Ma arról fogunk beszélni, hogy mi az atom energiaszintje, mikor találkozik valaki ezzel a fogalommal, és hol alkalmazzák.
Iskolai fizika
Az emberek először az iskolában találkoznak a természettudományokkal. És ha a hetedik tanulmányi évben a gyerekek még mindig érdekesnek találják a biológia és a kémia új ismereteit, akkor az idősebb osztályokban félni kezdenek. Amikor eljön az atomfizika fordulata, ennek a tudományágnak az órái már csak undort keltenek az érthetetlen feladatok iránt. Érdemes azonban emlékezni arra, hogy minden felfedezésnek, amely mára unalmas iskolai tantárgyakká vált, nem triviális története és hasznos alkalmazások egész arzenálja van. Megtudni, hogyan működik a világ, olyan, mint kinyitni egy dobozt, amelyben valami érdekes van: mindig szeretne egy titkos rekeszt találni, és ott egy újabb kincset találni. Ma az atomfizika egyik alapfogalmáról, az anyag szerkezetéről fogunk beszélni.
Oszthatatlan, összetett, kvantum
Az ógörög nyelvből az "atom" szót "oszthatatlannak, legkisebbnek" fordítják. Ez a nézet a tudománytörténet következménye. Egyes ókori görögök és indiaiak azt hitték, hogy a világon minden apró részecskékből áll.
A modern történelemben a kémiai kísérleteket sokkal korábban végezték, mint a fizikai kísérleteketkutatás. A tizenhetedik és tizennyolcadik század tudósai elsősorban egy ország, király vagy herceg katonai erejének növelésén dolgoztak. És ahhoz, hogy robbanóanyagokat és puskaport hozzon létre, meg kellett érteni, miből állnak. Ennek eredményeként a kutatók azt találták, hogy bizonyos elemek egy bizonyos szint felett nem választhatók el egymástól. Ez azt jelenti, hogy vannak a kémiai tulajdonságok legkisebb hordozói.
De tévedtek. Az atomról kiderült, hogy összetett részecske, változási képessége kvantum jellegű. Ezt bizonyítják az atom energiaszintjének átmenetei.
Pozitív és negatív
A tizenkilencedik század végén a tudósok közel kerültek az anyag legkisebb részecskéinek tanulmányozásához. Például világos volt, hogy egy atom pozitív és negatív töltésű komponenseket is tartalmaz. Az atom szerkezete azonban ismeretlen volt: elemeinek elrendezése, kölcsönhatása, tömegaránya rejtély maradt.
Rutherford kísérletet állított fel az alfa-részecskék vékony aranyfóliával történő szórására. Megállapította, hogy az atomok közepén nehéz pozitív elemek, a nagyon könnyű negatívok pedig a széleken helyezkednek el. Ez azt jelenti, hogy a különböző töltések hordozói olyan részecskék, amelyek nem hasonlítanak egymáshoz. Ez megmagyarázta az atomok töltését: egy elemet lehetett hozzáadni hozzájuk vagy eltávolítani. Az egyensúly, amely az egész rendszert semlegesen tartotta, megbomlott, és az atom töltést kapott.
Elektronok, protonok, neutronok
Később kiderült: a könnyű negatív részecskék elektronok, a nehéz pozitív atommag pedigkétféle nukleon (protonok és neutronok). A protonok csak abban különböztek a neutronoktól, hogy az előbbiek pozitív töltésűek és nehézek, míg az utóbbiaknak csak tömegük volt. Az atommag összetételének és töltésének megváltoztatása nehéz: hihetetlen energiákat igényel. De egy atom sokkal könnyebben osztható elektronnal. Vannak több elektronegatív atomok, amelyek nagyobb valószínűséggel "elvesznek" egy elektront, és kevésbé elektronegatívak, amelyek nagyobb valószínűséggel "adják el". Így keletkezik egy atom töltése: ha elektrontöbblet van, akkor negatív, ha hiány van, akkor pozitív.
Az univerzum hosszú élete
De az atomnak ez a szerkezete zavarba hozta a tudósokat. Az akkoriban uralkodó klasszikus fizika szerint az atommag körül folyamatosan mozgó elektronnak folyamatosan elektromágneses hullámokat kellett kisugároznia. Mivel ez a folyamat energiavesztéssel jár, az összes negatív részecske hamarosan elveszti sebességét és a magra esne. Az univerzum azonban nagyon régóta létezik, és a globális katasztrófa még nem következett be. A túl régi anyag paradoxona kialakulóban volt.
Bohr posztulátumai
Bohr posztulátumai megmagyarázhatják az eltérést. Akkor ezek csak állítások voltak, ugrások az ismeretlenbe, amelyeket nem támasztott alá sem számítás, sem elmélet. A posztulátumok szerint az atomban az elektronok energiaszintjei voltak. Minden negatív töltésű részecske csak ezen a szinten lehet. A pályák közötti átmenet (úgynevezett szintek) ugrással történik, miközben elektromágneses energia kvantum szabadul fel vagy nyel el.energia.
Később Planck kvantumfelfedezése megmagyarázta az elektronok viselkedését.
Fény és atom
Az átmenethez szükséges energia mennyisége az atom energiaszintjei közötti távolságtól függ. Minél távolabb vannak egymástól, annál nagyobb a kibocsátott vagy elnyelt kvantum.
Mint tudod, a fény az elektromágneses mező kvantuma. Így amikor egy elektron egy atomban magasabb szintről alacsonyabb szintre lép, fényt hoz létre. Ebben az esetben is a fordított törvény érvényesül: amikor egy elektromágneses hullám egy tárgyra esik, gerjeszti az elektronjait, és azok magasabb pályára kerülnek.
Ezenkívül az atom energiaszintje minden egyes kémiai elemtípus esetében egyedi. A pályák közötti távolságok mintázata eltérő a hidrogén és az arany, a wolfram és a réz, a bróm és a kén esetében. Ezért bármely objektum (beleértve a csillagokat is) emissziós spektrumának elemzése egyértelműen meghatározza, hogy mely anyagok és milyen mennyiségben vannak benne.
Ezt a módszert hihetetlenül széles körben használják. Használt spektrumelemzés:
- kriminalisztika;
- élelmiszer- és vízminőség-ellenőrzésben;
- árugyártásban;
- új anyagok létrehozásában;
- a technológia fejlesztésében;
- tudományos kísérletekben;
- a csillagok felfedezésében.
Ez a lista csak hozzávetőlegesen mutatja be, mennyire hasznos volt az atomban lévő elektronikus szintek felfedezése. Az elektronikus szintek a legdurvábbak, a legnagyobbak. Vannak kisebbek isvibrációs, és még finomabb forgási szintek. De ezek csak az összetett vegyületekre vonatkoznak – molekulákra és szilárd anyagokra.
El kell mondanunk, hogy az atommag szerkezetét még nem tárták fel teljesen. Például nincs válasz arra a kérdésre, hogy miért felel meg ilyen számú neutron egy bizonyos számú protonnak. A tudósok azt sugallják, hogy az atommag az elektronikus szintek analógját is tartalmazza. Ez azonban még nem bizonyított.
