امروز به شما خواهیم گفت که سطح انرژی یک اتم چقدر است، زمانی که شخص با این مفهوم روبرو می شود و کجا به کار می رود.
فیزیک مدرسه
مردم برای اولین بار در مدرسه با علم روبرو می شوند. و اگر در سال هفتم تحصیل، کودکان هنوز دانش جدید در زیست شناسی و شیمی را جالب می دانند، در کلاس های ارشد شروع به ترس می کنند. وقتی نوبت به فیزیک اتمی می رسد، درس های این رشته در حال حاضر تنها انزجار را برای کارهای غیرقابل درک القا می کند. با این حال، لازم به یادآوری است که تمام اکتشافاتی که اکنون به موضوعات مدرسه خسته کننده تبدیل شده اند، دارای تاریخچه ای غیر پیش پا افتاده و زرادخانه کاملی از کاربردهای مفید هستند. فهمیدن اینکه دنیا چگونه کار می کند مانند باز کردن جعبه ای است که درون آن چیز جالبی وجود دارد: همیشه می خواهید یک محفظه مخفی پیدا کنید و گنج دیگری را در آنجا پیدا کنید. امروز در مورد یکی از مفاهیم اساسی فیزیک اتمی، ساختار ماده صحبت خواهیم کرد.
تقسیم ناپذیر، مرکب، کوانتومی
از زبان یونانی باستان، کلمه "اتم" به "تقسیم ناپذیر، کوچکترین" ترجمه شده است. این دیدگاه نتیجه تاریخ علم است. برخی از یونانیان و هندیان باستان معتقد بودند که همه چیز در جهان از ذرات ریز تشکیل شده است.
در تاریخ مدرن، آزمایش‌های شیمی خیلی زودتر از فیزیکی انجام شدپژوهش. دانشمندان قرن هفدهم و هجدهم عمدتاً برای افزایش قدرت نظامی یک کشور، پادشاه یا دوک کار کردند. و برای ایجاد مواد منفجره و باروت، لازم بود که بفهمیم آنها از چه چیزی تشکیل شده اند. در نتیجه، محققان دریافتند که برخی از عناصر را نمی توان فراتر از یک سطح مشخص جدا کرد. این بدان معنی است که کوچکترین حامل های خواص شیمیایی وجود دارد.
اما اشتباه کردند. معلوم شد اتم یک ذره مرکب است و توانایی آن برای تغییر ماهیت کوانتومی دارد. این با انتقال سطوح انرژی اتم مشهود است.
مثبت و منفی
در پایان قرن نوزدهم، دانشمندان به مطالعه کوچکترین ذرات ماده نزدیک شدند. به عنوان مثال، واضح بود که یک اتم دارای اجزای دارای بار مثبت و منفی است. اما ساختار اتم ناشناخته بود: ترتیب، تعامل، نسبت وزن عناصر آن یک راز باقی ماند.
رادرفورد آزمایشی بر روی پراکندگی ذرات آلفا توسط ورقه نازک طلا راه اندازی کرد. او دریافت که در مرکز اتم ها عناصر مثبت سنگین و عناصر منفی بسیار سبک در لبه ها قرار دارند. این بدان معناست که حامل بارهای مختلف ذراتی هستند که مشابه یکدیگر نیستند. این موضوع بار اتم ها را توضیح می دهد: عنصری می تواند به آنها اضافه یا حذف شود. تعادلی که کل سیستم را خنثی نگه می داشت شکسته شد و اتم باری به خود گرفت.
الکترون، پروتون، نوترون
بعداً معلوم شد: ذرات منفی سبک الکترون هستند و یک هسته مثبت سنگین ازدو نوع نوکلئون (پروتون و نوترون). تفاوت پروتون ها با نوترون ها فقط در این است که اولی بار مثبت و سنگین داشت، در حالی که دومی فقط جرم داشت. تغییر ترکیب و بار هسته دشوار است: به انرژی های باورنکردنی نیاز دارد. اما تقسیم اتم بر یک الکترون بسیار ساده تر است. اتم‌های الکترونگاتیو بیشتری وجود دارند که احتمال بیشتری برای «برداشتن» یک الکترون دارند و اتم‌های الکترونگاتیو کمتری وجود دارند که احتمال بیشتری برای «بخشیدن» آن دارند. بار یک اتم به این ترتیب تشکیل می شود: اگر الکترون بیش از حد باشد، منفی است و اگر کمبود وجود داشته باشد، مثبت است.
عمر طولانی کیهان
اما این ساختار اتم دانشمندان را متحیر کرد. طبق فیزیک کلاسیک که در آن زمان غالب بود، یک الکترون که دائماً در اطراف هسته حرکت می کرد، مجبور بود به طور مداوم امواج الکترومغناطیسی را بتاباند. از آنجایی که این فرآیند به معنای از دست دادن انرژی است، تمام ذرات منفی به زودی سرعت خود را از دست می دهند و روی هسته می افتند. با این حال، جهان برای مدت بسیار طولانی وجود داشته است، و فاجعه جهانی هنوز رخ نداده است. پارادوکس ماده خیلی قدیمی در حال ظهور بود.
فرضای بور
فرضیه های بور می توانند این اختلاف را توضیح دهند. سپس آنها فقط ادعاها بودند، پرش به ناشناخته، که توسط محاسبات یا نظریه پشتیبانی نمی شد. طبق فرضیه ها، سطوح انرژی الکترون ها در اتم وجود دارد. هر ذره با بار منفی فقط می تواند در این سطوح باشد. انتقال بین اوربیتال ها (به اصطلاح سطوح) با یک پرش انجام می شود، در حالی که کوانتومی از انرژی الکترومغناطیسی آزاد یا جذب می شود.انرژی.
بعدها، کشف کوانتوم توسط پلانک این رفتار الکترون ها را توضیح داد.
نور و اتم
مقدار انرژی مورد نیاز برای انتقال به فاصله بین سطوح انرژی اتم بستگی دارد. هر چه آنها از یکدیگر دورتر باشند، کوانتوم گسیل یا جذب بیشتری دارند.
همانطور که می دانید، نور کوانتوم میدان الکترومغناطیسی است. بنابراین، هنگامی که یک الکترون در یک اتم از سطح بالاتر به سطح پایین تر حرکت می کند، نور ایجاد می کند. در این مورد، قانون معکوس نیز اعمال می شود: هنگامی که یک موج الکترومغناطیسی روی جسمی می افتد، الکترون های آن را تحریک می کند و آنها به مدار بالاتری حرکت می کنند.
علاوه بر این، سطوح انرژی اتم برای هر نوع عنصر شیمیایی جداگانه است. الگوی فواصل بین اوربیتال ها برای هیدروژن و طلا، تنگستن و مس، برم و گوگرد متفاوت است. بنابراین، تجزیه و تحلیل طیف انتشار هر جسم (از جمله ستارگان) به طور واضح مشخص می کند که کدام مواد و در چه مقداری در آن وجود دارد.
این روش به طور باورنکردنی به طور گسترده استفاده می شود. تجزیه و تحلیل طیف مورد استفاده:
- در پزشکی قانونی؛
- در کنترل کیفیت غذا و آب؛
- در تولید کالا؛
- در ایجاد مواد جدید؛
- در بهبود فناوری؛
- در آزمایشات علمی؛
- در کاوش ستاره ها.
این لیست تقریباً نشان می دهد که کشف سطوح الکترونیکی در اتم چقدر مفید بوده است. سطوح الکترونیکی خشن ترین، بزرگترین هستند. کوچکتر وجود داردارتعاش، و حتی سطوح چرخشی ظریف تر. اما آنها فقط برای ترکیبات پیچیده - مولکول ها و جامدات مرتبط هستند.
باید گفت که ساختار هسته هنوز به طور کامل کشف نشده است. برای مثال، هیچ پاسخی برای این سوال وجود ندارد که چرا چنین تعداد نوترون با تعداد معینی از پروتون مطابقت دارد. دانشمندان پیشنهاد می‌کنند که هسته اتم حاوی مقادیری مشابه سطوح الکترونیکی است. با این حال، این هنوز ثابت نشده است.
