I – bob fizikadan masalalarni saqlanish qonuni mexanika bo‘limiga tadbiqi

§1.2 Mexanikada energiya saqlanish qonuni yordamida masalalar yechish
Aniq fanlarga ixtisoslashmagan akademik litseylar ҳамda касб хунар мактабларида fizika darslari умумий ўрта таълим мактаблари билан фарқ қилмайди. Atom va atom yadrosi fizikasini mavzularini o‘qitish uchun 7 soat ajratilgan bo‘lib shundan 2 soati atom fizikasi uchun qolgan 4 soati esa yadro fizikasi uchun ajratilgan.

44-dars	Atomning Bor modeli. Bor postulatlari. Masalalar yechish.	1
45-dars	Lazer va ularning turlari.	1
46-dars	Atom yadrosining tarkibi. Bog‘lanish energiyasi. Massa defekti.	1
47-dars	Radioaktiv nurlanishni va zarralarni qayd qilish usullari. Radioaktiv yemirilish qonuni.	1
48-dars	Yadro reaksiyalari. Siljish qonuni. Elementar zarralar.	1
49-dars	Atom energetikasining fizik asoslari. Yadro energiyasidan foydalanishda xavfsizlik choralari.	1
50-dars	O‘zbekistonda yadro fizikasi sohasidagi tadqiqotlar va ularning natijalaridan xalq xo‘jaligida foydalanish.	1

Shu ajratilgan soatda biz o‘quvchilarga yadro va atom haqida ko‘proq malumot va tushincha bera olishimiz kerak. Berilgan soatlarni to‘g‘ri taqsimlagan holda Atom va Yadro modellarini ham chuqurroq va mukammalroq o‘rgatishimiz kerak. Yadro fizikasi fizikaning murakkab boblaridan bo‘lganligi uchun biz bu bobda o‘quvchilarga bilim berishga chuqurroq yondashishimiz kerak. Har bir mavzu yuzasidan ajratilgan soatlarda yana qo‘shimcha malumotlar bilan boyitib o‘quvchilarni qiziqishni ortirmog’imiz darkor. Har bir mavzu yuzasidan slayd taxlab o‘quvchilarni ko‘rish orqali bilimlarini yanada mustahkamroq qilishimiz kerak. Yadro modellarni o‘qitayotganda har bir modelni chuqur tushintirgan holda, qachon kim tomonidan ishlab chiqilganini yutuqlari va kamchiliklarni ochib bermog’imiz kerak. Albatta birinchi navbatda atomning ilk yadro haqidagi modellari kim tomonidan olg’a surilganini va u nima uchun keyinchalik bu qarashlar bekor bo‘lgani va kamchiliklari haqida chuqurroq bilim va ko‘nikma hosil qilishimiz kerak.

“Atom fizikasi” mavzusida atom energetik sathlarining diskretligi, yorug‘likni atomlarda nurlanishi va yutilishi, spektrlar va spektral tahlil, lazerlarni ishlash tamoyili kabi juda muhim masalalar o‘rganiladi. Atom energetik sathlarining diskretligi, qolgan barcha material uchun asos bo‘lib xizmat qiladi. Atomning Rezerford-Bor modeli, Rezerfordning atomning yadro modali bilan Borning Kvant postulatlarining qo‘shilmasidan iborat. Klassik fizika nuqtai-nazariga ko‘ra bunday qo‘shish g‘ayri tabiiy. Klassik mexanika va elektrodinamika qonunlariga ko‘ra, atom yadrosining kulon maydonida turgan elektron, energiya olib va yo‘qotib, ixtiyoriy trayektoriya (orbita) bo‘yicha harakat qilishi mumkin. Klassik mexanika tezlikni (demak, kinetik energiyani) va koordinatani (ya’ni potentsial energiyani) hech qanday sakrab o‘zgarishiga yo‘l qo‘ymaydi. Elektron orbitalarga asoslangan Bor poustulatlariga ko‘ra, atom yadrosi maydoniga elektron faqat tanlangan orbitalar bo‘yicha harakat qilishi va bir orbitadan ikkinchisiga sakrab o‘tishi natijada energiyasini ham sakrab o‘zgartirishi mumkin. Bu-birinchi ziddiyatdir.
O‘quvchilarga klassik modeldan kvant modelga o‘tish tarixiy zaruriyat ekanligi va ularning o‘zaro bog‘liqligini yaxshilab tushuntirish lozim. Ammo Rezerford tajribasining mohiyatini ochish, shu kabi klassik fizikani atomning kvant modeli bilan bog‘lanishi, juda ko‘p ma’lumotni bayon qilishni talab qiladi. Bunday ma’lumotlarni barchasini o‘quvchilar esda saqlab qolishi shart emas, chunki ular illyustrativ xarakterga ega. Shu sababli, ularni kirish ma’ruzasida bayon qilish maqsadga muvofiqdir.
Atom fizikasiga taalluqli, o‘quvchilarning diqqatini to‘plash talab qilinadigan materialning muhim tomonlari quyidagilar:
-Rezerfordning yadro modeli alfa zarralarini moddalarda sochilishini yaxshi tushuntirib beradi, lekin atomning turg‘unligini tushuntirmaydi;
-Fiziklarga XX asrlarning boshlariga ma’lum bo‘lgan chiziqli spektrlarni N.Bor atomning Rezerford modeli va M. Plankning kvant gipotezasi asosida quyidagi postulatlar orqali tushuntirishga muvaffaq bo‘ldi:
1.Atom sistemasi sezilarli vaqt davomida faqat maxsus statsionar holatlarda bo‘lishi mumkin, ularning har biriga E_p energiya mos keladi;
Atom bu holatlarda energiya yutmaydi ham, chiqarmaydi ham;
2.Atom E_p energiyali bir statsionar holatdan E_к energiyali ikkinchi statsionar holatga o‘tganda, (E_p>E_k bo‘lsa) energiyali kvantli chiqaradi, yoki (E_pk bo‘lsa) shunday kvantni yutadi.
Bor postulatlarini klassik elektrodinamika va mexanikadan keltirib chiqarish mumkin emas. Bor postulatlarini atomning turg‘unligini va uni nurlanish bilan o‘zaro ta’sir xususiyatlarini tushuntirishga muvaffaqiyatli tadbiq qilinishi, klassik mexanika va elektrodinamikaning qo‘llanish chegarasini ochib beradi:
Mikrodunyo masshtabida ularni ehtiyotlik bilan qo‘llash lozim. Atom nazariyasi (kvant mexanika) dastlab Bor postulatlariga asoslangan bo‘lishiga qaramasdan, juda ko‘p hodisalarni masalan, chiziqli spektrlarni hosil bo‘lishini va o‘z-o‘zidan hamda majburiy nurlanishlarning xususiyatlarini tushuntiradi.
O‘quvchilar shu narsani yaxshi o‘zlashtirib olishlari kerakki, har bir mikrosistema (atom, molekula, ion) o‘ziga xos ichki energiyaning qiymatiga ega. Shuning uchun, har bir mikrosistemani chiqarish va yutilish spektrlari, o‘ziga xos bo‘lib, faqat shu mikrosistemaga taalluqlidir. Spektrlarning o‘ziga xosligi (indivi-dualligi) spektrlar tahlil yordamida aralashmalarining kimyoviy tarkibini aniqlash asosida yotadi.
O‘quvchilarning diqqatini yana shu narsaga jalb qilish kerakki, moddalarni qizishiga olib keluvchi yorug‘likni (umuman nurlanishni) yutilishi bilan bir qatorda, uyg‘otilgan atomlar (molekulalar) sistemasidan o‘tayotgan elektromagnit to‘lqinlarning intensivligi, yorug‘likning majburiy nurlanishini hisobiga (Eynshteyn g‘oyasi) kuchayishi mumkin. Bu hodisa yorug‘likning kvant generatorlarining (lazerlarning) asosini tashkil qiladi.
O‘quvchilarga, shu mavzugacha fizika kursida o‘rgan-gan (nisbiylik nazariyasi va yorug‘lik kvantlaridan tashqari) barcha masalalar, XIX-asrning oxirida yaratilgani ma’lum edi. Ko‘pchilik fizik olimlar o‘sha vaqtda, ma’lum bo‘lgan nazariyalar sistemasidan iborat fizika fanini rivojlanib bo‘ldi degan xulosaga kelishgan edi. Bir nechta “xususiy” masalalarni, jumladan, atom tuzilishi va uni yorug‘lik bilan o‘zaro ta’sir masalalarinigina hal qilish qolgandi. Biroq, aynan shu masalalarni hal qilishda zarralar harakati va o‘zaro ta’sirining klassik modeli ojizlik qilib, mikrodunyodagi jarayonlarni tushuntira olmay qoldi. O‘quvchilarning VII va IX sinflarda olgan bilimlariga asoslanib, ularga quyidagini eslatish kerak. Atomga, harakatning klas­sik modelini tadbiq qilishda, uni qayta ko‘rib chiqish to‘g‘risi-dagi birinchi “xabar”ni M. Plank bergan: 1900 yili Plank, atomlar yorug‘lik energiyasini yorug‘lik to‘lqinining chastotasiga proporsional bo‘lgan, E(hv por­tsiya ko‘rinishida chiqaradi va yutadi degan gipotezani o‘rtaga tashladi. Ammo Plank gipotezasi yorug‘likni atom­lar bilan o‘zaro ta’sirlashish qonuniyatlarini ham, ularning tuzilish qonuniyatlarini ham ochib bera olmadi. U faqat quyidagi natijani, ya’ni nima uchundir atomlar yorug‘likni portsiya shaklida yutishi va chiqarishini ko‘rsatgan edi. Atomning ichki tuzilishi noma’lumligicha qolardi. Bu yo‘nalishdagi birinchi qadamni J.J.Tomson qo‘ydi. U 1897 yili elektronni mavjudligini isbotladi va uning zaryadi va massasini aniqladi. 1903-1904-yillarda u quyidagi g‘oyani ilgari surdi: atom musbat zaryadlangan sfera shaklida bo‘lib, elektronlar uning ichida joylashgan. Biroq atomning taklif qilingan bu modeli mushohadaga asoslangan bo‘lib, uni to‘g‘ri yoki noto‘g‘riligini tajribada tasdiqlash lozim edi. Hozirgi zamon atom tuzilish nazariyasining shakllanishiga E. Rezerford ulkan hissa qo‘shdi. U 1911 yili o‘zining shogirdlari G. Geyger, va E. Marsdenlar bilan birgalikda atomning yadro modelini asoslashdi. Rezerford o‘zining tajribalarini o‘tkazgan qurilmaning tuzilishi bilan tanishib chiqaylik.

Bu yerda 1-ichiga radiy solingan qo‘rg‘oshin quticha. Undagi tirqishdan alfa-zarralarning oqimi 3 chiqadi, ular 4-yupqa zarra sochiladi. Sochilgan alfa-zarralar rux sulfidi bilan qoplangan 5-ekranga tushib, chaqnash hosil qiladi. Bu chaqnashlar 6 mikroskop orqali 7 ko‘z bilan kuzatib, sanaladi. Ek­ran mikroskop bilan birgalikda burilib, ekranga tushayotgan zarralarni tushish burchagini o‘zgartirishga imkon beradi. Tajribalarda 100000 dan ortiq chaq-nashlar sanalgan. Tajribaning ko‘rsatishicha, ko‘pchilik alfa-zarralar zardan o‘z harakat yo‘nalishini o‘zgartirmasdan, yoki biroz o‘zgartirib o‘tar ekan. Ammo ayrim alfa-zarralar folgadan o‘tishda ancha katta burchakka og‘ar ekan. Jumladan, taxminan 20000 tadan bittasi 90^°, 40000 tadan bittasi deyarli 120^°, 70000 dan bittasi esa deyarli 150^° ga og‘ar ekan.
Atomning energetik sathlari. Yorug‘likning nurlanishi va yutilishi. Yorug‘likni atomlarda nurlanishi va yutilishi hodisasi-ni tushuntirishda o‘quvchilarning diqqatini quyidagi dalilga, ya’ni atomni bir holatdan ikkinchisiga o‘tishini grafik usulda ikki xil tasvirlashga qaratish ke­rak. Birinchidan, buni elektronning «ruhsat berilgan» orbitalari orqali ko‘rsatish mumkin. Bu usulda atom holatining o‘zgarishi elektronni bir orbitadan boshqasiga o‘tishi orqali tushuntiriladi. Elek­tron yuqori orbitaga o‘tishda ma’lum miqdordagi energiyani yutadi. Ikkinchidan, odatda bizni elektronlar orbitalarining shakli va ularning radiuslari emas, balki atomning ichki energiyasi va uning o‘zgarishi qiziqtirgani uchun, uni sonli o‘qda ifodalash mumkin. O‘qqa esa elektronning orbitalariga mos kelgan energiyalarning E_i ; E₁ ; E₂ ; Ез ... qiymatlari qo‘yiladi.
O‘quvchilarga atom va yadro fizikasida energiya elektron voltlarda ifodalanishini ekanligini eslatish lozim. O‘quvchilar energetik sathlar diagrammasini yaxshi o‘zlashtirib olishlari uchun quyidagi masalalarni tahlil qilib ko‘raylik:
1.Vodorod atomi uchun Е_r = 13,61 eV; В₂ =3,40 eV; В₃ =-1,51eV. Bu uchala energetik sathlarni biridan ikkiichisiga o‘tishga taalluqli ekanligini aniqlang.
2.Atom energetik sathlari diagrammasidan foydalanib, chiqarish va yutilish spektrlarining o‘rni bir xil ekanligini tushuntiring.
Bu masalalarni yechish jarayonida o‘quvchilar o‘zlari atom chiqaradigan va yutadigan yorug‘lik spektrining chiziqli ekanligini tushuntirishadi. Ularning diqqatini Bor postulatlarining quyidagi uchta muhim asosni-Plank gipotezasi, atomning Rezerford modeli va atom spektr­larining chiziqli ekanligini moslashtirishiga qaratish lozim. Bor nazariyasigacha ularni moslashtirish mumkin emas deb qaralardi. Bor orbitalarining radiuslarini va atom statsio­nar holatlarining energiyalarini hisoblash formulalari asosiy, barcha o‘quvchilar tomonidan o‘zlashtirish majburiy bo‘lgan o‘quv materiali qatoriga kiritilmagan.
Majburiy tebranishlarda tebranish sistemasini tashqi manba bilan o‘zaro ta’siri kuchli bo‘lishi uchun manbaning tebranish chastotasi tebranish sistemasining xususiy chastotasiga yaqin bo‘lishi kerak. Shunga o‘xshash, yorug‘likni modda bilan o‘zaro ta’siri natijasida, moddada yorug‘lik to‘lqinining tezligi o‘zgaradi., To‘lqinning chastotasi atomning (yoki molekulaning) xususiy chastotasiga qancha yaqin bo‘lsa, o‘zgarish shuncha katta bo‘ladi. Shuning uchun moddada har xil chastotali yorug‘lik to‘lqinlarining tezliklari ham turlicha bo‘lib, bu yorug‘lik dispersiyasi namoyon bo‘ladi. Agar to‘lqinning chastotasi atomning birorta xususiy chastotasiga juda yaqin bo‘lsa, yorug‘lik to‘lqinining atomlar bilan o‘zaro ta’siri faqatgina yorug‘likning tarqalish tezligini o‘zgartirib qolmasdan, balki uning intensivligini ham o‘zgartiradi, natijada u susayishi yoki kuchayishi mumkin. Jumladan, kuchayishi lazerlarda yoki optik kuchaytirgichlarda namoyon bo‘ladi.