Фотонның массасы мен импульсі

Фотон (әнергиясы және импульсі ) электронмен соғылғанда ( электронның тыныштықтағы әнергиясы, - электронның тыныштықтағы массасы), оған өз әнергиясының және импульсінің бір бөлігін береді де қозғалыс бағытын өзгертеді (шашырайды). Осы серпімді соқтығыс кезінде әнергияның және импульстің сақталу заңдары орындалады, мұндағы - соқтығыстан кейінгі электронның релятивлік әнергиясы.

Сонымен

, .

Бұдан . ескерген мына өрнекті аламыз:

.

Комптон эффекті спектрдің көріну аймағында бақыланбайды, себебі көрінетін жарық фотонының әнергиясы электронның атоммен байланыс әнергиясына жуық, мұндай жағдайда тіпті атомның сыртқы электроның бос деп санауға болмайды.

Комптон эффекті, абсолют қара дененің жарық шығаруы және фотоэффект, жарықтың кванттық (корпускулалық) қасиеттерінің бар екенін көрсететін дэлел болып табылады.

Жарық қысымы — жарықтың шағылдыратын және жұтатын денелерге, бөлшектерге, сондай-ақ, жекеленген молекулалар мен атомдарға түсіретін қысымы. Күн маңынан ұшып өткен кезінде құйрықты жұлдыздың (кометаның) құйрығының қисаюына Жарық қысымының әсері болатындығын тұңғыш рет И.Кеплер болжаған (1619). 1873 жылы ағылшын физигі Дж.Максвелл (1831 — 1879) электрмагниттік теорияға сүйене отырып, Жарық қысымының шамасын анықтады. Ал орыс физигі П.Н. Лебедев (1866 — 1912) ең алғаш жарықтың қатты денелерге (1899), кейінірек газдарға (1907 — 1910) түсіретін қысымын өлшеді. Жарық қысымы — болымсыз аз шама. Оның үстіне өлшеу кезінде пайда болатын кейбір құбылыстар да (конвекциялық ағын, радиометриялық күштер) Жарық қысымын өлшеуді қиындатады. Лебедеваспабының негізгі бөлігі — әр түрлі металдар (платина, алюминий, никель) мен слюдадан жасалған диаметрі 5 мм жазық, жеңіл қанатшалар. Қанатшалар жіңішке шыны жіпке ілініп, ауасы сорылған шыны ыдыстың (G) ішіне орналастырылады. Қанатшаларға арнаулы оптикалық жүйенің көмегімен күшті жарық сәулесі түсіріледі. Лебедев пайдаланған аспап қосымша құбылыстардың әсерін мейлінше кемітуге мүмкіндік береді. Жарықтың газдарға түсіретін қысымы қатты денелерге түсіретін қысымынан жүздеген есе аз болғандықтан, бұл тәжірибе алғашқы тәжірибеден қиын болды.

50. Атомдық физиканың негіздері. Резерфордтың планеталық моделі. Бор пастулаттары.

Атом физикасы — физиканың атом құрылысын және оның қасиеттерін зерттейтін саласы. Оның тарихы 19 ғ-дың соңында ашылған электрон мен радиоактивтіліктің қасиеттерін анықтаудан басталады. Атом туралы ұғым ертедегі гректерден бастау алды. Бірақ ол материяның бөлінбейтін тұтас бөлшегі деген теріс ұғым болып қалыптасты. Атом құрылысының күрделі екендігі Дж. Томсон ашқан электронның қасиеттерінен байқала бастады. Классикалық физика негіздеріне сүйеніп атомның құрылысы мен негізгі қасиеттерін теориялық тұрғыдан түсіндіруге тырысқан. Э.Резерфорд атом құрылысының моделін ұсынды. Бұл модельді атомның ядролық немесе планеталық моделі деп атады. Өйткені, атом құрылысы Күн жүйесіне ұқсас деп қарастырылды. Бірақ бұл модель атом құрылысының орнықты күйін және олардан шығатын сәулелердің қарқынын классикалық физика ұғымдары аясында түсіндіре алмады. Сондай-ақ атом құрылысына байланысы бар жаңа ашылған құбылыстарды да ескі физиканың шеңберінде (фотоэффект, дененің жылулық сәуле шығаруы т.б.) Резерфорд моделіне сүйеніп түсіндіру мүмкін болмады. Дегенмен, бұл модельдің дұрыстығын Резерфорд өз тәжірибесінде дәлелдеп берді. Сондықтан Резерфорд моделі мен классикалық физика арасындағы айтылған қайшылықтарды шешу үшін 1913 ж. Н.Бор өз қағидаларын ұсынды. Осының негізінде Бор сутегі атомының құрылысын, спектр заңдылықтарын түсіндіріп бергенімен атом дүниесіне қатысы бар көптеген күрделі құбылыстарды сол кездегі А. ф-ның шеңберіне сыйғыза алмады. Бор теориясында тиянақты атом теориясы бола алмады. Атом құрылысының және ондағы болатын түрлі құбылыстардың жүйелі теориясы микродүниенің кванттық заңдылықтары ашылғаннан кейін ғана пайда болды (1925 — 27 ж). Қазіргі заманғы А. ф-ның мазмұны осы кванттық теорияға негізделген. А. ф. атом теориясы, атомдық (оптикалық) спектроскопия, рентгендік спектроскопия, радиоспектроскопия, атомдар мен иондар соқтығысу физикасы тәрізді бөлімдерден тұрады. А. ф-ның жетістіктері физика, химия, астрономия, биология ғылымдарында, күрделі техника мәселелерін шешкенде кеңінен пайдаланылады. Атомдар мен иондардың ішкі құрылысын анықтау және олардың өзара соқтығысу заңдылықтарын зерттеу кванттық электроника және плазма физикасы тәрізді жаңа ғылым салаларының пайда болуына ықпал етті. А. ф-ндағы атом жөніндегі жүйелі ілім адамзаттың дүниетанымын кеңейтті. Әдеб.: Бете Х. Квантовая механика, М., 1978; Шпольский С. Э. Атомная физика, М., 1989.

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 дегенқорытындыға 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 жұмыстарын жүргізді, 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 атомныңмеханикалық үлгісі екеніне біртіндеп көзіміз жетеді.

Бор қағидалары, Бор постулаттары – даниялық физик Бордың атомның орнықты (стационар) күйін және спектрлік заңдылықтарын түсіндіруге арналған негізгі болжамдары (1913). Сутек атомының сызықтық спектрін (Бальмер-Ридберг формуласы), атомның ядролық моделі мен жарық сәулесінің квантты шығарылуы мен жұтылуын түсіндіру мақсатында Нильс Бордың 1913 жылы тұжырымдаған жорамалдары:

· 1. Атомдар, тек стационарлық күйлер деп аталатын қандай да бiр күйлерде ғана бола алады. Бұл күйдегi электрондар ядроны айнала үдей қозғалғанымен өзiнен сәуле шығармайды. Бірінші қағида немесе орнықты күйлер қағидасы: атомдағы электрондар кез келген энергиясы бар орбиталармен емес, тек белгілі бір энергиясы бар орбиталар бойымен қозғалады. Оларды орнықты орбиталар деп атайды. Орнықты орбиталардың энергиясы тек белгілі бір дискретті (үзікті) мәндерді ғана иеленеді. Электрондар мұндай орнықты орбита бойымен қозғалып жүргенде сәуле шығармайды.

· 2. Сәуле шығару немесе жұту тек бiр стационарлық күйден екiншi стационарлық күйге өткен кезде ғана болады. Ал шығарылған немесе жұтылған сәуленiң жиiлiгi мына шарттан анықталады

Мұндағы E_n және E_m осы стационар күйлердiң энергиясы, ал – Планк тұрақтысы. Екінші қағида немесе сәуле шығарудың жиіліктік шарты: атом бір орнықты күйден екінші бір сондай күйге ауысқанда ғана жарықтың бір фотонын жұтады не шығарады. Шығарылған не жұтылған фотонның энергиясы (һν) екі орнықты күй энергияларының (E_n және E_m) айырымына тең (һν = мұндағы ν – шығарылған не жұтылған сәуле фотонының жиілігі, һ – Планк тұрақтысы).

Атомдардың энергетикалық күйлерiн энергия деңгейлерi арқылы белгiлеп, сәуле шығару және жұту үрдiстерiн көрнектi түрде көрсету ыңғайлы.

· 3. (Орбиталардың кванттану ережесі):Стационарлық күйдегі атомдардың шеңбер бойымен қозғалғанда импульс моменттері тек дискретті мән қабылдай алады

Сутекті атомның (Z — ядро заряды) Борлық моделі, мұндағы теріс зарядты электрон атом бұлтшасында орналасып аз бірақ оң зарядталған атом ядросын қоршайды. Электронның орбитадан орбитаға өтуі электрмагниттық энергия квантының (hν) шағылуымен немесе жұтылуымен өтеді.

Осы қағидалар негізінде құрылған Бор теориясы тек сутек және сутек тәріздес атомдардың құрылысын түсіндіруге қолданылады. Бор қағидалары классикалық физика заңдылықтарына толығымен қайшы келеді. Бұл қағидалар – микродүние қасиеттерін түсіндіру үшін табылған алғашқы тұжырымдар. Атом құрылысы кванттық механикаарқылы ғана толық түсіндіріледі.