Oggi ti parleremo di qual è il livello di energia di un atomo, quando una persona incontra questo concetto e dove viene applicato.
Fisica scolastica
Le persone incontrano per la prima volta la scienza a scuola. E se nel settimo anno di studio i bambini trovano ancora interessanti nuove conoscenze in biologia e chimica, allora nelle classi superiori iniziano ad avere paura. Quando arriva il turno della fisica atomica, le lezioni in questa disciplina ispirano già solo disgusto per compiti incomprensibili. Tuttavia, vale la pena ricordare che tutte le scoperte che ora si sono trasformate in noiose materie scolastiche hanno una storia non banale e un intero arsenale di utili applicazioni. Scoprire come funziona il mondo è come aprire una scatola con dentro qualcosa di interessante: vuoi sempre trovare uno scomparto segreto e trovarci un altro tesoro. Oggi parleremo di uno dei concetti base della fisica atomica, la struttura della materia.
Indivisibile, composito, quantistico
Dall'antica lingua greca, la parola "atomo" è tradotta come "indivisibile, il più piccolo". Questa visione è una conseguenza della storia della scienza. Alcuni antichi greci e indiani credevano che tutto nel mondo fosse composto da minuscole particelle.
Nella storia moderna, gli esperimenti di chimica sono stati fatti molto prima di quelli fisiciricerca. Gli studiosi del diciassettesimo e diciottesimo secolo lavorarono principalmente per aumentare il potere militare di un paese, re o duca. E per creare esplosivi e polvere da sparo, era necessario capire in cosa consistono. Di conseguenza, i ricercatori hanno scoperto che alcuni elementi non possono essere separati oltre un certo livello. Ciò significa che ci sono i più piccoli vettori di proprietà chimiche.
Ma si sbagliavano. L'atomo si è rivelato essere una particella composita e la sua capacità di cambiare è di natura quantistica. Ciò è evidenziato dalle transizioni dei livelli di energia dell'atomo.
Positivo e negativo
Alla fine del diciannovesimo secolo, gli scienziati si avvicinarono allo studio delle particelle più piccole della materia. Ad esempio, era chiaro che un atomo contiene componenti caricate sia positivamente che negativamente. Ma la struttura dell'atomo era sconosciuta: la disposizione, l'interazione, il rapporto tra il peso dei suoi elementi rimaneva un mistero.
Rutherford ha avviato un esperimento sulla dispersione delle particelle alfa da una sottile lamina d'oro. Ha scoperto che al centro degli atomi ci sono elementi positivi pesanti e negativi molto leggeri si trovano ai bordi. Ciò significa che i portatori di cariche diverse sono particelle che non sono simili tra loro. Questo spiegava la carica degli atomi: un elemento poteva essere aggiunto o rimosso. L'equilibrio che manteneva l'intero sistema neutrale si ruppe e l'atomo acquisì una carica.
Elettroni, protoni, neutroni
Più tardi si è scoperto: le particelle negative leggere sono elettroni e un nucleo positivo pesante è costituito dadue tipi di nucleoni (protoni e neutroni). I protoni differivano dai neutroni solo per il fatto che i primi erano carichi positivamente e pesanti, mentre i secondi avevano solo massa. Modificare la composizione e la carica del nucleo è difficile: richiede energie incredibili. Ma un atomo è molto più facile da dividere per un elettrone. Ci sono più atomi elettronegativi, che hanno maggiori probabilità di "portare via" un elettrone, e meno elettronegativi, che hanno maggiori probabilità di "darlo via". Ecco come si forma la carica di un atomo: se c'è un eccesso di elettroni, allora è negativo, e se c'è una carenza, allora è positivo.
Lunga vita dell'universo
Ma questa struttura dell'atomo ha lasciato perplessi gli scienziati. Secondo la fisica classica che prevaleva a quel tempo, un elettrone, che si muoveva costantemente attorno al nucleo, doveva irradiare continuamente onde elettromagnetiche. Poiché questo processo significa una perdita di energia, tutte le particelle negative perderebbero presto la loro velocità e cadrebbero sul nucleo. Tuttavia, l'universo esiste da molto tempo e la catastrofe globale non si è ancora verificata. Il paradosso di una materia troppo vecchia si stava preparando.
I postulati di Bohr
I postulati di Bohr potrebbero spiegare la discrepanza. Allora erano solo affermazioni, s alti nell'ignoto, che non erano supportati da calcoli o teorie. Secondo i postulati, c'erano livelli di energia degli elettroni nell'atomo. Ogni particella carica negativamente potrebbe trovarsi solo a questi livelli. La transizione tra gli orbitali (i cosiddetti livelli) avviene mediante un s alto, mentre un quanto di energia elettromagnetica viene rilasciato o assorbito.energia.
Più tardi, la scoperta del quanto da parte di Planck ha spiegato questo comportamento degli elettroni.
Luce e atomo
La quantità di energia richiesta per la transizione dipende dalla distanza tra i livelli di energia dell'atomo. Più sono lontani l'uno dall' altro, più quanti sono emessi o assorbiti.
Come sai, la luce è il quanto del campo elettromagnetico. Pertanto, quando un elettrone in un atomo si sposta da un livello superiore a uno inferiore, crea luce. In questo caso si applica anche la legge inversa: quando un'onda elettromagnetica cade su un oggetto, eccita i suoi elettroni, che si spostano su un orbitale più alto.
Inoltre, i livelli di energia dell'atomo sono individuali per ogni tipo di elemento chimico. Lo schema delle distanze tra gli orbitali è diverso per idrogeno e oro, tungsteno e rame, bromo e zolfo. Pertanto, un'analisi degli spettri di emissione di qualsiasi oggetto (comprese le stelle) determina in modo inequivocabile quali sostanze e in quale quantità sono presenti in esso.
Questo metodo è ampiamente utilizzato. Analisi dello spettro utilizzata:
- in medicina legale;
- nel controllo della qualità di cibo e acqua;
- nella produzione di beni;
- nella creazione di nuovi materiali;
- nel miglioramento della tecnologia;
- in esperimenti scientifici;
- nell'esplorazione delle stelle.
Questo elenco mostra solo approssimativamente quanto sia stata utile la scoperta dei livelli elettronici nell'atomo. I livelli elettronici sono i più difficili, i più grandi. Ci sono più piccolivibrazionale, e anche più sottili livelli rotazionali. Ma sono rilevanti solo per composti complessi - molecole e solidi.
Va detto che la struttura del nucleo non è stata ancora completamente esplorata. Ad esempio, non c'è risposta alla domanda sul perché un tale numero di neutroni corrisponda a un certo numero di protoni. Gli scienziati suggeriscono che il nucleo atomico contenga anche qualche analogo dei livelli elettronici. Tuttavia, questo non è stato ancora dimostrato.
