Danes vam bomo povedali, kakšna je energijska raven atoma, kdaj se človek sreča s tem konceptom in kje se uporablja.
Šolska fizika
Ljudje se v šoli prvič srečajo z znanostjo. In če se v sedmem letniku študija otrokom zdijo nova znanja iz biologije in kemije še vedno zanimiva, se jih v višjih razredih začne bati. Ko pride na vrsto atomska fizika, pouk te discipline že vzbuja le gnus do nerazumljivih nalog. Vendar se je treba spomniti, da imajo vsa odkritja, ki so se zdaj spremenila v dolgočasne šolske predmete, netrivialno zgodovino in cel arzenal uporabnih aplikacij. Ugotoviti, kako deluje svet, je kot odpreti škatlo z nečim zanimivim v notranjosti: vedno želiš najti skrivni predel in tam najti še en zaklad. Danes bomo govorili o enem od osnovnih konceptov atomske fizike, strukturi snovi.
nedeljivo, sestavljeno, kvantno
Iz starogrškega jezika je beseda "atom" prevedena kot "nedeljiv, najmanjši". Ta pogled je posledica zgodovine znanosti. Nekateri stari Grki in Indijci so verjeli, da je vse na svetu sestavljeno iz drobnih delcev.
V sodobni zgodovini so bili eksperimenti v kemiji narejeni veliko prej kot fizičniraziskave. Učenjaki sedemnajstega in osemnajstega stoletja so si prizadevali predvsem za povečanje vojaške moči države, kralja ali vojvode. In da bi ustvarili eksplozive in smodnik, je bilo treba razumeti, iz česa so sestavljeni. Kot rezultat, so raziskovalci ugotovili, da nekaterih elementov ni mogoče ločiti preko določene ravni. To pomeni, da obstajajo najmanjši nosilci kemičnih lastnosti.
Ampak so se motili. Izkazalo se je, da je atom sestavljen delec, njegova sposobnost spreminjanja pa je kvantne narave. To dokazujejo prehodi energijskih nivojev atoma.
pozitivno in negativno
Ob koncu devetnajstega stoletja so se znanstveniki približali preučevanju najmanjših delcev snovi. Na primer, jasno je bilo, da atom vsebuje tako pozitivno kot negativno nabite komponente. Toda struktura atoma je bila neznana: razporeditev, interakcija, razmerje teže njegovih elementov so ostali skrivnost.
Rutherford je postavil poskus sipanja alfa delcev s tanko zlato folijo. Ugotovil je, da so v središču atomov težki pozitivni elementi, zelo lahki negativni pa se nahajajo na robovih. To pomeni, da so nosilci različnih nabojev delci, ki si med seboj niso podobni. To je razložilo naboj atomov: element jim je bilo mogoče dodati ali odstraniti. Ravnovesje, ki je ohranjalo nevtralen celoten sistem, je bilo porušeno in atom je pridobil naboj.
elektroni, protoni, nevtroni
Pozneje se je izkazalo: lahki negativni delci so elektroni, težko pozitivno jedro pa je sestavljeno izdve vrsti nukleonov (protoni in nevtroni). Protoni so se od nevtronov razlikovali le po tem, da so bili prvi pozitivno nabiti in težki, drugi pa le maso. Spreminjanje sestave in naboja jedra je težko: zahteva neverjetne energije. Toda atom je veliko lažje deliti z elektronom. Več je elektronegativnih atomov, ki bodo bolj verjetno "odvzeli" elektron, in manj elektronegativnih, ki ga bodo bolj verjetno "oddali". Tako nastane naboj atoma: če je presežek elektronov, je negativen, če pa primanjkuje, pa pozitiven.
Dolgo življenje vesolja
Toda ta struktura atoma je znanstvenike zbegala. Po klasični fiziki, ki je takrat prevladovala, je moral elektron, ki se je nenehno gibal okoli jedra, nenehno oddajati elektromagnetne valove. Ker ta proces pomeni izgubo energije, bi vsi negativni delci kmalu izgubili svojo hitrost in padli na jedro. Vendar pa vesolje obstaja že zelo dolgo, globalna katastrofa pa se še ni zgodila. Paradoks prestare zadeve se je pripravljal.
Bohrovi postulati
Bohrovi postulati bi lahko pojasnili neskladje. Potem so bile le trditve, skoki v neznano, ki niso bili podprti z izračuni ali teorijo. Po postulatih so bile v atomu energijske ravni elektronov. Vsak negativno nabit delec je lahko le na teh ravneh. Prehod med orbitalami (t. i. nivoji) se izvede s skokom, medtem ko se kvant elektromagnetne energije sprosti ali absorbira.energija.
Pozneje je Planckovo odkritje kvanta pojasnilo to obnašanje elektronov.
Svetloba in atom
Količina energije, ki je potrebna za prehod, je odvisna od razdalje med energijskimi nivoji atoma. Čim dlje so drug od drugega, tem bolj se oddajajo ali absorbirajo kvanti.
Kot veste, je svetloba kvant elektromagnetnega polja. Tako, ko se elektron v atomu premakne z višje na nižjo raven, ustvari svetlobo. V tem primeru velja tudi obratni zakon: ko elektromagnetno valovanje pade na predmet, vzbudi njegove elektrone in ti se premaknejo na višjo orbitalo.
Poleg tega so energijske ravni atoma individualne za vsako vrsto kemičnega elementa. Vzorec razdalj med orbitalami je drugačen za vodik in zlato, volfram in baker, brom in žveplo. Zato analiza emisijskih spektrov katerega koli predmeta (vključno z zvezdami) nedvoumno določa, katere snovi in v kakšni količini so v njem prisotne.
Ta metoda se uporablja neverjetno široko. Uporabljena spektralna analiza:
- v forenziki;
- pri nadzoru kakovosti hrane in vode;
- v proizvodnji blaga;
- pri ustvarjanju novih materialov;
- v izboljšanju tehnologije;
- v znanstvenih poskusih;
- v raziskovanju zvezd.
Ta seznam le približno kaže, kako koristno je bilo odkritje elektronskih ravni v atomu. Elektronski nivoji so najbolj grobi, največji. Obstajajo manjšivibracijske in še bolj subtilne rotacijske ravni. Vendar so pomembni samo za kompleksne spojine - molekule in trdne snovi.
Moramo reči, da struktura jedra še ni v celoti raziskana. Na primer, ni odgovora na vprašanje, zakaj tako število nevtronov ustreza določenemu številu protonov. Znanstveniki domnevajo, da atomsko jedro vsebuje tudi nekaj analogov elektronskih nivojev. Vendar to še ni dokazano.
