Vandaag zullen we je vertellen wat het energieniveau van een atoom is, wanneer een persoon dit concept tegenkomt en waar het wordt toegepast.
Schoolfysica
Mensen komen voor het eerst in aanraking met wetenschap op school. En als kinderen in het zevende studiejaar nog steeds nieuwe kennis in biologie en scheikunde interessant vinden, beginnen ze in de hogere klassen bang te worden. Wanneer de atoomfysica aan de beurt is, wekken lessen in deze discipline al alleen maar walging voor onbegrijpelijke taken. Het is echter de moeite waard om te onthouden dat alle ontdekkingen die nu saaie schoolvakken zijn geworden, een niet-triviale geschiedenis en een heel arsenaal aan nuttige toepassingen hebben. Erachter komen hoe de wereld werkt, is als het openen van een doos met iets interessants erin: je wilt altijd een geheim compartiment vinden en daar een andere schat vinden. Vandaag zullen we het hebben over een van de basisconcepten van de atoomfysica, de structuur van materie.
Ondeelbaar, composiet, kwantum
Van de oude Griekse taal wordt het woord "atoom" vertaald als "ondeelbaar, kleinste". Deze opvatting is een gevolg van de geschiedenis van de wetenschap. Sommige oude Grieken en Indiërs geloofden dat alles in de wereld uit kleine deeltjes bestond.
In de moderne geschiedenis werden experimenten in de chemie veel eerder gedaan dan de fysiekeOnderzoek. Geleerden van de zeventiende en achttiende eeuw werkten vooral aan het vergroten van de militaire macht van een land, koning of hertog. En om explosieven en buskruit te maken, was het noodzakelijk om te begrijpen waaruit ze bestaan. Als gevolg hiervan ontdekten de onderzoekers dat sommige elementen niet boven een bepaald niveau kunnen worden gescheiden. Dit betekent dat er de kleinste dragers van chemische eigenschappen zijn.
Maar ze hadden het mis. Het atoom bleek een samengesteld deeltje te zijn en het vermogen om te veranderen is van kwantumkarakter. Dit wordt bewezen door de overgangen van de energieniveaus van het atoom.
Positief en negatief
Aan het einde van de negentiende eeuw kwamen wetenschappers dicht bij het bestuderen van de kleinste deeltjes materie. Zo was het duidelijk dat een atoom zowel positief als negatief geladen componenten bevat. Maar de structuur van het atoom was onbekend: de rangschikking, interactie, de verhouding van het gewicht van de elementen bleef een mysterie.
Rutherford zette een experiment op met de verstrooiing van alfadeeltjes door dunne goudfolie. Hij ontdekte dat in het centrum van de atomen zware positieve elementen zitten, en zeer lichte negatieve aan de randen. Dit betekent dat de dragers van verschillende ladingen deeltjes zijn die niet op elkaar lijken. Dit verklaarde de lading van atomen: er kon een element aan worden toegevoegd of verwijderd. Het evenwicht dat het hele systeem neutraal hield, was verbroken en het atoom kreeg een lading.
Elektronen, protonen, neutronen
Later bleek: lichte negatieve deeltjes zijn elektronen, en een zware positieve kern bestaat uittwee soorten nucleonen (protonen en neutronen). Protonen verschilden alleen van neutronen doordat de eerste positief geladen en zwaar waren, terwijl de laatste alleen massa hadden. Het veranderen van de samenstelling en lading van de kern is moeilijk: het vereist ongelooflijke energieën. Maar een atoom is veel gemakkelijker te delen door een elektron. Er zijn meer elektronegatieve atomen, die eerder een elektron "wegnemen", en minder elektronegatieve atomen, die het eerder "weggeven". Zo ontstaat de lading van een atoom: als er een overschot aan elektronen is, dan is het negatief, en als er een tekort is, dan is het positief.
Lange levensduur van het heelal
Maar deze structuur van het atoom verbaasde wetenschappers. Volgens de klassieke natuurkunde die toen heerste, moest een elektron, dat constant rond de kern bewoog, continu elektromagnetische golven uitstralen. Aangezien dit proces een verlies van energie betekent, zouden alle negatieve deeltjes al snel hun snelheid verliezen en op de kern vallen. Het universum bestaat echter al heel lang en de wereldwijde catastrofe heeft nog niet plaatsgevonden. De paradox van te oude materie broeide.
Bohr's postulaten
Bohr's postulaten zouden de discrepantie kunnen verklaren. Toen waren het slechts beweringen, sprongen in het onbekende, die niet werden ondersteund door berekeningen of theorie. Volgens de postulaten waren er energieniveaus van elektronen in het atoom. Elk negatief geladen deeltje kan alleen op deze niveaus zijn. De overgang tussen orbitalen (de zogenaamde niveaus) wordt uitgevoerd door een sprong, terwijl een kwantum elektromagnetische energie wordt vrijgegeven of geabsorbeerd.energie.
Later verklaarde Plancks ontdekking van het kwantum dit gedrag van elektronen.
Licht en atoom
De hoeveelheid energie die nodig is voor de overgang hangt af van de afstand tussen de energieniveaus van het atoom. Hoe verder ze van elkaar verwijderd zijn, hoe meer kwantum uitgestoten of geabsorbeerd wordt.
Zoals je weet, is licht het kwantum van het elektromagnetische veld. Dus wanneer een elektron in een atoom van een hoger naar een lager niveau beweegt, creëert het licht. In dit geval is ook de omgekeerde wet van toepassing: wanneer een elektromagnetische golf op een object v alt, prikkelt het zijn elektronen en gaan ze naar een hogere baan.
Bovendien zijn de energieniveaus van het atoom individueel voor elk type chemisch element. Het patroon van afstanden tussen orbitalen is verschillend voor waterstof en goud, wolfraam en koper, broom en zwavel. Daarom bepa alt een analyse van de emissiespectra van elk object (inclusief sterren) ondubbelzinnig welke stoffen en in welke hoeveelheid erin aanwezig zijn.
Deze methode wordt ongelooflijk veel gebruikt. Gebruikte spectrumanalyse:
- in forensisch onderzoek;
- in voedsel- en waterkwaliteitscontrole;
- in de productie van goederen;
- in het maken van nieuwe materialen;
- in het verbeteren van technologie;
- in wetenschappelijke experimenten;
- in de verkenning van de sterren.
Deze lijst laat slechts globaal zien hoe nuttig de ontdekking van elektronische niveaus in het atoom is geweest. Elektronische waterpassen zijn de ruwste, de grootste. Er zijn kleinerevibratie, en zelfs subtielere rotatieniveaus. Maar ze zijn alleen relevant voor complexe verbindingen - moleculen en vaste stoffen.
Het moet gezegd worden dat de structuur van de kern nog niet volledig is onderzocht. Er is bijvoorbeeld geen antwoord op de vraag waarom zo'n aantal neutronen overeenkomt met een bepaald aantal protonen. Wetenschappers suggereren dat de atoomkern ook een aantal analoge elektronische niveaus bevat. Dit is echter nog niet bewezen.
