Днес ще ви разкажем какво е енергийното ниво на атома, кога човек се сблъска с тази концепция и къде се прилага.
Училищна физика
Хората за първи път се сблъскват с науката в училище. И ако в седмата година на обучение децата все още намират за интересни новите знания по биология и химия, тогава в старшите класове започват да се страхуват. Когато дойде ред на атомната физика, уроците по тази дисциплина вече предизвикват само отвращение към неразбираеми задачи. Въпреки това си струва да припомним, че всички открития, които сега се превърнаха в скучни учебни предмети, имат нетривиална история и цял арсенал от полезни приложения. Да разбереш как работи светът е като да отвориш кутия с нещо интересно вътре: винаги искаш да намериш тайно отделение и да намериш друго съкровище там. Днес ще говорим за една от основните концепции на атомната физика, структурата на материята.
Неделимо, композитно, квантово
От древногръцкия език думата "атом" се превежда като "неделим, най-малък". Този възглед е следствие от историята на науката. Някои древни гърци и индийци вярвали, че всичко в света е съставено от малки частици.
В съвременната история експериментите в химията са правени много по-рано от физическитеизследвания. Учените от седемнадесети и осемнадесети век работят предимно за увеличаване на военната мощ на държава, крал или херцог. И за да се създадат експлозиви и барут, беше необходимо да се разбере от какво се състоят те. В резултат на това изследователите установиха, че някои елементи не могат да бъдат разделени извън определено ниво. Това означава, че има най-малките носители на химически свойства.
Но те сгрешиха. Оказа се, че атомът е съставна частица и способността му да се променя е от квантово естество. Това се доказва от преходите на енергийните нива на атома.
Положително и отрицателно
В края на деветнадесети век учените се доближиха до изучаването на най-малките частици материя. Например, беше ясно, че един атом съдържа както положително, така и отрицателно заредени компоненти. Но структурата на атома беше неизвестна: подредбата, взаимодействието, съотношението на теглото на неговите елементи оставаха мистерия.
Ръдърфорд постави експеримент за разсейване на алфа частици от тънко златно фолио. Той откри, че в центъра на атомите има тежки положителни елементи, а много леки отрицателни са разположени по краищата. Това означава, че носителите на различни заряди са частици, които не са подобни една на друга. Това обяснява заряда на атомите: към тях може да бъде добавен или отстранен елемент. Балансът, който поддържаше цялата система неутрална, беше нарушен и атомът придоби заряд.
Електрони, протони, неутрони
По-късно се оказа: леките отрицателни частици са електрони, а тежкото положително ядро се състои отдва вида нуклони (протони и неутрони). Протоните се различават от неутроните само по това, че първите са положително заредени и тежки, докато вторите имат само маса. Промяната на състава и заряда на ядрото е трудна: изисква невероятни енергии. Но атомът е много по-лесно да се раздели с електрон. Има повече електроотрицателни атоми, които са по-склонни да „отнемат“електрон, и по-малко електроотрицателни, които са по-склонни да го „отдадат“. Ето как се образува зарядът на атома: ако има излишък от електрони, тогава той е отрицателен, а ако има недостиг, тогава е положителен.
Дълъг живот на вселената
Но тази структура на атома озадачи учените. Според класическата физика, преобладаваща по това време, електрон, който непрекъснато се движи около ядрото, трябва непрекъснато да излъчва електромагнитни вълни. Тъй като този процес означава загуба на енергия, всички отрицателни частици скоро ще загубят скоростта си и ще паднат върху ядрото. Вселената обаче съществува от много дълго време, а глобалната катастрофа все още не е настъпила. Парадоксът на твърде старата материя назряваше.
постулатите на Бор
Постулатите на Бор биха могли да обяснят несъответствието. Тогава те бяха само твърдения, скокове в неизвестното, които не бяха подкрепени с изчисления или теория. Според постулатите в атома има енергийни нива на електрони. Всяка отрицателно заредена частица може да бъде само на тези нива. Преходът между орбитали (т.нар. нива) се извършва чрез скок, докато квантът на електромагнитната енергия се освобождава или абсорбира.енергия.
По-късно откритието на Планк на кванта обясни това поведение на електроните.
Светлина и атом
Количеството енергия, необходимо за прехода, зависи от разстоянието между енергийните нива на атома. Колкото по-далеч са те един от друг, толкова по-излъчен или погълнат квант.
Както знаете, светлината е квантът на електромагнитното поле. По този начин, когато един електрон в атома се движи от по-високо към по-ниско ниво, той създава светлина. В този случай важи и обратният закон: когато електромагнитна вълна падне върху обект, тя възбужда неговите електрони и те се придвижват към по-висока орбитала.
В допълнение, енергийните нива на атома са индивидуални за всеки тип химичен елемент. Моделът на разстоянията между орбиталите е различен за водород и злато, волфрам и мед, бром и сяра. Следователно анализът на емисионните спектри на всеки обект (включително звезди) недвусмислено определя кои вещества и в какво количество присъстват в него.
Този метод се използва невероятно широко. Използван спектрален анализ:
- в криминалистиката;
- в контрол на качеството на храните и водата;
- в производството на стоки;
- при създаване на нови материали;
- в подобряване на технологията;
- в научни експерименти;
- в изследването на звездите.
Този списък само грубо показва колко полезно е било откриването на електронни нива в атома. Електронните нива са най-грубите, най-големите. Има и по-малкивибрационни и дори по-фини ротационни нива. Но те са подходящи само за сложни съединения - молекули и твърди вещества.
Трябва да се каже, че структурата на ядрото все още не е напълно проучена. Например, няма отговор на въпроса защо такъв брой неутрони съответства на определен брой протони. Учените предполагат, че атомното ядро също съдържа някакъв аналог на електронните нива. Това обаче все още не е доказано.
