רמת האנרגיה של אטום: מבנה ומעברים

היום נדבר על מהי רמת האנרגיה של האטום, כאשר אדם מתמודד עם המושג הזה, והיכן הוא מוחל.

פיסיקה בבית הספר

אנשים נפגשים לראשונה עם מדעי הטבע.בבית הספר. ואם בשנה השביעית של החינוך, ילדים עדיין למצוא ידע חדש בביולוגיה וכימיה מעניין, אז בתיכון הם מתחילים לפחד. כאשר מגיע תור הפיזיקה האטומית, הלקחים במשמעת זו כבר מעוררים רק סלידה מבעיות בלתי נתפסות. עם זאת, כדאי לזכור כי כל תגליות כי עכשיו הפכו נושאים בבית הספר משעמם יש היסטוריה לא טריוויאלי ארסנל שלם של יישומים שימושיים. מציאת איך העולם עובד איך לפתוח ארון עם משהו מעניין בפנים: אתה תמיד רוצה למצוא תא סודי ולגלות עוד אוצר שם. היום נדבר על אחד המושגים הבסיסיים של הפיזיקה האטומית, מבנה החומר.

בלתי ניתן לחלוקה, מורכב, קוונטי

מן השפה היוונית העתיקה את המילה "אטום" מתורגםכמו "לא ניתן לחלוקה, לפחות". השקפה זו היא תוצאה של ההיסטוריה של המדע. היוונים העתיקים והאינדיאנים האמינו שכל דבר בעולם מורכב מהחלקיקים הקטנים ביותר.

בהיסטוריה המודרנית, ניסויים בכימיה היוהפיק הרבה יותר מוקדם מאשר מחקר פיזי. מדענים מהמאות השבע-עשרה והשמונה-עשרה פעלו בעיקר להגדלת כוחה הצבאי של המדינה, המלך או הדוכס. וכדי ליצור חומרי נפץ ואבק שרפה, היה צורך להבין מה הם מורכבים. כתוצאה מכך, החוקרים גילו כי אלמנטים מסוימים לא ניתן לחלק מעבר לרמה מסוימת. לפיכך, יש נושאות הקטן ביותר של תכונות כימיות.

אבל הם טעו. האטום הפך להיות חלקיק מורכב, ויכולתה להשתנות היא קוונטית בטבע. זה מסומן על ידי מעברים של רמות האנרגיה של האטום.

חיובי ושלילי

בסוף המאה התשע עשרה, מדעניםהתקרב ללימוד החלקיקים הקטנים ביותר של החומר. לדוגמה, היה ברור: אטום מכיל רכיבים חיוביים וטעונים שלילי. אבל מבנה האטום לא היה ידוע: המיקום, יחסי הגומלין, המשקל של מרכיביו נותרו בגדר תעלומה.

Резерфорд поставил опыт по рассеянию альфа-частиц רדיד זהב דק. הוא גילה שבמרכז האטומים יש אלמנטים חיוביים כבדים, ובקצוות יש שלילי מאוד. זה אומר כי נושאות של מטענים שונים הם חלקיקים לא דומים זה לזה. זה הסביר את המטען של אטומים: אפשר להוסיף אלמנט אליהם או להסיר אותו. שיווי המשקל ששמר על הנייטרליות של המערכת כולה נשבר, והאטום רכש מטען.

אלקטרונים, פרוטונים, נויטרונים

התברר מאוחר יותר:חלקיקים שליליים הם אלקטרונים, וגרעין חיובי כבד מורכב משני סוגים של נוקלאונים (פרוטונים ונייטרונים). הפרוטונים נבדלו מנייטרונים רק בכך שהראשון היה טעון בחיוב וכבד, ואילו השני היה בעל מסה בלבד. קשה לשנות את הרכב ואת המטען של הגרעין: זה דורש אנרגיה מדהימה. אבל אטום האלקטרון הוא הרבה יותר קל לחלוק. יש יותר אטומים electronegative כי "לבחור" אלקטרון בקלות רבה יותר, פחות electronegative אלה מעדיפים "לוותר" על זה. כך נוצר המטען של אטום: אם יש עודף אלקטרונים, אז זה שלילי, ואם החסר הוא חיובי.

חיים ארוכים של היקום

Но такое строение атома озадачивало ученых.על פי הפיסיקה הקלאסית ששררה באותה עת, האלקטרון, שנמצא ללא הרף סביב הגרעין, נאלץ לפלוט גלים אלקטרומגנטיים. מאחר שתהליך זה פירושו אובדן אנרגיה, כל החלקיקים השליליים יאבדו במהרה את מהירותם ויורדים אל הליבה. עם זאת, היקום קיים במשך זמן רב מאוד, ואת האסון העולמי עדיין לא קרה. היה פרדוקס של חומר ישן מדי.

פוסטרים של בורה

ההנחות של בוהר הצליחו להסביר את הפער.אז אלה היו רק הצהרות, קפיצות אל הלא נודע, שלא נתמכו בחישובים או בתיאוריה. על פי ההנחות, היו רמות אנרגיה של אלקטרונים באטום. כל חלקיק בעל מטען שלילי יכול להיות רק ברמות האלה. המעבר בין האורביטלים (מה שנקרא רמות) מתבצע על ידי קפיצה, בעוד קוונטי של אנרגיה אלקטרומגנטית משתחררת או נספגת.

מאוחר יותר, גילוי הקוונטים של פלאנק הסביר התנהגות זו של אלקטרונים.

אור ואטום

כמות האנרגיה הנדרשת למעבר תלויה במרחק בין רמות האנרגיה של האטום. ככל שהם רחוקים יותר זה מזה, כך הקוונטי המשוחרר או הנספג גדול יותר.

כידוע, אור הוא קוונטי.שדה אלקרומגנטי. לפיכך, כאשר אלקטרון באטום נע מרמה גבוהה יותר לנמוכה, הוא יוצר אור. במקרה זה חל גם החוק ההפוך: כאשר גל אלקטרומגנטי פוגע באובייקט, הוא מעורר את האלקטרונים שלו, והם נעים למסלול גבוה יותר.

בנוסף, רמות האנרגיה של האטוםהם אינדיבידואליים עבור כל סוג של יסוד כימי. דפוס המרווח האורביטלי שונה עבור מימן וזהב, טונגסטן ונחושת, ברום וגופרית. לכן, ניתוח של ספקטרום הפליטה של ​​כל עצם (כולל כוכב) קובע באופן חד משמעי אילו חומרים ובאיזה כמות נמצאים בו.

שיטה זו נמצאת בשימוש נרחב להפליא. נעשה שימוש בניתוח ספקטרלי:

• בזיהוי פלילי;
• בבקרת איכות מזון ומים;
• בייצור סחורות;
• ביצירת חומרים חדשים;
• בשיפור הטכנולוגיות;
• בניסויים מדעיים;
• בחקר הכוכבים.

רשימה זו מראה רק באופן גס כמההגילוי של רמות אלקטרוניות באטום התברר כמועיל. המפלסים האלקטרוניים הם הגסים ביותר, הגדולים ביותר. יש רמות רטט קטנות יותר ורמות סיבוב עדינות עוד יותר. אבל הם רלוונטיים רק עבור תרכובות מורכבות - מולקולות ומוצקים.

אני חייב לומר שהמבנה של הקרנל עדיין לאנחקר עד הסוף. למשל, אין תשובה לשאלה מדוע מספר מסוים של פרוטונים מתאים בדיוק למספר כזה של נויטרונים. מדענים מציעים שגרעין האטום מכיל גם סוג של אנלוגי של רמות אלקטרוניות. עם זאת, זה עדיין לא הוכח.