Dzisiaj porozmawiamy o tym, jaki jest poziom energii atomu, kiedy dana osoba spotyka się z tym pojęciem i gdzie jest stosowana.
Fizyka szkolna
Ludzie najpierw spotykają się z naukami przyrodniczymiw szkole A jeśli w siódmym roku nauki dzieci nadal będą interesować się nową biologią i chemią, to w szkole średniej zaczną się ich bać. Kiedy nadchodzi kolej fizyki atomowej, lekcje w tej dyscyplinie budzą już tylko niechęć do niejasnych zadań. Warto jednak pamiętać, że wszystkie odkrycia, które stały się nudnymi przedmiotami szkolnymi, mają nietrywialną historię i cały arsenał przydatnych aplikacji. Odkrywanie, jak działa świat, przypomina otwieranie trumny z czymś interesującym w środku: zawsze chcesz znaleźć sekretny schowek i odkryć tam kolejny skarb. Dzisiaj porozmawiamy o jednym z podstawowych pojęć fizyki atomowej, strukturze materii.
Niepodzielny, złożony, kwantowy
Ze starożytnego języka greckiego przetłumaczono słowo „atom”jako „niepodzielny, najmniejszy”. Ten pogląd jest konsekwencją historii nauki. Niektórzy starożytni Grecy i Indianie wierzyli, że wszystko na świecie składa się z maleńkich cząstek.
We współczesnej historii eksperymenty w chemii byływykonane znacznie wcześniej niż badania fizyczne. Uczeni XVII i XVIII wieku pracowali przede wszystkim nad zwiększeniem potęgi militarnej państwa, króla lub księcia. Aby stworzyć materiały wybuchowe i proch strzelniczy, trzeba było zrozumieć, z czego zostały wykonane. W rezultacie naukowcy odkryli, że niektórych elementów nie da się podzielić poza pewien poziom. Oznacza to, że istnieją najmniejsze nośniki właściwości chemicznych.
Ale mylili się. Atom okazał się cząstką złożoną, a jego zdolność do zmian ma charakter kwantowy. Świadczą o tym również przejścia poziomów energetycznych atomu.
Pozytywny i negatywny
Pod koniec XIX wieku naukowcy byli bliskozbliżył się do badania najmniejszych cząstek materii. Na przykład było jasne, że atom zawiera zarówno składniki naładowane dodatnio, jak i ujemnie. Ale struktura atomu była nieznana: lokalizacja, oddziaływanie, stosunek masy jego pierwiastków pozostawały tajemnicą.
Rutherford przeprowadził eksperyment dotyczący rozpraszania cząstek alfacienka złota folia. Odkrył, że w środku atomów znajdują się ciężkie pierwiastki dodatnie, a bardzo lekkie pierwiastki ujemne znajdują się na krawędziach. Oznacza to, że nośnikami różnych ładunków są cząstki, które nie są do siebie podobne. To wyjaśniało ładunek atomów: pierwiastek można było do nich dodać lub usunąć. Równowaga utrzymująca neutralność całego układu została naruszona, a atom uzyskał ładunek.
Elektrony, protony, neutrony
Później okazało się:lekkie ujemne cząstki to elektrony, a ciężkie dodatnie jądro składa się z dwóch rodzajów nukleonów (protonów i neutronów). Protony różniły się od neutronów tylko tym, że te pierwsze były naładowane dodatnio i ciężkie, podczas gdy te drugie miały jedynie masę. Zmiana składu i ładunku jądra jest trudna: wymaga niesamowitych energii. Ale atom znacznie łatwiej podzielić przez elektron. Jest więcej atomów elektroujemnych, które chętniej „odbiorą” elektron, a mniej elektroujemnych, które z większym prawdopodobieństwem go „oddają”. W ten sposób powstaje ładunek atomu: jeśli jest nadmiar elektronów, to jest ujemny, a jeśli jest niedobór, to dodatni.
Długie życie wszechświata
Ale ta struktura atomu zaskoczyła naukowców.Zgodnie z dominującą wówczas fizyką klasyczną, elektron, który cały czas poruszał się wokół jądra, musiał w sposób ciągły emitować fale elektromagnetyczne. Ponieważ proces ten oznacza utratę energii, wszystkie cząstki ujemne wkrótce straciłyby swoją prędkość i spadłyby na jądro. Jednak wszechświat istnieje od bardzo dawna, a globalna katastrofa jeszcze nie nastąpiła. Powstawał paradoks zbyt starej materii.
Posterates z Bora
Postulaty Bohra były w stanie wyjaśnić tę rozbieżność.Wtedy były to tylko stwierdzenia, skoki w nieznane, nie poparte obliczeniami ani teorią. Zgodnie z postulatami w atomie były poziomy energetyczne elektronów. Każda ujemnie naładowana cząstka mogła znajdować się tylko na tych poziomach. Przejście między orbitalami (tzw. poziomami) odbywa się poprzez skok, podczas gdy kwant energii elektromagnetycznej jest uwalniany lub absorbowany.
Później odkrycie kwantu przez Plancka wyjaśniło to zachowanie elektronów.
Światło i atom
Ilość energii wymagana do przejścia zależy od odległości między poziomami energetycznymi atomu. Im dalej są od siebie, tym większe uwolnione lub zaabsorbowane kwanty.
Jak wiesz, światło jest kwantem.pole elektromagnetyczne. Tak więc, gdy elektron w atomie przemieszcza się z wyższego na niższy poziom, wytwarza światło. W tym przypadku obowiązuje również odwrotne prawo: kiedy fala elektromagnetyczna uderza w obiekt, wzbudza jego elektrony i przesuwają się na wyższą orbitę.
Ponadto poziomy energetyczne atomusą indywidualne dla każdego rodzaju pierwiastka chemicznego. Wzorzec odległości między orbitalami jest inny dla wodoru i złota, wolframu i miedzi, bromu i siarki. Dlatego analiza widm emisyjnych dowolnego obiektu (w tym gwiazdy) jednoznacznie określa, jakie substancje i w jakiej ilości są w nim obecne.
Ta metoda jest stosowana niezwykle szeroko. Wykorzystywana jest analiza spektralna:
- w kryminalistyce;
- w kontroli jakości żywności i wody;
- w produkcji towarów;
- w tworzeniu nowych materiałów;
- w doskonaleniu technologii;
- w eksperymentach naukowych;
- w badaniu gwiazd.
Ta lista tylko z grubsza pokazuje, ileprzydatne okazało się odkrycie poziomów elektronowych w atomie. Poziomice elektroniczne są najgrubsze, największe. Istnieją mniejsze poziomy wibracji, a jeszcze dokładniejsze poziomy rotacji. Ale dotyczą one tylko złożonych związków - cząsteczek i ciał stałych.
Muszę powiedzieć, że struktura jądra nadal nie jestzbadane do końca. Na przykład nie ma odpowiedzi na pytanie, dlaczego pewna liczba protonów odpowiada właśnie takiej liczbie neutronów. Naukowcy sugerują, że jądro atomowe zawiera również pewien odpowiednik poziomów elektronicznych. Jednak nie zostało to jeszcze udowodnione.
