Yuqori energiyalar fizikasi asoslari
Ma’ruzachi: Fizika-matematika fanlari bo’yicha
falsafa doktori (PhD), dotsent vazifasini bajaruvchi
Qurbonov Anvar Razzaqovich
1-mavzu.
Zamonaviy fizik tadqiqotlarning xususiyatlari, yo’nalishlari va
dunyoqarash shakllanishidagi o’rni
Reja:
1.
Zamonaviy tadqiqotlarning xususiyatlari
2.
Fizika va astronomiya sohasidagi tadqiqotlar xarakteri.
3.
Fizika va astronomiya sohasidagi tadqiqot yo‘nalishlari.
4.
Atom tuzilishi to’g’risidagi tasavvurlarning rivojlanishi.
5.
Mikrodunyoda fizik kattaliklar o’lchamlari
Ma’lumki, fizika fani insoniyat erishgan va erishayotgan ilmiy-texnik
taraqqiyotning asosini tashkil qiladi. Qadimdan to XVIII asr oxirigacha bu fan
falsafa fani tarkibida o’z rivojlanish yo’lini bosib o’tgan bo’lsa, XIX asr boshidan
mustaqil fan sifatida tabiat sir-sinoatlarini ochishga, ular asosida jamiyat
taraqqiyotiga, insoniyat turmush tarzini yaxshilashga xizmat qilib kelmokda.
Elektron va radioaktivlik hodisasining kashf qilinishi materiyani o`rganishning
yangi erasini boshlab berdi. Bu paytga kelib materiyaning atomlardan tuzilganligi,
ya`ni kimyo fanidagi proportsional munosabatlar, gazlar termodinamikasi,
kimyoviy elementlarning davriy jadvali yoki Broun harakati kabi bilimlar keng
ma`lum edi. Lekin atomlarning mavjudligi umumjamiyat tomonidan hali ta`n
olinmagan edi. Buning sababi oddiy edi: hech kim bu atomlarning tuzulishini
tasavvur qila olmas edi. Yangi kashfiyotlar shuni ko`rsatdiki, materiyadan paydo
bo`ladigan ―zarralar bu atomlarning tashkil etuvchilari deb qaralishi kerak edi.
Hozirda radioaktiv parchalanishdan hosil bo`lgan zarralarni boshqa elementlarni
bombardimon qilishda qo`llash imkoniyati mavjud. Bu esa o`sha elementlarning
tashkil etuvchilarini o`rganish imkoniyatini beradi. Ushbu eksperimental imkoniyat
zamonaviy yadro va zarralar fizikasining asosini tashkil qiladi. Yadrolarni
sistematik o`rganish imkoniyati so`nggi 30 yillar ichida zamonaviy zarralar
tezlatkichlari imkoniyatlari sababli yuzaga keldi. Lekin atomlarning asosiy qurilish
bloklari – elektron, proton va neytron bundan oldin qayd qilingan edi.
Sochilish eksperimentlari yadro va zarralar fizikasining eng muhim quroli
hisoblanadi. Ular turli zarralar orasidagi o`zaro ta`sir xususiyatlarini o`rganishda va
atom yadrolari ichki tuzilishi, ularning tashkil etuvchilari to`g’risida ma`lumot
olishda keng qo`llaniladi.
Atomistik tasavvurlarning rivojlanishida 1869-yilda D.Mendeleyev tomonidan
kimyoviy elementlar davriy tizimining kashf etilishi muhim o’rin tutdi.
D.Mendeleyev davriy qonuni asosida hali ma‘lum bo’lmagan yangi elementlarning
mavjudligini, ularning fizik va kimyoviy xossalarini oldindan ayta oldi. Lekin bu
tizim ham ko’p yillar davomida ilmiy jihatdan tushuntirilmadi. XIX asr oxirida
moddalar tuzilishi haqidagi fikrlarni tasdiqlovchi bir qator hodisalar, tajribalar
ma‘lum bo’ldi. Yorug’likning elektromagnit xossalari kashf qilindi, ayrim gazlar
spektrida empirik qonunlar ixtiro qilindi va moddalar atomlardan tuzilgan degan
nazariya to’g’ri ekanligi asoslandi. Atomlar eng kichik zarralardan tuzilganligi
ko’rsatildi. Vakuum texnikasida past bosimlarni hosil qilish usullari kashf etildi.
Past bosimli gazlarda elektr razryadlarini kuzatishga imkoniyat tug’ildi. Past
bosimli gazlardan elektr tokining o’tishini o’rganish bo’yicha Goldshteyn,
Krukslar tadqiqot ishlarini olib bordilar. J.Tomson (1856-1940) tomonidan katod
nurlari va uning xossalari o’rganildi. Tomson tomonidan o’tkazilgan tadqiqotlar
jarayonida atomdan ham bir necha marta kichik bo’lgan elektron mavjudligi
aniqlandi. Elektron massasi vodorod atomi massasidan 1837 marta kichikligi va
uning elektr zaryadi mavjud bo’lgan elektr zaryadlardan eng kichikligi ko’rsatildi.
Elektronning zaryadi va masssasi o’zgarmasligi aniqlandi. Elektron emissiyasi
hosil bo’ladigan uch xil hodisa aniqlandi. Birinchisi, fotoelektrik effekt, bu hodisa
metallarni ultrabinafsha nurlar bilan nurlantirganda hosil bo’ladi. Ikkinchisi,
termoelektron emissiya, bu hodisa agar metall tola yuqori temperaturada qizdirilsa,
undan elektronlar ajralib chiqa boshlaydi. Uchinchisi, radioaktiv elementlarning
o’z-o’zicha beta-nurlar (elektronlar) chiqarishidir. Elektronlar qaysi usulda hosil
qilinishidan qat‘iy nazar, ularning barchasi bir xil xossaga, bir xil miqdordagi
elektr zaryadiga va massaga ega. Elektronlar maydalanmaydigan elementar qism
deb qaraladi, ular manfiy zaryadlangan. Atomlar esa normal holatda neytral
bo’ladi. Atomlarning o’ziga xos chastotali yorug’likni chiqarish yoki yutish
xossalari ularda elektr zardlarining borligini ko’rsatadi. Siyraklashtirilgan gaz va
qizigan metall bug’larining atomlari turli rangdagi chiziqlardan iborat spektrni
beradi. Shuning uchun, bu spektrlar chiziqli spektrlar deyiladi. Atom spektrini
o’rganish atom tuzilishini bilishda muhimdir. Atom spektridagi chiziqlar tartibsiz
joylashmay, balki chiziqlar seriyasi deb ataluvchi guruhlarga ma‘lum bir
qonuniyatlar asosida birlashishi aniqlandi.
XX asr boshlarida atom tuzilishining turli modellari taklif qilindi. 1897-yilda
elektronni kashf etgan J.Tomson 1903-yilda atom tuzilishining dastlabki modelini
taklif qildi. Tomson modeliga asosan atom musbat zaryadlangan shar bo’lib,
manfiy zaryadlangan elektronlar shu sharda taqsimlangan. Shardagi musbat zaryad
miqdori elektronlar zaryadi yig’indisiga teng va atom neytral hisoblanadi.
Elektronlarning o’z muvozanati atrofida kichik tebranishlari natijasida atom
yorug’lik chiqaradi. Lekin keyinchalik bu modelning asossizligi aniqlandi.
Shunday bo’lsada, bu model Lorens tomonidan tajriba bilan to’g’ri keladigan
ko’pgina nazariyalarning yaratilishiga asos bo’ldi. Lorens elektromagnit
to’lqinlarning moddalar bilan o’zaro ta‘siri, harakatdagi muhit elektrodinamikasi
nazariyalarini qarab chiqdi. Shu bilan u A.Eynshteynning (1879-1955) nisbiylik
nazariyasiga zamin yaratdi. 1905-yilda A.Eynshteynning nisbiylik nazariyasi,
1926-yilda kvant mexanikasi yuzaga keldi. Kvant mexanikasining rivojlanishi
murakkab va davomli bo’ldi. 1900-yilda M.Plank ishlarida mikrodunyoning
birinchi asosiy postulati – fizik kattaliklarning kvantlanishi prinsipi asoslandi.
Plank tomonidan absolyut qora jism muvozanatli nurlanishi spektrida energiyaning
taqsimlanishi haqidagi qonunini ifodalaydigan formulani chiqarishda nurlanishning
modda bilan o’zaro ta‘siri haqidagi klassik fizika tasavvurlariga zid bo’lgan
gipoteza aytildi: chastotasi
bo’lgan yorug’lik to’lqini bilan ta‘sirlashadigan
moddaning atomi yoki molekulasi energiyaning istalgan porsiyasini chiqarmaydi
ham yutmaydi ham, balki energiyaning butun sondagi elementar ħ
porsiyalarini
chiqaradi yoki yutadi. Bu bilan Plank atom yoki molekula chiqaradigan yoki
yutadigan energiya kvantlanganligini ko’rsatdi. Bunda proporsionallik doimiysi
Plank doimiyligi deb nomlandi. Uning tajribada aniqlangan qiymati ħ=1,054
10
–34
J
s. Kvantlash g’oyasining keyingi rivojlanishi Eynshteyn (1905) tomonidan
davom ettirildi. Eynshteyn gipotezasiga asosan yorug’likni to’lqin sifatida emas,
balki har birining energiyasi E=ħ
va P=ħ
/c bo’lgan kvantlar (fotonlar) oqimi
sifatida qaraladi. Bu gipoteza mikrodunyo fizikasining korpuskulyar-to’lqin
dualizmi haqidagi ikkinchi asosiy prinsipini tasdiqladi.
1913-yilda daniyalik fizik olim N.Bor energiyaning kvantlanishini atomning
yadroviy modeliga tatbiq qildi. Bor nazariyasi atom tuzilishi nazariyasining
rivojlanishida yirik yutuq hisoblanadi. Lekin rentgen spektrlarini, ishqoriy metallar
spektrlarini vodorod atomi spektrining nozik strukturasi, Shtark va Zeeman
effektlarini tushuntirishdagi muvaffaqiyatlar Bor nazariyasining
chegaralanganligini ko’rsatdi. Yangi kvant prinsiplarining ochilishi va rivojlanishi
murakkab davrlardan o’tdi va nihoyat, 1926-yilda kvant mexanikasi yaratilishi
bilan mikrodunyoning nazariyasi yuzaga keldi. Atom tuzilishining ikkinchi modeli
atomning planetar modeli bo’lib, bu model to’g’risidagi dastlabki tushunchalar
1903-yilda Kelvin va X.Nagaoka tomonidan aytilgan edi. Atomning planetar
modeliga asosan atomning markazida musbat zaryad joylashgan bo’lib, elektronlar
uning atrofida yopiq orbitalarda harakatlanadi. Ammo atom tuzilishini
tushuntirishda bu ikki model ham ma‘lum qiyinchiliklarga uchradi. Atom
tuzilishini tushuntirish uchun tajribalar o’tkazish talab qilinar edi. Bunday
tajribalar 1911-yilda Rezerford tomonidan o’tkazildi. U alfa-zarralarning yupqa 22
metall folgalarda sochilishi ustida bir qator tajribalar o’tkazdi. Rezerford o’tkazgan
tajribalari asosida atom tuzilishining planetar modelini taklif qildi. Atomning
planetar modeliga asosan atom quyidagicha tuzilgan: atom musbat zaryadlangan
yadro va uni o’rab olgan manfiy zaryadli elektronlar qobig’idan iborat. Elektronlar
yadro atrofida doiraviy orbitalar bo’ylab harakatlanadi.
Elektronlarning to’liq manfiy zaryadi yadroning musbat zaryadi miqdoriga teng
bo’lib, atom neytral holda bo’ladi. Yadroning o’lchami 10
–13
-10
–12
sm, atomning
o’lchami esa 10
–8
-10
–7
sm dir. Atomning asosiy massasi (99,95%) yadroda
joylashgan. Bor nazariyasi vodoroddan keyingi element geliy atomi spektridagi
qonuniyatlarni mutlaqo tushuntira olmadi. Bor nazariyasi yarim klassik va yarim
kvant nazariya edi. Lekin Bor nazariyasi fan rivojlanishida muhim o’rin tutdi,
mikrodunyo hodisalariga klassik fizika qonunlarini qo’llash mumkin emasligini
ko’rsatdi. 1905-yilda A.Eynshteyn tomonidan elektromagnit nurlanishlarning
kvantlanishi kiritildi. 1924-yilda Lui de-Broyl elektron va boshqa zarralarning
to’lqin xossasiga ega ekanligi to’g’risida o’z gipotezasini taklif qildi. 1926-yilda
esa E.Shredinger de-Broyl gipotezasi asosida to’lqin mexanikasini rivojlantirdi va
o’zining to’lqin tenglamasini taklif qildi. Bu tenglama Shredinger tenglamasi deb
ataldi. To’lqin mexanikasi mikrodunyo hodisalarini klassik nuqtai nazardan
tushuntirib bo’lmasligini ko’rsatdi.
Atom to’g’risidagi tasavvurlar 1928-yilda P.Dirak tomonidan to’lqin tenglamasini
relyativistik umumlashtirishi natijasida yanada rivojlandi. Dirak nazariyasi musbat
elektron – pozitronning mavjudligini ko’rsatdi. Pozitron 1932- yilda K.Anderson
tomonidan kashf qilindi. Dirak nazariyasidan vodorod atomi uchun kelib
chiqadigan xulosalarning tajribada tekshirilishi nazariya bilan tajriba natijalari
orasida oz bo’lsada farq borligini ko’rsatdi. Bu farq 1947-yilda U.Lemb va
E.Rezerford tomonidan o’lchandi va unga Lemb siljishi deb nom berildi. Lemb
siljishi 1947-yilda G.Bete tomonidan tushuntirildi. Atom to’g’risidagi
tasavvurlarning rivojlanishi bilan birga atomni tashkil qilgan zarralar elektron,
neytron, proton xossalari ham o’rganila bordi. Yangi elementar zarralar tizimi
ochildi. Mikrodunyoda fizik kattaliklar o‘lchamlari. Mikrodunyo hodisalarini
tekshirishlar ko’rsatadiki, atomlar va boshqa elementar zarralar bo’ysinadigan
qonunlar mikrodunyo qonunlaridan farq qiladi.
Atom o’lchami 10
–8
sm (1 Å=10
–8
sm=10
–10
m) yoki 10
–10
m tartibidadir. Bu
kattalik atomning tashqi elektron orbitasi radiusini ifodalaydi. Yuz million atomni
bir qatorga joylashtirsa 1 sm=10
–2
m uzunlikni egallaydi. Yadroning o’lchami (10
–
12
10
–13
)sm yoki (10
–14
10
–15
)m tartibidadir. 10
–13
sm=10
–15
m uzunlik bir Fermi
deb qabul qilingan. Ya‘ni, 1 Fermi = 10
–15
m yoki 1 Fermi = 10
–13
sm. Energiya.
Atom va yadro tadqiqotlarida energiyaning o’lchov birligi sifatida elektronvolt
(eV), kiloelektronvolt (keV), megaelektronvolt (MeV) va gigaelektronvolt (GeV)
birliklari ishlatiladi. Bir elektronvolt elektron elektr maydonida potensiallari farqi
bir volt bo’lgan ikki nuqta orasida harakatlanganida olgan energiyasidir. Bir
elektronvolt energiya va ish birliklari orasidagi bog’lanishlarni ko’raylik. Elektr
maydonda zaryadni bir nuqtadan ikkinchi nuqtaga ko’chirishda maydon
kuchlarining bajargan ishi quyidagicha aniqlanadi: A
qU , (1) q – elektron
zaryadi. O’lchov birligi SI – tizimida Kulon. Zaryad kattaligi q=1,6
10
–19
Kl. 1
Kl=3
10
9
SGSE zaryad birligi. U vaqtda: q=1,6
10
–19
3
10
9
=4,8
10
–10
CGSE
zaryad birligi. U – potensiallar farqi, o’lchov birligi SI tizimida volt. Demak,
mikrodunyoda energiya birliklari quyidagicha: 1 eV =1,6
10
–12
erg=1,6
10
–19
Joul;
Bu birliklar asosida massa atom birligining energiya ekvivalentini aniqlash
mumkin: 1 m.a.b = 931,5 MeV; 1 elektron massasi = 0,511 MeV.
Tezlik. Har qanday harakatlar tezligining mutlaq chegarasi yorug’likning
vakuumdagi tezligi hisoblanadi, ya‘ni: c = 3
10
10
sm/s = 3
10
8
m/s. Yorug’lik
tezligi bilan elektromagnit to’lqinlar va massaga ega bo’lmagan neytrino
harakatlanadi. Massaga ega bo’lgan boshqa elementar zarralar yorug’lik tezligiga
yaqin tezlikka ega bo’lishi mumkin, lekin yorug’lik tezligidan kichik. Vaqt.
Uzunlik Fermilarda, tezlik yorug’lik tezligi ulushlarida o’lchanadigan
mikrodunyoda hodisalar yuz beradigan vaqt masshtabi ham biz odatlangan vaqtdan
farq qilish kerak. Agar 10 Fermi uzunlikni yorug’lik tezligiga bo’lsak, ya‘ni, zarra
yorug’lik tezligi bilan harakatlanib yadroni diaametri bo’yicha kesib o’tishi uchun
ketgan vaqti hisoblansa, quyidagi kattalik hosil bo’ladi:
10
–23
sekund yadro vaqti
deb ham yuritiladi, bu bilan elementar zarralar mikrodunyosida vaqt masshtabi
aniqlanadi.
Massa. Massa zarralarning inertligini va gravitatsion xossalarini ifodalaydi. Massa
orqali zarraning zahira energiyasi aniqlanadi. Elementar zarralarning massa birligi
sifatida elektronning tinchlikdagi massasi (m
e
): m
e
=9
10
–28
g=9
10
–31
kg qabul
qilingan. Agar bu massa energetik birliklarda ifodalansa, elektron massasining
energiyaga ekvivalentligi hosil bo’ladi: m
e
c
0,511 MeV Atom va yadro
fizikasida atom va yadro massalari massaning atom birliklarida o’lchanadi. 1962-
yilgacha massaning bir atom birligi qilib, kislorod neytral atomi massasining 1/16
qismi qabul qilingan edi. 1962-yildan boshlab atom massasining yangi uglerod
shkalasi qabul qilindi. Bunda massaning bir atom birligi qilib uglerod atomi
massasining 1/12 qismi qabul qilindi. Massaning atom birligi qisqacha m.a.b
ko’rinishida yoziladi. Bu birlik atom massasining xalqaro birligidir. 1
m.a.b=1/12
12
C massasi. Uglerod shkalasida vodorod atomining massasi
1,0078252, neytron massasi 1,0086654, elektron massasi 0,0005486 massa
birligiga teng. Massaning atom birligini grammlarda ifodalash mumkin: ya‘ni, 1
m.a.b=1,66
10
–24
g=1,66
10
–27
kg. Massaning bir atom birligining energiyaviy
ekvivalenti (m=1,66
10
–24
g va c=3
10
10
sm/s), E=mc
2
=1,492
10
–3
erg. Harakat
miqdor momenti. Harakat miqdor momentining kvant birligi qilib ħ qabul qilingan.
Demak, ħ=1,054
10
–27
erg
s yoki ħ=1,054
10
–34
J
s.
Dostları ilə paylaş: |