Idag kommer vi att berätta om vad energinivån för en atom är, när en person möter detta koncept och var det tillämpas.
Skolfysik
Folk möter vetenskap först i skolan. Och om barn under det sjunde studieåret fortfarande tycker att ny kunskap inom biologi och kemi är intressant, börjar de bli rädda i seniorklasserna. När atomfysikens tur kommer, inspirerar redan lektioner i denna disciplin bara avsky för obegripliga uppgifter. Det är dock värt att komma ihåg att alla upptäckter som nu har förvandlats till tråkiga skolämnen har en icke-trivial historia och en hel arsenal av användbara tillämpningar. Att ta reda på hur världen fungerar är som att öppna en låda med något intressant inuti: du vill alltid hitta ett hemligt fack och hitta en annan skatt där. Idag ska vi prata om ett av atomfysikens grundläggande begrepp, materiens struktur.
Odelbar, sammansatt, kvant
Från det antika grekiska språket översätts ordet "atom" som "odelbar, minsta". Denna syn är en konsekvens av vetenskapens historia. Vissa gamla greker och indianer trodde att allt i världen bestod av små partiklar.
I modern historia gjordes experiment i kemi mycket tidigare än fysiskaforskning. Forskare från 1600- och 1700-talen arbetade främst för att öka militärmakten hos ett land, en kung eller en hertig. Och för att skapa sprängämnen och krut var det nödvändigt att förstå vad de består av. Som ett resultat fann forskarna att vissa element inte kan separeras bortom en viss nivå. Det betyder att det finns de minsta bärarna av kemiska egenskaper.
Men de hade fel. Atomen visade sig vara en sammansatt partikel, och dess förmåga att förändras är av kvantnatur. Detta bevisas av övergångarna av atomens energinivåer.
Positivt och negativt
I slutet av artonhundratalet kom forskare nära att studera de minsta partiklarna av materia. Det var till exempel tydligt att en atom innehåller både positivt och negativt laddade komponenter. Men atomens struktur var okänd: arrangemanget, växelverkan, förhållandet mellan vikten av dess grundämnen förblev ett mysterium.
Rutherford startade ett experiment om spridning av alfapartiklar med tunn guldfolie. Han fann att i mitten av atomerna finns tunga positiva element, och mycket lätta negativa finns vid kanterna. Det betyder att bärarna av olika laddningar är partiklar som inte liknar varandra. Detta förklarade laddningen av atomer: ett element kunde läggas till dem eller tas bort. Balansen som höll hela systemet neutr alt bröts och atomen fick en laddning.
Elektroner, protoner, neutroner
Senare visade det sig: lätta negativa partiklar är elektroner, och en tung positiv kärna består avtvå typer av nukleoner (protoner och neutroner). Protoner skilde sig från neutroner endast genom att de förra var positivt laddade och tunga, medan de senare bara hade massa. Att ändra kärnans sammansättning och laddning är svårt: det kräver otroliga energier. Men en atom är mycket lättare att dela med en elektron. Det finns fler elektronegativa atomer, som är mer benägna att "ta bort" en elektron, och mindre elektronegativa, som är mer benägna att "ge bort" den. Så här bildas en atoms laddning: om det finns ett överskott av elektroner så är det negativt, och om det är brist så är det positivt.
Universums långa liv
Men den här strukturen hos atomen förbryllade forskarna. Enligt den klassiska fysiken som rådde på den tiden måste en elektron, som ständigt rörde sig runt kärnan, kontinuerligt utstråla elektromagnetiska vågor. Eftersom denna process innebär en förlust av energi, skulle alla negativa partiklar snart förlora sin hastighet och falla på kärnan. Universum har dock funnits under mycket lång tid, och den globala katastrofen har ännu inte inträffat. Paradoxen med för gammal materia var på väg.
Bohrs postulat
Bohrs postulat kan förklara diskrepansen. Då var de bara påståenden, hopp ut i det okända, som inte stöddes av beräkningar eller teorier. Enligt postulaten fanns det energinivåer av elektroner i atomen. Varje negativt laddad partikel kunde bara vara på dessa nivåer. Övergången mellan orbitaler (de så kallade nivåerna) utförs genom ett hopp, medan ett kvantum av elektromagnetisk energi frigörs eller absorberas.energi.
Senare förklarade Plancks upptäckt av kvantet detta beteende hos elektroner.
Ljus och atom
Mängden energi som krävs för övergången beror på avståndet mellan atomens energinivåer. Ju längre de är från varandra, desto mer emitteras eller absorberas kvantum.
Som ni vet är ljus det elektromagnetiska fältets kvantum. När en elektron i en atom rör sig från en högre till en lägre nivå skapar den alltså ljus. I det här fallet gäller även den omvända lagen: när en elektromagnetisk våg faller på ett föremål exciterar den dess elektroner och de flyttar till en högre omloppsbana.
Dessutom är atomens energinivåer individuella för varje typ av kemiskt element. Mönstret av avstånd mellan orbitaler är olika för väte och guld, volfram och koppar, brom och svavel. Därför bestämmer en analys av emissionsspektra för ett objekt (inklusive stjärnor) entydigt vilka ämnen och i vilken mängd som finns i det.
Denna metod används otroligt flitigt. Använd spektrumanalys:
- in forensics;
- i kvalitetskontroll av mat och vatten;
- vid produktion av varor;
- vid skapande av nytt material;
- för att förbättra tekniken;
- i vetenskapliga experiment;
- i utforskningen av stjärnorna.
Den här listan visar bara i grova drag hur användbar upptäckten av elektroniska nivåer i atomen har varit. Elektroniska nivåer är de grövsta, de största. Det finns mindrevibrationsnivåer och ännu mer subtila rotationsnivåer. Men de är endast relevanta för komplexa föreningar - molekyler och fasta ämnen.
Det måste sägas att kärnans struktur ännu inte har utforskats fullt ut. Det finns till exempel inget svar på frågan varför ett sådant antal neutroner motsvarar ett visst antal protoner. Forskare föreslår att atomkärnan också innehåller en analog av elektroniska nivåer. Detta har dock inte bevisats ännu.
