nazariyasining kamchiliklari: u faqat bitta elektronli atomlar spektrini to‘g‘ri beradi; chiziqlar intensivligini, ko‘p elektronli atomlarni (hatto geliyni), nozik strukturani va kimyoviy bog‘lanishni tushuntira olmaydi; tezlanish bilan aylanayotgan elektron nega nur chiqarmasligini asoslamaydi. Bu savollarga kvant mexanikasi javob bergan («Vodorod atomi orbitallari» tajribasi).

Bilasizmi?

Geliy avval Yerda emas, Quyoshda topilgan: 1868-yil 18-avgustdagi to‘liq Quyosh tutilishida Pyer Jansen Quyosh atrofidagi gaz spektrida 587,6 nm li sariq chiziqni kuzatgan. Norman Lokyer uni yangi element deb, yunoncha “helios” — Quyosh so‘zidan nom bergan. Yerda geliyni 1895-yilda Uilyam Ramzay ajratib olgan.
Robert Bunzen va Gustav Kirxgof spektral tahlil yordamida 1860-yilda seziy, 1861-yilda rubidiy elementlarini kashf etgan. Nomlari spektral chiziqlari rangidan olingan: lotincha caesius — “havorang”, rubidus — “to‘q qizil”.

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.

Shu bo‘limdagi boshqa tajribalar

Yarimo‘tkazgichlar fizikasi — 9-sinf
Fotoeffekt — 11-sinf
Radioaktivlik, yarim yemirilish — 11-sinf
Yadro reaksiyalari — 11-sinf
Vodorod atomi orbitallari — 11-sinf
Issiqlik nurlanishi va Plank — 11-sinf
Foton impulsi va Kompton effekti — 11-sinf
De Broyl to‘lqinlari — 11-sinf
Rezerford tajribasi — 11-sinf
Atom yadrosi va bog‘lanish — 11-sinf