Atom tuzilishi deganda atomning tuzilishi nazarda tutiladi: unda yadro (markaz) bo‘lib, yadroning ichida protonlar (musbat zaryadli) va neytronlar (neytral) mavjud bo‘ladi. Elektronlar deb ataladigan manfiy zaryadlangan zarrachalar yadro markazi atrofida aylanadi.

Atom tuzilishi va kvant mexanikasi (quantum mechanics) tarixi Demokrit davriga borib taqaladi — aynan u modda atomlardan tashkil topganini birinchi bo‘lib taklif qilgan. Atom tuzilishini o‘rganish kimyoviy reaksiyalar, bog‘lanishlar va ularning fizik xossalarining butun sinfini chuqurroq tushunishga yordam beradi. Atom tuzilishiga oid birinchi ilmiy nazariyani 1800-yillarda Jon Dalton taklif etgan.

Atom tuzilishi va kvant mexanikasi sohasidagi yutuqlar boshqa fundamental zarrachalarning ham kashf etilishiga olib keldi.  Subatomik zarrachalarning kashf etilishi keyingi ko‘plab kashfiyotlar va ixtirolar uchun asos bo‘ldi.

Atom tuzilishi nima?

Elementning atom tuzilishi deganda uning yadrosining tarkibi va uning atrofida elektronlarning joylashuvi tushuniladi. Asosan, moddaning atom tuzilishi protonlar, elektronlar va neytronlardan tashkil topadi.

Protonlar va neytronlar atom yadrosini hosil qiladi, yadro esa atomga tegishli elektronlar tomonidan o‘rab turiladi. Elementning atom raqami uning yadrosidagi protonlar umumiy sonini bildiradi.

Neytral atomlarda protonlar soni elektronlar soniga teng bo‘ladi. Biroq atomlar barqarorligini oshirish uchun elektronlarni qabul qilishi yoki yo‘qotishi mumkin; natijada hosil bo‘lgan zaryadlangan zarracha ion deb ataladi.

Turli element atomlarining atom tuzilishi turlicha bo‘ladi, chunki ularda protonlar va elektronlar soni har xil. Turli elementlarning o‘ziga xos xususiyatlari aynan shundan kelib chiqadi.

Atom modellari

18–19-asrlarda ko‘plab olimlar atom tuzilishini atom modellari yordamida tushuntirishga harakat qilgan. Har bir modelning o‘ziga xos afzalliklari va kamchiliklari bo‘lib, u zamonaviy atom modeli rivojlanishida muhim rol o‘ynagan. Bu sohada eng muhim hissalarni Jon Dalton, J. J. Tomson, Ernest Rezerford va Nils Bor kabi olimlar qo‘shgan. Quyida ularning atom tuzilishi haqidagi g‘oyalari muhokama qilinadi.

Daltonning atom nazariyasi

Ingliz kimyogari Jon Dalton barcha modda atomlardan iborat bo‘lib, ular bo‘linmaydi va yo‘q qilinmaydi, deb taklif qilgan. U, shuningdek, bir elementning barcha atomlari aynan bir xil, ammo turli elementlarning atomlari o‘lchami va massasi bilan farqlanadi, deb ta’kidlagan.

Daltonning atom nazariyasiga ko‘ra, kimyoviy reaksiyalar mahsulotlar hosil bo‘lishi uchun atomlarning qayta joylashishi (rearrangement) bilan kechadi. Dalton ilgari surgan postulatlarga ko‘ra, atom tuzilishi kimyoviy reaksiyalar sodir bo‘lishiga sabab bo‘ladigan eng kichik zarracha — atomlardan tashkil topadi.

Uning nazariyasining postulatlari quyidagilar:

• Har qanday modda atomlardan iborat.
• Atomlar bo‘linmaydi.
• Muayyan elementlar tarkibida faqat bitta turdagi atom bo‘ladi.
• Har bir atomning o‘ziga xos doimiy massasi bo‘lib, u elementdan elementga farq qiladi.
• Kimyoviy reaksiya davomida atomlar qayta joylashadi.
• Atomlar yaratilmaydi ham, yo‘q qilinmaydi ham, biroq bir ko‘rinishdan boshqasiga aylanishi mumkin.

Daltonning atom nazariyasi kimyoviy reaksiyalar qonunlarini muvaffaqiyatli tushuntirgan: massa saqlanish qonuni, doimiy xossalar qonuni, ko‘p martalik nisbatlar qonuni va o‘zaro nisbatlar qonuni.

Daltonning atom nazariyasining kamchiliklari

• Nazariya izotoplar mavjudligini tushuntira olmagan.
• Atomning ichki tuzilishi haqida tegishli darajada izoh berilmagan.
• Keyinchalik olimlar atom ichida zarrachalar borligini kashf etib, atom bo‘linishini isbotlagan.

Atom ichidagi zarrachalarning kashf etilishi kimyoviy turlarni (chemical species) yanada yaxshi tushunishga olib keldi; atom ichidagi bu zarrachalar subatomik zarrachalar deb ataladi. Turli subatomik zarrachalarning kashf etilishi quyidagicha bayon qilinadi:

Tomsonning atom modeli

Ingliz kimyogari ser Jozef Jon Tomson 1900-yillarning boshlarida atom tuzilishini tasvirlovchi modelni taklif qilgan.

Keyinchalik u “elektronlar” kashf etilgani uchun Nobel mukofoti bilan taqdirlangan. Uning ishlari katod nuri tajribasi (cathode ray experiment) deb ataladigan tajribaga asoslangan. Tajribaning tuzilishi va ishlash prinsipi quyidagicha:

Katod nuri tajribasi

U shisha naychadan iborat bo‘lib, unda ikkita teshik bo‘ladi: biri vakuum nasosi uchun, ikkinchisi esa gaz kiritiladigan kirish qismi uchun.

Vakuum nasosining vazifasi shisha kamerasi ichida “qisman vakuum” (partial vacuum)ni saqlab turishdir. Shisha naycha ichiga o‘rnatilgan elektrodlar, ya’ni katod va anod orqali yuqori kuchlanishli manba ulanadi.

Kuzatuvlar:

• Yuqori kuchlanishli manba yoqilganda, katoddan anod tomonga yo‘nalgan nurlar paydo bo‘ladi. Bu ZnS ekranda kuzatilgan “lyuminestsent dog‘lar” (Fluorescent spots) orqali tasdiqlangan. Bu nurlar “katod nurlari” (Cathode Rays) deb atalgan.
• Tashqi elektr maydoni qo‘llanganda, katod nurlari musbat elektrod tomon og‘adi, elektr maydoni bo‘lmaganda esa to‘g‘ri chiziq bo‘ylab harakat qiladi.
• Katod nurlarining yo‘liga rotor pichoqlari qo‘yilganda, ular aylanayotgandek ko‘rinadi. Bu katod nurlari ma’lum massaga ega zarrachalardan iboratligini va shu sababli ularda ma’lum energiya borligini isbotlaydi.

• Bu dalillarga asoslanib, Tomson katod nurlari “elektronlar” deb ataladigan manfiy zaryadlangan zarrachalardan iborat, degan xulosaga kelgan.
• Katod nurlariga (elektronlarga) tashqi elektr va magnit maydon ta’sir ettirib, Tomson elektronlarning zaryad/massa nisbatini (e/m) aniqlagan. Elektron uchun (e/m): 17588 × 10¹¹ e/bg.

Ushbu nisbatdan elektron zaryadi Mullikin tomonidan moy tomchisi tajribasi (oil drop experiment) orqali topilgan. Zaryad e^– = 1.6 × 10^-16 C va massa e^– = 9.1093 × 10^-31 kg.

Xulosalar:

Katod nuri tajribasidan olingan xulosalarga tayangan holda, Tomson atom tuzilishini musbat zaryadlangan shar sifatida tasvirlab, uning ichiga manfiy zaryadlangan elektronlar “singdirib qo‘yilgan” deb izohlagan.

Bu model odatda “olxo‘ri pudingi modeli” (plum pudding model) deb ataladi, chunki uni olxo‘ri pudingi taomiga o‘xshatib tasavvur qilish mumkin: puding — musbat zaryadlangan atomni, olxo‘ri bo‘laklari esa elektronlarni ifodalaydi.

Tomson atom modeli atomlar elektr jihatdan neytral, ya’ni musbat va manfiy zaryadlar kattaligi teng, deb ta’riflaydi.

Tomson atom tuzilishining cheklovlari: Tomsonning atom modeli atom barqarorligini aniq tushuntirib bermaydi. Shuningdek, keyinchalik kashf etilgan boshqa subatomik zarrachalarni ham uning modeliga joylashtirib bo‘lmagan.

Rezerfordning atom nazariyasi

Rezerford, J. J. Tomsonning shogirdi, yana bir “yadro” deb ataladigan subatomik zarracha kashf etilishi bilan atom tuzilishini o‘zgartirgan. Uning atom modeli alfa-nurlar sochilishi tajribasiga (Alpha ray scattering experiment) asoslangan.

Alfa-nurlar sochilishi tajribasi

Tuzilishi:

• Qalinligi 1000 ta atom qatoriga teng bo‘lgan juda yupqa oltin folga olinadi.
• Alfa-nurlar (ikki martalik zaryadlangan geliy He²⁺) oltin folgaga yo‘naltirib bombardimon qilinadi.
• Oltin folga ortiga Zn S ekrani joylashtiriladi.

Kuzatuvlar:

• Nurlarning aksariyati oltin folgadan to‘g‘ridan-to‘g‘ri o‘tib ketib, ZnS ekranda scintillations (yorqin dog‘lar) hosil qiladi.
• Ba’zi nurlar oltin folgaga urilgach qaytib aks etadi.
• Har 1000 nurdan 1 tasi oltin folgaga urilgach 180° burchak bilan qaytib ketadi (o‘z yo‘lini qayta bosib o‘tadi).

Xulosalar:

• Nurlarning aksariyati o‘tib ketganidan kelib chiqib, Rezerford atom ichidagi fazoning katta qismi bo‘sh, degan xulosaga kelgan.
• Ba’zi nurlar musbat zaryadi atom ichidagi boshqa musbat zaryad bilan itarilish (repulsion) tufayli qaytgan.
• Nurlarning 1/1000 qismi markazdagi juda kuchli musbat zaryad sababli keskin og‘igan. U bu kuchli musbat zaryadni “yadro” (nucleus) deb atagan.
• U atomning zaryadi va massasining katta qismi yadroda joylashganini aytgan.

Rezerfordning atom tuzilishi

Yuqoridagi kuzatuv va xulosalarga asoslanib, Rezerford o‘zining atom tuzilishi modelini taklif qilgan, u quyidagicha:

• Yadro atom markazida joylashgan bo‘lib, zaryad va massaning asosiy qismi shu yerda to‘plangan.
• Atom tuzilishi sferik (sharsimon).
• Elektronlar yadro atrofida doira orbitada aylanadi, xuddi sayyoralar Quyosh atrofida aylanadigan kabi.

Rezerford atom modelining cheklovlari

• Agar elektronlar yadro atrofida aylanishi kerak bo‘lsa, ular energiya sarflaydi. Bunda elektronlar yadroning kuchli tortish kuchiga qarshi harakat qiladi, ko‘p energiya yo‘qotadi va oxir-oqibat barcha energiyasini yo‘qotib, yadro ichiga “qulab tushishi” kerak bo‘ladi. Demak, atom barqarorligi tushuntirilmagan.
• Agar elektronlar yadro atrofida uzluksiz aylansa, kutiladigan spektr turi uzluksiz spektr bo‘ladi. Ammo amalda biz chiziqli spektrni kuzatamiz.

Subatomik zarrachalar

Protonlar

• Protonlar musbat zaryadlangan subatomik zarrachalardir. Proton zaryadi 1e ga teng bo‘lib, taxminan 1.602 × 10^-19 ga mos keladi.
• Proton massasi taxminan 1.672 × 10^-24.
• Protonlar elektronlardan 1800 martadan ham ko‘proq og‘ir.
• Element atomlaridagi protonlar umumiy soni doimo elementning atom raqamiga teng.

Neytronlar

• Neytron massasi deyarli protonnikiga teng, ya’ni 1.674×10^-24.
• Neytronlar elektr jihatdan neytral bo‘lib, zaryad tashimaydi.
• Bir elementning turli izotoplarida protonlar soni bir xil, ammo ularning yadrosidagi neytronlar soni bilan farqlanadi.

Elektronlar

• Elektron zaryadi -1e bo‘lib, taxminan -1.602 × 10^-19 ga teng.
• Elektron massasi taxminan 9.1 × 10^-31.
• Elektronlar massasi juda kichik bo‘lgani uchun atom massasini hisoblashda ko‘pincha e’tiborga olinmaydi.

Izotoplarning atom tuzilishi

Nuklonlar — atom yadrosini tashkil qiluvchi tarkibiy qismlar. Nuklon proton yoki neytron bo‘lishi mumkin. Har bir elementda o‘ziga xos protonlar soni bo‘ladi va bu uning atom raqami bilan ifodalanadi. Biroq bitta elementning bir nechta atom tuzilishlari mavjud bo‘lishi mumkin; ular nuklonlar umumiy soni bilan farqlanadi.

Nuklonlar soni (mass soni, mass number) turlicha bo‘lgan bu variantlar elementning izotoplari (isotopes) deb ataladi. Demak, element izotoplari protonlar soni bir xil bo‘lsa-da, neytronlar soni bilan farqlanadi.

Izotopning atom tuzilishi elementning kimyoviy belgisi, elementning atom raqami va izotopning massa soni yordamida tasvirlanadi. Masalan, tabiatda uchraydigan vodorodning (hydrogen) uchta ma’lum izotopi mavjud: protiy, deyteriy va tritiy. Quyida vodorod izotoplarining atom tuzilishlari ko‘rsatilgan.

Element izotoplarining barqarorligi turlicha bo‘ladi. Izotoplarning yarim yemirilish davrlari (half-life) ham farq qiladi. Biroq, odatda, ularning kimyoviy xulqi o‘xshash bo‘ladi, chunki ularning elektron tuzilmalari bir xil.

Ba’zi elementlarning atom tuzilishlari

Element atomining tuzilishini undagi proton, elektron va neytronlar umumiy soni orqali sodda ko‘rinishda ifodalash mumkin. Quyida ayrim elementlarning atom tuzilishlari keltirilgan.

Vodorod

Yer sayyorasida vodorodning eng ko‘p uchraydigan izotopi protiy hisoblanadi. Bu izotopning atom raqami va massa soni mos ravishda 1 va 1 ga teng.

Vodorod atomi tuzilishi: Demak, unda bitta proton, bitta elektron va neytronlar yo‘q (neytronlar umumiy soni = Massa soni – Atom raqami).

Uglerod

Uglerodning ikki barqaror izotopi mavjud: ¹²C va ¹³C. Shulardan ¹²C ning ulushi 98.9%. Uning tarkibida 6 proton, 6 elektron va 6 neytron bor.

Uglerod atomi tuzilishi: Elektronlar ikki qobiq (shell) bo‘yicha taqsimlanadi va eng tashqi qobiq (valent qobiq)da to‘rtta elektron bo‘ladi. Uglerodning to‘rt valentliligi (tetravalency) unga turli elementlar bilan turli xil kimyoviy bog‘lar hosil qilish imkonini beradi.

Kislorod

Kislorodning uchta barqaror izotopi mavjud: ¹⁸O, ¹⁷O va ¹⁶O. Biroq kislorod-16 eng ko‘p uchraydigan izotopdir.

Kislorod atomi tuzilishi: Bu izotopning atom raqami 8 va massa soni 16 bo‘lgani uchun, u 8 proton va 8 neytrondan iborat. 8 ta elektronning 6 tasi kislorod atomining valent qobig‘ida joylashgan.

Borning atom nazariyasi

Nils Bor 1915-yilda o‘z atom modelini taklif qilgan. Bu — element atom tuzilishini tasvirlashda eng ko‘p qo‘llaniladigan modellardan bo‘lib, u Plankning kvantlash nazariyasi (Planck’s theory of quantization)ga asoslanadi.

Postulatlar:

• Atom ichidagi elektronlar “stasionar orbitlar” (stationery orbits) deb ataladigan diskret orbitlarda joylashgan.
• Bu qobiqlarning energiya sathlarini kvant sonlari (quantum numbers) orqali ifodalash mumkin.
• Elektronlar energiya yutib yuqori sathlarga sakrashi, energiya yo‘qotib yoki chiqarib past energiya sathlariga tushishi mumkin.
• Elektron o‘zining stasionar holatida turganida energiya yutilishi ham, chiqishi ham bo‘lmaydi.
• Elektronlar faqat shu stasionar orbitlarda yadro atrofida aylanadi.
• Stasionar orbitlarning energiyasi kvantlangan (quantised).

Borning atom nazariyasining cheklovlari:

• Bor atom tuzilishi faqat bitta elektronli turlar uchun ishlaydi: H, He+, Li2+, Be3+, … .
• Vodorodning emissiya spektri yanada aniq spektrometrda kuzatilganda, har bir chiziqli spektr bir nechta mayda diskret chiziqlardan iborat ekani ko‘ringan.
• Stark va Zeeman effektlarini Bor nazariyasi bilan tushuntirib bo‘lmagan.

Geyzenbergning noaniqlik prinsipi (Heisenberg’s uncertainty principle): Geyzenberg shuni aytadiki, kon’yugat (conjugate) fizik kattaliklarning hech bir juftini bir vaqtning o‘zida 100% aniqlik bilan o‘lchab bo‘lmaydi. O‘lchashda doimo ma’lum xato yoki noaniqlik bo‘ladi.

Kamchiligi: Joylashuv (position) va impuls (momentum) shunday kon’yugat kattaliklardan bo‘lib, ularni Bor (nazariy jihatdan) aniq o‘lchangan deb qaragan.

Stark effekti: Elektr maydon mavjudligida elektronlarning og‘ishi hodisasi.

Zeeman effekti: Magnit maydon mavjudligida elektronlarning og‘ishi hodisasi.

Moddaning dual tabiati

Zarracha sifatida qaralgan elektronlar, fotoeffekt (photoelectric effect) bo‘yicha dalillar ham, ularning to‘lqin xususiyatiga ham ega ekanini ko‘rsatadi. Buni Tomas Yang o‘zining ikki tirqishli tajribasi (double-slit experiment) yordamida isbotlagan.

De-Broyl (De-Broglie) tabiat simmetrik bo‘lgani kabi, yorug‘lik yoki boshqa har qanday modda to‘lqini ham simmetrik bo‘lishi kerak, degan xulosaga kelgan.

Kvant sonlari

• Asosiy kvant soni (n): Elektronning orbital raqamini yoki qobiq raqamini bildiradi.
• Azimutal kvant soni (l): Elektronning orbitalini (suborbitalini) bildiradi.
• Magnit kvant soni: Har bir orbitadagi energiya holatlari sonini bildiradi.
• Spin kvant soni (s): Spin yo‘nalishini bildiradi: S = -½ = soat strelkasiga teskari (anticlockwise) va ½ = soat strelkasi bo‘ylab (clockwise).

Atomning elektron konfiguratsiyasi

Elektronlar s, p, d va f orbitallarga quyidagi qoidalarga muvofiq joylashtirilishi kerak.

1. Aufbau prinsipi: Elektronlar orbitallarga energiyaning ortib borish tartibida joylashishi kerak.

• Avval past energiyali orbital to‘ldiriladi, keyin yuqori energiyali sathlar to‘ldiriladi.
• Orbital energiyasi α(p + l) qiymatga bog‘liq; agar ikkita orbitalning (n + l) qiymati bir xil bo‘lsa, E α n.
• Energiyaning ortib borish tartibi: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, . . .

2. Paulining taqiqlash prinsipi (Pauli’s exclusion principle): Hech qaysi ikki elektronning to‘rtta kvant soni hammasi bir xil bo‘la olmaydi; yoki agar ikki elektron bitta energiya holatiga joylashtirilsa, ular qarama-qarshi spin bilan joylashishi kerak.

3. Hundning maksimal karralik qoidasi (Hund’s rule of maximum multiplicity): Degeneratsiyalashgan (bir xil energiyali) orbitallar to‘ldirilganda, avval barcha degeneratsiyalashgan orbitallar bittadan elektron bilan alohida-alohida to‘ldiriladi, shundan keyingina juftlash (pairing) sodir bo‘ladi.

Atom tuzilishi bo‘yicha ko‘p so‘raladigan savollar

Subatomik zarrachalar nima?

Subatomik zarrachalar — atomni tashkil etuvchi zarrachalardir. Odatda bu atama proton, elektron va neytronlarga nisbatan ishlatiladi.

Izotoplarning atom tuzilishi qanday farqlanadi?

Ular atom yadrosida mavjud neytronlar umumiy soni bo‘yicha farqlanadi; bu esa ularning nuklon sonlari orqali ifodalanadi.

Borning atom modelining kamchiliklari nimalardan iborat?

Bu atom modeliga ko‘ra, atom tuzilishi yirik atomlar uchun spektrni yomon bashorat qiladi. Shuningdek, u Zeeman effektini tushuntira olmagan. U faqat vodorod spektrini muvaffaqiyatli tushuntira olgan.

Berilgan izotop yadrosidagi neytronlar umumiy soni qanday aniqlanadi?

Izotopning massa soni undagi protonlar va neytronlar umumiy sonining yig‘indisi bilan beriladi. Atom raqami esa yadrodagi protonlar umumiy sonini bildiradi. Shuning uchun neytronlar sonini massa sonidan atom raqamini ayirish orqali topish mumkin.