I dag vil vi fortælle dig om, hvad energiniveauet for et atom er, når en person møder dette koncept, og hvor det anvendes.
Skolefysik
Folk møder først naturvidenskab i skolen. Og hvis børn i det syvende studieår stadig finder ny viden inden for biologi og kemi interessant, begynder de at være bange i seniorklasserne. Når atomfysikkens tur kommer, inspirerer lektioner i denne disciplin allerede kun afsky for uforståelige opgaver. Det er dog værd at huske på, at alle de opdagelser, der nu er blevet til kedelige skolefag, har en ikke-triviel historie og et helt arsenal af nyttige applikationer. At finde ud af, hvordan verden fungerer, er som at åbne en kasse med noget interessant indeni: du vil altid finde et hemmeligt rum og finde en anden skat der. I dag vil vi tale om et af atomfysikkens grundlæggende begreber, stoffets struktur.
Udelelig, sammensat, kvante
Fra det antikke græske sprog er ordet "atom" oversat til "udeleligt, mindste". Denne opfattelse er en konsekvens af videnskabens historie. Nogle gamle grækere og indere troede, at alt i verden bestod af bittesmå partikler.
I moderne historie blev eksperimenter i kemi lavet meget tidligere end fysiskeforskning. Forskere fra det syttende og attende århundrede arbejdede primært på at øge den militære magt i et land, en konge eller en hertug. Og for at skabe sprængstoffer og krudt var det nødvendigt at forstå, hvad de består af. Som et resultat fandt forskerne ud af, at nogle elementer ikke kan adskilles ud over et vist niveau. Det betyder, at der er de mindste bærere af kemiske egenskaber.
Men de tog fejl. Atomet viste sig at være en sammensat partikel, og dets evne til at ændre sig er af kvantekarakter. Dette fremgår af overgangene af atomets energiniveauer.
Positiv og negativ
I slutningen af det nittende århundrede kom videnskabsmænd tæt på at studere de mindste partikler af stof. For eksempel var det klart, at et atom indeholder både positivt og negativt ladede komponenter. Men atomets struktur var ukendt: arrangementet, vekselvirkningen, forholdet mellem vægten af dets grundstoffer forblev et mysterium.
Rutherford oprettede et eksperiment med spredning af alfapartikler med tynd guldfolie. Han fandt ud af, at i midten af atomerne er tunge positive elementer, og meget lette negative er placeret ved kanterne. Det betyder, at bærerne af forskellige ladninger er partikler, der ikke ligner hinanden. Dette forklarede ladningen af atomer: et grundstof kunne føjes til dem eller fjernes. Balancen, der holdt hele systemet neutr alt, blev brudt, og atomet fik en ladning.
Elektroner, protoner, neutroner
Senere viste det sig: lette negative partikler er elektroner, og en tung positiv kerne består afto typer nukleoner (protoner og neutroner). Protoner adskilte sig kun fra neutroner ved, at førstnævnte var positivt ladede og tunge, mens sidstnævnte kun havde masse. Det er svært at ændre kernens sammensætning og ladning: det kræver utrolige energier. Men et atom er meget nemmere at dividere med en elektron. Der er flere elektronegative atomer, som er mere tilbøjelige til at "tage væk" en elektron, og mindre elektronegative, som er mere tilbøjelige til at "give" den væk. Sådan dannes ladningen af et atom: Hvis der er et overskud af elektroner, så er det negativt, og hvis der er mangel, så er det positivt.
Universets lang levetid
Men denne struktur af atomet undrede videnskabsmænd. Ifølge den klassiske fysik, der herskede på det tidspunkt, skulle en elektron, som konstant bevægede sig rundt i kernen, kontinuerligt udstråle elektromagnetiske bølger. Da denne proces betyder et tab af energi, ville alle negative partikler hurtigt miste deres hastighed og falde på kernen. Imidlertid har universet eksisteret i meget lang tid, og den globale katastrofe har endnu ikke fundet sted. Paradokset med for gammelt stof var under opsejling.
Bohrs postulater
Bohrs postulater kunne forklare uoverensstemmelsen. Så var det bare påstande, spring ud i det ukendte, som ikke blev understøttet af beregninger eller teorier. Ifølge postulaterne var der energiniveauer af elektroner i atomet. Hver negativt ladet partikel kunne kun være på disse niveauer. Overgangen mellem orbitaler (de såkaldte niveauer) udføres ved et hop, mens et kvantum af elektromagnetisk energi frigives eller absorberes.energi.
Senere forklarede Plancks opdagelse af kvante denne opførsel af elektroner.
Lys og atom
Mængden af energi, der kræves til overgangen, afhænger af afstanden mellem atomets energiniveauer. Jo længere de er fra hinanden, jo mere udsendes eller absorberes kvante.
Som du ved, er lys det elektromagnetiske felts kvantum. Når en elektron i et atom bevæger sig fra et højere til et lavere niveau, skaber den således lys. I dette tilfælde gælder den omvendte lov også: Når en elektromagnetisk bølge falder på et objekt, exciterer den dets elektroner, og de bevæger sig til en højere orbital.
Desuden er atomets energiniveauer individuelle for hver type kemisk grundstof. Mønstret af afstande mellem orbitaler er forskelligt for brint og guld, wolfram og kobber, brom og svovl. Derfor bestemmer en analyse af emissionsspektrene for ethvert objekt (inklusive stjerner) utvetydigt, hvilke stoffer og i hvilken mængde der er til stede i det.
Denne metode bruges utroligt meget. Anvendt spektrumanalyse:
- i retsmedicin;
- i fødevare- og vandkvalitetskontrol;
- i produktion af varer;
- ved at skabe nye materialer;
- i forbedring af teknologien;
- i videnskabelige eksperimenter;
- i udforskningen af stjernerne.
Denne liste viser kun groft, hvor nyttig opdagelsen af elektroniske niveauer i atomet har været. Elektroniske niveauer er de groveste, de største. Der er mindrevibrationelle og endnu mere subtile rotationsniveauer. Men de er kun relevante for komplekse forbindelser - molekyler og faste stoffer.
Det skal siges, at strukturen af kernen endnu ikke er blevet fuldt ud undersøgt. For eksempel er der intet svar på spørgsmålet om, hvorfor et sådant antal neutroner svarer til et vist antal protoner. Forskere antyder, at atomkernen også indeholder nogle analoger af elektroniske niveauer. Dette er dog endnu ikke blevet bevist.
