Dnes si povieme, aká je energetická hladina atómu, kedy sa s týmto pojmom človek stretne a kde sa uplatňuje.
Školská fyzika
Ľudia sa najskôr stretávajú s prírodnými vedamiv škole. A ak v siedmom ročníku štúdia deti stále zaujímajú nové poznatky z biológie a chémie, tak na strednej škole sa začínajú báť. Keď príde rad na atómovú fyziku, hodiny v tejto disciplíne už vzbudzujú len averziu k nepochopiteľným problémom. Je však potrebné pripomenúť, že všetky objavy, ktoré sa teraz zmenili na nudné školské predmety, majú netriviálny príbeh a celý arzenál užitočných aplikácií. Zistiť, ako funguje svet, je ako otvoriť škatuľu s niečím zaujímavým vo vnútri: vždy chcete nájsť tajnú priehradku a objaviť tam ďalší poklad. Dnes si povieme niečo o jednom zo základných pojmov atómovej fyziky, o štruktúre hmoty.
Nedeliteľné, zložené, kvantové
Zo starovekého gréckeho jazyka sa prekladá slovo „atóm“.ako „nedeliteľné, najmenšie“. Tento názor je dôsledkom histórie vedy. Niektorí starí Gréci a Indovia verili, že všetko na svete sa skladá z drobných čiastočiek.
V modernej histórii boli experimenty v chémiiurobené oveľa skôr ako fyzikálny výskum. Učenci sedemnásteho a osemnásteho storočia pracovali predovšetkým na zvýšení vojenskej sily krajiny, kráľa alebo vojvodu. A na vytvorenie výbušnín a strelného prachu bolo potrebné pochopiť, z čoho sú vyrobené. V dôsledku toho vedci zistili, že niektoré prvky nemožno rozdeliť nad určitú úroveň. To znamená, že existujú najmenší nositelia chemických vlastností.
Ale mýlili sa. Atóm sa ukázal ako zložená častica a jeho schopnosť meniť sa je kvantovej povahy. Svedčia o tom aj prechody energetických hladín atómu.
Pozitívne aj negatívne
Na konci devätnásteho storočia sa vedci priblížilipriblížil štúdium najmenších častíc hmoty. Napríklad bolo jasné, že atóm obsahuje kladne aj záporne nabité zložky. Ale štruktúra atómu bola neznáma: umiestnenie, interakcia, pomer hmotnosti jeho prvkov zostali záhadou.
Rutherford uskutočnil experiment s rozptylom alfa častíctenká zlatá fólia. Zistil, že v strede atómov sú ťažké pozitívne prvky a na okrajoch veľmi ľahké negatívne prvky. To znamená, že nosičmi rôznych nábojov sú častice, ktoré si nie sú podobné. To vysvetlilo náboj atómov: prvok k nim mohol byť pridaný alebo odstránený. Rovnováha, ktorá udržiavala neutralitu celého systému, bola narušená a atóm získal náboj.
Elektróny, protóny, neutróny
Neskôr sa ukázalo:ľahké negatívne častice sú elektróny a ťažké pozitívne jadro pozostáva z dvoch typov nukleónov (protónov a neutrónov). Protóny sa líšili od neutrónov iba tým, že prvé boli kladne nabité a ťažké, zatiaľ čo druhé mali iba hmotnosť. Zmena zloženia a náboja jadra je náročná: vyžaduje si to neuveriteľné energie. Ale atóm je oveľa jednoduchšie rozdeliť elektrónom. Je viac elektronegatívnych atómov, ktoré sú ochotnejšie si elektrón „zobrať“ a menej elektronegatívnych, u ktorých je väčšia pravdepodobnosť, že sa ho „vzdajú“. Takto vzniká náboj atómu: ak je elektrónov prebytok, potom je záporný, a ak je nedostatok, potom je kladný.
Dlhý život vesmíru
Táto štruktúra atómu však vedcov zmiatla.Podľa vtedajšej dominantnej klasickej fyziky musel elektrón, ktorý sa celý čas pohyboval okolo jadra, nepretržite vyžarovať elektromagnetické vlny. Keďže tento proces znamená stratu energie, potom by všetky negatívne častice čoskoro stratili svoju rýchlosť a dopadli by na jadro. Vesmír však existuje už veľmi dlho a celosvetová katastrofa ešte nenastala. Vznikal paradox príliš starej hmoty.
Posterates z Bora
Bohrove postuláty dokázali vysvetliť rozpor.Potom to boli len konštatovania, skoky do neznáma, ktoré neboli podložené výpočtami ani teóriou. Podľa postulátov boli v atóme energetické hladiny elektrónov. Každá záporne nabitá častica môže byť iba na týchto úrovniach. Prechod medzi orbitálmi (tzv. hladinami) sa uskutočňuje skokom, pričom sa uvoľňuje alebo absorbuje kvantum elektromagnetickej energie.
Neskôr Planckov objav kvanta vysvetlil toto správanie elektrónov.
Svetlo a atóm
Množstvo energie potrebnej na prechod závisí od vzdialenosti medzi energetickými hladinami atómu. Čím sú od seba ďalej, tým väčšie je uvoľnené alebo absorbované kvantum.
Ako viete, svetlo je kvantum.elektromagnetického poľa. Keď sa teda elektrón v atóme pohybuje z vyššej na nižšiu úroveň, vytvára svetlo. V tomto prípade platí aj opačný zákon: keď elektromagnetická vlna zasiahne objekt, vybudí jeho elektróny a tie sa presunú na vyšší orbitál.
Okrem toho energetické hladiny atómusú individuálne pre každý typ chemického prvku. Vzor orbitálnej vzdialenosti je odlišný pre vodík a zlato, volfrám a meď, bróm a síru. Preto analýza emisných spektier akéhokoľvek objektu (vrátane hviezdy) jednoznačne určuje, aké látky a v akom množstve sa v ňom nachádzajú.
Táto metóda sa používa neuveriteľne široko. Používa sa spektrálna analýza:
- v súdnom lekárstve;
- v kontrole kvality potravín a vody;
- pri výrobe tovaru;
- pri vytváraní nových materiálov;
- pri zlepšovaní technológií;
- vo vedeckých experimentoch;
- pri štúdiu hviezd.
Tento zoznam len približne ukazuje koľkoobjavenie elektronických hladín v atóme sa ukázalo ako užitočné. Elektronické úrovne sú najhrubšie, najväčšie. Existujú menšie úrovne vibrácií a ešte jemnejšie úrovne rotácie. Sú však relevantné iba pre komplexné zlúčeniny - molekuly a pevné látky.
Musím povedať, že štruktúra jadra stále nie jepreskúmané do konca. Neexistuje napríklad odpoveď na otázku, prečo určitý počet protónov zodpovedá práve takémuto počtu neutrónov. Vedci naznačujú, že atómové jadro obsahuje aj akýsi analóg elektronických úrovní. To sa však zatiaľ nepodarilo dokázať.
