Бу нәрсә?

Бу Резерфорд тәкъдим иткән атом моделе. Аны Яңа Зеландиядә туган британ галиме Эрнест Резерфорд хөрмәтенә «Резерфордның атом моделе» дип атыйлар. Бу галим 1911 нче елда атом төшен ачуы турында хәбәр иткән. Альфа-кисәкчекләрне юка металл фольгада чәчелдерү тәҗрибәләре барышында, галим күпчелек кичәкчекләрнең үтәли чыгып, хәрәкәт юнәлешен үзгәртмәвен, әмма кайберләренең «читкә сикерүен» күзәтә. Резерфорд альфа-кисәкчекләрне тайпылдырган урыннарда уңай корылмалы төшләр бар дип фаразлый. Бу күзәтү квант теориясенең төзәтмәләре белән бүгенге көндә кабул ителгән атом төзелешенең тасвирламасы булдырылуга китерә. Җир Кояш тирәли әйләнгән кебек, атомның төшендә электр корылмалары тупланган, аның тирәли капма-каршы корылмалы электроннар әйләнә, электромагнит кыры аларның орбиталар буйлап хәрәкәт итүен тәэмин итә. Шуңа да модель планетар дип исемләнә.

Резерфордка кадәр атом төзелешен Томпсонның матдә моделе ярдәмендә аңлатырга тырышалар. Ул төшсез, уңай корылган «кекс»тан гыйбарәт була, аның «җимешләре» исә – ирекле әйләнүче электроннар. Әйтергә кирәк, электроннарны ачучы да – Томпсон. Бүген мәктәпләрдә квант механикасы белән таныша башлаганда һәрвакыт тәүге модельдән башлыйлар.

Атом төзелешен аңлаткан квант моделе, әлбәттә, Резерфорд уйлап тапкан модельдән шактый аерыла. Планеталарның Кояш тирәли әйләнешендә квант механикасы юк, ә электроннарның төш тирәли хәрәкәтендә – бар. Шулай да орбита төшенчәсе әле дә атом төзелеше теориясендә кала бирә. Әмма орбиталарның квантлашуы билгеле булгач, ягъни алар арасында Резерфорд күзаллаган өзлексез күчешләр булмагач, аны планетар дип атау дөрес түгел булып чыга. Резерфорд дөрес юнәлештәге беренче адымны ясый, һәм атом төзелеше теориясенең үсеше ул билгеләгән юлдан китә.

 

Фән өчен бу нәрсә белән кызыклы?

Резерфордның тәҗрибәләре төшләрне ачты. Әмма алар турында бүген белгән һәр нәрсәне без соңрак үзләштердек. Аның теориясе күп дистә еллар дәвамында үсә, һәм анда материя төзелешенә бәйле фундаменталь сорауларга җаваплар яшерелгән.

Резерфорд моделендә парадокслар тиз табыла, ягъни: әгәр корылмалы электрон әйләнә буйлап хәрәкәт итсә, ул энергия бүлеп чыгарырга тиеш. Беләбез ки, җисем әйләнә буйлап даими тизлек белән хәрәкәт итсә дә, аның тизләнеше була, чөнки тизлек векторы даими борыла. Ә корылмалы кисәкчәнең тизләнешле хәрәкәте энергия бүленеп чыгуына китерә. Бу электронның шунда ук барлык энергиясен «чәчеп» төшкә «килеп төшүенә» китерер иде. Шуңа күрә атомның классик моделе үзенә үзе тулысынча җавап бирми.

Шулчак тәүге каршылыкларны чишүче башка физик теорияләр барлыкка килә башлый. Атом төзелеше моделенә җитди өстәмәләрне Нильс Бор кертә. Ул атом тирәли электроннар хәрәкәт итүче берничә квант орбитальләре барлыгын ачыклый. Электрон исә, энергияне һәрдаим түгел, ә шул орбитальләнең берсеннән берсенә күчкәндә генә бүлеп чыгара дип исәпли.

Атом төзелешенендә Бор моделеннән соң ни өчен электронның төшкә «егылмавын» аңлата торган Гейзенберг билгесезлек принцибы барлыкка килә. Гейзенберг ярсыган атомда электрон ерак орбиталарда булуын, ә фотон бүленгәндә энергиясен югалтып төп орбитага кайтуын ачыклый. Атом исә электроны тышкы тәэсирләр белән яңадан ярсыганчы төп орбитальдән хәрәкәт итә торган тотрыклы халәтенә кайта. Шушы тотрыклы хәлдән дә түбәнгәрәк электрон «төшә» алмый.

Атомның төп халәте – тотрыклы халәт булганга гына без һәм дә барлык материя яшәешен дәвам итә. Квант механикасыннан башка тотрыклы халәт бөтенләй булмас иде. Бу мәгънәдә махсус белеме булмаган кеше квант механикасына бирә алган төп сорау – гомумән, ни өчен бер нәрсә дә «төшеп китми»? Ни өчен барлык материя бер ноктага җыелмый? Квант механикасы бу сорауга җавапны бирә ала.

 

Моны белү ни өчен кирәк?

Резерфорд тәҗрибәләре кварклар ачышы вакытында яңадан кабатланды дип әйтергә дә була. Резерфорд уңай корылмаларның – протоннарның – төштә туплануын ача. Ә протоннарның эчендә нәрсә? Хәзер белгәнебезчә, протоннар эчендә кварклар. Моны 1967 нче елда SLACта (Милли тизәйткеч лабораториясе, АКШ) электроннарны протоннарда сыгылмасыз чәчелдереп, охшаш тәҗрибәләр үткәреп өйрәнделәр.

Әлеге тәҗрибә Резерфорд тәҗрибәләре принципларына нигезләнеп үткәрелде. Ул вакытта альфа-кисәкчекләр булса, хәзер электроннар протоннар белән бәрелешә. Нәтиҗәдә, протоннар протон булып та кала алалар, шул ук вакытта зур энергияләр белән ярсына да алалар, бу очракта протоннарны чәчелгәндә башка кисәкчекләр дә туа ала, мәсәлән – пи-мезоннар. Бу чәчелү барышында протон үзен берничә үзәге бар кебек тотканы ачыкланды. Хәзер билгеле булганча, әлеге үзәкләр – кварклар. Күпмедер күләмдә бу нәкъ Резерфорд тәҗрибәсе, әмма бөтенләй башка дәрәҗәдә. 1967 нче елдан башлап кварк моделе пәйда булды. Ләкин алга таба нәрсә буласы билгесез. Хәзер инде кваркларда нәрсәне дә булса чәчелдереп, аларның ничек таркалуын күзәтү зарур. Әмма бу киләсе адым, хәзергәчә аны ясап булмый.

Болардан тыш, Русия фәне тарихында Резерфорд белән бәйле тагын бер мөһим вакыйга бар. Аның лабораториясендә Петр Леонид улы Капица эшләгән. 30 нчы еллар башында аңа илдән чыгып китүне тыялар, һәм ул Советлар берлегендә калырга мәҗбүр була. Моны ишеткәч, Резерфорд үзенең Англиядә булган барлык әсбапларын аңа җибәрә, шул рәвешле Мәскәүдә Физика проблемалары институтын булдырырга ярдәм итә. Димәк, Резерфорд аркасында совет физикасы да күтәрелеп китә.

Михаил Высоцкий, физика-математика фәннәре докторы, Теоретик һәм эксперименталь физика институтының Элементар кисәкчекләр теориясе лабораториясенең мөдире, МФТИ «Элементар кисәкчекләр физикасы» кафедрасы профессоры, РФА мөхбир әгъзасы

Галимҗан Галимов тәрҗемәсе