Avval o‘rganing: Kvant fizikasi va fotoeffekt
Atom qanday tuzilgan va nima uchun har bir element faqat o‘ziga xos ranglarda nurlanadi? Bu savollarga javob Rezerford tajribasi, Borning kvant postulatlari va vodorod atomi nazariyasi orqali berildi. Mavzu kvant fizikasining davomi: atom energiyani faqat ma’lum portsiyalarda — fotonlar shaklida chiqaradi va yutadi. Spektral tahlil, lazerlar, lyuminessent lampalar va hatto kimyoviy bog‘lanishni tushunish shu bilimga asoslanadi.
1897 yilda Tomson elektronni kashf etgach, atom ichida manfiy zarralar borligi aniq bo‘ldi. Atom umuman neytral bo‘lgani uchun unda musbat zaryad ham bo‘lishi kerak. Tomson modelida atom — musbat zaryadlangan "shar", unga elektronlar "mayizdek" botirilgan.
Rezerford (1911) bu modelni tekshirish uchun yupqa oltin folgani α-zarralar (geliy yadrolari) bilan bombardimon qildi va sochilgan zarralarni ekrandagi chaqnashlar bo‘yicha sanadi:
Yadroviy (planetar) model: markazda o‘lchami ~10⁻¹⁵ m bo‘lgan musbat yadro, atrofida ~10⁻¹⁰ m masofada elektronlar harakatlanadi. Atom yadrodan taxminan yuz ming marta katta. Neytral atomda elektronlar soni yadro zaryadi Z ga (Mendeleyev jadvalidagi tartib raqamiga) teng.
Muammo: klassik elektrodinamikaga ko‘ra aylanayotgan (tezlanishli) elektron elektromagnit to‘lqin nurlantirib, energiyasini yo‘qotishi va sekundning milliarddan bir ulushida yadroga qulab tushishi kerak edi. Bundan tashqari, bunday atom uzluksiz spektr berishi kerak edi. Tajribada esa atom barqaror va spektri chiziqli.
Bor (1913) muammoni klassik fizikaga zid, lekin tajriba bilan tasdiqlangan yangi qoidalar bilan hal qildi:
hν = E_m − E_n
L = m·v·r = nħ, ħ = h/(2π), n = 1, 2, 3, ...
Yuqori sathdan pastga o‘tishda foton chiqariladi, pastdan yuqoriga o‘tishda yutiladi. Atom faqat sathlar farqiga aniq mos keladigan fotonni yuta oladi; boshqa fotonlar u orqali o‘tib ketadi. Sathlarning diskretligini Frank va Gers (1914) elektronlarning simob bug‘i bilan to‘qnashuvida bevosita ko‘rsatgan.
Bor nazariyasi bitta elektronli atom — vodorod uchun aniq natijalar beradi:
Energiya sathlari: E_n = −13,6/n² eV
Orbita radiusi: r_n = r₁n², r₁ = 0,53·10⁻¹⁰ m
O‘tishda foton energiyasi: E = 13,6·(1/n² − 1/m²) eV, m > n
Hisob uchun qulay formula: λ (nm) ≈ 1240/E (eV), chunki hc ≈ 1240 eV·nm.
Elektron 4-sathdan 2-sathga o‘tdi. Foton energiyasi va to‘lqin uzunligi?
Vodorod atomining ionlash energiyasi 3,4 eV. Elektronning impuls momenti ħ ga oshsa, ionlash energiyasi qancha bo‘ladi?
Layman seriyasining birinchi chizig‘i (2 → 1) to‘lqin uzunligi?
Nega aynan mvr = nħ? De Broyl (1924) har bir zarraga to‘lqin uzunligi λ = h/(mv) bo‘lgan to‘lqin mos kelishini taklif qildi. Orbita statsionar bo‘lishi uchun uning uzunligiga butun son to‘lqin sig‘ishi kerak:
2πr = nλ → mvr = nh/(2π) = nħ
Demak, Borning uchinchi postulati elektronning to‘lqin xossasidan kelib chiqadi.
Hozirgi kvant mexanikasida elektron aniq orbita bo‘ylab harakatlanmaydi: biz faqat uni fazoning u yoki bu nuqtasida topish ehtimolini bilamiz — bu soha orbital ("elektron buluti") deyiladi. Elektron holati to‘rtta kvant soni bilan tavsiflanadi: bosh (n), orbital (l), magnit (m) va spin (s). Pauli prinsipiga ko‘ra atomda ikkita elektron to‘rttala kvant soni bir xil bo‘lgan holatda bo‘la olmaydi. Shu prinsip elektron qobiqlarining to‘lishini va Mendeleyev davriy jadvalining tuzilishini tushuntiradi. Bor modeli esa vodorod sathlarini to‘g‘ri bersa ham, ko‘p elektronli atomlarni tushuntira olmaydi.
Vodorodning birinchi orbitasidagi elektron tezligi va de Broyl to‘lqin uzunligini toping (m = 9,1·10⁻³¹ kg, ħ ≈ 1,055·10⁻³⁴ J·s).
Spektral tahlil — spektr bo‘yicha moddaning kimyoviy tarkibini aniqlash. U juda sezgir: moddaning juda kichik miqdorini ham aniqlaydi. Quyosh va yulduzlar tarkibi shu usulda topilgan; geliy avval Quyosh spektrida (1868) kashf etilgan, Yerda esa keyinroq topilgan.
Atom fotonni o‘z-o‘zidan (spontan) yoki boshqa foton ta’sirida (majburiy, induktsiyalangan) chiqarishi mumkin. Majburiy nurlanishda yangi foton uni "uyg‘otgan" foton bilan bir xil chastota, faza, qutblanish va yo‘nalishga ega — foton ikkiga ko‘payadi. Oddiy sharoitda pastki sathda atomlar ko‘p, shuning uchun yutilish ustun turadi. Lazerda tashqi energiya manbai (nakachka) yordamida yuqori sathdagi atomlar pastkisidan ko‘p qilinadi — inversion bandlik. Ikki ko‘zgu (rezonator) orasida fotonlar ko‘p marta o‘tib, lavinadek kuchayadi; ko‘zgulardan biri yarim shaffof bo‘lib, nurni tashqariga chiqaradi.
Lazer nurining xossalari: kogerentlik, monoxromatiklik, juda kichik tarqoqlik va katta intensivlik. Qo‘llanishi: optik tolali aloqa, ko‘z jarrohligi, metall kesish va payvandlash, shtrix-kod skanerlari, masofa o‘lchash.