Atomfizika
ir
fizikas
nozare, kas p?ta
atomu
k? izol?tu sist?mu, kas sast?v no
atoma kodola
un
elektroniem
. S?kotn?ji tika p?t?ts elektronu izvietojums atomos un to izmai?as. Atomfizikas nozar? iek?aujas gan neitr?lu atomu, gan
jonu
p?t?jumi.
V?rds
atoms
ir c?lies no sengrie?u valodas (
atomos
) un tulkojum? noz?m?
nedal?ms
. Sengrie?u zin?tnieki uzskat?ja, ka vis?m
viel?m
, kas eksist?, ir dal?m?bas robe?a - ?? uzskata d?? vi?i viss?k?ko da?i?u nosauca par atomu. ?o uzskatu fizik? lietoja l?dz 19. gadsimta beig?m, kad tika secin?ts -
atomam
ir ?oti sare???ta uzb?ve.
Tika nov?rots, ka
atoms
sp?j absorb?t un izstarot gaismu. No
elektrodinamikas
zin?ms, ka ??du par?d?bu var izrais?t tikai elektriski l?d?tu da?i?u sist?mas. Ar? elektrisk?s
str?vas
un
elektrol?zes
p?t?jumi par?d?ja, ka
atomos
atrodas l?d?tas da?i?as. 1895. gad? ang?u fizi?is
D?. D?. Tomsons
atkl?ja un pier?d?ja, ka
atoms
sast?v? ir
elektroni
, kuri ir negat?v? l?di?a nes?ji.
1896. gad? fran?u zin?tnieks
Anr? Bekerels
atkl?ja
radioaktivit?ti
, eksperiment?jot ar
Ur?na
savienojumiem. Tika nov?rots, ka elektriskaj? lauk? ??s radioakt?vais starojums sadal?s trij?s sast?vda??s. ??s sast?vda?as nosauca par
alfa
(α) starojumu,
beta
(β) starojumu un
gamma
(γ) starojumu.
Eksperimentu laik?
elektriskaj? lauk?
alfa
starojums novirz?j?s uz negat?v? pola pusi,
beta
starojums novirz?j?s un pozit?vo pusi, bet
gamma
starojums nemain?ja savu pl??anas virzienu. P?rbaudot ?os starojumus magn?tiskaj? lauk?, bija nov?rots, ka gamma starojums nemain?ja savu pl??anas virzienu, bet alfa un beta starojums novirz?j?s perpendikul?ri
magn?tisk? lauka
virzienam.
?o eksperimentu rezult?t? pier?d?j?s, ka
alfa
starojums ir pozit?vi l?d?tu da?i?u pl?sma. V?l?k noskaidroj?s, ka alfa da?i?as ir
h?lija
atoma
kodoli un, ka t?s ir saliktas da?i?as, bet
beta
starojums ir negat?vi l?d?tu da?i?u pl?sma, un ?is da?i?as nosauca par beta da?i??m. T?l?kie eksperimenti liecin?ja, ka beta da?i?as ir
elektroni
.
gamma
starojumu defin?ja k?
elektromagn?tisko vi??u
kvantu
jeb
fotonu
pl?smu. Alfa un beta l?d?to da?i?u pl?smas faktiski ir
elektrisk? str?va
.
Nov?rojumi pier?d?ja, ka neeksist? t?das
radioakt?vas vielas
, kuras
atomi
vienlaikus izstarotu visus tr?s starojuma veidus. ?ajos eksperimentos ?ie starojumi par?d?j?s t?d??, ka svina trauci??, ko ievietoja
elektriskaj? lauk?
vai
magn?tiskaj? lauk?
, bija
radioakt?vu vielu
mais?jums, t?tad tajos atrad?s da??di
atomi
. Bez
ur?na
tur atrad?s ar? citu vielu radioakt?vie
atomi
, kuri rad?s ur?nam
atomiem
sabr?kot.
1911.g. tika veikts eksperiments, lai uzzin?tu da?i?u novietojumu
atom?
un to veica ang?u fizi?is
Ernests Rezerfords
.
No konteinera, kur? atrad?s
radioakt?v? viela
, kas izstaroja alfa da?i?as, ?o da?i?u k?lis krita uz pl?nu
zelta
pl?ksn?ti. ?? pl?ksn?te bija tik pl?na, lai alfa da?i?as teor?tiski nesadurtos vair?k k? ar vienu vielas
atomu
. P?c ??s sadursmes ar pl?ksn?ti alfa da?i?as tika izklied?tas. Lai noskaidrotu da?i?u izkliedes virzienu, tika izmantots
mikroskops
. Mikroskopu novietoja izstaroto da?i?u ce??, lai nov?ro?anas virziens ar da?i?u s?kotn?jo kust?bas virzienu veidotu da??dus le??us. Mikroskopa priek?? tika novietots ekr?ns, uz kura var?ja redz?t visu norisi. ?is ekr?ns tika p?rkl?ts ar vielu, kas satiekoties ar alfa da?i??m, luminisc?j?s uz ekr?na. Da?i?u satik?an?s triecienu rezult?t? tika nov?roti luminiscences uzliesmojumi, kurus var?ja nov?rot da??dos virzienos apk?rt punktam, kur? alfa da?i?u k?lis triec?s pret ekr?nu.
E. Rezerfords nov?roja, ka liel?k? da?a alfa da?i?u pl?smas da?i?as izg?ja cauri zelta pl?ksn?tei nenovirzoties no sava kursa, bet da?as novirz?j?s un veidoja, sal?dzinot ar s?kotn?jo virziena, sam?r? lielus le??us. No izdar?tajiem p?t?jumiem vi?? secin?ja, ka
atoma
aiz?emt?s telpas liel?k? da?a alfa da?i?as nek?du pretest?bu nebija satiku?as. ?aj? telp? var?ja atrasties tikai
elektroni
, kuri savas maz?s masas d?? nebija sp?j?gi main?t alfa da?i?u virzienu. Tas noz?m?, ka visa atoma masa, kas novirz?ja alfa da?i?u pl?smu, bija koncentr?ju??s neliel? telpas da??, kuru Rezerfords nosauca par
atoma kodolu
.
Pie??ma, ka
atoms
un t? kodols ir sf?risks veidojums. T? r?diusu var?ja noteikt, zinot vielas
atoma
masu un bl?vumu. ?os lielumus var?ja izm?r?t eksperiment?li. Apr??in?tie r?diusi
atomam
bija robe??s no 0.53 * 10
-10
m (
?de?ra?a
atomam) un 1.5 * 10
-10
m (
ur?na
atomam). Rezult?t? tika pie?emts, ka norm?l? st?vokl? visu atomu r?diusi ir aptuveni 10
-10
m.
Tika apr??in?ti ar?
atoma kodolu
r?diusi. R?diusa garums bija aptuveni 10
-15
m. Tas noz?m?, ka atoma kodola r?diuss ir 10
5
reizes maz?ks par pa?a
atoma
r?diusu. Lai var?tu uzskat?mi sal?dzin?t kodola un atoma izm?rus, var iedom?ties - ja atoms ir lode ar r?diusu 1 km jeb 10
5
cm, tad kodola r?diuss ?aj? m?rog? b?s aptuveni 1 cm.
Atom? eso?o elektronu kust?ba pa orb?t?m
1903.g. ang?u fizi?is
D?. D?. Tomsons
bija izveidojis pirmo
atoma
modeli. P?c Tomsona mode?a teorijas atoma pozit?vais l?di?? ir izvietots vienm?r?gi pa visu t? tilpumu. Bet ?aj?
atom?
atrodas ar? negat?vie
elektroni
, kuri iedarbojoties uz pozit?vajiem l?di?iem, neitraliz?jot tos. ?aj?
atoma
model? nebija kodola, t?d?j?di
Ernesta Rezerforda
eksperiments bija pretrun? ar ?o modeli.
1911.g.
Ernests Rezerfords
, pamatojoties uz savu eksperimentu, izveidoja
atoma
modeli, kuru m?s paz?stam k? Rezerforda jeb
planet?ro atoma modeli
. Sal?dzin?jum? ar
Tomsona
izveidoto modeli, ?is modelis bija absol?t?ks.
?o modeli sauc par planet?ro modeli, t?d??, ka taj? eso?ie pozit?vie l?di?i atrodas
atoma kodol?
, bet t?
elektroni
ri??o ap kodolu, t?pat k?
kosmos?
plan?tas
ri??o ap
Sauli
.
Elektroniem
ap kodolu liek kust?ties pa orb?tu
centrtieces sp?ks
, bet starp pozit?vo kodolu un negat?vajiem
elektroniem
iedarbojas
elektriskais Kulona pievilk?anas sp?ks
. Tiek pie?emts, ka
atoms
norm?los st?vok?os ir elektroneitr?la sist?ma, t?d??, zinot kodol? eso?o pozit?vo l?di?u, var apr??in?t ap to ri??ojo?o
elektronu
negat?vo l?di?u.
Lai noteiktu
atoma
kodola l?di?u ir izveidotas da??das metodes, bet visas metodes ir devu?as vien?dus sl?dzienus, ka
atoma
kodola l?di?? ir vien?ds ar Z * e,
kur Z ? attiec?g? ??misk? elementa
atomskaitlis
p?c
Dmitrija Mende?ejeva
izveidot?s
??misko elementu periodisk?s tabulas
un
e ? ir pozit?vais l?di??, kur? ir vien?ds ar elektrona negat?vo l?di?u.
T?d?j?di atomos, kas sast?da elementus ar k?rtas numuru Z, ap kodolu ri??o Z elektroni :
?de?ra?a
atoma
ir viens Z;
h?lija
atom?
ir 2 Z;
litija
atom?
ir 3 Z utt..
Lietojot Rezerforda
atoma
modeli, tika konstat?tas vair?kas nepiln?bas, kurus nebija iesp?jams izskaidrot ar klasisk?s fizikas likumsakar?b?m. T?d?? 1913.gada d??u zin?tnieks
Nilss Bors
planet?ro modeli
papildin?ja ar saviem pie??mumiem jeb
postul?tiem
, ?os
postul?tus
, kurus nosauca par Bora postul?tiem, v?l?k pamatoja ar
kvantu meh?nikas
pal?dz?bu.
Bora postul?tus var formul?t ??di:
- Apk?rteso?ie
elektroni
ap atoma kodola var p?rvietoties tikai pa noteiktu trajektoriju jeb
orb?t?m
. Ja sanumur?tu ?de?ra?a atom?
stacion?r?s orb?tas
, s?kot no atoma kodola tuv?kaj?m orb?t?m, tad izveidotos orb?ta r?diusu attiec?ba k? orb?tu k?rtas skait?a kvadr?ti : r
1
:r
2
:r
3
....= 1:4:9:....
- Elektroni kustoties stacion?raj? orb?t?
elektromagn?tiskos vi??us
neabsorb? un neizstaro. Tas noz?m?, ka elektronam atrodoties stacion?raj? orb?t?, tam ir noteikta ener?ija.
Elektronu
ener?ija palielin?s no kodola tuv?k?s orb?tas l?dz t?l?kajai orb?tai eso?ajiem elektroniem.
- Elektronam
absorb?jot ener?iju, tas p?riet uz t?l?ko orb?tu, bet izstarojot, tas p?rvietojas uz tuv?ko orb?tu kodolam. Ir pie?emts, ka orb?tu ener?ijas v?rt?bas ir stingri noteiktas, t?d?? p?rej?m starp t?m ir stingri noteiktas ener?ijas v?rt?bas. Katr? p?rej? tiek izstarots vai absorb?ts viens
elektromagn?tisko vi??u
kvants
, t?d?j?di kvanta ener?ija ir vien?da ar elektrona ener?ijas izmai?u p?rej?.
E = E
n
? E
m
E - kvanta (fotona) ener?ija; E
n
un E
m
? elektrona ener?ijas attiec?ba uz orb?t?m n un m.
P?c
Maksa Planka
izveidot?s teorijas, kvanta ener?ija ir proporcion?la elektromagn?tisk? vi??a frekvencei:
E = hν
kur h ?
Planka konstante
un ν ? frekvence.
Atoms var absorb?t un izstarot tikai noteiktas frekvences jeb vi??a garuma elektromagn?tiskos vi??us. ?o frekvenci var apr??in?t, lietojot aug??j?s divas formulas :
ν = (E
n
? E
m
) / h
Atoma
absorbcijas spektrs
, kas veidojas starojuma absorbcijas proces?, un
emisijas spektrs
, kas veidojas emisijas proces?, ir
l?niju spektri
. T?d?j?di ar Bora postul?tiem tika nov?rsta planet?r? atoma mode?a pretrunas.
Absorbcijas un emisijas p?rejas atom?
Visvienk?r??kais no
atomiem
ir
?de?ra?a
atoms, t?d?? ar? ener?ijas
absorbcijas
un
emisijas
likumsakar?bas taj? var redz?t visspilgt?k. ?de?ra?a elektrisko ?aulu veido tikai viens
elektrons
. ?is vien?gais
elektrons
cen?as pie?emt st?vokli, kur? tam b?tu vismaz?k? ener?ija. ?is st?voklis atbilst
atoma kodola
vistuv?k?s orb?tas st?voklim, t?d?? to ar? sauc par norm?lo st?vokli.
Lai
elektrons
sp?tu p?riet no tuv?k?s orb?tas uz t?l?ko orb?tu, tam ir j?pievada t?ds daudzums ener?ijas, lai nodro?in?tu
elektrona
p?reju. Absorb?jot ?o ener?iju
atoms
ieg?st jaunu st?vokli, kuru sauc par ierosin?tu st?vokli. Ja
atomam
at?em
elektronu
, tad
atoms
p?rveidojas par pozit?vi l?d?tu
jonu
.
Atoms
, kur? ir ierosin?t? st?vokl?, nekad nepast?v ilg?k par 10
-8
s. P?c ?? perioda
elektrons
p?riet uz k?du atomam tuv?ku orb?tu, t?d?j?di emit?jot lielu daudzumu ener?ijas, kas bie?i tiek izstarots
elektromagn?tisko vi??u
veid?. Ir pier?d?ts, ka katrai p?rejai atbilst savs ener?ijas
kvants
un, t?d?? spektr? vien?die ener?ijas kvanti izveido vienu spektra l?niju, bet p?rejas, kas beidzas uz 1. orb?tas, veido spektra l?nijas s?rijas. Beidzoties uz 1. orb?tas, veidojas spektra l?niju s?rija, kuru sauc par Laimana s?riju. T? atrodas
ultraviolet? starojuma
spektra
apgabal? un vizu?li ir gr?ti nov?rojama.
Elektroni
, kas beidzas uz 2. orb?tas veido spektra l?nijas s?rijas. , kuru sauc par Balmeru s?riju. ??s spektra l?nijas ir vien?g?s kuras atrodas redzamaj? apgabal?, bet p?r?j?s, kuras beidzas uz 3., 4., 5. utt. orb?tas, atrodas
infrasarkano spektra
da?? un vizu?li nav nov?rojami.
Turpinoties p?t?jumiem, izr?d?j?s, ka Bora
atoma
modelis ar? ir nepiln?gs. P?c ?? mode?a var?ja tikai da??ji izskaidrot ?de?ra?a uzb?vi, bet ?is modelis nesp?ja izskaidrot sare???t?ku atomu uzb?vi. T?pat ar? Bora
postul?ti
nebija pamatojami ar
klasisk?s meh?nikas
metod?m.
Atoma
uzb?ves izskaidrojumu sniedza
kvantu meh?nika
, kurus rad?ja v?cu fizi?is
Verners Heizenbergs
, formul?jot
Heizenberga nenoteikt?bas principu
(1927.gad?), un austrie?u fizi?is
Erv?ns ?r?dingers
izstr?d?jot
?r?dingera vien?dojumu
(1926.gad?).
Kvantu meh?nika
m?sdienu fizi?iem un ??mi?iem sniedz apmierino?u pamatojumu par
atoma
mode?a strukt?ras veido?anos. T? izpratnei ir nepiecie?amas pla?as zin??anas matem?tik?.