Қазіргі атом физикасы
Қазақстан Республикасы Білім және Ғылым министрлігі
М.Өтемісов атындағы Батыс Қазақстан университеті
Қорғауға жіберілді
Физика кафедрасының
меңгерушісі_____Имангалиева Б.С
ДИПЛОМДЫҚ ЖОБА
Тақырыбы: Атом және атом ядросы пәні бойынша зертханалық практикум
5В011000 - Физика мамандығы
Орындаған: Айдынғали Г.А.
Аминов Б.К.
Құралбай А.Т.
Мұратова А.Р.
Тілеубергенова А.Ж.
Ғылыми жетекшісі: Жубанышова М.Н.
Орал
2022 жыл
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ
1.АТОМДЫҚ ФИЗИКА ТУРАЛЫ ЖАЛПЫ ТҮСІНІК
1.1 Атомдық физиканың шығу тарихы
1.2 Жалпы орта білім беретін мектептерде атомдық физиканың оқытылуы
1.3 ЖОО атомдық физиканың оқытылуы
2. Зертханалық жұмыстың алғышарттары
2.1 Атомдық физика курсындағы зертханалық құрылғылар
3. Атом және атом ядросы пәні бойынша зертханалық практикум
3.1 Зертханалық жұмыстарға әдістемелік нұсқаулық
3.1.1 Трек фотографияларын талдауға қажетті негізгі мәліметтер
3.1.2 Трек фотографиясы бойынша альфа - бөлшек әсерінен азот атомы ядросының ыдырауын анықтау
3.1.3 Зарядталған бөлшектердің тректерін анықтау
3.1.4 Трек фотографиясы бойынша бөлшек зарядының массаға қатынасын есептеу
3.1.5 Элементар бөлшектердің тіркеу әдістері
3.1.6 Электронның массасын және энергиясын анықтау
3.1.7 Элементар бөлшектердің серпімді соқтығысуы
3.1.8 Сәулеленудің кванттық табиғаты
3.1.9 Стробоскопиялық сурет бойынша серпімді соқтығыс кезіндегі энергияның және импульстің сақталу заңын зерттеу
3.1.10 Жұтылу және шығару спектрлерін зерттеу
3.1.11 Фотоэффект құбылысын зерттеу
3.1.12 Сыртқы фотоэффект құбылысын зерттеу. Планк тұрақтысын анықтау
3.1.13 Абсолют қара денені зерттеу
Қосымшалар
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
\
КІРІСПЕ
Дипломдық жобаның өзектілігі: Атом және атом ядросы пәні бойынша зертханалық практикумдағы негізгі физикалық құбылыстарды студенттердің өз бетімен игере алуына жағдай жасау, зертханалық құрылғылармен жұмыс істеп үйренуге дағдыландыру, физикалық шамаларды өлшеудің басты тәсілдерін түсіндіру, жасалған жұмыс нәтижелерін өңдеуге және алынған нәтижелердің дұрыстығын бағалай білуге машықтандыру.
Бүгінгі күнде физика өзінің заңдылықтарына бағынатын сандаған идеялар мен құбылыстарды зерттеу әдістерінің әртүрлілігімен, алынған нәтижелердің танымдылық теориясында алатын орнының ерекшелігімен математика-жаратылыстану ғылымдары бағдарлары арасындағы алдыңғы орындағы пәндердің бірі болып саналады.
Физикалық зерттеулердің түбегейлі мақсаты қоршаған ортаның заңдылықтарын және ашылған жаңалықтарды еліміздің экономикасын дамытуға, жаңа бағыттағы технологиялық үрдістерге қолдануға әрі техникада пайдалануға бағыттау қажет. Себебі, физика заңдылықтары көптеген техникалық ғылымдардың "іргетасын" құрайды. Мәселен, рентген сәулесі мен ультрадыбыстың техникаларда, денсаулық сақтау саласында және ғылыми-зерттеу жұмыстарында атқаратын қызметінің маңыздылығы өте зор екендігі бәрімізге мәлім. Атомдық энергияны алу жолдары мен оны қолдану атом электр станциясы (АЭС) арқылы жылу мен жарық энергиясын алуда, электротехника және физикамен қатар басқа да техникалық пәндермен өте тығыз байланыста. Өндіріс технологиясының деңгейі жаратылыстану бағыты ғылымдарының дамуымен анықталады. Физика мамандары өндіріс орындарын заман талабына сай өлшеуіш құралдарымен және қондырғылармен жабдықтаса, техниканың дамуы физикалық зерттеулердің экспериментальдық әдістерінің жаңаруына, құралдар мен қондырғылардың өлшеу дәлділіктерінің артуына әсерін тигізеді.
Жоғары оқу орындарында физиканы қазақ тілінде оқытудың деңгейін жоғарылату жаңа әдістемелік қиындықтар тудыруда. Оның ішіндегі күрделісі заман талабына сай оқулықтар мен оқу құралдарын жазу болып табылады. Жобаның нәтижесі - ұсынылып отырылған оқулықта жалпы физика курсының техникалық жоғары оқу орындарында өтілетін барлық бөлімдері қамтылған. Студенттер өтілген тақырыптарды жетік ұғынулары үшін әрбір тараудан соң оның практикалық маңыздылығына баса назар аударылып, мысалдар мен есептердің шығару жолдары көрсетілген.
Дипломдық жұмыс мақсаты: ғылым мен білім беру мазмұнында ЖОО оқытушыларына "Aтом және атом ядросы" пәні бойынша зертханалық жұмыстарды студенттерге жасап үйретуге көмектесу үшін зертхана мүмкіндіктерін пайдалануға нұсқаулық беру.
Зерттеу нысаны: ЖОО "Aтом және атом ядросы" бойынша зертханалық практикум курсын қолдану процесі.
Зерттеу пәні: Атом және атом ядросы.
Дипломдық жұмыс міндеттері:
1. Дипломдық жұмыс тақырыбы бойынша теориялық білімді жинақтау негізінде атомдық физика бөлімінің мәнін анықтау; оны зертхана жүзінде талдау.
2. Ғылыми-әдістемелік оқу құралдарынан алынған мәліметтер бойынша зертхана тақырыптарын талдау.
3. Атомдық физикада шамалардың дұрыс мәнін алу үшін зертханалық құрылғылардың жұмыс істеу принциптерін анықтау.
4. Оқытушы мен студенттердің дамыған материалды қолданудың электрондық ресурстары мен әдістерін жасау.
Тақырыпты зерттеу әдістері: теориялық талдау, синтез, зертханалық жұмысты жинақтау.
Осы дипломдық жұмысты жазу кезінде негізгі теориялық және әдістемелік көздері ретінде атомдық физика бойынша отандық оқулықтар, ЖОО-дарының зертханалық жұмыстары алынады.
Дипломдық жұмыс: кіріспеден, екі тараудан, қосымшалардан, қорытынды мен пайдаланылған әдебиеттер тізімінен тұрады.
1 АТОМДЫҚ ФИЗИКАНЫҢ НЕГІЗГІ ТҮСІНІГІ
1.1 Атомдық физиканың даму тарихы
Атомдық физика - атомдардың құрылысы мен қасиеттерін зерттейтін физиканың бөлімі. Атом физикасы 19 ғасырдың аяғы - 20 ғасырдың басында атом электр күштерімен байланысқан электрондар мен ядродан тұратындығы анықталған кезде пайда болды.
Атомдық физика өзінің дамуының алғашқы кезеңінде атом ядросының құрылысына қатысты мәселелерді қамтыды. 30-шы жылдардың өзінде атом ядросындағы өзара әрекеттесу сипаты атомның сыртқы қабығымен бірдей емес екендігі белгілі болды. 40-шы жылдары атом физикасы физика ғылымының жеке саласына айналды, ал 50-жылдары одан жаңа бағыт - жоғары энергетикалық физика немесе элементар бөлшектердің физикасы қалыптасты. [1]
Бөлінбейтін бөлшектер ретінде атомдардың болуы туралы идея ежелгі заманда қалыптасқан. Атомизм идеяларын алғаш рет ежелгі грек ойшылдары Эпикур мен Демокрит білдірген. 17 ғасырда олар П.Гассенди мен ағылшын химигі Р.Бойлдың қатысуымен қайта жанданды. 17 - 18 ғасырларда болған атомдар туралы идеялар нашар анықталған.
Ол кезде атомдар өзгермейтін және бөлінбейтін бөлшектер деп саналды, олар бір-бірінен тек мөлшері мен формасымен ерекшеленді. Атомдардың бір немесе басқа тәртіпте үйлесуі әртүрлі денелерді құрады, ал атомдардың қозғалысы олардың ішінде болған процестерден туындады. Көптеген ғалымдар атомдар корпускулалар деп аталатын күрделі бөлшектерге қосыла алады деп сенді. Бірақ атомдарға арнайы химиялық және физикалық қасиеттер берілмеген. Сол кездегі атомистика табиғатта абстрактілі болды. [1]
18 ғасырдың аяғында химияның қарқынды дамуына байланысты атом физикасының сандық дамуына негіз қаланды. 1803 жылы ағылшын ғалымы болған Дж.Дальтон алдымен атомды массасы жағынан басқа атомдардан ерекшеленетін химиялық элементтердің ең кіші бөлшегі деп санай бастады. Дальтон атом массасы атомның негізгі сипаттамасы деп санады. Ол барлық химиялық қосылыстар - әр элементтің белгілі бір мөлшердегі атомдары бар күрделі атомдардың жиынтығы деп санады. [1]
Барлық химиялық реакциялар - бұл атомдарды жаңа, күрделі қатынастарға қайта құру. Итальяндық ілім көптеген зерттеулер жүргізу барысында молекула мен атом арасында айқын сызық жүргізді. [1]
19 ғасырда атомдардың химиялық қасиеттерімен бірге олардың оптикалық қасиеттері зерттелді. Сол кезде әр элементтің өзінің оптикалық спектрі болатындығы анықталды. Сондықтан 1860 жылы неміс физиктері Г.Кирхгоф пен Р.Бунсен спектрлік анализді ашты.
Содан кейін атом белгілі бір химиялық және физикалық қасиеттерге ие бөлшек ретінде әрекет етті. Алайда атомның қасиеттері түсініксіз болып саналды. Сонда атомдардың саны кездейсоқ және олардың арасында байланыс жоқ деп есептелді. Алайда уақыт өте келе химиялық қасиеттері бірдей элементтердің белгілі бір топтары бар екені анықталды:
Бірдей валенттілік;
Олардың физикалық қасиеттерінің өзгеруінің ұқсас заңдары: сығылу, балқу температурасы және басқалары. [2]
Д.И.Менделеев 1869 жылы элементтердің периодтық жүйесін жасап, құрды. Ол элементтің атомдық массасының артуымен оның физикалық және химиялық қасиеттері қайталанады деген пікір айтты. Бұл Менделеевтің элементтердің периодтық жүйесі әр түрлі атомдар арасындағы байланыстың бар екендігін дәлелдеді. Бұдан атомдар атомдық массаның өзгеруімен бірге өзгере алатын күрделі құрылымға ие болады. Атом құрылымын ашу физика мен химияның негізгі проблемасы болып табылады. [2
Атомдық физика бастау алатын ғылымдағы маңызды оқиға радиоактивтілік пен электронды ашу болды.
Сирек газдар арқылы электр тогының пайда болуын зерттеу процесінде разряд түтігінің катодынан шыққан сәулелер болды. Бұл катодтық сәулелер электрондар деп аталатын теріс зарядталған бөлшектерден тұратындығы анықталды.
1897 жылы физик Дж.Томсон осы бөлшектердің зарядының олардың массасына қатынасын өлшеді. Сондай-ақ, металдар қатты қыздырғанда электрондар шығаратыны анықталды. [2]
Осыған сүйене отырып, электрондар барлық атомдардың ажырамас бөлігі болып табылады деген қорытындыға келді. Бейтарап атомдарда оң зарядталған бөлшектер де болуы керек. Электр зарядтарын зерттеу кезінде оң зарядталған атомдар табылды. [2]
Голланд физигі Х.Лоренцтің теориясы атом туралы идеяны зарядталған бөлшектер жүйесі деп түсіндірді: атомішілік зарядтардың тербелісі барысында электромагниттік сәулелену пайда болады.
Бұл магнит өрісінің атом спектрлеріне әсерін зерттеу арқылы расталды. Француз ғалымдары М.Склодовска-Кюри мен П.Кюри атомның бөлінбейтіндігі туралы идеяны ақыры жоққа шығарды. [3]
Радиоактивтілікті зерттеу барысында атомдар екі түрге өзгеретіні анықталды:
:: альфа-бөлшек шығарған кезде элементтің атомы Менделеевтің периодтық жүйесінде сол жақта екі жасушада орналасқан басқа радиоактивті химиялық элементтің атомына айналады. Мысалы, сутегі атомы қорғасын атомына айналады.
:: бөлшегі шыққан кезде радиоактивті химиялық элементтің атомы оң жақта бір ұяшықта орналасқан атомға айналады. Мысалы, висмут атомы полоний атомына айналады.
Атомның қасиеттері мен радиоактивтілігін зерттеу нәтижелерінің арқасында оның нақты модельдері құрылды. 1903 жылы Томсон атом электрондар тоғысқан оң зарядталған сфера ретінде ұсынылған модель ұсынды. Олар тарту күштері олардың өзара итерілу күштерімен жетілдірілгендіктен, атомда ұсталды.
Томсонның моделі жарық шығару, жұту және шашырау мүмкіндіктерін көпшілікке түсіндірді. Электрондар ығыстырылған кезде тепе-теңдік орнатуға ұмтылған серпімділік күші пайда болды. Бірақ Томсонның моделі қанағаттанарлықсыз болды. Оның негізінде альфа-бөлшектердің атомдармен шашырауына эксперименттер жүргізген ағылшын физигі Резерфордтың нәтижесін түсіндіруге болады. Алайда планеталық модель кейбір қиындықтарға тап болды. [3]
Классикалық электродинамика бойынша зарядталған бөлшек электромагниттік энергияны үздіксіз сәулелендіреді. Сондықтан ядро айналасында қозғалған электрондар өз энергиясын үнемі сәулеленуге жұмсауға мәжбүр болды. Резерфорд моделі негізінде фотоэлектрлік құбылыстардың және сәулеленудің химиялық затпен әрекеттесуі кезінде пайда болатын жылу сәулесінің заңдылықтарын түсіндіруге болады. Алайда атомдық физиканың тарихы осы мысалдармен аяқталмайды, өйткені ол бүгінгі күнге дейін даму сатысында. [3]
Томсонның атом моделі қанағаттанарлықсыз болып шықты. Оның негізінде ағылшын физигі Э.Резерфорд пен оның әріптестері Х.Гейгер мен Э.Марсденнің - бөлшектердің атомдармен шашырауына қатысты эксперименттерінің мүлдем күтпеген нәтижесін түсіндіру мүмкін болмады. Бұл тәжірибелерде жылдам альфа-бөлшектер атомдарды тікелей зондтау үшін қолданылды.
Зат арқылы өтетін а-бөлшектер атомдармен соқтығысады. Әр соқтығысу кезінде атомның электр өрісі арқылы өтетін а-бөлшек қозғалыс бағытын өзгертеді - ол шашырауға ұшырайды.
Шашырау оқиғаларының басым көпшілігінде -бөлшектерінің ауытқуы (шашырау бұрыштары) өте аз болды. Демек, - бөлшектер сәулесі материяның жұқа қабаты арқылы өткенде, сәуленің шамалы бұлыңғырлығы ғана пайда болды. Алайда альфа-бөлшектердің өте аз бөлігі 90 ° -тан астам бұрышта ауытқып кетті. [3]
Бұл нәтижені Томсон моделі негізінде түсіндіру мүмкін емес, өйткені қатты атомдағы электр өрісі жылдам және массивті - бөлшекті үлкен бұрышқа бұруға жеткіліксіз.
Резерфорд - бөлшектерінің шашырауына арналған эксперименттердің нәтижелерін түсіндіру үшін құрылымы бойынша Күн жүйесіне ұқсас және планетарлық деп аталатын атомның принципиалды жаңа моделін ұсынды. Бұл келесідей. Атомның ортасында оң зарядталған ядро орналасқан, оның өлшемдері атомның өлшемдерімен салыстырғанда өте аз, ал массасы шамамен атомның массасы тең.
Электрондар Күн айналасындағы планеталар сияқты ядро бойымен қозғалады; зарядталмаған бейтарап атомдағы электрондар саны, олардың жалпы теріс заряды ядроның оң зарядын өтейді (бейтараптайды). Электрондар ядро айналасында қозғалуы керек, әйтпесе олар тартылыс күштерінің әсерінен оған түсіп кетуі мүмкін еді. [3]
Атомның планеталар жүйесінен айырмашылығы - соңғысында тартылыс күштері, ал атомда электрлік (кулондық) күштер әсер етеді. Ядроның жанында өте күшті электр өрісі бар, оны нүктелік оң заряд деп санауға болады.
Сондықтан ядро маңында ұшып, оң зарядталған -бөлшектер (гелий ядролары) қатты ауытқуды бастан кешіреді. Кейіннен (Г.Мозли) ядроның заряды бір химиялық элементтен екінші химиялыққа электронның зарядына тең зарядтың элементар бірлігімен өсетіндігі анықталды Электрондық зарядтың бірліктерімен өрнектелген атом ядросының заряды сандық түрде периодтық жүйеде сәйкес элементтің реттік санына тең.
Планетарлық модельді сынау үшін Резерфорд және оның серіктесі Ч.Дарвин Кулон күштерінің орталығы - нүктелік ядросымен шашыраған а-бөлшектерінің бұрыштық таралуын есептеді. Нәтиже әр түрлі бұрыштарда шашыраған а-бөлшектердің санын өлшеу арқылы эмпирикалық түрде тексерілді. Тәжірибенің нәтижелері теориялық есептеулермен дәл сәйкес келді, осылайша Резерфордтың атомның планетарлық моделін керемет түрде растады. [4]
Алайда атомның планетарлық моделі түбегейлі қиындықтарға тап болды. Классикалық электродинамикаға сәйкес үдеумен қозғалатын зарядталған бөлшек электромагниттік энергияны үздіксіз шығарады. Демек, ядроның айналасында қозғалатын электрондар, яғни үдемелі, сәулелену үшін энергияны үздіксіз жоғалтуға тура келеді. Бірақ сонымен бірге, олар өздерінің кинетикалық энергиясын секундтың шамалы бөлігінде жоғалтып, ядроға түсіп кетер еді. Сәулеленумен байланысты тағы бір қиындық келесіден тұрды: егер біз (классикалық электродинамикаға сәйкес) электрон шығаратын жарықтың жиілігі электронның атомдағы тербеліс жиілігіне тең (яғни, егер ол өз орбитасында айналымды бір секунд ішінде жасаса) немесе оның еселігі болса, онда электрондар ядроға жақындаған кезде шығарылатын жарық өзінің жиілігін үздіксіз өзгертіп отыруы керек, ал ол шығаратын жарық спектрі болуы керек. Бірақ бұл тәжірибеге қайшы келеді. [4]
Атом белгілі бір жиіліктегі белгілі химиялық жиілікке тән жарық толқындарын шығарады және бөлек спектрлік сызықтардан тұратын спектрмен сипатталады - сызықтық спектр. Элементтердің сызықтық спектрлерінде бірқатар заңдылықтар тәжірибе жүзінде орнатылды, оның біріншісін швейцариялық ғалым И.Бальмер сутегі спектрінде ашты (1885). Ең жалпы заңдылық - үйлесімділік қағидасын австриялық ғалым В.Ритц (1908) тапты.
Сонымен, Резерфордтың атом моделі аясында атомның радиацияға қатысты тұрақтылығы және оның сәулеленуінің сызықтық спектрлері түсіндірілмеді. Оның негізінде жылулық сәулелену заңдарын да, сәулеленудің заттармен әрекеттесу кезінде пайда болатын фотоэлектрлік құбылыстарды да түсіндіруге болмады. Бұл заңдарды неміс физигі М.Планк алғаш енгізген (1900) мүлдем жаңа - кванттық тұжырымдамалар негізінде түсіндіру мүмкін болды.
Термиялық сәулелену спектрінде энергияның таралу заңын шығару үшін - қыздырылған денелердің сәулеленуі - Планк заттың атомдары электромагниттік энергияны (жарықты) бөлек бөліктер түрінде шығарады деп ұйғарды, олардың энергиясы пропорционалды (сәулелену жиілігі): мұндағы - кванттық теорияның тұрақты сипаттамасы және Планк константасы деп аталады. 1905 жылы А.Эйнштейн фотоэлектрлік құбылыстардың кванттық түсініктемесін берді, осыған сәйкес кванттық энергиясы металдан электронды шығаруға кетеді - шығу жұмысы - және оған кинетикалық энергия бөлу; Сонымен бірге Эйнштейн жарық кванттары ұғымын бөлшектердің ерекше түрі ретінде енгізді; бұл бөлшектер кейінірек фотондар деп аталды. [5]
Резерфорд моделінің қайшылықтарын классикалық физиканың бірқатар таныс түсініктерінен бас тарту арқылы ғана шешуге болатын болып шықты. Атом теориясының құрылысындағы ең маңызды қадамды дат физигі Н.Бор жасады (1913).
Бор атомының теориясының дамуы. Бор теориясының өте маңызды нәтижесі сутегі атомының спектрін түсіндіру болды. Атомдық спектрлер теориясының дамуындағы келесі қадамды неміс физигі А.Соммерфельд жасады. Кванттау ережелерін егжей-тегжейлі дамыта отырып, атомдардағы электрондар қозғалысының күрделі суретінен (эллиптикалық орбиталар бойымен) және сыртқы (валенттілік деп аталатын) электронның өріс скринингін ескере отырып ядро және ішкі электрондар, ол сілтілік металдар спектрлеріндегі бірқатар заңдылықтарды түсіндіре алды.
Бор атомы туралы теория рентгендік спектрлер деп аталатын құрылымға жарық түсірді. Атомдардың рентгендік спектрлері, олардың оптикалық спектрлері сияқты, берілген элементке тән дискретті сызықтық құрылымға ие. Ағылшын физигі Х.Мозли әр түрлі элементтерге тән рентгендік спектрлерді зерттей отырып, келесі заңдылықты ашты: Менделеевтің бүкіл периодтық жүйесі бойынша элементтің атомдық нөмірне пропорционалды түрде шығарылған сызықтар жиіліктерінің квадрат түбірлері элементтен элементке біркелкі өседі. Қызықты факт - Мосли заңы Менделеевтің дұрыстығын толығымен растады, ол кейбір жағдайда элементтерді кестеге атомдық салмақты жоғарылату арқылы орналастыру принципін бұзып, кейбір ауыр элементтерді жеңіл элементтерден жоғары қойды. [5]
Бор теориясының негізінде атомдар қасиеттерінің периодтылығын түсіндіруге мүмкіндік туды. Күрделі атомда ішкі қабықтан бастап электрондардың белгілі бір сандарымен дәйекті түрде толтырылатын электрон қабықтары пайда болады. Сыртқы электрон қабаттарының құрылымы мезгіл-мезгіл қайталанады, бұл периодтық жүйенің бір тобында орналасқан элементтердің химиялық және көптеген физикалық қасиеттерінің периодты қайталануын анықтайды. Бор теориясының негізінде неміс химигі В.Коссель (1916) гетерополярлы молекулалар деп аталатын химиялық өзара әрекеттесулерді түсіндірді. [5]
Алайда, атом теориясының барлық сұрақтарын Бор теориясының модельдік тұжырымдамалары негізінде түсіндіруге болмады. Ол спектрлер теориясының көптеген мәселелерін шеше алмады, бұл тек сутегі атомы мен сутегі тәрізді атомдардың спектрлік сызықтарының жиіліктерінің дұрыс мәндерін алуға мүмкіндік берді, ал бұл сызықтардың интенсивтілігі түсініксіз болып қалды; Бор интенсивтілікті түсіндіру үшін сәйкестік принципін қолдануға мәжбүр болды.
Сутегі атомына қарағанда күрделі атомдардағы электрондардың қозғалысын түсіндіруге көшкен кезде Бор модельдік теориясы тұйыққа тірелді. Қазірдің өзінде ядроның айналасында 2 электрон қозғалатын гелий атомы оның негізінде теориялық интерпретациядан бас тартты. Қиындықтар тәжірибемен сандық сәйкессіздіктермен шектелмеген. Теория атомдарды молекулаға біріктіру сияқты мәселені шешуде дәрменсіз болып шықты. Неліктен сутектің 2 бейтарап атомы бірігіп сутек молекуласын түзеді? Жалпы валенттілік табиғатын қалай түсіндіруге болады? Қатты дененің атомдарын не байланыстырады? Бұл сұрақтар жауапсыз қалды. Бор моделі шеңберінде оларды шешуге көзқарас табу мүмкін болмады.
Атомның кванттық-механикалық теориясы. Бор атомының моделінің шектелуі микробөлшектер қозғалысының классикалық тұжырымдамаларын шектеуге негізделген. Атом теориясының одан әрі дамуы үшін микробөлшектердің қозғалысы мен өзара әрекеттесуі туралы негізгі түсініктерді сыни тұрғыдан қайта қарау қажет екендігі айқын болды. Кванттау шарттарын қосумен классикалық механикаға негізделген модельдің қанағаттанарлықсыз сипатын Бордың өзі анық түсінді, оның көзқарастары атом физикасының одан әрі дамуына үлкен әсер етті. Атом физикасы дамуының жаңа кезеңінің басталуы француз физигі Луи де Бройльдің (1924) микро-объектілердің, атап айтқанда электронның қозғалысының қос табиғаты туралы айтқан идеясы болды. Бұл идея 1925-26 жылдары В.Гейзенберг пен М.Борн (Германия), Э.Шредингер (Австрия) және П.Дирак (Англия) еңбектерімен құрылған кванттық механиканың бастапқы нүктесі болды, ал қазіргі квант- оның негізінде дамыған атомның механикалық теориясы. [6]
Электронның (жалпы микробөлшектің) қозғалысы туралы кванттық механикадағы түсініктер классикалықтардан түбегейлі ерекшеленеді. Кванттық механиканың пікірінше, электрон траектория (орбита) бойымен қатты шар тәрізді қозғалмайды; электронның қозғалысы толқындардың таралуына тән кейбір ерекшеліктерге де ие. Бір жағынан, электрон әрқашан (мысалы, қақтығыстарда) бүтіндей, заряды мен массасы бөлінбейтін бөлшек ретінде әрекет етеді; сонымен бірге белгілі бір энергиясы мен импульсі бар электрондар белгілі жиілікпен (және белгілі бір толқын ұзындығымен) жазық толқын сияқты таралады. Бөлшек ретіндегі Е электронының энергиясы электрон толқынының жиілігіне қатынасымен байланысты: , және оның импульсінің - l толқын ұзындығымен қатынасы:
Шредингер (1926) көрсеткендей атомдағы электронның тұрақты қозғалыстары, кейбір жағынан амплитудасы әр түрлі нүктелерде болатын тұрақты толқындарға ұқсас. Сонымен бірге, тербелмелі жүйедегідей атомда да, кейбір энергияның, бұрыштық импульс пен атомдағы электронды сәттің проекциясы мәндерімен таңдалатын қозғалыстар ғана мүмкін. Атомның әр стационар күйі белгілі бір толқындық функциямен сипатталады, бұл ерекше типтегі толқындық теңдеудің шешімі - Шредингер теңдеуі; толқындық функция электрон бұлтына сәйкес келеді, ол атомдағы электрон зарядының тығыздығының таралуын сипаттайды (орта есеппен). 20-30 жылдары электрондардың заряд тығыздығының күрделі атомдарда таралуын есептеудің шамамен әдістері, атап айтқанда Томас - Ферми әдісі (1926, 1928) жасалды. Бұл мән және онымен байланысты мән деп аталады. атом факторы электрондардың атомдармен соқтығысуын, сонымен қатар олардың рентген сәулелерінің шашырауын зерттеуде маңызды. [6]
Кванттық механика негізінде Шредингер теңдеуін шешу арқылы күрделі атомдардағы электрондардың энергияларын дұрыс есептеу мүмкін болды. Мұндай есептеулердің шамамен алынған әдістерін 1928 жылы Д.Хартри (Англия) және 1930 жылы В.А.Фок (КСРО) жасады. Атомдық спектрлерді зерттеу атомның кванттық механикалық теориясын толығымен растады. Электронның атомдағы күйі оның спиніне - импульстің меншікті механикалық моментіне тәуелді екен. Сыртқы электр және магнит өрістерінің атомға әсер етуі туралы түсіндірме берілді. Электронның айналуына байланысты маңызды жалпы қағиданы швейцариялық физик В.Паули ашты (1925), осы қағидаға сәйкес атомның әрбір электронды күйінде бір ғана электрон болуы мүмкін; егер берілген күйді әлдеқашан бір электрон иеленсе, онда келесі электрон, атомның бөлігі бола отырып, басқа күйді иеленуге мәжбүр болады. Паули принципіне сүйене отырып, элементтердің қасиеттерінің периодтылығын анықтайтын күрделі атомдардағы электрон қабаттарының толтыру сандары түпкілікті құрылды. Кванттық механикаға сүйене отырып, неміс физиктері В.Гейтлер мен Ф.Лондон (1927) екі бірдей атомның гомеополярлық химиялық байланысы деп аталатын теорияны (мысалы, Н2 молекуласындағы сутегі атомдары) берді, оны атомның Бор моделі аясында түсіндіруге болмайды. [6]
Кванттық механиканың 1930 жылдардағы және одан кейінгі кезеңдердегі маңызды қосымшалары молекуланы немесе кристалды құрайтын байланысқан атомдарды зерттеу болды. Молекуланың құрамына кіретін атом күйлері еркін атом күйлерінен айтарлықтай ерекшеленеді. Сондай-ақ, атом кристаллішілік өрістің әсерінен кристалда айтарлықтай өзгерістерге ұшырайды, оның теориясын алғаш Х.Бет (1929) жасаған. Осы өзгерістерді зерттей отырып, атомның қоршаған ортамен өзара әрекеттесу сипатын орнатуға болады. Атомдық физиканың осы саласындағы ең үлкен эксперименталды жетістік болып 1944 жылы Э.К.Завоискийдің электрондар парамагнитті резонансын ашуы болды, бұл атомдар мен қоршаған орта арасындағы түрлі қатынастарды зерттеуге мүмкіндік берді. [6]
Қазіргі атом физикасы. Қазіргі атом физикасының негізгі салалары - атом теориясы, атомдық (оптикалық) спектроскопия, рентгендік спектроскопия, радиоспектроскопия (ол молекулалардың айналу деңгейлерін де зерттейді), атомдық және иондық соқтығысулар физикасы. Спектроскопияның әр түрлі бөлімдері сәулелену жиілігінің әр түрлі диапазонын және сәйкесінше кванттық энергияның әр түрлі диапазонын қамтиды.
Атом физикасының ең маңызды міндеті - атом күйлерінің барлық сипаттамаларын егжей-тегжейлі анықтау. Біз атом энергиясының мүмкін болатын мәндерін - оның энергетикалық деңгейлерін, бұрыштық импульс мәндерін және атом күйлерін сипаттайтын басқа шамаларды анықтау туралы айтып отырмыз. Энергетикалық деңгейлердің жұқа және гиперфиндік құрылымдары, электр және магнит өрістерінің әсерінен энергия деңгейінің өзгеруі - сыртқы, макроскопиялық және ішкі, микроскопиялық зерттеледі. Электронның энергия деңгейіндегі өмір сүру уақыты сияқты атом күйлерінің сипаттамасы өте маңызды. Сонымен, атом спектрлерін қоздыру механизміне көп көңіл бөлінеді. [7]
Атом физикасының әр түрлі салалары зерттейтін құбылыстардың салалары бір-бірімен сәйкес келеді. Рентген сәулелерінің сәулеленуі мен сіңуін өлшеу арқылы рентгендік спектроскопия негізінен ішкі электрондардың атом ядросымен байланыс энергиясын (иондану энергиясы), электр өрісінің атом ішіндегі таралуын анықтауға мүмкіндік береді. Оптикалық спектроскопия атомдар шығаратын спектрлік сызықтардың жиынтығын зерттейді, атомның энергетикалық деңгейлерінің сипаттамаларын, спектрлік сызықтардың интенсивтілігін және қозған күйдегі атомның онымен байланысты өмір сүру уақытын, электр және магнит өрістерінде энергия деңгейлерінің ұсақ құрылымын, олардың орын ауыстыруы мен бөлінуін анықтайды. Радио спектроскопия спектрлік сызықтардың ені мен формасын, олардың гиперфиналық құрылымын, магнит өрісіндегі ығысуы мен бөлінуін, және өте әлсіз өзара әрекеттесу мен ортаның әсерінен туындайтын атомішілік процестерді егжей-тегжейлі зерттейді. [7]
Жылдам электрондар мен иондардың атомдармен соқтығысу нәтижелерін талдау атомның ішіндегі электрон зарядының тығыздығының таралуы, атомның қозу энергиясы және иондануы туралы ақпарат алуға мүмкіндік береді.
Атомдардың құрылымын егжей-тегжейлі зерттеу нәтижелері физиканың көптеген салаларында ғана емес, сонымен қатар химия, астрофизика және басқа ғылым салаларында кеңінен қолданылады. Спектрлік сызықтардың кеңеюі мен ығысуын зерттеу негізінде ортадағы жергілікті өрістер туралы (сұйық, хрусталь), осы өзгерістерді және осы ортаның күйін (температура, тығыздық және т.б.) пайымдауға болады.
Атомдағы электрондар заряды тығыздығының таралуы және оның сыртқы өзара әрекеттесу кезіндегі өзгерістері туралы білім атом түзе алатын химиялық байланыстың түрін, ионның кристалдық тордағы әрекетін болжауға мүмкіндік береді.
Атомдар мен иондардың энергетикалық деңгейлерінің құрылымы мен сипаттамалары туралы ақпарат кванттық электроника құрылғылары үшін өте маңызды. Қақтығыстардағы атомдар мен иондардың әрекеті - олардың иондануы, қозуы және заряд алмасуы - плазма физикасы үшін өте қажет. Астрофизика үшін атомдардың энергетикалық деңгейлерінің, әсіресе көбейтілген ионданған деңгейлерінің егжей-тегжейлі құрылымын білу маңызды.
Сонымен, атом физикасы физиканың басқа салаларымен және басқа жаратылыстану ғылымдарымен тығыз байланысты. Атом физикасы жасаған атом туралы түсініктердің де идеялық маңызы зор. Атомның тұрақты болуы әр түрлі заттардың тұрақтылығын, химиялық элементтердің табиғи жағдайдағы қайтымсыздығын, мысалы, жер бетінде жиі кездесетін температура мен қысым кезінде түсіндіреді. Атомның икемділігі, оның қасиеттері мен күйлерінің өзгеруі, ол пайда болған сыртқы жағдайлардың өзгеруімен, күрделі жүйелердің пайда болу мүмкіндігін, сапалық тұрғыдан ерекше, олардың ішкі ұйымдастырылуының әртүрлі формаларын иемдену мүмкіндігін түсіндіреді. Антикалық және қазіргі заманда болған және атомизмді сынауға негіз болған өзгермейтін атомдар идеясы мен заттардың сапалық әртүрлілігі арасындағы қайшылық осылайша шешімін табады. [8]
1.2 Орта мектепте атомдық физиканы оқытылуы
Физика бізге қоршаған заттардың барлығы атомдардан тұратыны туралы түсінік береді, табиғатта болатын процестер мен заңдылықтарды түсінуге мүмкіндік береді.
Жалпы білім беретін мектеп оқушыларының Атомдық физика бөлімін оқуы олар болашақта физикалық бағдармен жоғары оқу орындарына түсу кезінде кездесетін күрделі пәндерді түсіну үшін маңызды.
Оқытудың қиындығы атом физикасындағы нақты тәжірибелерді көрсетудің шектелуіне байланысты. Мұның себебі - эксперименттердің көпшілігі адам ағзасына зиянды әсер етуі мүмкін, ал мектептер әртүрлі инциденттерді болдырмау үшін барлық шаралар мен сақтық шараларын толық қолдана алмайды .
Атомдық физиканы зерттеу процесінде мектептің профиліне байланысты: атомның құрылымы, протон, нейтрон, электрон, атом ядросының құрамы, радиоактивтілік, ядролық бөліну және тағы басқалар сияқты түсініктер қаралады. [9]
Осы түсініктердің барлығы өте маңызды, өйткені олардың негізінде оқушылар арасында қоршаған әлем туралы кеңейтілген дүниетаным қалыптасады. Көптеген негізгі физика оқулықтарында жетілдірілген сұрақтар бар. Осы мақсатта біз тақырыптарды ұсынамыз:
Фотоэффект құбылысы.
Фотоэффект құбылысы жарықтың кванттық түсініктерін құруға түрткі болды. Фотоэффекттің мәні - атомдардың жарық әсерінен иондану қабілеті (1-суретті қараңыз).
1-сурет.
Іс жүзінде фотоэффектті газдарда емес, (біз мұнда таза құбылыспен, электрондарды атомдардан тікелей бөлумен айналысамыз), металдарда байқау ыңғайлы. Металда валенттік электрондар ұжымдастырылып, иондардан тұратын кристалдық торды толтыратын өзіндік электронды газды құрайды. Бірақ металдағы электронды газ құлыптаулы: металдың бетіне жақын жерде электрондарға сыртқа шығуға мүмкіндік бермейтін күштер әсер етеді. Олар металдың бетіне жақын жерде металдың ішіндегі электрондарды ұстап тұратын әлеуетті тосқауыл бар дейді. Металлдан газ тәріздес электронды тартып алу үшін оған (электронға) ықтимал тосқауылды жеңу үшін қажет қосымша, жеткілікті үлкен қуат беру керек.
Жарықтың толқындық теориясы фотоэффектті түсіндіре ала ма? Бір қарағанда, иә, түсіндіре алатын сияқты. Жарық толқыны металдың бетіне түскенде, бетке жақын орналасқан электрондар толқынның айнымалы электромагниттік өрісіне түсіп, электромагниттік күштердің әсерінен энергияны көбейтіп, үдей бастайды. Бірте-бірте олардың энергиясы соншалықты керемет болып шығады, сондықтан әлеуетті тосқауылды жеңуге жеткілікті, ал электрондар металдан жарылып шығады. Алайда берілген түсініктеме сапалы болып табылады. Физика мұндай түсіндірулермен қанағаттанбайды. Түсіндіруді экспериментпен сандық келісімге келтіру керек, яғни, физикалық құбылыстың сандық заңдылықтарын растау үшін есептеу арқылы. Толқындық теорияға негізделген фотоэффекттің сандық түсініктемесі қанағаттанарлықсыз. [10]
Ең қарапайымнан бастайық. Көрсетілген көзқарас бойынша, электромагниттік толқындағы электронның қалқуы үшін энергияның қажетті мәніне дейін белгілі бір уақыт қажет. Бұл уақытты болжауға болады. Есептеу не береді? Бұл электрондарды айдауға бір минуттай уақыт кететінін көрсетеді! Фотоэффект металдың бетіне жарық түскен бойда басталатыны тәжірибеден белгілі.
Металдан шыққан электрондар қандай да бір қалдық энергиясын алып жүреді. Бұл энергияны өлшеу оңай (мысалы, электр өрісін қолдана отырып). Жоғарыда келтірілген түсініктеме бойынша электрондар оның амплитудасы неғұрлым көп болса толқыннан көбірек энергия алу керек (демек, қарқындылық!). Электрондар су бетіндегі қалқыма тәрізді. Толқын неғұрлым жоғары болса, жүзгіштердің соғұрлым көп энергиясы болады. Тәжірибе көрсеткендей, металдан шыққан электрондардың энергиясы жарықтың қарқындылығына толық тәуелді емес. Біздің түсіндірмеміз қайтадан сәтсіздікке ұшырады. Шыққан электрондардың энергиясы, түсетін жарықтың жиілігіне байланысты. Бұл тәуелділік қатаң сызықтық болып табылады. Жарықтың толқындық теориясы тұрғысынан бұл факт те түсініксіз.
Осылайша, классикалық электродинамика, жарықтың әдеттегі толқындық теориясы фотоэффект туралы қанағаттанарлық түсініктеме бере алмайды. Бірақ қара сәулелену заңдары жарықтың толқындық теориясынан алыстап кетуі мүмкін және кетуі керек деп болжанады. [10]
Фотоэффект заңдары:
Фотоэлектрлік эффекттің 1-ші заңы: берілген жиілікте уақыт бірлігінде металл бетінен жарық шығаратын электрондар саны металды жарықтандыратын жарық ағынына тура пропорционал.
Фотоэффектінің 2-ші заңы: жарық шығарған электрондардың максималды кинетикалық энергиясы жарық жиілігіне қарай сызықтық өседі және оның қарқындылығына тәуелді емес.
Фотоэффекттің 3-ші заңы: әр зат үшін фотоэффекттің қызыл шекарасы бар, яғни, фотоэффект әлі мүмкін болатын жарықтың минималды жиілігі (немесе толқын ұзындығы) және егер түсетін жарықтың жиілігі осы мәннен аз болса, онда фотоэффект енді пайда болмайды.
Бұл заңдарға теориялық түсініктемені 1905 жылы Эйнштейн берген. Оның айтуынша, электромагниттік сәулелену дегеніміз - әрқайсысы энергиясы болатын жеке кванттардың (фотондардың) ағыны, мұндағы - Планктың тұрақтысы. Фотоэффект жағдайында металл бетінен түскен электромагниттік сәулеленудің бір бөлігі шағылысады және оның бір бөлігі металдың беткі қабатына еніп, сол жерде сіңеді. Фотонды сіңіріп, электрон одан энергия алады және жұмыс функциясын орындай отырып, металдан кетеді:
мұндағы - шыққан электронның массасы; - бұл электронның жылдамдығы.
2. Атомдық физиканы зерттеудегі тәжірибелер.
Демонстрациялық эксперимент физика курсының экспериментальды компоненті болуы керек. Әдетте, барлық негізгі физикалық түсініктерді эксперимент арқылы көрсету керек. Теориялық презентация кезінде және физикалық құбылысты көрсететін жақсы демонстрациялық тәжірибе жаттығудың бастапқы кезеңінде жиі туындайтын физикаға деген формальды тәсілді жеңуге мүмкіндік береді. [13]
Көрнекі тәжірибелер, белгілі болғандай, бұрын жинақталған алдын-ала идеяларды қалыптастырады, олар физиканы оқудың басында барлық оқушылар үшін бірдей және мінсіз болмайды. Физиканы оқу барысында бұл тәжірибелер жинақталып, оқушылардың ой-өрісін кеңейтеді.
Олар жаңа физикалық құбылыстар мен процестер туралы бастапқы идеяларды туғызады, заңдылықтарды ашады, зерттеу әдістерін енгізеді, кейбір жаңа құрылғылар мен қондырғылардың құрылымы мен жұмысын көрсетеді және физикалық заңдылықтарды іс жүзінде қолдануды бейнелейді. Мұның бәрі нақтыландырады, материалды теориялық тұрғыдан зерделеуді неғұрлым түсінікті және сенімді етеді, физикаға деген қызығушылықты оятады және қолдайды. Алайда, атом физикасында нақты көрсетілім жасау өте қиын.
Мұндай жағдайдан шығудың екі жолы бар:
1. Физиканы түсіндіру үшін зерттелетін құбылыстардың өзі емес, олардың аналогтары қарастырылатын материалды модельдер кеңінен қолданылады. Бұл әдісті атом физикасын оқығанда қолдануға болады.
Мұндай демонстрацияның мысалы ретінде атом ядросының құрылымы мен баскетбол алаңының орталық шеңберіндегі балалардың (ұлдар мен қыздардың бірдей санында) ретсіз орналасуы арасындағы ұқсастықты айтуға болады. Ұлдар протондарды, қыздар нейтрондарды бейнелейді. Егер сіз балалардан топтарға жиналуын сұрасаңыз - ұлдар ұлдармен, қыздар қыздармен болса, онда олар дүрбелеңге түсіп, форма сопақшаға созылады, бұл ядролық бөлінудің ұқсастығы. Мұндай модельдің тағы бір мысалы ретінде ядро құрылымы сұйықтық тамшысы ретінде қарастырылатын тамшы моделі бола алады. Бұл модельдер демонстрацияға жақсы балама болып табылады. Алайда модельдік эксперименттің басты кемшілігі - бәрі бірдей бола алмайды, ал механикалық модельдер микроәлемнің қасиеттерін бұрмалайды.
2. Атомдық физикадағы кез-келген экспериментті толығымен көрсету үшін компьютерлік модельдеуге жүгініңіз. Мұғалімнің көзқарасы бойынша компьютерлік модельдеудің беткі жағында жататыны түсінікті, әсерлі және есте қаларлық визуалды кескіндерді жасау мүмкіндігі. Мұндай визуалды бейнелер зерттелетін құбылысты түсінуге және маңызды бөлшектерді есте сақтауға сәйкес келетін математикалық теңдеулерге қарағанда едәуір дәрежеде ықпал етеді. [13]
Модельдеу дерексіз заңдар мен түсініктерге анықтық беруге, оқушылардың назарын зерттелетін құбылыстың тікелей бақылауды болдырмайтын нәзік бөлшектеріне аударуға мүмкіндік береді. Компьютер экранында модельдеу нәтижелерінің графикалық бейнеленуі зерттелетін құбылыс немесе процестің анимациясымен бір уақытта студенттерге мағыналы ақпаратты үлкен көлемде қабылдауға мүмкіндік береді. Біз тек теориялық материалды ұсынған кезде өзін толық деп көрсетпей модельдерді ұсынамыз. Интерактивті тақта арқылы модельдерді көрсетуге болады.
Спектрлік құрылғылар. Ньютон күн сәулесінің жұқа сәулесін шыны призмаға бағыттап, ғылым тарихында бірінші болып ақ жарықтың спектрлік ыдырауын бақылады. Призманың артында ақ жарықтың түс спектріне ыдырауы байқалды: жеті негізгі түстер - қызыл, сарғыш, сары, жасыл, ақшыл көк, көк және күлгін - бір-біріне тегіс өтті.
Көздердің ешқайсысы монохроматикалық жарықты, яғни қатаң анықталған толқын ұзындығын қамтамасыз етеді. Көзден шыққан сәуле өзімен бірге жүретін энергия жарық сәулесін құрайтын барлық ұзындықтағы толқындар бойынша белгілі бір жолмен бөлінеді. Спектрлік құрылғылар спектрлерді алу және зерттеу үшін қолданылады. Ең қарапайым спектрлік аспаптар - призма және дифракциялық тор. Дәлірек - спектроскоп және спектрограф.
Спектроскоп - белгілі бір көзден шыққан жарықтың спектрлік құрамын көзбен тексеретін құрал. Егер спектр фотографиялық тақтаға жазылса, онда құрылғы спектрограф деп аталады.
1895 жылы В.Рентген ашқан рентген сәулелері - бұл зат өте жылдам электрондарға әсер еткенде пайда болатын атом өлшемдерімен салыстыруға болатын толқын ұзындығы өте аз электромагниттік тербелістер. Рентген сәулелері ғылым мен техникада кеңінен қолданылады.
Олардың толқындық табиғатын 1912 жылы кристалдардың атомдық торында рентгендік дифракция құбылысын ашқан неміс физиктері М.Лауэ, В.Фридрих және П.Книпинг орнатқан. Тар рентген сәулесін қозғалмайтын кристаллға бағыттау арқылы олар дифракциялық заңдылықты кристалдың артына орналастырылған фотопластинкаға тіркеді, ол үнемі бір-бірінен алшақтап тұрған дақтардан тұрады. Әрбір нүкте - кристаллмен шашыраған дифракциялық сәуленің ізі. Осы әдіспен алынған рентгендік кескінді лау өрнегі деп атайды. Бұл жаңалық рентгендік құрылымдық талдауға негіз болды. Практикалық мақсаттарда қолданылатын рентген сәулелерінің толқын ұзындығы бірнеше ангстремадан ангстремнің фракцияларына дейін жетеді, бұл 103-тен 105 эВ-қа дейінгі рентген сәулелерін тудыратын электрондардың энергиясына сәйкес келеді. Рентген түтігінің құрылғысы. Қазіргі уақытта рентген сәулелерін алу үшін рентген түтіктері деп аталатын өте дамыған құрылғылар жасалды. [13]
Электрондардың күрт тежелуімен рентген сәулелері - электромагниттік толқындар - анодта пайда болады. Көрінетін жарық пен ультрафиолет сәулелерінен айырмашылығы, рентген сәулелерінің толқын ұзындығы әлдеқайда қысқа. Олардың толқын ұзындығы неғұрлым аз болса, электрондардың кедергімен соқтығысу энергиясы соғұрлым көп болады. Рентген сәулелерінің жоғары ену қабілеті және олардың басқа ерекшеліктері қысқа толқын ұзындығымен байланысты болды. Күшті рентген түтіктерінде анод ағынды сумен салқындатылады, өйткені электрондар баяулаған кезде көп мөлшерде жылу бөлінеді. Электрон энергиясының шамамен 3% -ы ғана пайдалы сәулеге айналады. Рентген сәулелерінің толқын ұзындығы 10-9-нан 10-10 м-ге дейін, олар ену қабілеті жоғары және медицинада қолданылады, сонымен қатар кристалдар мен күрделі органикалық молекулалардың құрылымын зерттейді. [14]
Негізгі орта білім беру деңгейінің 7-9-сыныптарына арналған Физика пәнінің оқу бағдарламасында атомдық физика тараулары бойынша 9-сыныпта барлығы 13 сағат бөлінген. Оның ішінде: Атом құрылысы. Атомдық құбылыстар - 7 сағат, Атом ядросы - 6 сағат. [18]
Атомдық физика бойынша 9-сынып оқушыларының дайындық деңгейіне қойылатын талаптар:
- атом құрылысы және оны зерттеу әдістері, элементар бөлшектер (фотон, электрон, протон, нейтрон), радиоактивтілік, радиоактивті ыдырау, ядролық реакция сияқты ұғымдар мен шамалар туралы түсінік алуы;
- үлкен массалы ядролардың бөлінуі кезінде энергияның бөлініп шығатындығын сапалық деңгейде түсіндіруі;
- атомдардың жарықты шығаруы мен жұтуын, фотоэффект құбылысын түсіндіруі және оны пайдалануға мысалдар келтіруі;
- фотоэлементтердің, спектрлік анализдің, ядролық реактордың практикалық қолданыстарын, ядролық энергетиканың экологиялық проблемаларын түсіндіруі тиіс; [18]
Жалпы орта білім беру деңгейінің жаратылыстану-математикалық бағыттағы 10-11-сыныптарына арналған Физика пәнінен оқу бағдарламасы атомдық физика тараулары бойынша 11-сыныпқа (жаратылыстану-математика бағыты) барлығы 23 сағат жоспарланған. Оның ішінде: Атом физикасы - 8 сағат, Атом ядросының физикасы - 9 сағат, Элементар бөлшектер - 6 сағат [19].
Атом физикасы (8 сағат) : сызықтық спектрлер; альфа-бөлшектердің шашырауы бойынша Резерфорд тәжірибесі; Бор постулаттары; сутегіге ұқсас атомдарға Бор теориясы; Бор моделі және сәйкестік қағидасы; Франк-Герц тәжірибесі.
Көрсетілімдер: лазерлiк сәулеленудiң когеренттiк қасиеттерi.
Атом ядросының физикасы (9 сағат): атом ядросы; ядроның нуклондық моделi; ядродағы нуклондардың байланыс энергиясы; табиғи радиоактивтiк; радиоактивтiк ыдырау заңы; ядролық реакциялар; жасанды радиоактивтiк; ауыр ядролардың бөлiнуi; тiзбектi ядролық реакциялар;ядролық реактор; ядролық энергетика; термоядролық реакциялар; радиоактивтi сәулелердiң биологиялық әсерi; радиациядан қорғану.
Лабораториялық жұмыстар: дайын фотосуреттер бойынша бөлшектердің өзара әрекеттесуін зерттеу.
Элементар бөлшектер (6 сағат): ғарыштық сәулелер; ядролық күштер; элементар бөлшектер; микродүниедегі сақталу заңдар.
Практикалық жұмыстар: радиоактивті ыдырауды компьютерлік модельдеу, ядролық реация моделі.
Атомдық физика бойынша 11-сынып оқушыларының дайындық деңгейіне қойылатын талаптар:
-радиоактивтік сәулелену, жартылай ыдырау периоды, ядролық бөліну және термоядролық синтез реакциялары; элементар бөлшек (фотон, электрон, протон, нейтрон); атомның Резерфорд-Бор бойынша моделі және ядроның нуклондық моделі сияқты ұғымдар мен шамалардың физикалық мағынасын түсіну;
-қандай да бір ядролық реакция мысалында масса мен энергияның, массалық санның сақталу заңдарының орындалатындығын көрсете алуы;
-атомдардың сәуле ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
М.Өтемісов атындағы Батыс Қазақстан университеті
Қорғауға жіберілді
Физика кафедрасының
меңгерушісі_____Имангалиева Б.С
ДИПЛОМДЫҚ ЖОБА
Тақырыбы: Атом және атом ядросы пәні бойынша зертханалық практикум
5В011000 - Физика мамандығы
Орындаған: Айдынғали Г.А.
Аминов Б.К.
Құралбай А.Т.
Мұратова А.Р.
Тілеубергенова А.Ж.
Ғылыми жетекшісі: Жубанышова М.Н.
Орал
2022 жыл
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ
1.АТОМДЫҚ ФИЗИКА ТУРАЛЫ ЖАЛПЫ ТҮСІНІК
1.1 Атомдық физиканың шығу тарихы
1.2 Жалпы орта білім беретін мектептерде атомдық физиканың оқытылуы
1.3 ЖОО атомдық физиканың оқытылуы
2. Зертханалық жұмыстың алғышарттары
2.1 Атомдық физика курсындағы зертханалық құрылғылар
3. Атом және атом ядросы пәні бойынша зертханалық практикум
3.1 Зертханалық жұмыстарға әдістемелік нұсқаулық
3.1.1 Трек фотографияларын талдауға қажетті негізгі мәліметтер
3.1.2 Трек фотографиясы бойынша альфа - бөлшек әсерінен азот атомы ядросының ыдырауын анықтау
3.1.3 Зарядталған бөлшектердің тректерін анықтау
3.1.4 Трек фотографиясы бойынша бөлшек зарядының массаға қатынасын есептеу
3.1.5 Элементар бөлшектердің тіркеу әдістері
3.1.6 Электронның массасын және энергиясын анықтау
3.1.7 Элементар бөлшектердің серпімді соқтығысуы
3.1.8 Сәулеленудің кванттық табиғаты
3.1.9 Стробоскопиялық сурет бойынша серпімді соқтығыс кезіндегі энергияның және импульстің сақталу заңын зерттеу
3.1.10 Жұтылу және шығару спектрлерін зерттеу
3.1.11 Фотоэффект құбылысын зерттеу
3.1.12 Сыртқы фотоэффект құбылысын зерттеу. Планк тұрақтысын анықтау
3.1.13 Абсолют қара денені зерттеу
Қосымшалар
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
\
КІРІСПЕ
Дипломдық жобаның өзектілігі: Атом және атом ядросы пәні бойынша зертханалық практикумдағы негізгі физикалық құбылыстарды студенттердің өз бетімен игере алуына жағдай жасау, зертханалық құрылғылармен жұмыс істеп үйренуге дағдыландыру, физикалық шамаларды өлшеудің басты тәсілдерін түсіндіру, жасалған жұмыс нәтижелерін өңдеуге және алынған нәтижелердің дұрыстығын бағалай білуге машықтандыру.
Бүгінгі күнде физика өзінің заңдылықтарына бағынатын сандаған идеялар мен құбылыстарды зерттеу әдістерінің әртүрлілігімен, алынған нәтижелердің танымдылық теориясында алатын орнының ерекшелігімен математика-жаратылыстану ғылымдары бағдарлары арасындағы алдыңғы орындағы пәндердің бірі болып саналады.
Физикалық зерттеулердің түбегейлі мақсаты қоршаған ортаның заңдылықтарын және ашылған жаңалықтарды еліміздің экономикасын дамытуға, жаңа бағыттағы технологиялық үрдістерге қолдануға әрі техникада пайдалануға бағыттау қажет. Себебі, физика заңдылықтары көптеген техникалық ғылымдардың "іргетасын" құрайды. Мәселен, рентген сәулесі мен ультрадыбыстың техникаларда, денсаулық сақтау саласында және ғылыми-зерттеу жұмыстарында атқаратын қызметінің маңыздылығы өте зор екендігі бәрімізге мәлім. Атомдық энергияны алу жолдары мен оны қолдану атом электр станциясы (АЭС) арқылы жылу мен жарық энергиясын алуда, электротехника және физикамен қатар басқа да техникалық пәндермен өте тығыз байланыста. Өндіріс технологиясының деңгейі жаратылыстану бағыты ғылымдарының дамуымен анықталады. Физика мамандары өндіріс орындарын заман талабына сай өлшеуіш құралдарымен және қондырғылармен жабдықтаса, техниканың дамуы физикалық зерттеулердің экспериментальдық әдістерінің жаңаруына, құралдар мен қондырғылардың өлшеу дәлділіктерінің артуына әсерін тигізеді.
Жоғары оқу орындарында физиканы қазақ тілінде оқытудың деңгейін жоғарылату жаңа әдістемелік қиындықтар тудыруда. Оның ішіндегі күрделісі заман талабына сай оқулықтар мен оқу құралдарын жазу болып табылады. Жобаның нәтижесі - ұсынылып отырылған оқулықта жалпы физика курсының техникалық жоғары оқу орындарында өтілетін барлық бөлімдері қамтылған. Студенттер өтілген тақырыптарды жетік ұғынулары үшін әрбір тараудан соң оның практикалық маңыздылығына баса назар аударылып, мысалдар мен есептердің шығару жолдары көрсетілген.
Дипломдық жұмыс мақсаты: ғылым мен білім беру мазмұнында ЖОО оқытушыларына "Aтом және атом ядросы" пәні бойынша зертханалық жұмыстарды студенттерге жасап үйретуге көмектесу үшін зертхана мүмкіндіктерін пайдалануға нұсқаулық беру.
Зерттеу нысаны: ЖОО "Aтом және атом ядросы" бойынша зертханалық практикум курсын қолдану процесі.
Зерттеу пәні: Атом және атом ядросы.
Дипломдық жұмыс міндеттері:
1. Дипломдық жұмыс тақырыбы бойынша теориялық білімді жинақтау негізінде атомдық физика бөлімінің мәнін анықтау; оны зертхана жүзінде талдау.
2. Ғылыми-әдістемелік оқу құралдарынан алынған мәліметтер бойынша зертхана тақырыптарын талдау.
3. Атомдық физикада шамалардың дұрыс мәнін алу үшін зертханалық құрылғылардың жұмыс істеу принциптерін анықтау.
4. Оқытушы мен студенттердің дамыған материалды қолданудың электрондық ресурстары мен әдістерін жасау.
Тақырыпты зерттеу әдістері: теориялық талдау, синтез, зертханалық жұмысты жинақтау.
Осы дипломдық жұмысты жазу кезінде негізгі теориялық және әдістемелік көздері ретінде атомдық физика бойынша отандық оқулықтар, ЖОО-дарының зертханалық жұмыстары алынады.
Дипломдық жұмыс: кіріспеден, екі тараудан, қосымшалардан, қорытынды мен пайдаланылған әдебиеттер тізімінен тұрады.
1 АТОМДЫҚ ФИЗИКАНЫҢ НЕГІЗГІ ТҮСІНІГІ
1.1 Атомдық физиканың даму тарихы
Атомдық физика - атомдардың құрылысы мен қасиеттерін зерттейтін физиканың бөлімі. Атом физикасы 19 ғасырдың аяғы - 20 ғасырдың басында атом электр күштерімен байланысқан электрондар мен ядродан тұратындығы анықталған кезде пайда болды.
Атомдық физика өзінің дамуының алғашқы кезеңінде атом ядросының құрылысына қатысты мәселелерді қамтыды. 30-шы жылдардың өзінде атом ядросындағы өзара әрекеттесу сипаты атомның сыртқы қабығымен бірдей емес екендігі белгілі болды. 40-шы жылдары атом физикасы физика ғылымының жеке саласына айналды, ал 50-жылдары одан жаңа бағыт - жоғары энергетикалық физика немесе элементар бөлшектердің физикасы қалыптасты. [1]
Бөлінбейтін бөлшектер ретінде атомдардың болуы туралы идея ежелгі заманда қалыптасқан. Атомизм идеяларын алғаш рет ежелгі грек ойшылдары Эпикур мен Демокрит білдірген. 17 ғасырда олар П.Гассенди мен ағылшын химигі Р.Бойлдың қатысуымен қайта жанданды. 17 - 18 ғасырларда болған атомдар туралы идеялар нашар анықталған.
Ол кезде атомдар өзгермейтін және бөлінбейтін бөлшектер деп саналды, олар бір-бірінен тек мөлшері мен формасымен ерекшеленді. Атомдардың бір немесе басқа тәртіпте үйлесуі әртүрлі денелерді құрады, ал атомдардың қозғалысы олардың ішінде болған процестерден туындады. Көптеген ғалымдар атомдар корпускулалар деп аталатын күрделі бөлшектерге қосыла алады деп сенді. Бірақ атомдарға арнайы химиялық және физикалық қасиеттер берілмеген. Сол кездегі атомистика табиғатта абстрактілі болды. [1]
18 ғасырдың аяғында химияның қарқынды дамуына байланысты атом физикасының сандық дамуына негіз қаланды. 1803 жылы ағылшын ғалымы болған Дж.Дальтон алдымен атомды массасы жағынан басқа атомдардан ерекшеленетін химиялық элементтердің ең кіші бөлшегі деп санай бастады. Дальтон атом массасы атомның негізгі сипаттамасы деп санады. Ол барлық химиялық қосылыстар - әр элементтің белгілі бір мөлшердегі атомдары бар күрделі атомдардың жиынтығы деп санады. [1]
Барлық химиялық реакциялар - бұл атомдарды жаңа, күрделі қатынастарға қайта құру. Итальяндық ілім көптеген зерттеулер жүргізу барысында молекула мен атом арасында айқын сызық жүргізді. [1]
19 ғасырда атомдардың химиялық қасиеттерімен бірге олардың оптикалық қасиеттері зерттелді. Сол кезде әр элементтің өзінің оптикалық спектрі болатындығы анықталды. Сондықтан 1860 жылы неміс физиктері Г.Кирхгоф пен Р.Бунсен спектрлік анализді ашты.
Содан кейін атом белгілі бір химиялық және физикалық қасиеттерге ие бөлшек ретінде әрекет етті. Алайда атомның қасиеттері түсініксіз болып саналды. Сонда атомдардың саны кездейсоқ және олардың арасында байланыс жоқ деп есептелді. Алайда уақыт өте келе химиялық қасиеттері бірдей элементтердің белгілі бір топтары бар екені анықталды:
Бірдей валенттілік;
Олардың физикалық қасиеттерінің өзгеруінің ұқсас заңдары: сығылу, балқу температурасы және басқалары. [2]
Д.И.Менделеев 1869 жылы элементтердің периодтық жүйесін жасап, құрды. Ол элементтің атомдық массасының артуымен оның физикалық және химиялық қасиеттері қайталанады деген пікір айтты. Бұл Менделеевтің элементтердің периодтық жүйесі әр түрлі атомдар арасындағы байланыстың бар екендігін дәлелдеді. Бұдан атомдар атомдық массаның өзгеруімен бірге өзгере алатын күрделі құрылымға ие болады. Атом құрылымын ашу физика мен химияның негізгі проблемасы болып табылады. [2
Атомдық физика бастау алатын ғылымдағы маңызды оқиға радиоактивтілік пен электронды ашу болды.
Сирек газдар арқылы электр тогының пайда болуын зерттеу процесінде разряд түтігінің катодынан шыққан сәулелер болды. Бұл катодтық сәулелер электрондар деп аталатын теріс зарядталған бөлшектерден тұратындығы анықталды.
1897 жылы физик Дж.Томсон осы бөлшектердің зарядының олардың массасына қатынасын өлшеді. Сондай-ақ, металдар қатты қыздырғанда электрондар шығаратыны анықталды. [2]
Осыған сүйене отырып, электрондар барлық атомдардың ажырамас бөлігі болып табылады деген қорытындыға келді. Бейтарап атомдарда оң зарядталған бөлшектер де болуы керек. Электр зарядтарын зерттеу кезінде оң зарядталған атомдар табылды. [2]
Голланд физигі Х.Лоренцтің теориясы атом туралы идеяны зарядталған бөлшектер жүйесі деп түсіндірді: атомішілік зарядтардың тербелісі барысында электромагниттік сәулелену пайда болады.
Бұл магнит өрісінің атом спектрлеріне әсерін зерттеу арқылы расталды. Француз ғалымдары М.Склодовска-Кюри мен П.Кюри атомның бөлінбейтіндігі туралы идеяны ақыры жоққа шығарды. [3]
Радиоактивтілікті зерттеу барысында атомдар екі түрге өзгеретіні анықталды:
:: альфа-бөлшек шығарған кезде элементтің атомы Менделеевтің периодтық жүйесінде сол жақта екі жасушада орналасқан басқа радиоактивті химиялық элементтің атомына айналады. Мысалы, сутегі атомы қорғасын атомына айналады.
:: бөлшегі шыққан кезде радиоактивті химиялық элементтің атомы оң жақта бір ұяшықта орналасқан атомға айналады. Мысалы, висмут атомы полоний атомына айналады.
Атомның қасиеттері мен радиоактивтілігін зерттеу нәтижелерінің арқасында оның нақты модельдері құрылды. 1903 жылы Томсон атом электрондар тоғысқан оң зарядталған сфера ретінде ұсынылған модель ұсынды. Олар тарту күштері олардың өзара итерілу күштерімен жетілдірілгендіктен, атомда ұсталды.
Томсонның моделі жарық шығару, жұту және шашырау мүмкіндіктерін көпшілікке түсіндірді. Электрондар ығыстырылған кезде тепе-теңдік орнатуға ұмтылған серпімділік күші пайда болды. Бірақ Томсонның моделі қанағаттанарлықсыз болды. Оның негізінде альфа-бөлшектердің атомдармен шашырауына эксперименттер жүргізген ағылшын физигі Резерфордтың нәтижесін түсіндіруге болады. Алайда планеталық модель кейбір қиындықтарға тап болды. [3]
Классикалық электродинамика бойынша зарядталған бөлшек электромагниттік энергияны үздіксіз сәулелендіреді. Сондықтан ядро айналасында қозғалған электрондар өз энергиясын үнемі сәулеленуге жұмсауға мәжбүр болды. Резерфорд моделі негізінде фотоэлектрлік құбылыстардың және сәулеленудің химиялық затпен әрекеттесуі кезінде пайда болатын жылу сәулесінің заңдылықтарын түсіндіруге болады. Алайда атомдық физиканың тарихы осы мысалдармен аяқталмайды, өйткені ол бүгінгі күнге дейін даму сатысында. [3]
Томсонның атом моделі қанағаттанарлықсыз болып шықты. Оның негізінде ағылшын физигі Э.Резерфорд пен оның әріптестері Х.Гейгер мен Э.Марсденнің - бөлшектердің атомдармен шашырауына қатысты эксперименттерінің мүлдем күтпеген нәтижесін түсіндіру мүмкін болмады. Бұл тәжірибелерде жылдам альфа-бөлшектер атомдарды тікелей зондтау үшін қолданылды.
Зат арқылы өтетін а-бөлшектер атомдармен соқтығысады. Әр соқтығысу кезінде атомның электр өрісі арқылы өтетін а-бөлшек қозғалыс бағытын өзгертеді - ол шашырауға ұшырайды.
Шашырау оқиғаларының басым көпшілігінде -бөлшектерінің ауытқуы (шашырау бұрыштары) өте аз болды. Демек, - бөлшектер сәулесі материяның жұқа қабаты арқылы өткенде, сәуленің шамалы бұлыңғырлығы ғана пайда болды. Алайда альфа-бөлшектердің өте аз бөлігі 90 ° -тан астам бұрышта ауытқып кетті. [3]
Бұл нәтижені Томсон моделі негізінде түсіндіру мүмкін емес, өйткені қатты атомдағы электр өрісі жылдам және массивті - бөлшекті үлкен бұрышқа бұруға жеткіліксіз.
Резерфорд - бөлшектерінің шашырауына арналған эксперименттердің нәтижелерін түсіндіру үшін құрылымы бойынша Күн жүйесіне ұқсас және планетарлық деп аталатын атомның принципиалды жаңа моделін ұсынды. Бұл келесідей. Атомның ортасында оң зарядталған ядро орналасқан, оның өлшемдері атомның өлшемдерімен салыстырғанда өте аз, ал массасы шамамен атомның массасы тең.
Электрондар Күн айналасындағы планеталар сияқты ядро бойымен қозғалады; зарядталмаған бейтарап атомдағы электрондар саны, олардың жалпы теріс заряды ядроның оң зарядын өтейді (бейтараптайды). Электрондар ядро айналасында қозғалуы керек, әйтпесе олар тартылыс күштерінің әсерінен оған түсіп кетуі мүмкін еді. [3]
Атомның планеталар жүйесінен айырмашылығы - соңғысында тартылыс күштері, ал атомда электрлік (кулондық) күштер әсер етеді. Ядроның жанында өте күшті электр өрісі бар, оны нүктелік оң заряд деп санауға болады.
Сондықтан ядро маңында ұшып, оң зарядталған -бөлшектер (гелий ядролары) қатты ауытқуды бастан кешіреді. Кейіннен (Г.Мозли) ядроның заряды бір химиялық элементтен екінші химиялыққа электронның зарядына тең зарядтың элементар бірлігімен өсетіндігі анықталды Электрондық зарядтың бірліктерімен өрнектелген атом ядросының заряды сандық түрде периодтық жүйеде сәйкес элементтің реттік санына тең.
Планетарлық модельді сынау үшін Резерфорд және оның серіктесі Ч.Дарвин Кулон күштерінің орталығы - нүктелік ядросымен шашыраған а-бөлшектерінің бұрыштық таралуын есептеді. Нәтиже әр түрлі бұрыштарда шашыраған а-бөлшектердің санын өлшеу арқылы эмпирикалық түрде тексерілді. Тәжірибенің нәтижелері теориялық есептеулермен дәл сәйкес келді, осылайша Резерфордтың атомның планетарлық моделін керемет түрде растады. [4]
Алайда атомның планетарлық моделі түбегейлі қиындықтарға тап болды. Классикалық электродинамикаға сәйкес үдеумен қозғалатын зарядталған бөлшек электромагниттік энергияны үздіксіз шығарады. Демек, ядроның айналасында қозғалатын электрондар, яғни үдемелі, сәулелену үшін энергияны үздіксіз жоғалтуға тура келеді. Бірақ сонымен бірге, олар өздерінің кинетикалық энергиясын секундтың шамалы бөлігінде жоғалтып, ядроға түсіп кетер еді. Сәулеленумен байланысты тағы бір қиындық келесіден тұрды: егер біз (классикалық электродинамикаға сәйкес) электрон шығаратын жарықтың жиілігі электронның атомдағы тербеліс жиілігіне тең (яғни, егер ол өз орбитасында айналымды бір секунд ішінде жасаса) немесе оның еселігі болса, онда электрондар ядроға жақындаған кезде шығарылатын жарық өзінің жиілігін үздіксіз өзгертіп отыруы керек, ал ол шығаратын жарық спектрі болуы керек. Бірақ бұл тәжірибеге қайшы келеді. [4]
Атом белгілі бір жиіліктегі белгілі химиялық жиілікке тән жарық толқындарын шығарады және бөлек спектрлік сызықтардан тұратын спектрмен сипатталады - сызықтық спектр. Элементтердің сызықтық спектрлерінде бірқатар заңдылықтар тәжірибе жүзінде орнатылды, оның біріншісін швейцариялық ғалым И.Бальмер сутегі спектрінде ашты (1885). Ең жалпы заңдылық - үйлесімділік қағидасын австриялық ғалым В.Ритц (1908) тапты.
Сонымен, Резерфордтың атом моделі аясында атомның радиацияға қатысты тұрақтылығы және оның сәулеленуінің сызықтық спектрлері түсіндірілмеді. Оның негізінде жылулық сәулелену заңдарын да, сәулеленудің заттармен әрекеттесу кезінде пайда болатын фотоэлектрлік құбылыстарды да түсіндіруге болмады. Бұл заңдарды неміс физигі М.Планк алғаш енгізген (1900) мүлдем жаңа - кванттық тұжырымдамалар негізінде түсіндіру мүмкін болды.
Термиялық сәулелену спектрінде энергияның таралу заңын шығару үшін - қыздырылған денелердің сәулеленуі - Планк заттың атомдары электромагниттік энергияны (жарықты) бөлек бөліктер түрінде шығарады деп ұйғарды, олардың энергиясы пропорционалды (сәулелену жиілігі): мұндағы - кванттық теорияның тұрақты сипаттамасы және Планк константасы деп аталады. 1905 жылы А.Эйнштейн фотоэлектрлік құбылыстардың кванттық түсініктемесін берді, осыған сәйкес кванттық энергиясы металдан электронды шығаруға кетеді - шығу жұмысы - және оған кинетикалық энергия бөлу; Сонымен бірге Эйнштейн жарық кванттары ұғымын бөлшектердің ерекше түрі ретінде енгізді; бұл бөлшектер кейінірек фотондар деп аталды. [5]
Резерфорд моделінің қайшылықтарын классикалық физиканың бірқатар таныс түсініктерінен бас тарту арқылы ғана шешуге болатын болып шықты. Атом теориясының құрылысындағы ең маңызды қадамды дат физигі Н.Бор жасады (1913).
Бор атомының теориясының дамуы. Бор теориясының өте маңызды нәтижесі сутегі атомының спектрін түсіндіру болды. Атомдық спектрлер теориясының дамуындағы келесі қадамды неміс физигі А.Соммерфельд жасады. Кванттау ережелерін егжей-тегжейлі дамыта отырып, атомдардағы электрондар қозғалысының күрделі суретінен (эллиптикалық орбиталар бойымен) және сыртқы (валенттілік деп аталатын) электронның өріс скринингін ескере отырып ядро және ішкі электрондар, ол сілтілік металдар спектрлеріндегі бірқатар заңдылықтарды түсіндіре алды.
Бор атомы туралы теория рентгендік спектрлер деп аталатын құрылымға жарық түсірді. Атомдардың рентгендік спектрлері, олардың оптикалық спектрлері сияқты, берілген элементке тән дискретті сызықтық құрылымға ие. Ағылшын физигі Х.Мозли әр түрлі элементтерге тән рентгендік спектрлерді зерттей отырып, келесі заңдылықты ашты: Менделеевтің бүкіл периодтық жүйесі бойынша элементтің атомдық нөмірне пропорционалды түрде шығарылған сызықтар жиіліктерінің квадрат түбірлері элементтен элементке біркелкі өседі. Қызықты факт - Мосли заңы Менделеевтің дұрыстығын толығымен растады, ол кейбір жағдайда элементтерді кестеге атомдық салмақты жоғарылату арқылы орналастыру принципін бұзып, кейбір ауыр элементтерді жеңіл элементтерден жоғары қойды. [5]
Бор теориясының негізінде атомдар қасиеттерінің периодтылығын түсіндіруге мүмкіндік туды. Күрделі атомда ішкі қабықтан бастап электрондардың белгілі бір сандарымен дәйекті түрде толтырылатын электрон қабықтары пайда болады. Сыртқы электрон қабаттарының құрылымы мезгіл-мезгіл қайталанады, бұл периодтық жүйенің бір тобында орналасқан элементтердің химиялық және көптеген физикалық қасиеттерінің периодты қайталануын анықтайды. Бор теориясының негізінде неміс химигі В.Коссель (1916) гетерополярлы молекулалар деп аталатын химиялық өзара әрекеттесулерді түсіндірді. [5]
Алайда, атом теориясының барлық сұрақтарын Бор теориясының модельдік тұжырымдамалары негізінде түсіндіруге болмады. Ол спектрлер теориясының көптеген мәселелерін шеше алмады, бұл тек сутегі атомы мен сутегі тәрізді атомдардың спектрлік сызықтарының жиіліктерінің дұрыс мәндерін алуға мүмкіндік берді, ал бұл сызықтардың интенсивтілігі түсініксіз болып қалды; Бор интенсивтілікті түсіндіру үшін сәйкестік принципін қолдануға мәжбүр болды.
Сутегі атомына қарағанда күрделі атомдардағы электрондардың қозғалысын түсіндіруге көшкен кезде Бор модельдік теориясы тұйыққа тірелді. Қазірдің өзінде ядроның айналасында 2 электрон қозғалатын гелий атомы оның негізінде теориялық интерпретациядан бас тартты. Қиындықтар тәжірибемен сандық сәйкессіздіктермен шектелмеген. Теория атомдарды молекулаға біріктіру сияқты мәселені шешуде дәрменсіз болып шықты. Неліктен сутектің 2 бейтарап атомы бірігіп сутек молекуласын түзеді? Жалпы валенттілік табиғатын қалай түсіндіруге болады? Қатты дененің атомдарын не байланыстырады? Бұл сұрақтар жауапсыз қалды. Бор моделі шеңберінде оларды шешуге көзқарас табу мүмкін болмады.
Атомның кванттық-механикалық теориясы. Бор атомының моделінің шектелуі микробөлшектер қозғалысының классикалық тұжырымдамаларын шектеуге негізделген. Атом теориясының одан әрі дамуы үшін микробөлшектердің қозғалысы мен өзара әрекеттесуі туралы негізгі түсініктерді сыни тұрғыдан қайта қарау қажет екендігі айқын болды. Кванттау шарттарын қосумен классикалық механикаға негізделген модельдің қанағаттанарлықсыз сипатын Бордың өзі анық түсінді, оның көзқарастары атом физикасының одан әрі дамуына үлкен әсер етті. Атом физикасы дамуының жаңа кезеңінің басталуы француз физигі Луи де Бройльдің (1924) микро-объектілердің, атап айтқанда электронның қозғалысының қос табиғаты туралы айтқан идеясы болды. Бұл идея 1925-26 жылдары В.Гейзенберг пен М.Борн (Германия), Э.Шредингер (Австрия) және П.Дирак (Англия) еңбектерімен құрылған кванттық механиканың бастапқы нүктесі болды, ал қазіргі квант- оның негізінде дамыған атомның механикалық теориясы. [6]
Электронның (жалпы микробөлшектің) қозғалысы туралы кванттық механикадағы түсініктер классикалықтардан түбегейлі ерекшеленеді. Кванттық механиканың пікірінше, электрон траектория (орбита) бойымен қатты шар тәрізді қозғалмайды; электронның қозғалысы толқындардың таралуына тән кейбір ерекшеліктерге де ие. Бір жағынан, электрон әрқашан (мысалы, қақтығыстарда) бүтіндей, заряды мен массасы бөлінбейтін бөлшек ретінде әрекет етеді; сонымен бірге белгілі бір энергиясы мен импульсі бар электрондар белгілі жиілікпен (және белгілі бір толқын ұзындығымен) жазық толқын сияқты таралады. Бөлшек ретіндегі Е электронының энергиясы электрон толқынының жиілігіне қатынасымен байланысты: , және оның импульсінің - l толқын ұзындығымен қатынасы:
Шредингер (1926) көрсеткендей атомдағы электронның тұрақты қозғалыстары, кейбір жағынан амплитудасы әр түрлі нүктелерде болатын тұрақты толқындарға ұқсас. Сонымен бірге, тербелмелі жүйедегідей атомда да, кейбір энергияның, бұрыштық импульс пен атомдағы электронды сәттің проекциясы мәндерімен таңдалатын қозғалыстар ғана мүмкін. Атомның әр стационар күйі белгілі бір толқындық функциямен сипатталады, бұл ерекше типтегі толқындық теңдеудің шешімі - Шредингер теңдеуі; толқындық функция электрон бұлтына сәйкес келеді, ол атомдағы электрон зарядының тығыздығының таралуын сипаттайды (орта есеппен). 20-30 жылдары электрондардың заряд тығыздығының күрделі атомдарда таралуын есептеудің шамамен әдістері, атап айтқанда Томас - Ферми әдісі (1926, 1928) жасалды. Бұл мән және онымен байланысты мән деп аталады. атом факторы электрондардың атомдармен соқтығысуын, сонымен қатар олардың рентген сәулелерінің шашырауын зерттеуде маңызды. [6]
Кванттық механика негізінде Шредингер теңдеуін шешу арқылы күрделі атомдардағы электрондардың энергияларын дұрыс есептеу мүмкін болды. Мұндай есептеулердің шамамен алынған әдістерін 1928 жылы Д.Хартри (Англия) және 1930 жылы В.А.Фок (КСРО) жасады. Атомдық спектрлерді зерттеу атомның кванттық механикалық теориясын толығымен растады. Электронның атомдағы күйі оның спиніне - импульстің меншікті механикалық моментіне тәуелді екен. Сыртқы электр және магнит өрістерінің атомға әсер етуі туралы түсіндірме берілді. Электронның айналуына байланысты маңызды жалпы қағиданы швейцариялық физик В.Паули ашты (1925), осы қағидаға сәйкес атомның әрбір электронды күйінде бір ғана электрон болуы мүмкін; егер берілген күйді әлдеқашан бір электрон иеленсе, онда келесі электрон, атомның бөлігі бола отырып, басқа күйді иеленуге мәжбүр болады. Паули принципіне сүйене отырып, элементтердің қасиеттерінің периодтылығын анықтайтын күрделі атомдардағы электрон қабаттарының толтыру сандары түпкілікті құрылды. Кванттық механикаға сүйене отырып, неміс физиктері В.Гейтлер мен Ф.Лондон (1927) екі бірдей атомның гомеополярлық химиялық байланысы деп аталатын теорияны (мысалы, Н2 молекуласындағы сутегі атомдары) берді, оны атомның Бор моделі аясында түсіндіруге болмайды. [6]
Кванттық механиканың 1930 жылдардағы және одан кейінгі кезеңдердегі маңызды қосымшалары молекуланы немесе кристалды құрайтын байланысқан атомдарды зерттеу болды. Молекуланың құрамына кіретін атом күйлері еркін атом күйлерінен айтарлықтай ерекшеленеді. Сондай-ақ, атом кристаллішілік өрістің әсерінен кристалда айтарлықтай өзгерістерге ұшырайды, оның теориясын алғаш Х.Бет (1929) жасаған. Осы өзгерістерді зерттей отырып, атомның қоршаған ортамен өзара әрекеттесу сипатын орнатуға болады. Атомдық физиканың осы саласындағы ең үлкен эксперименталды жетістік болып 1944 жылы Э.К.Завоискийдің электрондар парамагнитті резонансын ашуы болды, бұл атомдар мен қоршаған орта арасындағы түрлі қатынастарды зерттеуге мүмкіндік берді. [6]
Қазіргі атом физикасы. Қазіргі атом физикасының негізгі салалары - атом теориясы, атомдық (оптикалық) спектроскопия, рентгендік спектроскопия, радиоспектроскопия (ол молекулалардың айналу деңгейлерін де зерттейді), атомдық және иондық соқтығысулар физикасы. Спектроскопияның әр түрлі бөлімдері сәулелену жиілігінің әр түрлі диапазонын және сәйкесінше кванттық энергияның әр түрлі диапазонын қамтиды.
Атом физикасының ең маңызды міндеті - атом күйлерінің барлық сипаттамаларын егжей-тегжейлі анықтау. Біз атом энергиясының мүмкін болатын мәндерін - оның энергетикалық деңгейлерін, бұрыштық импульс мәндерін және атом күйлерін сипаттайтын басқа шамаларды анықтау туралы айтып отырмыз. Энергетикалық деңгейлердің жұқа және гиперфиндік құрылымдары, электр және магнит өрістерінің әсерінен энергия деңгейінің өзгеруі - сыртқы, макроскопиялық және ішкі, микроскопиялық зерттеледі. Электронның энергия деңгейіндегі өмір сүру уақыты сияқты атом күйлерінің сипаттамасы өте маңызды. Сонымен, атом спектрлерін қоздыру механизміне көп көңіл бөлінеді. [7]
Атом физикасының әр түрлі салалары зерттейтін құбылыстардың салалары бір-бірімен сәйкес келеді. Рентген сәулелерінің сәулеленуі мен сіңуін өлшеу арқылы рентгендік спектроскопия негізінен ішкі электрондардың атом ядросымен байланыс энергиясын (иондану энергиясы), электр өрісінің атом ішіндегі таралуын анықтауға мүмкіндік береді. Оптикалық спектроскопия атомдар шығаратын спектрлік сызықтардың жиынтығын зерттейді, атомның энергетикалық деңгейлерінің сипаттамаларын, спектрлік сызықтардың интенсивтілігін және қозған күйдегі атомның онымен байланысты өмір сүру уақытын, электр және магнит өрістерінде энергия деңгейлерінің ұсақ құрылымын, олардың орын ауыстыруы мен бөлінуін анықтайды. Радио спектроскопия спектрлік сызықтардың ені мен формасын, олардың гиперфиналық құрылымын, магнит өрісіндегі ығысуы мен бөлінуін, және өте әлсіз өзара әрекеттесу мен ортаның әсерінен туындайтын атомішілік процестерді егжей-тегжейлі зерттейді. [7]
Жылдам электрондар мен иондардың атомдармен соқтығысу нәтижелерін талдау атомның ішіндегі электрон зарядының тығыздығының таралуы, атомның қозу энергиясы және иондануы туралы ақпарат алуға мүмкіндік береді.
Атомдардың құрылымын егжей-тегжейлі зерттеу нәтижелері физиканың көптеген салаларында ғана емес, сонымен қатар химия, астрофизика және басқа ғылым салаларында кеңінен қолданылады. Спектрлік сызықтардың кеңеюі мен ығысуын зерттеу негізінде ортадағы жергілікті өрістер туралы (сұйық, хрусталь), осы өзгерістерді және осы ортаның күйін (температура, тығыздық және т.б.) пайымдауға болады.
Атомдағы электрондар заряды тығыздығының таралуы және оның сыртқы өзара әрекеттесу кезіндегі өзгерістері туралы білім атом түзе алатын химиялық байланыстың түрін, ионның кристалдық тордағы әрекетін болжауға мүмкіндік береді.
Атомдар мен иондардың энергетикалық деңгейлерінің құрылымы мен сипаттамалары туралы ақпарат кванттық электроника құрылғылары үшін өте маңызды. Қақтығыстардағы атомдар мен иондардың әрекеті - олардың иондануы, қозуы және заряд алмасуы - плазма физикасы үшін өте қажет. Астрофизика үшін атомдардың энергетикалық деңгейлерінің, әсіресе көбейтілген ионданған деңгейлерінің егжей-тегжейлі құрылымын білу маңызды.
Сонымен, атом физикасы физиканың басқа салаларымен және басқа жаратылыстану ғылымдарымен тығыз байланысты. Атом физикасы жасаған атом туралы түсініктердің де идеялық маңызы зор. Атомның тұрақты болуы әр түрлі заттардың тұрақтылығын, химиялық элементтердің табиғи жағдайдағы қайтымсыздығын, мысалы, жер бетінде жиі кездесетін температура мен қысым кезінде түсіндіреді. Атомның икемділігі, оның қасиеттері мен күйлерінің өзгеруі, ол пайда болған сыртқы жағдайлардың өзгеруімен, күрделі жүйелердің пайда болу мүмкіндігін, сапалық тұрғыдан ерекше, олардың ішкі ұйымдастырылуының әртүрлі формаларын иемдену мүмкіндігін түсіндіреді. Антикалық және қазіргі заманда болған және атомизмді сынауға негіз болған өзгермейтін атомдар идеясы мен заттардың сапалық әртүрлілігі арасындағы қайшылық осылайша шешімін табады. [8]
1.2 Орта мектепте атомдық физиканы оқытылуы
Физика бізге қоршаған заттардың барлығы атомдардан тұратыны туралы түсінік береді, табиғатта болатын процестер мен заңдылықтарды түсінуге мүмкіндік береді.
Жалпы білім беретін мектеп оқушыларының Атомдық физика бөлімін оқуы олар болашақта физикалық бағдармен жоғары оқу орындарына түсу кезінде кездесетін күрделі пәндерді түсіну үшін маңызды.
Оқытудың қиындығы атом физикасындағы нақты тәжірибелерді көрсетудің шектелуіне байланысты. Мұның себебі - эксперименттердің көпшілігі адам ағзасына зиянды әсер етуі мүмкін, ал мектептер әртүрлі инциденттерді болдырмау үшін барлық шаралар мен сақтық шараларын толық қолдана алмайды .
Атомдық физиканы зерттеу процесінде мектептің профиліне байланысты: атомның құрылымы, протон, нейтрон, электрон, атом ядросының құрамы, радиоактивтілік, ядролық бөліну және тағы басқалар сияқты түсініктер қаралады. [9]
Осы түсініктердің барлығы өте маңызды, өйткені олардың негізінде оқушылар арасында қоршаған әлем туралы кеңейтілген дүниетаным қалыптасады. Көптеген негізгі физика оқулықтарында жетілдірілген сұрақтар бар. Осы мақсатта біз тақырыптарды ұсынамыз:
Фотоэффект құбылысы.
Фотоэффект құбылысы жарықтың кванттық түсініктерін құруға түрткі болды. Фотоэффекттің мәні - атомдардың жарық әсерінен иондану қабілеті (1-суретті қараңыз).
1-сурет.
Іс жүзінде фотоэффектті газдарда емес, (біз мұнда таза құбылыспен, электрондарды атомдардан тікелей бөлумен айналысамыз), металдарда байқау ыңғайлы. Металда валенттік электрондар ұжымдастырылып, иондардан тұратын кристалдық торды толтыратын өзіндік электронды газды құрайды. Бірақ металдағы электронды газ құлыптаулы: металдың бетіне жақын жерде электрондарға сыртқа шығуға мүмкіндік бермейтін күштер әсер етеді. Олар металдың бетіне жақын жерде металдың ішіндегі электрондарды ұстап тұратын әлеуетті тосқауыл бар дейді. Металлдан газ тәріздес электронды тартып алу үшін оған (электронға) ықтимал тосқауылды жеңу үшін қажет қосымша, жеткілікті үлкен қуат беру керек.
Жарықтың толқындық теориясы фотоэффектті түсіндіре ала ма? Бір қарағанда, иә, түсіндіре алатын сияқты. Жарық толқыны металдың бетіне түскенде, бетке жақын орналасқан электрондар толқынның айнымалы электромагниттік өрісіне түсіп, электромагниттік күштердің әсерінен энергияны көбейтіп, үдей бастайды. Бірте-бірте олардың энергиясы соншалықты керемет болып шығады, сондықтан әлеуетті тосқауылды жеңуге жеткілікті, ал электрондар металдан жарылып шығады. Алайда берілген түсініктеме сапалы болып табылады. Физика мұндай түсіндірулермен қанағаттанбайды. Түсіндіруді экспериментпен сандық келісімге келтіру керек, яғни, физикалық құбылыстың сандық заңдылықтарын растау үшін есептеу арқылы. Толқындық теорияға негізделген фотоэффекттің сандық түсініктемесі қанағаттанарлықсыз. [10]
Ең қарапайымнан бастайық. Көрсетілген көзқарас бойынша, электромагниттік толқындағы электронның қалқуы үшін энергияның қажетті мәніне дейін белгілі бір уақыт қажет. Бұл уақытты болжауға болады. Есептеу не береді? Бұл электрондарды айдауға бір минуттай уақыт кететінін көрсетеді! Фотоэффект металдың бетіне жарық түскен бойда басталатыны тәжірибеден белгілі.
Металдан шыққан электрондар қандай да бір қалдық энергиясын алып жүреді. Бұл энергияны өлшеу оңай (мысалы, электр өрісін қолдана отырып). Жоғарыда келтірілген түсініктеме бойынша электрондар оның амплитудасы неғұрлым көп болса толқыннан көбірек энергия алу керек (демек, қарқындылық!). Электрондар су бетіндегі қалқыма тәрізді. Толқын неғұрлым жоғары болса, жүзгіштердің соғұрлым көп энергиясы болады. Тәжірибе көрсеткендей, металдан шыққан электрондардың энергиясы жарықтың қарқындылығына толық тәуелді емес. Біздің түсіндірмеміз қайтадан сәтсіздікке ұшырады. Шыққан электрондардың энергиясы, түсетін жарықтың жиілігіне байланысты. Бұл тәуелділік қатаң сызықтық болып табылады. Жарықтың толқындық теориясы тұрғысынан бұл факт те түсініксіз.
Осылайша, классикалық электродинамика, жарықтың әдеттегі толқындық теориясы фотоэффект туралы қанағаттанарлық түсініктеме бере алмайды. Бірақ қара сәулелену заңдары жарықтың толқындық теориясынан алыстап кетуі мүмкін және кетуі керек деп болжанады. [10]
Фотоэффект заңдары:
Фотоэлектрлік эффекттің 1-ші заңы: берілген жиілікте уақыт бірлігінде металл бетінен жарық шығаратын электрондар саны металды жарықтандыратын жарық ағынына тура пропорционал.
Фотоэффектінің 2-ші заңы: жарық шығарған электрондардың максималды кинетикалық энергиясы жарық жиілігіне қарай сызықтық өседі және оның қарқындылығына тәуелді емес.
Фотоэффекттің 3-ші заңы: әр зат үшін фотоэффекттің қызыл шекарасы бар, яғни, фотоэффект әлі мүмкін болатын жарықтың минималды жиілігі (немесе толқын ұзындығы) және егер түсетін жарықтың жиілігі осы мәннен аз болса, онда фотоэффект енді пайда болмайды.
Бұл заңдарға теориялық түсініктемені 1905 жылы Эйнштейн берген. Оның айтуынша, электромагниттік сәулелену дегеніміз - әрқайсысы энергиясы болатын жеке кванттардың (фотондардың) ағыны, мұндағы - Планктың тұрақтысы. Фотоэффект жағдайында металл бетінен түскен электромагниттік сәулеленудің бір бөлігі шағылысады және оның бір бөлігі металдың беткі қабатына еніп, сол жерде сіңеді. Фотонды сіңіріп, электрон одан энергия алады және жұмыс функциясын орындай отырып, металдан кетеді:
мұндағы - шыққан электронның массасы; - бұл электронның жылдамдығы.
2. Атомдық физиканы зерттеудегі тәжірибелер.
Демонстрациялық эксперимент физика курсының экспериментальды компоненті болуы керек. Әдетте, барлық негізгі физикалық түсініктерді эксперимент арқылы көрсету керек. Теориялық презентация кезінде және физикалық құбылысты көрсететін жақсы демонстрациялық тәжірибе жаттығудың бастапқы кезеңінде жиі туындайтын физикаға деген формальды тәсілді жеңуге мүмкіндік береді. [13]
Көрнекі тәжірибелер, белгілі болғандай, бұрын жинақталған алдын-ала идеяларды қалыптастырады, олар физиканы оқудың басында барлық оқушылар үшін бірдей және мінсіз болмайды. Физиканы оқу барысында бұл тәжірибелер жинақталып, оқушылардың ой-өрісін кеңейтеді.
Олар жаңа физикалық құбылыстар мен процестер туралы бастапқы идеяларды туғызады, заңдылықтарды ашады, зерттеу әдістерін енгізеді, кейбір жаңа құрылғылар мен қондырғылардың құрылымы мен жұмысын көрсетеді және физикалық заңдылықтарды іс жүзінде қолдануды бейнелейді. Мұның бәрі нақтыландырады, материалды теориялық тұрғыдан зерделеуді неғұрлым түсінікті және сенімді етеді, физикаға деген қызығушылықты оятады және қолдайды. Алайда, атом физикасында нақты көрсетілім жасау өте қиын.
Мұндай жағдайдан шығудың екі жолы бар:
1. Физиканы түсіндіру үшін зерттелетін құбылыстардың өзі емес, олардың аналогтары қарастырылатын материалды модельдер кеңінен қолданылады. Бұл әдісті атом физикасын оқығанда қолдануға болады.
Мұндай демонстрацияның мысалы ретінде атом ядросының құрылымы мен баскетбол алаңының орталық шеңберіндегі балалардың (ұлдар мен қыздардың бірдей санында) ретсіз орналасуы арасындағы ұқсастықты айтуға болады. Ұлдар протондарды, қыздар нейтрондарды бейнелейді. Егер сіз балалардан топтарға жиналуын сұрасаңыз - ұлдар ұлдармен, қыздар қыздармен болса, онда олар дүрбелеңге түсіп, форма сопақшаға созылады, бұл ядролық бөлінудің ұқсастығы. Мұндай модельдің тағы бір мысалы ретінде ядро құрылымы сұйықтық тамшысы ретінде қарастырылатын тамшы моделі бола алады. Бұл модельдер демонстрацияға жақсы балама болып табылады. Алайда модельдік эксперименттің басты кемшілігі - бәрі бірдей бола алмайды, ал механикалық модельдер микроәлемнің қасиеттерін бұрмалайды.
2. Атомдық физикадағы кез-келген экспериментті толығымен көрсету үшін компьютерлік модельдеуге жүгініңіз. Мұғалімнің көзқарасы бойынша компьютерлік модельдеудің беткі жағында жататыны түсінікті, әсерлі және есте қаларлық визуалды кескіндерді жасау мүмкіндігі. Мұндай визуалды бейнелер зерттелетін құбылысты түсінуге және маңызды бөлшектерді есте сақтауға сәйкес келетін математикалық теңдеулерге қарағанда едәуір дәрежеде ықпал етеді. [13]
Модельдеу дерексіз заңдар мен түсініктерге анықтық беруге, оқушылардың назарын зерттелетін құбылыстың тікелей бақылауды болдырмайтын нәзік бөлшектеріне аударуға мүмкіндік береді. Компьютер экранында модельдеу нәтижелерінің графикалық бейнеленуі зерттелетін құбылыс немесе процестің анимациясымен бір уақытта студенттерге мағыналы ақпаратты үлкен көлемде қабылдауға мүмкіндік береді. Біз тек теориялық материалды ұсынған кезде өзін толық деп көрсетпей модельдерді ұсынамыз. Интерактивті тақта арқылы модельдерді көрсетуге болады.
Спектрлік құрылғылар. Ньютон күн сәулесінің жұқа сәулесін шыны призмаға бағыттап, ғылым тарихында бірінші болып ақ жарықтың спектрлік ыдырауын бақылады. Призманың артында ақ жарықтың түс спектріне ыдырауы байқалды: жеті негізгі түстер - қызыл, сарғыш, сары, жасыл, ақшыл көк, көк және күлгін - бір-біріне тегіс өтті.
Көздердің ешқайсысы монохроматикалық жарықты, яғни қатаң анықталған толқын ұзындығын қамтамасыз етеді. Көзден шыққан сәуле өзімен бірге жүретін энергия жарық сәулесін құрайтын барлық ұзындықтағы толқындар бойынша белгілі бір жолмен бөлінеді. Спектрлік құрылғылар спектрлерді алу және зерттеу үшін қолданылады. Ең қарапайым спектрлік аспаптар - призма және дифракциялық тор. Дәлірек - спектроскоп және спектрограф.
Спектроскоп - белгілі бір көзден шыққан жарықтың спектрлік құрамын көзбен тексеретін құрал. Егер спектр фотографиялық тақтаға жазылса, онда құрылғы спектрограф деп аталады.
1895 жылы В.Рентген ашқан рентген сәулелері - бұл зат өте жылдам электрондарға әсер еткенде пайда болатын атом өлшемдерімен салыстыруға болатын толқын ұзындығы өте аз электромагниттік тербелістер. Рентген сәулелері ғылым мен техникада кеңінен қолданылады.
Олардың толқындық табиғатын 1912 жылы кристалдардың атомдық торында рентгендік дифракция құбылысын ашқан неміс физиктері М.Лауэ, В.Фридрих және П.Книпинг орнатқан. Тар рентген сәулесін қозғалмайтын кристаллға бағыттау арқылы олар дифракциялық заңдылықты кристалдың артына орналастырылған фотопластинкаға тіркеді, ол үнемі бір-бірінен алшақтап тұрған дақтардан тұрады. Әрбір нүкте - кристаллмен шашыраған дифракциялық сәуленің ізі. Осы әдіспен алынған рентгендік кескінді лау өрнегі деп атайды. Бұл жаңалық рентгендік құрылымдық талдауға негіз болды. Практикалық мақсаттарда қолданылатын рентген сәулелерінің толқын ұзындығы бірнеше ангстремадан ангстремнің фракцияларына дейін жетеді, бұл 103-тен 105 эВ-қа дейінгі рентген сәулелерін тудыратын электрондардың энергиясына сәйкес келеді. Рентген түтігінің құрылғысы. Қазіргі уақытта рентген сәулелерін алу үшін рентген түтіктері деп аталатын өте дамыған құрылғылар жасалды. [13]
Электрондардың күрт тежелуімен рентген сәулелері - электромагниттік толқындар - анодта пайда болады. Көрінетін жарық пен ультрафиолет сәулелерінен айырмашылығы, рентген сәулелерінің толқын ұзындығы әлдеқайда қысқа. Олардың толқын ұзындығы неғұрлым аз болса, электрондардың кедергімен соқтығысу энергиясы соғұрлым көп болады. Рентген сәулелерінің жоғары ену қабілеті және олардың басқа ерекшеліктері қысқа толқын ұзындығымен байланысты болды. Күшті рентген түтіктерінде анод ағынды сумен салқындатылады, өйткені электрондар баяулаған кезде көп мөлшерде жылу бөлінеді. Электрон энергиясының шамамен 3% -ы ғана пайдалы сәулеге айналады. Рентген сәулелерінің толқын ұзындығы 10-9-нан 10-10 м-ге дейін, олар ену қабілеті жоғары және медицинада қолданылады, сонымен қатар кристалдар мен күрделі органикалық молекулалардың құрылымын зерттейді. [14]
Негізгі орта білім беру деңгейінің 7-9-сыныптарына арналған Физика пәнінің оқу бағдарламасында атомдық физика тараулары бойынша 9-сыныпта барлығы 13 сағат бөлінген. Оның ішінде: Атом құрылысы. Атомдық құбылыстар - 7 сағат, Атом ядросы - 6 сағат. [18]
Атомдық физика бойынша 9-сынып оқушыларының дайындық деңгейіне қойылатын талаптар:
- атом құрылысы және оны зерттеу әдістері, элементар бөлшектер (фотон, электрон, протон, нейтрон), радиоактивтілік, радиоактивті ыдырау, ядролық реакция сияқты ұғымдар мен шамалар туралы түсінік алуы;
- үлкен массалы ядролардың бөлінуі кезінде энергияның бөлініп шығатындығын сапалық деңгейде түсіндіруі;
- атомдардың жарықты шығаруы мен жұтуын, фотоэффект құбылысын түсіндіруі және оны пайдалануға мысалдар келтіруі;
- фотоэлементтердің, спектрлік анализдің, ядролық реактордың практикалық қолданыстарын, ядролық энергетиканың экологиялық проблемаларын түсіндіруі тиіс; [18]
Жалпы орта білім беру деңгейінің жаратылыстану-математикалық бағыттағы 10-11-сыныптарына арналған Физика пәнінен оқу бағдарламасы атомдық физика тараулары бойынша 11-сыныпқа (жаратылыстану-математика бағыты) барлығы 23 сағат жоспарланған. Оның ішінде: Атом физикасы - 8 сағат, Атом ядросының физикасы - 9 сағат, Элементар бөлшектер - 6 сағат [19].
Атом физикасы (8 сағат) : сызықтық спектрлер; альфа-бөлшектердің шашырауы бойынша Резерфорд тәжірибесі; Бор постулаттары; сутегіге ұқсас атомдарға Бор теориясы; Бор моделі және сәйкестік қағидасы; Франк-Герц тәжірибесі.
Көрсетілімдер: лазерлiк сәулеленудiң когеренттiк қасиеттерi.
Атом ядросының физикасы (9 сағат): атом ядросы; ядроның нуклондық моделi; ядродағы нуклондардың байланыс энергиясы; табиғи радиоактивтiк; радиоактивтiк ыдырау заңы; ядролық реакциялар; жасанды радиоактивтiк; ауыр ядролардың бөлiнуi; тiзбектi ядролық реакциялар;ядролық реактор; ядролық энергетика; термоядролық реакциялар; радиоактивтi сәулелердiң биологиялық әсерi; радиациядан қорғану.
Лабораториялық жұмыстар: дайын фотосуреттер бойынша бөлшектердің өзара әрекеттесуін зерттеу.
Элементар бөлшектер (6 сағат): ғарыштық сәулелер; ядролық күштер; элементар бөлшектер; микродүниедегі сақталу заңдар.
Практикалық жұмыстар: радиоактивті ыдырауды компьютерлік модельдеу, ядролық реация моделі.
Атомдық физика бойынша 11-сынып оқушыларының дайындық деңгейіне қойылатын талаптар:
-радиоактивтік сәулелену, жартылай ыдырау периоды, ядролық бөліну және термоядролық синтез реакциялары; элементар бөлшек (фотон, электрон, протон, нейтрон); атомның Резерфорд-Бор бойынша моделі және ядроның нуклондық моделі сияқты ұғымдар мен шамалардың физикалық мағынасын түсіну;
-қандай да бір ядролық реакция мысалында масса мен энергияның, массалық санның сақталу заңдарының орындалатындығын көрсете алуы;
-атомдардың сәуле ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz