Σήμερα θα σας πούμε για το ποιο είναι το ενεργειακό επίπεδο ενός ατόμου, πότε ένα άτομο συναντά αυτήν την έννοια και πού εφαρμόζεται.
Σχολική φυσική
Οι άνθρωποι συναντούν για πρώτη φορά την επιστήμη στο σχολείο. Και αν στο έβδομο έτος σπουδών, τα παιδιά εξακολουθούν να βρίσκουν ενδιαφέρουσες νέες γνώσεις στη βιολογία και τη χημεία, τότε στις ανώτερες τάξεις αρχίζουν να φοβούνται. Όταν έρχεται η σειρά της ατομικής φυσικής, τα μαθήματα σε αυτόν τον κλάδο εμπνέουν ήδη μόνο αηδία για ακατανόητα καθήκοντα. Ωστόσο, αξίζει να θυμόμαστε ότι όλες οι ανακαλύψεις που έχουν πλέον μετατραπεί σε βαρετά σχολικά μαθήματα έχουν μια μη τετριμμένη ιστορία και ένα ολόκληρο οπλοστάσιο χρήσιμων εφαρμογών. Το να μάθετε πώς λειτουργεί ο κόσμος είναι σαν να ανοίγετε ένα κουτί με κάτι ενδιαφέρον μέσα: θέλετε πάντα να βρείτε ένα μυστικό διαμέρισμα και να βρείτε έναν άλλο θησαυρό εκεί. Σήμερα θα μιλήσουμε για μια από τις βασικές έννοιες της ατομικής φυσικής, τη δομή της ύλης.
Αδιαίρετο, σύνθετο, κβαντικό
Από την αρχαία ελληνική γλώσσα, η λέξη "άτομο" μεταφράζεται ως "αδιαίρετο, μικρότερο". Αυτή η άποψη είναι συνέπεια της ιστορίας της επιστήμης. Μερικοί αρχαίοι Έλληνες και Ινδοί πίστευαν ότι τα πάντα στον κόσμο αποτελούνταν από μικροσκοπικά σωματίδια.
Στη σύγχρονη ιστορία, τα πειράματα στη χημεία έγιναν πολύ νωρίτερα από τα φυσικάέρευνα. Οι μελετητές του δέκατου έβδομου και του δέκατου όγδοου αιώνα εργάστηκαν κυρίως για να αυξήσουν τη στρατιωτική ισχύ μιας χώρας, βασιλιά ή δούκα. Και για να δημιουργηθούν εκρηκτικά και πυρίτιδα, ήταν απαραίτητο να καταλάβουμε από τι αποτελούνται. Ως αποτέλεσμα, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ορισμένα στοιχεία δεν μπορούν να διαχωριστούν πέρα από ένα ορισμένο επίπεδο. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχουν οι μικρότεροι φορείς χημικών ιδιοτήτων.
Αλλά έκαναν λάθος. Το άτομο αποδείχθηκε ότι ήταν ένα σύνθετο σωματίδιο και η ικανότητά του να αλλάζει είναι κβαντικής φύσης. Αυτό αποδεικνύεται από τις μεταβάσεις των ενεργειακών επιπέδων του ατόμου.
Θετικά και αρνητικά
Στα τέλη του δέκατου ένατου αιώνα, οι επιστήμονες έφτασαν κοντά στη μελέτη των μικρότερων σωματιδίων της ύλης. Για παράδειγμα, ήταν σαφές ότι ένα άτομο περιέχει τόσο θετικά όσο και αρνητικά φορτισμένα συστατικά. Αλλά η δομή του ατόμου ήταν άγνωστη: η διάταξη, η αλληλεπίδραση, η αναλογία του βάρους των στοιχείων του παρέμεναν ένα μυστήριο.
Ο Ράδερφορντ δημιούργησε ένα πείραμα σχετικά με τη σκέδαση των σωματιδίων άλφα από λεπτό φύλλο χρυσού. Βρήκε ότι στο κέντρο των ατόμων υπάρχουν βαριά θετικά στοιχεία, και πολύ ελαφρά αρνητικά βρίσκονται στις άκρες. Αυτό σημαίνει ότι οι φορείς διαφορετικών φορτίων είναι σωματίδια που δεν είναι παρόμοια μεταξύ τους. Αυτό εξηγούσε το φορτίο των ατόμων: ένα στοιχείο μπορούσε να προστεθεί σε αυτά ή να αφαιρεθεί. Η ισορροπία που διατηρούσε ολόκληρο το σύστημα ουδέτερο διασπάστηκε και το άτομο απέκτησε φορτίο.
Ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια
Αργότερα αποδείχθηκε: τα ελαφρά αρνητικά σωματίδια είναι ηλεκτρόνια και ένας βαρύς θετικός πυρήνας αποτελείται απόδύο είδη νουκλεονίων (πρωτόνια και νετρόνια). Τα πρωτόνια διέφεραν από τα νετρόνια μόνο στο ότι τα πρώτα ήταν θετικά φορτισμένα και βαριά, ενώ τα δεύτερα είχαν μόνο μάζα. Η αλλαγή της σύνθεσης και του φορτίου του πυρήνα είναι δύσκολη: απαιτεί απίστευτες ενέργειες. Αλλά ένα άτομο είναι πολύ πιο εύκολο να διαιρεθεί με ένα ηλεκτρόνιο. Υπάρχουν περισσότερα ηλεκτραρνητικά άτομα, τα οποία είναι πιο πιθανό να «πάρουν» ένα ηλεκτρόνιο, και λιγότερα ηλεκτραρνητικά, που είναι πιο πιθανό να το «δώσουν». Έτσι σχηματίζεται το φορτίο ενός ατόμου: αν υπάρχει περίσσεια ηλεκτρονίων, τότε είναι αρνητικό και αν υπάρχει έλλειψη, τότε είναι θετικό.
Μεγάλη ζωή του σύμπαντος
Αλλά αυτή η δομή του ατόμου μπέρδεψε τους επιστήμονες. Σύμφωνα με την κλασική φυσική που επικρατούσε εκείνη την εποχή, ένα ηλεκτρόνιο, που κινούνταν συνεχώς γύρω από τον πυρήνα, έπρεπε να εκπέμπει συνεχώς ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Δεδομένου ότι αυτή η διαδικασία σημαίνει απώλεια ενέργειας, όλα τα αρνητικά σωματίδια θα χάσουν σύντομα την ταχύτητά τους και θα πέσουν στον πυρήνα. Ωστόσο, το σύμπαν υπάρχει εδώ και πολύ καιρό και η παγκόσμια καταστροφή δεν έχει συμβεί ακόμη. Το παράδοξο της πολύ παλιάς ύλης δημιουργούσε.
Αξιώματα του Bohr
Τα αξιώματα του Bohr θα μπορούσαν να εξηγήσουν την ασυμφωνία. Τότε ήταν απλώς ισχυρισμοί, άλματα στο άγνωστο, που δεν υποστηρίχθηκαν από υπολογισμούς ή θεωρία. Σύμφωνα με τα αξιώματα, υπήρχαν ενεργειακά επίπεδα ηλεκτρονίων στο άτομο. Κάθε αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο θα μπορούσε να βρίσκεται μόνο σε αυτά τα επίπεδα. Η μετάβαση μεταξύ τροχιακών (τα λεγόμενα επίπεδα) πραγματοποιείται με ένα άλμα, ενώ ένα κβάντο ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας απελευθερώνεται ή απορροφάται.ενέργεια.
Αργότερα, η ανακάλυψη του Κβαντικού από τον Πλανκ εξήγησε αυτή τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων.
Φως και άτομο
Η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για τη μετάβαση εξαρτάται από την απόσταση μεταξύ των ενεργειακών επιπέδων του ατόμου. Όσο πιο μακριά είναι το ένα από το άλλο, τόσο περισσότερο εκπέμπεται ή απορροφάται το κβάντο.
Όπως γνωρίζετε, το φως είναι το κβάντο του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Έτσι, όταν ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο μετακινείται από ένα υψηλότερο σε ένα χαμηλότερο επίπεδο, δημιουργεί φως. Σε αυτή την περίπτωση, ισχύει και ο αντίστροφος νόμος: όταν ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα πέφτει σε ένα αντικείμενο, διεγείρει τα ηλεκτρόνια του και αυτά μετακινούνται σε ένα υψηλότερο τροχιακό.
Επιπλέον, τα επίπεδα ενέργειας του ατόμου είναι ξεχωριστά για κάθε τύπο χημικού στοιχείου. Το σχέδιο των αποστάσεων μεταξύ των τροχιακών είναι διαφορετικό για το υδρογόνο και τον χρυσό, το βολφράμιο και τον χαλκό, το βρώμιο και το θείο. Επομένως, μια ανάλυση των φασμάτων εκπομπής οποιουδήποτε αντικειμένου (συμπεριλαμβανομένων των αστεριών) καθορίζει ξεκάθαρα ποιες ουσίες και σε ποια ποσότητα υπάρχουν σε αυτό.
Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται απίστευτα ευρέως. Χρησιμοποιήθηκε ανάλυση φάσματος:
- στην εγκληματολογία;
- στον έλεγχο ποιότητας τροφίμων και νερού;
- στην παραγωγή αγαθών;
- στη δημιουργία νέων υλικών;
- στη βελτίωση της τεχνολογίας;
- σε επιστημονικά πειράματα;
- στην εξερεύνηση των αστεριών.
Αυτή η λίστα δείχνει μόνο κατά προσέγγιση πόσο χρήσιμη ήταν η ανακάλυψη ηλεκτρονικών επιπέδων στο άτομο. Τα ηλεκτρονικά επίπεδα είναι τα πιο τραχιά, τα μεγαλύτερα. Υπάρχουν και μικρότεραδονήσεις, και ακόμη πιο λεπτά επίπεδα περιστροφής. Αλλά αφορούν μόνο σύνθετες ενώσεις - μόρια και στερεά.
Πρέπει να ειπωθεί ότι η δομή του πυρήνα δεν έχει ακόμη διερευνηθεί πλήρως. Για παράδειγμα, δεν υπάρχει απάντηση στο ερώτημα γιατί ένας τέτοιος αριθμός νετρονίων αντιστοιχεί σε έναν ορισμένο αριθμό πρωτονίων. Οι επιστήμονες προτείνουν ότι ο ατομικός πυρήνας περιέχει επίσης κάποιο ανάλογο ηλεκτρονικών επιπέδων. Ωστόσο, αυτό δεν έχει ακόμη αποδειχθεί.
