Heute erzählen wir Ihnen, was das Energieniveau eines Atoms ist, wann eine Person auf dieses Konzept stößt und wo es angewendet wird.
Schulphysik
Menschen begegnen Wissenschaft zum ersten Mal in der Schule. Und wenn Kinder im siebten Studienjahr neue Erkenntnisse in Biologie und Chemie noch interessant finden, dann fangen sie in den Oberstufenklassen an, Angst zu haben. Wenn die Atomphysik an der Reihe ist, weckt schon der Unterricht in dieser Disziplin nur noch Ekel vor unverständlichen Aufgaben. Es sei jedoch daran erinnert, dass alle Entdeckungen, die sich zu langweiligen Schulfächern entwickelt haben, eine nicht triviale Geschichte und ein ganzes Arsenal nützlicher Anwendungen haben. Herauszufinden, wie die Welt funktioniert, ist wie das Öffnen einer Kiste mit etwas Interessantem darin: Sie wollen immer ein Geheimfach finden und dort einen weiteren Schatz finden. Heute sprechen wir über eines der Grundkonzepte der Atomphysik, die Struktur der Materie.
Unteilbar, zusammengesetzt, Quantum
Aus der altgriechischen Sprache wird das Wort "Atom" mit "unteilbar, am kleinsten" übersetzt. Diese Ansicht ist eine Folge der Wissenschaftsgeschichte. Einige alte Griechen und Inder glaubten, dass alles auf der Welt aus winzigen Teilchen besteht.
In der modernen Geschichte wurden Experimente in der Chemie viel früher durchgeführt als in der PhysikForschung. Gelehrte des 17. und 18. Jahrhunderts arbeiteten hauptsächlich daran, die militärische Macht eines Landes, Königs oder Herzogs zu stärken. Und um Sprengstoff und Schießpulver herzustellen, musste man verstehen, woraus sie bestehen. Als Ergebnis fanden die Forscher heraus, dass einige Elemente nicht über ein bestimmtes Niveau hinaus getrennt werden können. Das bedeutet, dass es die kleinsten Träger chemischer Eigenschaften gibt.
Aber sie haben sich geirrt. Es stellte sich heraus, dass das Atom ein zusammengesetztes Teilchen ist, und seine Fähigkeit zur Veränderung ist Quantennatur. Dies wird durch die Übergänge der Energieniveaus des Atoms belegt.
Positiv und Negativ
Ende des 19. Jahrhunderts näherten sich Wissenschaftler der Untersuchung kleinster Materieteilchen. Zum Beispiel war klar, dass ein Atom sowohl positiv als auch negativ geladene Komponenten enthält. Aber die Struktur des Atoms war unbekannt: die Anordnung, Wechselwirkung, das Gewichtsverhältnis seiner Elemente blieb ein Rätsel.
Rutherford hat ein Experiment zur Streuung von Alphateilchen durch dünne Goldfolie aufgebaut. Er fand heraus, dass sich in der Mitte der Atome schwere positive Elemente befinden und sehr leichte negative an den Rändern. Das bedeutet, dass die Träger unterschiedlicher Ladungen Teilchen sind, die einander nicht ähnlich sind. Dies erklärte die Ladung von Atomen: Ein Element konnte hinzugefügt oder entfernt werden. Das Gleichgewicht, das das gesamte System neutral hielt, war gebrochen, und das Atom erhielt eine Ladung.
Elektronen, Protonen, Neutronen
Später stellte sich heraus: Leichte negative Teilchen sind Elektronen, und ein schwerer positiver Kern besteht auszwei Arten von Nukleonen (Protonen und Neutronen). Protonen unterschieden sich von Neutronen nur dadurch, dass erstere positiv geladen und schwer waren, während letztere nur Masse hatten. Die Zusammensetzung und Ladung des Kerns zu ändern ist schwierig: Es erfordert unglaubliche Energien. Aber ein Atom ist viel einfacher durch ein Elektron zu teilen. Es gibt mehr elektronegative Atome, die eher ein Elektron "wegnehmen", und weniger elektronegative, die es eher "weggeben". So entsteht die Ladung eines Atoms: Bei Elektronenüberschuss ist sie negativ, bei Elektronenmangel positiv.
Lange Lebensdauer des Universums
Aber diese Struktur des Atoms verwirrte Wissenschaftler. Nach der damals vorherrschenden klassischen Physik musste ein Elektron, das sich ständig um den Kern bewegte, ständig elektromagnetische Wellen aussenden. Da dieser Vorgang einen Energieverlust bedeutet, würden alle negativen Teilchen bald ihre Geschwindigkeit verlieren und auf den Kern fallen. Das Universum existiert jedoch schon sehr lange, und die globale Katastrophe ist noch nicht eingetreten. Das Paradox der zu alten Materie braute sich zusammen.
Bohrsche Postulate
Bohrs Postulate könnten die Diskrepanz erklären. Dann waren es nur Behauptungen, Sprünge ins Ungewisse, die nicht durch Berechnungen oder Theorie gestützt wurden. Nach den Postulaten gab es Energieniveaus von Elektronen im Atom. Jedes negativ geladene Teilchen könnte nur auf diesen Ebenen sein. Der Übergang zwischen Orbitalen (den sogenannten Ebenen) erfolgt durch einen Sprung, wobei ein Quantum elektromagnetischer Energie freigesetzt oder absorbiert wird. Energie.
Später erklärte Plancks Entdeckung des Quantums dieses Verh alten der Elektronen.
Licht und Atom
Die für den Übergang benötigte Energiemenge hängt vom Abstand zwischen den Energieniveaus des Atoms ab. Je weiter sie voneinander entfernt sind, desto mehr emittierte oder absorbierte Quanten.
Wie Sie wissen, ist Licht das Quantum des elektromagnetischen Feldes. Wenn sich also ein Elektron in einem Atom von einer höheren zu einer niedrigeren Ebene bewegt, erzeugt es Licht. Auch hier gilt das umgekehrte Gesetz: Trifft eine elektromagnetische Welle auf ein Objekt, regt es dessen Elektronen an und sie bewegen sich auf ein höheres Orbital.
Außerdem sind die Energieniveaus des Atoms für jede Art von chemischem Element individuell. Das Abstandsmuster zwischen den Orbitalen ist unterschiedlich für Wasserstoff und Gold, Wolfram und Kupfer, Brom und Schwefel. Daher bestimmt eine Analyse der Emissionsspektren eines beliebigen Objekts (einschließlich Sterne) eindeutig, welche Substanzen in welcher Menge darin enth alten sind.
Diese Methode ist unglaublich weit verbreitet. Verwendete Spektrumanalyse:
- in der Forensik;
- in der Lebensmittel- und Wasserqualitätskontrolle;
- in der Warenproduktion;
- bei der Erstellung neuer Materialien;
- bei der Verbesserung der Technologie;
- in wissenschaftlichen Experimenten;
- bei der Erforschung der Sterne.
Diese Liste zeigt nur grob, wie nützlich die Entdeckung elektronischer Niveaus im Atom war. Elektronische Wasserwaagen sind die gröbsten, die größten. Es gibt kleinereSchwingungs- und noch subtilere Rotationsebenen. Aber sie sind nur für komplexe Verbindungen relevant - Moleküle und Festkörper.
Man muss sagen, dass die Struktur des Zellkerns noch nicht vollständig erforscht ist. So gibt es beispielsweise keine Antwort auf die Frage, warum einer solchen Anzahl von Neutronen eine bestimmte Anzahl von Protonen entspricht. Wissenschaftler vermuten, dass der Atomkern auch ein Analogon elektronischer Ebenen enthält. Dies ist jedoch noch nicht bewiesen.
