مستوى طاقة الذرة: البنية والتحولات

سنخبرك اليوم عن مستوى طاقة الذرة ، عندما يواجه الشخص هذا المفهوم ، وأين يتم تطبيقه.

فيزياء المدرسة

يواجه البشر العلوم الطبيعية أولاًفي المدرسة. وإذا كان الأطفال في السنة السابعة من الدراسة لا يزالون يجدون معرفة جديدة في علم الأحياء والكيمياء مثيرة للاهتمام ، فعندئذ في المدرسة الثانوية يبدأون في الخوف. عندما يأتي دور الفيزياء الذرية ، فإن الدروس في هذا التخصص تلهم بالفعل فقط النفور من المشكلات غير المفهومة. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن جميع الاكتشافات التي تحولت الآن إلى مواد مدرسية مملة لها قصة غير تافهة وترسانة كاملة من التطبيقات المفيدة. إن اكتشاف كيفية عمل العالم يشبه فتح صندوق به شيء مثير للاهتمام بداخله: فأنت تريد دائمًا العثور على مقصورة سرية واكتشاف كنز آخر هناك. اليوم سنتحدث عن أحد المفاهيم الأساسية للفيزياء الذرية ، وهي بنية المادة.

غير قابل للتجزئة ، مركب ، كم

من اللغة اليونانية القديمة ، تمت ترجمة كلمة "atom"بأنها "غير قابلة للتجزئة ، أصغر". هذا الرأي هو نتيجة لتاريخ العلم. اعتقد بعض الإغريق والهنود القدماء أن كل شيء في العالم يتكون من جزيئات صغيرة.

في التاريخ الحديث ، كانت التجارب في الكيمياءقدم في وقت أبكر بكثير من البحث الفيزيائي. عمل علماء القرنين السابع عشر والثامن عشر في المقام الأول على زيادة القوة العسكرية لدولة أو ملك أو دوق. ومن أجل صنع المتفجرات والبارود ، كان من الضروري فهم مكوناتها. نتيجة لذلك ، اكتشف الباحثون أن بعض العناصر لا يمكن تقسيمها إلى ما بعد مستوى معين. هذا يعني أن هناك أصغر ناقلات للخصائص الكيميائية.

لكنهم كانوا مخطئين. تبين أن الذرة عبارة عن جسيم مركب ، وقدرتها على التغيير ذات طبيعة كمومية. يتضح هذا من خلال التحولات في مستويات الطاقة في الذرة.

ايجابي وسلبي

في نهاية القرن التاسع عشر ، العلماء عن كثباقترب من دراسة أصغر جسيمات المادة. على سبيل المثال ، كان من الواضح أن الذرة تحتوي على مكونات موجبة وسالبة الشحنة. لكن بنية الذرة كانت غير معروفة: الموقع والتفاعل ونسبة وزن عناصرها ظل لغزًا.

أجرى رذرفورد تجربة على تشتت جسيمات ألفارقائق الذهب الرقيقة. وجد أن هناك عناصر موجبة ثقيلة في وسط الذرات ، وعناصر سلبية خفيفة للغاية تقع عند الحواف. هذا يعني أن ناقلات الشحنات المختلفة عبارة عن جسيمات لا تتشابه مع بعضها البعض. هذا يفسر شحنة الذرات: يمكن إضافة عنصر إليها أو إزالته. تم انتهاك التوازن الذي حافظ على حيادية النظام بأكمله ، واكتسبت الذرة شحنة.

الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات

اتضح فيما بعد: الجسيمات السالبة للضوء عبارة عن إلكترونات ، وتتكون النواة الموجبة الثقيلة من نوعين من النيوكليونات (البروتونات والنيوترونات). اختلفت البروتونات عن النيوترونات فقط في أن الأولى كانت ثقيلة الشحنة موجبة الشحنة ، بينما كانت للأخيرة كتلة فقط. من الصعب تغيير تكوين وشحنة النواة: فهي تتطلب طاقات لا تصدق. لكن من الأسهل بكثير تقسيم الذرة على الإلكترون. هناك المزيد من الذرات الكهربية ، التي تكون أكثر استعدادًا "لسحب" إلكترون ، وأقل كهرسلبية ، والتي من المرجح أن "تتخلى عنها". هذه هي الطريقة التي تتشكل بها شحنة الذرة: إذا كان هناك فائض من الإلكترونات ، فهو سالب ، وإذا كان هناك نقص فهو موجب.

عمر طويل للكون

لكن هيكل الذرة هذا حير العلماء. وفقًا للفيزياء الكلاسيكية السائدة في ذلك الوقت ، كان على الإلكترون ، الذي كان يتحرك طوال الوقت حول النواة ، أن يبعث باستمرار موجات كهرومغناطيسية. نظرًا لأن هذه العملية تعني فقدان الطاقة ، فستفقد جميع الجسيمات السالبة سرعتها قريبًا وتسقط على اللب. ومع ذلك ، فإن الكون موجود لفترة طويلة جدًا ، ولم تحدث الكارثة العالمية بعد. كانت مفارقة المادة القديمة تختمر.

الملصقات من بورا

كانت مسلمات بوهر قادرة على تفسير التناقض. ثم كانت هذه مجرد تصريحات ، قفزات إلى المجهول ، لم تكن مدعومة بالحسابات أو النظرية. وفقًا للمسلمات ، كانت هناك مستويات طاقة للإلكترونات في الذرة. يمكن أن يكون كل جسيم سالب الشحنة عند هذه المستويات فقط. يتم الانتقال بين المدارات (ما يسمى بالمستويات) عن طريق قفزة ، بينما يتم إطلاق أو امتصاص كمية من الطاقة الكهرومغناطيسية.

في وقت لاحق ، أوضح اكتشاف بلانك للكم سلوك الإلكترونات هذا.

الضوء والذرة

تعتمد كمية الطاقة المطلوبة للانتقال على المسافة بين مستويات الطاقة في الذرة. وكلما كانت المسافة بعيدة عن بعضها البعض ، زاد الكم المنبعث أو الممتص.

كما تعلم ، الضوء هو كم.حقل كهرومغناطيسي. وهكذا ، عندما يتحرك إلكترون في ذرة من مستوى أعلى إلى مستوى أدنى ، فإنه يخلق الضوء. في هذه الحالة ، يعمل القانون المعاكس أيضًا: عندما تصطدم موجة كهرومغناطيسية بجسم ما ، فإنها تثير إلكتروناته ، وتتحرك إلى مدار أعلى.

بالإضافة إلى مستويات الطاقة في الذرةفردية لكل نوع من العناصر الكيميائية. يختلف نمط المسافات بين المدارات بالنسبة للهيدروجين والذهب والتنغستن والنحاس والبروم والكبريت. لذلك ، فإن تحليل أطياف الانبعاث لأي جسم (بما في ذلك النجم) يحدد بشكل لا لبس فيه المواد والكمية الموجودة فيه.

هذه الطريقة تستخدم على نطاق واسع بشكل لا يصدق. يستخدم التحليل الطيفي:

• في الطب الشرعي
• في مراقبة جودة الغذاء والماء ؛
• في إنتاج البضائع ؛
• في إنشاء مواد جديدة ؛
• في تحسين التكنولوجيا.
• في التجارب العلمية.
• في دراسة النجوم.

هذه القائمة تبين فقط المقدار تقريباتبين أن اكتشاف المستويات الإلكترونية في الذرة مفيد. المستويات الإلكترونية هي الأكثر خشونة والأكبر. هناك مستويات اهتزاز أصغر ومستويات دوران أدق. لكنها ذات صلة فقط بالمركبات المعقدة - الجزيئات والمواد الصلبة.

يجب أن أقول إن بنية النواة لا تزال غير موجودةالتحقيق حتى النهاية. على سبيل المثال ، لا توجد إجابة لسؤال لماذا يتوافق عدد معين من البروتونات مع هذا العدد من النيوترونات. يقترح العلماء أن النواة الذرية تحتوي أيضًا على بعض المستويات التماثلية الإلكترونية. ومع ذلك ، هذا لم يتم إثباته بعد.