Tänään kerromme sinulle, mikä on atomin energiataso, milloin ihminen kohtaa tämän käsitteen ja missä sitä sovelletaan.
Koulufysiikka
Ihmiset kohtaavat tieteen ensimmäisen kerran koulussa. Ja jos seitsemäntenä opintovuonna lapset pitävät uutta tietoa biologiasta ja kemiasta mielenkiintoisena, niin vanhemmissa luokissa he alkavat pelätä. Kun atomifysiikan vuoro tulee, tämän tieteenalan oppitunnit herättävät jo vain inhoa käsittämättömiä tehtäviä kohtaan. On kuitenkin syytä muistaa, että kaikilla löydöillä, jotka ovat nyt muuttuneet tylsiksi kouluaineiksi, on ei-triviaali historia ja koko arsenaali hyödyllisiä sovelluksia. Maailman toimivuuden selvittäminen on kuin avaisi laatikon, jossa on jotain mielenkiintoista: haluat aina löytää salaisen lokeron ja löytää sieltä uuden aarteen. Tänään puhumme yhdestä atomifysiikan peruskäsitteestä, aineen rakenteesta.
Jakamaton, yhdistelmä, kvantti
Muinaisen kreikan kielestä sana "atomi" on käännetty "jakamattomaksi, pienimmäksi". Tämä näkemys on seurausta tieteen historiasta. Jotkut muinaiset kreikkalaiset ja intiaanit uskoivat, että kaikki maailmassa koostuu pienistä hiukkasista.
Nykyhistoriassa kemialliset kokeet tehtiin paljon aikaisemmin kuin fysikaalisia kokeitatutkimusta. 1600- ja 1700-luvun tutkijat työskentelivät ensisijaisesti lisätäkseen maan, kuninkaan tai herttuan sotilaallista voimaa. Ja räjähteiden ja ruudin luomiseksi oli tarpeen ymmärtää, mistä ne koostuvat. Tämän seurauksena tutkijat havaitsivat, että joitain elementtejä ei voida erottaa tietyn tason yli. Tämä tarkoittaa, että on olemassa pienimmät kemiallisten ominaisuuksien kantajat.
Mutta he olivat väärässä. Atomi osoittautui yhdistelmähiukkaseksi, ja sen kyky muuttua on kvanttiluonteinen. Tämän todistavat atomin energiatasojen siirtymät.
Positiivista ja negatiivista
Yhdeksästoista vuosisadan lopussa tiedemiehet pääsivät lähelle aineen pienimpien hiukkasten tutkimista. Esimerkiksi oli selvää, että atomi sisältää sekä positiivisesti että negatiivisesti varautuneita komponentteja. Mutta atomin rakennetta ei tiedetty: sen alkuaineiden järjestely, vuorovaikutus ja painosuhde jäivät mysteeriksi.
Rutherford teki kokeen alfahiukkasten sirottelusta ohuella kultakalvolla. Hän havaitsi, että atomien keskellä on raskaita positiivisia elementtejä ja erittäin kevyet negatiiviset sijaitsevat reunoilla. Tämä tarkoittaa, että eri varausten kantajat ovat hiukkasia, jotka eivät ole keskenään samanlaisia. Tämä selitti atomien varauksen: niihin voitiin lisätä tai poistaa alkuaine. Tasapaino, joka piti koko järjestelmän neutraalina, rikkoutui ja atomi sai varauksen.
Elektronit, protonit, neutronit
Myöhemmin kävi ilmi: kevyet negatiiviset hiukkaset ovat elektroneja ja raskas positiivinen ydin koostuukahden tyyppisiä nukleoneja (protoneja ja neutroneja). Protonit erosivat neutroneista vain siinä, että ensimmäiset olivat positiivisesti varautuneita ja raskaita, kun taas jälkimmäisillä oli vain massa. Ytimen koostumuksen ja varauksen muuttaminen on vaikeaa: se vaatii uskomattomia energioita. Mutta atomi on paljon helpompi jakaa elektronilla. On enemmän elektronegatiivisia atomeja, jotka todennäköisemmin "ottavat pois" elektronin, ja vähemmän elektronegatiivisia, jotka todennäköisemmin "antavat" sen pois. Näin muodostuu atomin varaus: jos elektroneja on ylimäärä, niin se on negatiivinen, ja jos puute, niin se on positiivinen.
Universumin pitkä elämä
Mutta tämä atomin rakenne hämmensi tutkijoita. Tuolloin vallinneen klassisen fysiikan mukaan ytimen ympärillä jatkuvasti liikkuvan elektronin piti jatkuvasti säteillä sähkömagneettisia a altoja. Koska tämä prosessi merkitsee energian menetystä, kaikki negatiiviset hiukkaset menettäisivät pian nopeudensa ja putosivat ytimen päälle. Universumi on kuitenkin ollut olemassa hyvin pitkään, eikä globaalia katastrofia ole vielä tapahtunut. Liian vanhan aineen paradoksi oli muodostumassa.
Bohrin postulaatit
Bohrin postulaatit voisivat selittää ristiriidan. Sitten ne olivat vain väitteitä, hyppyjä tuntemattomaan, joita ei tuettu laskelmilla tai teorialla. Postulaattien mukaan atomissa oli elektronien energiatasoja. Jokainen negatiivisesti varautunut hiukkanen voisi olla vain näillä tasoilla. Siirtyminen kiertoradojen välillä (ns. tasot) tapahtuu hyppyllä, kun taas sähkömagneettisen energian kvantti vapautuu tai absorboituu.energiaa.
Myöhemmin Planckin löytämä kvantti selitti tämän elektronien käyttäytymisen.
Valo ja atomi
Siirtymään tarvittava energiamäärä riippuu atomin energiatasojen välisestä etäisyydestä. Mitä kauempana ne ovat toisistaan, sitä enemmän säteilee tai absorboituu kvantti.
Kuten tiedätte, valo on sähkömagneettisen kentän kvantti. Siten, kun atomissa oleva elektroni siirtyy korkeamm alta tasolta alemmalle tasolle, se luo valoa. Tässä tapauksessa pätee myös käänteinen laki: kun sähkömagneettinen a alto putoaa esineeseen, se virittää sen elektronit ja ne siirtyvät korkeammalle kiertoradalle.
Lisäksi atomin energiatasot ovat yksilöllisiä jokaiselle kemiallisen alkuaineen tyypille. Orbitaalien väliset etäisyydet ovat erilaisia vedyn ja kullan, volframin ja kuparin, bromin ja rikin os alta. Siksi minkä tahansa kohteen (mukaan lukien tähdet) emissiospektrien analyysi määrittää yksiselitteisesti, mitä aineita siinä on ja missä määrin.
Tätä menetelmää käytetään uskomattoman laajasti. Käytetty spektrianalyysi:
- rikoslääketieteessä;
- elintarvikkeiden ja veden laadunvalvonnassa;
- tavaroiden tuotannossa;
- uusien materiaalien luomisessa;
- teknologian parantamisessa;
- tieteellisissä kokeissa;
- tähtien tutkimisessa.
Tämä luettelo osoittaa vain karkeasti, kuinka hyödyllistä atomin elektronisten tasojen löytäminen on ollut. Elektroniset tasot ovat karkeimpia, suurimpia. Pienempiäkin onvärähtelytasoja ja vielä hienovaraisempia kiertotasoja. Mutta ne koskevat vain monimutkaisia yhdisteitä - molekyylejä ja kiinteitä aineita.
On sanottava, että ytimen rakennetta ei ole vielä täysin tutkittu. Esimerkiksi kysymykseen, miksi tällainen määrä neutroneja vastaa tiettyä määrää protoneja, ei ole vastausta. Tutkijat ehdottavat, että atomiydin sisältää myös jonkin verran elektronisten tasojen analogia. Tätä ei kuitenkaan ole vielä todistettu.
