Dnes vám povieme o tom, aká je energetická úroveň atómu, kedy sa človek s týmto pojmom stretne a kde sa uplatňuje.
Školská fyzika
Ľudia sa s vedou prvýkrát stretávajú v škole. A ak deti v siedmom roku štúdia stále považujú nové poznatky z biológie a chémie za zaujímavé, potom sa v triedach vyšších ročníkov začnú báť. Keď príde na rad atómová fyzika, hodiny v tejto disciplíne už vzbudzujú len znechutenie pre nepochopiteľné úlohy. Je však potrebné pripomenúť, že všetky objavy, ktoré sa teraz zmenili na nudné školské predmety, majú netriviálnu históriu a celý arzenál užitočných aplikácií. Zistiť, ako svet funguje, je ako otvoriť škatuľu s niečím zaujímavým vo vnútri: vždy chcete nájsť tajnú priehradku a nájsť tam ďalší poklad. Dnes si povieme niečo o jednom zo základných pojmov atómovej fyziky, o štruktúre hmoty.
Nedeliteľné, zložené, kvantové
Zo starovekého gréckeho jazyka sa slovo „atóm“prekladá ako „nedeliteľný, najmenší“. Tento názor je dôsledkom histórie vedy. Niektorí starí Gréci a Indovia verili, že všetko na svete sa skladá z malých častíc.
V modernej histórii sa experimenty v chémii robili oveľa skôr ako fyzikálnevýskumu. Učenci sedemnásteho a osemnásteho storočia pracovali predovšetkým na zvýšení vojenskej sily krajiny, kráľa alebo vojvodu. A na vytvorenie výbušnín a strelného prachu bolo potrebné pochopiť, z čoho pozostávajú. V dôsledku toho vedci zistili, že niektoré prvky nemožno oddeliť nad určitú úroveň. To znamená, že existujú najmenší nositelia chemických vlastností.
Ale mýlili sa. Atóm sa ukázal ako zložená častica a jeho schopnosť meniť sa je kvantovej povahy. Dôkazom toho sú prechody energetických hladín atómu.
Pozitívne a negatívne
Koncom devätnásteho storočia sa vedci priblížili k štúdiu najmenších častíc hmoty. Napríklad bolo jasné, že atóm obsahuje kladne aj záporne nabité zložky. Ale štruktúra atómu bola neznáma: usporiadanie, interakcia, pomer hmotnosti jeho prvkov zostali záhadou.
Rutherford pripravil experiment o rozptyle častíc alfa tenkou zlatou fóliou. Zistil, že v strede atómov sú ťažké pozitívne prvky a veľmi ľahké negatívne prvky sú umiestnené na okrajoch. To znamená, že nosičmi rôznych nábojov sú častice, ktoré si nie sú podobné. To vysvetlilo náboj atómov: prvok k nim mohol byť pridaný alebo odstránený. Rovnováha, ktorá udržiavala celý systém neutrálny, bola narušená a atóm získal náboj.
Elektróny, protóny, neutróny
Neskôr sa ukázalo: ľahké negatívne častice sú elektróny a ťažké pozitívne jadro pozostáva zdva typy nukleónov (protóny a neutróny). Protóny sa líšili od neutrónov iba tým, že prvé boli pozitívne nabité a ťažké, zatiaľ čo druhé mali iba hmotnosť. Zmena zloženia a náboja jadra je náročná: vyžaduje si to neuveriteľné energie. Ale atóm je oveľa jednoduchšie rozdeliť elektrónom. Je viac elektronegatívnych atómov, ktoré skôr „vezmú“elektrón, a menej elektronegatívnych, ktoré ho skôr „rozdajú“. Takto vzniká náboj atómu: ak je elektrónov prebytok, potom je záporný, a ak je ich nedostatok, potom je kladný.
Dlhý život vesmíru
Táto štruktúra atómu však vedcov zmiatla. Podľa klasickej fyziky, ktorá v tom čase prevládala, musel elektrón, ktorý sa neustále pohyboval okolo jadra, nepretržite vyžarovať elektromagnetické vlny. Keďže tento proces znamená stratu energie, všetky negatívne častice by čoskoro stratili rýchlosť a dopadli by na jadro. Vesmír však existuje už veľmi dlho a globálna katastrofa ešte nenastala. Vznikal paradox príliš starej hmoty.
Bohrove postuláty
Bohrove postuláty by mohli vysvetliť tento rozpor. Potom to boli len tvrdenia, skoky do neznáma, ktoré neboli podložené výpočtami ani teóriou. Podľa postulátov boli v atóme energetické hladiny elektrónov. Každá záporne nabitá častica môže byť iba na týchto úrovniach. Prechod medzi orbitálmi (tzv. hladinami) sa uskutočňuje skokom, pričom sa uvoľňuje alebo absorbuje kvantum elektromagnetickej energie.energia.
Neskôr Planckov objav kvanta vysvetlil toto správanie elektrónov.
Svetlo a atóm
Množstvo energie potrebnej na prechod závisí od vzdialenosti medzi energetickými hladinami atómu. Čím ďalej sú od seba, tým viac emitovaného alebo absorbovaného kvanta.
Ako viete, svetlo je kvantum elektromagnetického poľa. Keď sa teda elektrón v atóme pohybuje z vyššej na nižšiu úroveň, vytvára svetlo. V tomto prípade platí aj opačný zákon: keď elektromagnetická vlna dopadne na objekt, vybudí jeho elektróny a tie sa presunú na vyšší orbitál.
Navyše, energetické hladiny atómu sú individuálne pre každý typ chemického prvku. Vzor vzdialeností medzi orbitálmi je odlišný pre vodík a zlato, volfrám a meď, bróm a síru. Preto analýza emisných spektier akéhokoľvek objektu (vrátane hviezd) jednoznačne určuje, ktoré látky a v akom množstve sa v ňom nachádzajú.
Táto metóda sa používa neuveriteľne široko. Použitá spektrálna analýza:
- v forenznej oblasti;
- v kontrole kvality potravín a vody;
- pri výrobe tovaru;
- pri vytváraní nových materiálov;
- v zlepšovaní technológií;
- vo vedeckých experimentoch;
- pri skúmaní hviezd.
Tento zoznam len zhruba ukazuje, aký užitočný bol objav elektronických hladín v atóme. Elektronické úrovne sú najhrubšie, najväčšie. Existujú menšievibračné a ešte jemnejšie rotačné úrovne. Sú však relevantné iba pre komplexné zlúčeniny – molekuly a pevné látky.
Treba povedať, že štruktúra jadra ešte nie je úplne preskúmaná. Napríklad neexistuje odpoveď na otázku, prečo taký počet neutrónov zodpovedá určitému počtu protónov. Vedci naznačujú, že atómové jadro obsahuje aj nejaký analóg elektronických úrovní. To však ešte nebolo dokázané.
