Dnes vám řekneme, jaká je energetická hladina atomu, kdy se člověk s tímto pojmem setká a kde se uplatňuje.
Školní fyzika
S vědou se lidé poprvé setkají ve škole. A pokud v sedmém roce studia děti stále zajímají nové poznatky z biologie a chemie, pak se ve vyšších třídách začínají bát. Když přijde na řadu atomová fyzika, lekce této disciplíny už vzbuzují jen znechucení pro nepochopitelné úkoly. Je však třeba připomenout, že všechny objevy, které se nyní proměnily v nudné školní předměty, mají netriviální historii a celý arzenál užitečných aplikací. Zjistit, jak svět funguje, je jako otevřít krabici s něčím zajímavým uvnitř: vždycky chcete najít tajnou přihrádku a najít tam další poklad. Dnes budeme hovořit o jednom ze základních pojmů atomové fyziky, o struktuře hmoty.
Nedělitelné, složené, kvantové
Ze starověkého řeckého jazyka se slovo „atom“překládá jako „nedělitelný, nejmenší“. Tento názor je důsledkem historie vědy. Někteří staří Řekové a Indové věřili, že vše na světě se skládá z drobných částic.
V moderní historii se experimenty v chemii prováděly mnohem dříve než fyzikálnívýzkum. Učenci sedmnáctého a osmnáctého století pracovali především na zvýšení vojenské síly země, krále nebo vévody. A aby bylo možné vytvořit výbušniny a střelný prach, bylo nutné pochopit, z čeho se skládají. V důsledku toho vědci zjistili, že některé prvky nelze oddělit za určitou úroveň. To znamená, že existují nejmenší nositelé chemických vlastností.
Ale mýlili se. Atom se ukázal jako složená částice a jeho schopnost měnit se je kvantové povahy. To dokazují přechody energetických hladin atomu.
Pozitivní a negativní
Na konci devatenáctého století se vědci přiblížili studiu nejmenších částic hmoty. Bylo například jasné, že atom obsahuje kladně i záporně nabité složky. Ale struktura atomu byla neznámá: uspořádání, interakce, poměr hmotnosti jeho prvků zůstaly záhadou.
Rutherford provedl experiment na rozptylu částic alfa tenkou zlatou fólií. Zjistil, že ve středu atomů jsou těžké pozitivní prvky a velmi lehké negativní prvky jsou umístěny na okrajích. To znamená, že nositeli různých nábojů jsou částice, které si nejsou podobné. To vysvětlilo náboj atomů: prvek k nim mohl být přidán nebo odstraněn. Rovnováha, která udržovala celý systém neutrální, byla narušena a atom získal náboj.
Elektrony, protony, neutrony
Později se ukázalo: lehké negativní částice jsou elektrony a těžké pozitivní jádro se skládá zdva typy nukleonů (protony a neutrony). Protony se od neutronů lišily pouze tím, že první byly kladně nabité a těžké, zatímco druhé měly pouze hmotnost. Změna složení a náboje jádra je obtížná: vyžaduje to neuvěřitelné energie. Ale atom je mnohem jednodušší dělit elektronem. Je více elektronegativních atomů, které si elektron spíše „vezmou“, a méně elektronegativních, které jej spíše „dají“. Takto vzniká náboj atomu: je-li nadbytek elektronů, pak je záporný, a je-li nedostatek, pak je kladný.
Dlouhý život vesmíru
Tato struktura atomu ale vědce zmátla. Podle klasické fyziky, která v té době panovala, musel elektron, který se neustále pohyboval kolem jádra, nepřetržitě vyzařovat elektromagnetické vlny. Protože tento proces znamená ztrátu energie, všechny negativní částice by brzy ztratily svou rychlost a dopadly by na jádro. Vesmír však existuje velmi dlouho a globální katastrofa ještě nenastala. Vznikl paradox příliš staré hmoty.
Bohrovy postuláty
Bohrovy postuláty by mohly vysvětlit tento rozpor. Pak už to byla jen tvrzení, skoky do neznáma, které nebyly podloženy výpočty ani teorií. Podle postulátů byly v atomu energetické hladiny elektronů. Každá záporně nabitá částice mohla být pouze na těchto úrovních. Přechod mezi orbitaly (tzv. úrovněmi) se provádí skokem, přičemž se uvolňuje nebo absorbuje kvanta elektromagnetické energie.energie.
Později Planckův objev kvanta vysvětlil toto chování elektronů.
Světlo a atom
Množství energie potřebné pro přechod závisí na vzdálenosti mezi energetickými hladinami atomu. Čím dále jsou od sebe, tím více je emitováno nebo absorbováno kvantum.
Jak víte, světlo je kvantem elektromagnetického pole. Když se tedy elektron v atomu pohybuje z vyšší úrovně na nižší, vytváří světlo. V tomto případě také platí obrácený zákon: když elektromagnetická vlna dopadne na objekt, vybudí jeho elektrony a ty se přesunou na vyšší orbital.
Navíc energetické hladiny atomu jsou individuální pro každý typ chemického prvku. Vzor vzdáleností mezi orbitaly je odlišný pro vodík a zlato, wolfram a měď, brom a síru. Proto analýza emisních spekter jakéhokoli objektu (včetně hvězd) jednoznačně určuje, které látky a v jakém množství se v něm vyskytují.
Tato metoda se používá neuvěřitelně široce. Použitá spektrální analýza:
- ve forenzní;
- v kontrole kvality potravin a vody;
- při výrobě zboží;
- při vytváření nových materiálů;
- ve zlepšování technologie;
- ve vědeckých experimentech;
- při průzkumu hvězd.
Tento seznam jen zhruba ukazuje, jak užitečný byl objev elektronických hladin v atomu. Elektronické úrovně jsou nejhrubší, největší. Jsou menšívibrační a ještě jemnější rotační úrovně. Ale jsou relevantní pouze pro komplexní sloučeniny - molekuly a pevné látky.
Je třeba říci, že struktura jádra ještě není plně prozkoumána. Neexistuje například odpověď na otázku, proč takový počet neutronů odpovídá určitému počtu protonů. Vědci naznačují, že atomové jádro obsahuje také nějaké analogy elektronických úrovní. To však dosud nebylo prokázáno.
