היום נספר לכם מהי רמת האנרגיה של אטום, כאשר אדם נתקל במושג זה, והיכן הוא מיושם.
פיסיקה של בית הספר
אנשים נתקלים לראשונה במדע בבית הספר. ואם בשנה השביעית ללימודים, ילדים עדיין מוצאים ידע חדש בביולוגיה וכימיה מעניין, אז בכיתות הבוגרות הם מתחילים לפחד. כשמגיע תורה של הפיזיקה האטומית, שיעורים בדיסציפלינה הזו כבר מעוררים רק שאט נפש למשימות בלתי מובנות. עם זאת, כדאי לזכור שלכל התגליות שהפכו כעת למקצועות בית ספר משעממים יש היסטוריה לא טריוויאלית וארסנל שלם של יישומים שימושיים. לגלות איך העולם עובד זה כמו לפתוח קופסה עם משהו מעניין בפנים: אתה תמיד רוצה למצוא תא סודי ולמצוא שם אוצר אחר. היום נדבר על אחד ממושגי היסוד של הפיזיקה האטומית, מבנה החומר.
בלתי ניתן לחלוקה, מורכב, קוונטי
מהשפה היוונית העתיקה, המילה "אטום" מתורגמת כ"ניתן לחלוקה, הקטן ביותר". השקפה זו היא תוצאה של ההיסטוריה של המדע. כמה יוונים והודים קדומים האמינו שכל דבר בעולם מורכב מחלקיקים זעירים.
בהיסטוריה המודרנית, ניסויים בכימיה נעשו הרבה יותר מוקדם מהפיזיקלימחקר. חוקרים מהמאות השבע-עשרה והשמונה-עשרה פעלו בעיקר להגברת הכוח הצבאי של מדינה, מלך או דוכס. וכדי ליצור חומרי נפץ ואבק שריפה, היה צורך להבין ממה הם מורכבים. כתוצאה מכך, החוקרים גילו שלא ניתן להפריד בין אלמנטים מסוימים מעבר לרמה מסוימת. זה אומר שיש את הנשאים הקטנים ביותר של תכונות כימיות.
אבל הם טעו. התברר שהאטום הוא חלקיק מרוכב, ויכולתו להשתנות היא בעלת אופי קוונטי. מעידים על כך המעברים של רמות האנרגיה של האטום.
חיובי ושלילי
בסוף המאה התשע-עשרה, מדענים התקרבו לחקור את חלקיקי החומר הקטנים ביותר. למשל, היה ברור שאטום מכיל רכיבים בעלי מטען חיובי ושלילי כאחד. אבל מבנה האטום לא היה ידוע: הסידור, האינטראקציה, היחס בין משקל היסודות שלו נותרו בגדר תעלומה.
רותרפורד הקים ניסוי על פיזור חלקיקי אלפא על ידי נייר זהב דק. הוא גילה שבמרכז האטומים יש יסודות חיוביים כבדים, ושליליים קלים מאוד ממוקמים בקצוות. המשמעות היא שהנשאים של מטענים שונים הם חלקיקים שאינם דומים זה לזה. זה הסביר את מטען האטומים: ניתן להוסיף להם יסוד או להסיר אותם. האיזון ששמר על כל המערכת ניטרלית נשבר, והאטום רכש מטען.
אלקטרונים, פרוטונים, נויטרונים
מאוחר יותר התברר: חלקיקים שליליים קלים הם אלקטרונים, וגרעין חיובי כבד מורכב משני סוגי נוקלונים (פרוטונים וניוטרונים). הפרוטונים נבדלו מהנייטרונים רק בכך שהראשונים היו טעונים חיובית וכבדים, בעוד שלאחרונים הייתה מסה בלבד. קשה לשנות את ההרכב והמטען של הגרעין: זה דורש אנרגיות מדהימות. אבל הרבה יותר קל לחלק אטום באלקטרון. ישנם יותר אטומים אלקטרון-שליליים, אשר נוטים יותר "להוציא" אלקטרון, ופחות אלקטרון-שליליים, אשר נוטים יותר "למסור" אותו. כך נוצר מטען של אטום: אם יש עודף של אלקטרונים אז הוא שלילי ואם יש מחסור אז הוא חיובי.
חיים ארוכים של היקום
אבל המבנה הזה של האטום תמה מדענים. לפי הפיזיקה הקלאסית ששררה באותה תקופה, אלקטרון, שנע ללא הרף סביב הגרעין, נאלץ להקרין ללא הרף גלים אלקטרומגנטיים. מכיוון שתהליך זה פירושו אובדן אנרגיה, כל החלקיקים השליליים יאבדו במהרה את מהירותם ונופלים על הגרעין. עם זאת, היקום קיים זמן רב מאוד, והקטסטרופה העולמית טרם התרחשה. הפרדוקס של חומר ישן מדי התבשל.
הנחותיו של בוהר
הנחותיו של בוהר יכולות להסביר את הפער. אז הם היו רק קביעות, קפיצות אל הלא נודע, שלא נתמכו בחישובים או בתיאוריה. על פי ההנחות, היו רמות אנרגיה של אלקטרונים באטום. כל חלקיק בעל מטען שלילי יכול להיות רק ברמות האלה. המעבר בין אורביטלים (מה שנקרא רמות) מתבצע על ידי קפיצה, בעוד קוונטי של אנרגיה אלקטרומגנטית משתחררת או נספגת.אנרגיה.
מאוחר יותר, גילוי הקוונט של פלאנק הסביר התנהגות זו של אלקטרונים.
אור ואטום
כמות האנרגיה הנדרשת למעבר תלויה במרחק בין רמות האנרגיה של האטום. ככל שהם רחוקים יותר אחד מהשני, כך נפלט או נקלט יותר קוונטי.
כפי שאתה יודע, האור הוא הקוונט של השדה האלקטרומגנטי. לפיכך, כאשר אלקטרון באטום נע מרמה גבוהה יותר לנמוכה, הוא יוצר אור. במקרה זה חל גם החוק ההפוך: כאשר גל אלקטרומגנטי נופל על עצם, הוא מעורר את האלקטרונים שלו, והם נעים למסלול גבוה יותר.
בנוסף, רמות האנרגיה של האטום הן אינדיבידואליות עבור כל סוג של יסוד כימי. דפוס המרחקים בין האורביטלים שונה עבור מימן וזהב, טונגסטן ונחושת, ברום וגופרית. לכן, ניתוח של ספקטרום הפליטה של כל עצם (כולל כוכבים) קובע באופן חד משמעי אילו חומרים ובאיזה כמות נמצאים בו.
שיטה זו נמצאת בשימוש נרחב להפליא. ניתוח ספקטרום בשימוש:
- בזיהוי פלילי;
- בבקרת איכות מזון ומים;
- בייצור סחורות;
- ביצירת חומרים חדשים;
- בשיפור הטכנולוגיה;
- בניסויים מדעיים;
- בחקירת הכוכבים.
רשימה זו רק מראה באופן גס עד כמה הגילוי של רמות אלקטרוניות באטום היה שימושי. הפלסים האלקטרוניים הם הקשים ביותר, הגדולים ביותר. יש קטנים יותררטט, ואפילו רמות סיבוב עדינות יותר. אבל הם רלוונטיים רק לתרכובות מורכבות - מולקולות ומוצקים.
יש לומר שמבנה הגרעין עדיין לא נחקר במלואו. למשל, אין תשובה לשאלה מדוע מספר כזה של נויטרונים מתאים למספר מסוים של פרוטונים. מדענים מציעים שגרעין האטום מכיל גם אנלוגי כלשהו של רמות אלקטרוניות. עם זאת, זה עדיין לא הוכח.
