Šodien mēs jums pastāstīsim par to, kāds ir atoma enerģijas līmenis, kad cilvēks sastopas ar šo jēdzienu un kur to pielieto.
Skolas fizika
Cilvēki pirmo reizi ar zinātni saskaras skolā. Un, ja septītajā mācību gadā bērniem jaunas zināšanas bioloģijā un ķīmijā joprojām šķiet interesantas, tad vecākajās klasēs viņi sāk baidīties. Kad pienāk kārta atomfizikai, stundas šajā disciplīnā jau iedveš tikai riebumu pret nesaprotamiem uzdevumiem. Tomēr ir vērts atcerēties, ka visiem atklājumiem, kas tagad ir kļuvuši par garlaicīgiem skolas priekšmetiem, ir netriviāla vēsture un vesels noderīgu pielietojumu arsenāls. Uzzināt, kā darbojas pasaule, ir tas pats, kas atvērt kasti, kurā ir kaut kas interesants: vienmēr gribas atrast slepeno nodalījumu un tur atrast citu dārgumu. Šodien mēs runāsim par vienu no atomu fizikas pamatjēdzieniem – matērijas uzbūvi.
Nedalāms, salikts, kvants
No sengrieķu valodas vārds "atoms" tiek tulkots kā "nedalāms, mazākais". Šis uzskats ir zinātnes vēstures sekas. Daži senie grieķi un indieši uzskatīja, ka viss pasaulē sastāv no sīkām daļiņām.
Mūsdienu vēsturē ķīmijas eksperimenti tika veikti daudz agrāk nekā fizikālie eksperimentipētījumiem. Septiņpadsmitā un astoņpadsmitā gadsimta zinātnieki galvenokārt strādāja, lai palielinātu valsts, karaļa vai hercoga militāro spēku. Un, lai radītu sprāgstvielas un šaujampulveri, bija jāsaprot, no kā tie sastāv. Rezultātā pētnieki atklāja, ka dažus elementus nevar atdalīt, pārsniedzot noteiktu līmeni. Tas nozīmē, ka ir mazākie ķīmisko īpašību nesēji.
Bet viņi kļūdījās. Atoms izrādījās salikta daļiņa, un tā spējai mainīties ir kvantu raksturs. Par to liecina atoma enerģijas līmeņu pārejas.
Pozitīvs un negatīvs
Deviņpadsmitā gadsimta beigās zinātnieki tuvojās matērijas mazāko daļiņu izpētei. Piemēram, bija skaidrs, ka atomā ir gan pozitīvi, gan negatīvi lādēti komponenti. Taču atoma uzbūve nebija zināma: tā elementu izvietojums, mijiedarbība, svara attiecība palika noslēpums.
Ruterfords veica eksperimentu par alfa daļiņu izkliedi ar plānu zelta foliju. Viņš atklāja, ka atomu centrā ir smagi pozitīvi elementi, bet ļoti vieglie negatīvie atrodas malās. Tas nozīmē, ka dažādu lādiņu nesēji ir daļiņas, kas nav līdzīgas viena otrai. Tas izskaidroja atomu lādiņu: tiem varēja pievienot vai noņemt kādu elementu. Līdzsvars, kas visu sistēmu uzturēja neitrālu, tika izjaukts, un atoms ieguva lādiņu.
Elektroni, protoni, neitroni
Vēlāk izrādījās: vieglās negatīvās daļiņas ir elektroni, bet smagais pozitīvais kodols sastāv nodivu veidu nukleoni (protoni un neitroni). Protoni no neitroniem atšķīrās tikai ar to, ka pirmie bija pozitīvi lādēti un smagi, bet pēdējiem bija tikai masa. Kodola sastāva un lādiņa maiņa ir sarežģīta: tas prasa neticamas enerģijas. Bet atomu ir daudz vieglāk sadalīt ar elektronu. Ir vairāk elektronegatīvo atomu, kas, visticamāk, "atņem" elektronu, un mazāk elektronegatīvo, kas, visticamāk, to "atdod". Tādā veidā veidojas atoma lādiņš: ja ir elektronu pārpalikums, tad tas ir negatīvs, un, ja trūkst, tad pozitīvs.
Visuma ilgs mūžs
Bet šī atoma struktūra zinātniekus mulsināja. Saskaņā ar tolaik valdošo klasisko fiziku elektronam, kas nepārtraukti kustējās ap kodolu, bija nepārtraukti jāizstaro elektromagnētiskie viļņi. Tā kā šis process nozīmē enerģijas zudumu, visas negatīvās daļiņas drīz zaudētu ātrumu un nokristu uz kodola. Tomēr Visums pastāv jau ļoti ilgu laiku, un globālā katastrofa vēl nav notikusi. Pārāk vecas matērijas paradokss brieda.
Bora postulāti
Bora postulāti varētu izskaidrot neatbilstību. Tad tie bija tikai apgalvojumi, lēcieni nezināmajā, ko neatbalstīja ne aprēķini, ne teorija. Saskaņā ar postulātiem atomā bija elektronu enerģijas līmeņi. Katra negatīvi lādētā daļiņa varētu būt tikai šajos līmeņos. Pāreju starp orbitālēm (tā sauktajiem līmeņiem) veic lēciens, kamēr tiek atbrīvots vai absorbēts elektromagnētiskās enerģijas kvants.enerģija.
Vēlāk Planka kvantu atklājums izskaidroja šo elektronu uzvedību.
Gaisma un atoms
Pārejai nepieciešamais enerģijas daudzums ir atkarīgs no attāluma starp atoma enerģijas līmeņiem. Jo tālāk tie atrodas viens no otra, jo vairāk izstaro vai absorbē kvantu.
Kā jūs zināt, gaisma ir elektromagnētiskā lauka kvants. Tādējādi, kad elektrons atomā pārvietojas no augstāka līmeņa uz zemāku līmeni, tas rada gaismu. Šajā gadījumā ir spēkā arī apgrieztais likums: kad elektromagnētiskais vilnis krīt uz objektu, tas ierosina tā elektronus, un tie pārvietojas uz augstāku orbitāli.
Turklāt atoma enerģijas līmeņi ir individuāli katram ķīmiskā elementa veidam. Attālumu modelis starp orbitālēm ir atšķirīgs ūdeņradim un zeltam, volframam un vara, bromam un sēram. Tāpēc jebkura objekta (arī zvaigžņu) emisijas spektru analīze viennozīmīgi nosaka, kuras vielas un kādā daudzumā tajā atrodas.
Šo metodi izmanto neticami plaši. Izmantotā spektra analīze:
- tiesu ekspertīzē;
- pārtikas un ūdens kvalitātes kontrolē;
- preču ražošanā;
- jaunu materiālu izveidē;
- tehnoloģiju uzlabošanā;
- zinātniskos eksperimentos;
- zvaigžņu izpētē.
Šis saraksts tikai aptuveni parāda, cik noderīga ir bijusi elektronisko līmeņu atklāšana atomā. Elektroniskie līmeņi ir paši raupjākie, lielākie. Ir mazākivibrācijas un vēl smalkāki rotācijas līmeņi. Bet tie attiecas tikai uz sarežģītiem savienojumiem - molekulām un cietām vielām.
Jāsaka, ka kodola uzbūve vēl nav pilnībā izpētīta. Piemēram, nav atbildes uz jautājumu, kāpēc šāds neitronu skaits atbilst noteiktam protonu skaitam. Zinātnieki norāda, ka atoma kodols satur arī kādu elektronisko līmeņu analogu. Tomēr tas vēl nav pierādīts.
