Бодис

Бодисын бүтцийн тухай онолын хөгжил нь Ямар ч бие маш жижиг хэсгүүдээс бүрэлдэн тогтдог гэсэн санааг бүр эртний Грекийн философичид дэвшүүлж байжээ. Энэ санааг анх удаа манай тооллын өмнөх V зуунд Демокрит өөрийн бүтээлдээ дурьдсан байдаг. Түүний бичсэнээр бодис нь атом гэж нэрлэгдэх асар олон тооны үл хуваагдах маш жижиг хэсгүүдээр дүүргэгдсэн орон зай болох ажээ. Нэгэнт бодисыг гаднаас харахад үргэлжилсэн нэп орчин, биет зүйл харагдаж байгаа тул эртний Грект ихэнх эрдэмтэд энэ санааг дэмжиж хүлээж аваагүй. Атомс-үл хуваагдах гэсэн грек үг. 

Дараа нь Аристотель бодис буюу нэп орчин нь шороо, хий (агаар), гал, ус гэсэн махбодиос бүрдэнэ гэсэн үзэл санааг дэвшүүлснээр атомын тухай шинэ үзэл санаа түүний хөдөлгөөний тухай үзлийн нэгэн адил XVII зууны сүүлч хүртэл ноёлж байв. Харин энэ үеэс бодисыг бүтээдэг маш жижиг хэсгүүд буюу атом байдаг тухай үзэл санаанд итгэдэг Галилей, Ньютон нарын эрдэмтэд гарч ирсэн боловч атомын тухай онолыг бүр химийн шинжлэх ухаан хөгжсөн XVIII зууны сүүлч XIX зууны эхэн үе хүртэл түгээмлээр хүлээн зөвшөөрөөгүй явсаар ирсэн билээ. 

1802 онд Английн эрдэмтэн Ж.Дальтон атомын тухай орчин үеийн сургаалын эхийг тавьжээ. Нийлмэл бодис элемэнтүүдээс, элемэнт атомоос тогтоно гэж тэр үзэж байв. 

Жон Дальтон (1766-1844), английн химич, физикч эрдэмтэн, Химийн атомын тухай онолыг үндэслэгч, 1803 онд элементийн “атомын жин”-гийн тухай ойлголтыг оруулж, хэд хэдэн элементийн атомын жинг тодорхойлсон. 

1869 онд Оросын эрдэмтэн Д.И.Менделеев элементүүдийн үелэх хуулийг нээсэн нь атомын сургаалын цаашдын хөгжилд чухал үүрэг гүйцэтгэсэн юм. Дараахан нь Ж.Томсон электроныг нээж, түүнийг бодисын атомын бүрэлдэхүүнд ордог болохыг тогтоож, улмаар атом нь 10-10 м радиустай дотроо сөрөг цэнэгтэй электроныг шигтгээ мэт байдлаар агуулсан жигд тархсан эерэг цэнэгтэй үүл бүхий бөмбөрцөг бөгөөд үүлний эерэг цэнэгийн хэмжээ нийт электроны сөрөг цэнэгийн нийлбэртэй тэнцүү учраас атом нь цахилгаан саармаг байна гэж үзсэн, атомын анхны загвараа зохиов. Гэхдээ удалгүй энэ загвар атомын хэмжээг ерөнхийдөө зөв тусгаж байгаа боловч түүний бүтцийн бодит байдалыг тусгаж чадаагүй нь нотлогдсоноор атомын мөн чанарыг тайлбарлах гэсэн оролдлогын нэг жишээ болон физикийн шинжлэх ухааны түүхэнд үлдсэнээс хэтэрч чадаагүй билээ. 

Жозеф Жон Томсон (1856-1940), английн физикч, 1906 онд Нобелийн шагнал хүртсэн эрдэмтэн, 1897 онд электроныг нээж 1898 онд түүний цэнэгийг тодорхойлосон, 1903 онд атомын анхны загварын нэгийг санал болгосон. Металлын электроны онолыг үндэслэгчдийн нэг.

Э.Резерфорд атомыг эерэг цэнэгтэй их хурдтай бөөмөөр бөмбөгдөж туршлага хийсний үндсэн дээр Ж.Томсоны загварыг буруу болохыг нотолж, атом нь түүний бараг бүх массыг маш бага хэмжээтэй (10-15м радиустай) эерэг цэнэгтэй цөм, түүнийг тойрсон электроны үүлнээс тогтоно гэсэн атомын цөм буюу гариган загварыг гаргаж ирсэн байна. 

Эрнест Резерфорд (1871-1937), английн физикч, 1908 онд Нобелийн шагнал хүртсэн эрдэмтэн. Атомын бүтцийн сургаалыг үндэслэгчдийн нэг. 1911 онд атомын цөмт загварыг санал болгосон. 

Цаашид атомын цөмт бүтцийг онолын үүднээс тайлбарлах оролдлого хийгдэн Н.Борын устөрөгчийн атомын онол гарч улмаар атомын электроны хөдөлгөөн, байршлыг түүний энергийн дискрет төлөв байдалтай уялдуулан тайлбарласан квант механик хөгжиж эхлэв. Атомын бүтцийн тухай төсөөллийн цаашдын хөгжилд Э.Шредингерийн онол үүрэг гүйцэтгэсэн. Энэ онолоор устөрөгчийн атомын мөн чанарыг тогтооход нэг атомын дотор квант тоонуудаараа адилхан буюу нэг ижил төлөв байдалд орших хоёр электрон байж болохгүй гэсэн В.Паулийн хоригийн зарчим том алхам болсон. 

Нильс Хенрик Дэвид Бор (1885-1962), данийн физикч, 1922 онд Нобелийн шагнал хүртсэн. Атомын бүтцийн мөн чанарийг тодорхойлсон “Борын постулат” гэж хожим нэрлэгдэх гурван үндэслэлийг дэвшүүлсэн. Гариган загвар ба квантлаг төсөөлөл дээр суурьлагдсан атомын онолыг үндэслэгч. 

Эрвин Шредингер (1887-1961). Австрийн онолийн физикч, 1933 онд Нобелийн шагнал хүртсэн. Квант механикийг үндэслэгчдийн нэг. Бичил бөөмсийн биелэг ба долгионлог хоёрдмол чанарын математик илэрхийлэл болох релятив бус квант механикийн денамикийн үндсэн тэгшитгэлийг (хожим Шрендигерийн тэгшитгэл) гаргасан. 

Вольфганг Паули (1900-1958). Швейцарийн онолын физикч, Квант механикт соронзон орон дахь чөлөөт электроны спиний тухай ерөнхий формаль ойлголтыг оруулсан. 1925 онд хагас бүхэл (1/2, 3/2,...) спинтэй хоёр буюу түүнээс олон ижилхэн төлөв байдалд орших эгэл бөөмс нэгэн зэрэг байж болохгүй гэсэн “хоригийн зарчим” гэж нэрлэгдэх байгалийн суурь хуулийг нээсэн. 

Паулийн зарчмыг тогтоосны дараагаар сая л Д.И.Менделеевийн үелэх хууль төгс хэлбэрийг олж авсан билээ. Ингэж бүх элементүүдийг электроны өөр өөрсдийн бүрхүүлүүд дээрээ цэгтэй байрших байршил тодрон гарч ирсэн. 

Электронт атомын бүтэц, шинж чанарыг ойлгож мэдсэнээр бодисын химийн шинж агуулсан хамгийн жижиг хэсэг болох молекулын тухай ярилцах боломж бүрдэж байгаа юм. Молекул атомуудаас бүрдэнэ. Цахилгаан саармаг (цэнэггүй) атомууд нэгдэж тогтвортой молекулуудыг үүсгэдэг. Энэ нь молекул дахь атом хоорондын харилцан үйлчлэлийн хүч атомуудын хамгийн гадна талын бүрхүүл дээр орших валентын электронуудын хооронд үүсгэгчтэй холбоотой юм. Түүнээс биш атом дахь электроноор аль хэдийн дүүргэгдсэн дотоод бүрхүүлийн электронууд химийн энэ холбоонд оролцохгүй. 

Бодисыг бүрдүүлж буй атом, молекул нь бие биедээ ойртоход тодорхой зайнаас эхлэн огцом ихсэх түлхэлцлийн хүч үүсдэг ба харьцангуй хол зайтай байхад тэдгээрийн хооронд таталцлын хүч үйлчилнэ. Иймд бие биедээ ойртоход тодорхой зайнаас эхлэн огцом ихсэх түлхэлцлийн хүч үйлчилнэ. Иймд бие биедээ ойртсон молекулууд тогтвортой тэнцвэрийн төлөвт шилжин харилцан үйлчлэлийн нөлөөгөөр эрэмбэлэгдсэн зөв байрлалд орж, кристал торыг үүсгэдэг. Хатуу биеийн молекулууд хоорондоо маш сайн эрэмбэлэгдсэн тэгш хэмийн шинж чанараараа ялгагдах куб, тетрагональ, ромб, тригониль, гексагональ, моноклин, триклин гэсэн 7 төрлийн системийн кристал тортой байхад, шингэний молекулууд зөвхөн хос хосоороо холбогдсон байдаг. Харин хийн төлөв байдалтай бодисын молекулууд хоорондоо ямар ч холбоогүй байдаг билээ. Гэхдээ энд бас л молекул хоорондын харилцан үйлчлэлийн, өөрөөр хэлбэл алслагдсан молекулууд таталцах, хэт ойртоход түлхэлцэх үйлчлэлийн хүч илэрсэн хэвээр байна. Жишээлбэл, хатуу биеийн атомууд бие биедээ ойртон кристал торыг үүсгэхэд тэдгээрийн гадаад электрон бүрхүүл деформацлагдан улмаар атомаасаа салж чөлөөт “валентын” электроны үүл буюу электрон-хийг (фермион буюу фермихий гэж статистикт нэрлэдэг) бий болгосон байдаг. Мөн хатуу биеийн атомууд  кристал торын зангилаан дээрх тэнцвэрт байдлынхаа орчимд хэлбэлзэн дулааны хөдөлгөөн хийж байдаг билээ. Энэ үед атомд үйлчилж, түүнийг торын зангилаан дээр буюу өөрөөр хэлбэл анхны байршилд нь буцааж авчрахыг эрмэлзсэн хүч нь атомын торын зангилаанаасаа хазайсан хазайлтын зайд пропорциональ хэмжээтэй байна (квант механик үүнээс ялгагдах, өөрөөр хэлбэл шилжилтээсээ шугаман бус хамааралтайгаар үйлчлэх хүч байдаг) гэж үзэж болно. Үүнийг төгс харимхай пүршээр холбогдсон жижиг үрлүүд лугаа адилаар төсөөлж гаргасан хатуу биеийн кристал торын загварыг 1 дугаар зураг дээр үзүүлэв. Үүнээс үзэхэд атомуудын дулааны хэлбэлзэх хөдөлгөөн ба чөлөөт электроны үүл нь хатуу биеийн дулаан, цахилгаан дамжуулах нэг үндэс болно. Кристал торын атомын энэ хэлбэлзлийг квант механикийн үүднээс атомын масс бүхий гармоник осципляторын энергитэй тэнцүү гэж үзэж болно. Ингэснээр дулааны хэлбэлзлийн үед торын шингээх буюу цацруулах энергийн хэмжээ нь тухайн энергийн түвшинд орших осциляторын хамгийн ойр байх хоёр энергийн түвшний хоорондын шилжилтийн энергитэй дүйцэх энергийг квантлах квазибөөм буюу фотон байна. Иймд хатуу биеийн тристалл торын дулааны хэлбэлзлийг квант механикт тайлбарлахдаа түүнийг фонон хийгээр дүүргэгдсан хайрцаг лугаа адилтган үзэдэг. Бодисын агергат төлөв байдал өөрчлөглөж хатуу төлөвөөсөө шингэн буюу хийн төлөвт шилжих температураас хол байх нөхцөлд фонон хийг төгс хий гэж үзэж түүнийг статистикийн хуулиар судалж болно. 
Энд хэрэглэхэд хамгийн тохиромжтой нь бозоны (бозе-хий) тархалтыг тодорхолсон Бозе-Энштэйний статистик юм. 
Хатуу биеийн кристал торын дулааны хэлбэлзэлд тулгуурлан түүний дулаан багтаамжийг тодорхойлж болно. Үүнийг А.Эйнштейн N тооны тогтомлыг агуулсан нэг моль бодисыг 3N чөлөөний зэрэгтэй биеэс үл хамаарах систем гэж үзэж түүний молийн изохор дулаан багтаамжийг 3R  (энд R=3,814 Дж/моль*К-хийн уневерсаль тогтмол) гэж тодорхойлсон байхад П.Дебай кристал торын атомуудын хэлбэлзлийг бие биеэс хамааралтай гэж үзэж молийн изохор дулаан багтаамжийг нам температурын мужид абсолют температурын мужид тогмол (зураг-2) бөгөөд Эйнштэйнийхтэй адил (3R) утгатай байхаар тодорхойлсныг жишээнээс харж болно.
Петер Дебай (1884-1966), голландын онолын физикч, Хатуу биеийн квант механикаар тулгуур бүтээл туурвиж, нам температурын муж дахь кристалд зөвхөн торын нам давтамжийн хэлбэлзлийн долгион үүсгэдэг тулгуурласан дулаан багтаамжийн онол, энэ онол хүчин төгөлдөр байх буюу өөрөөр хэлбэл квантлаг эффект үүсэх дээд хязгаарын температурыг (хожим Дебайгийн температур гэж нэрлэгдэх) тодорхойлсон. 

Дулаан багтаамжийн Дебайгийн хууль кристалл торын үүрэндээ нэг атом агуулсан энгийн тогтоцтой бодисын хувьд туршилтын үр дүнтэй сайн тохирдог бөгөөд үүрэндээ хэд хэдэн атом агуулах нийлмэл тогтоцтой кристал тор бүхий бодисын хувьд барагцаалсан үр дүн өгнө. Мөн чөлөөт электроныг агуулаагүй диэлектрик материалын дулаан багтаамж зөвхөн энэхүү фотон хийн дулаан багтаамжаар тодорхойлогдоно. Харин металл зэрэг чөлөөт электроныг агуулсан бодист Дебайгийн хуулиар тодорхойлогдох кристал торын дулаан багтаамжийн зэрэгцээгээр электроны хийн дулаан багтаамж нэмэгдэнэ. Энэ нь электрон хийн дулааны хөдөлгөөнөөр тодорхойлогдох ба металл дахь чөлөөт электроныг фермион (ферми хий) гэж үзэж болох тул түүний дулаан багтаамжийг Ферми Диракийн статистикийг үндэслэн тогтоож болно. Хатуу биед электрон хийн дулаан багтаамж нь абсолют тэг температурын орчимд зонхилох нөлөөлийг үзүүлэх бөгөөд, харин ердийн ба өндөр температурт Дебайгийн хуулиар тодорхойлогдох фотон хийн дулаан багтаамж голлоно. Дебайгийн дулаан багтаамжийн онолд тулгуурлан хатуу биеийн дулаан нэвтрүүлдэгийг тодохойлж болно. Ингэж зөвхөн XIX зууны үеэс л бодисын бүтэц нь жижиг хэсгүүд, тэдгээрийг тойрсон орон зайгаар тогтдог тухай бүр эртнээс байн байн дэвшигдэж байсан таамаглал сая шинжлэх ухааны онол, туршилтын үр дүнд дахин сэргэж баталгаажин бодисын бүтцийн тухай цэгц сургаал болж ирсэн бөгөөд энэ үеэс эхлэн уг таамаглалыг молекул кинетикийн онол гэж нэрлэх болсон.