Šiandien mes jums pasakysime, koks yra atomo energijos lygis, kada žmogus susiduria su šia sąvoka ir kur ji taikoma.
Mokyklos fizika
Žmonės pirmą kartą su mokslu susiduria mokykloje. Ir jei septintais studijų metais vaikams vis dar įdomios naujos biologijos ir chemijos žinios, tai vyresnėse klasėse jie pradeda bijoti. Atėjus atominės fizikos eilei, šios disciplinos pamokos jau kelia tik pasibjaurėjimą nesuprantamomis užduotimis. Tačiau verta prisiminti, kad visi atradimai, kurie dabar virto nuobodžiais mokykliniais dalykais, turi nebanalią istoriją ir visą naudingų pritaikymų arsenalą. Sužinoti, kaip veikia pasaulis, prilygsta atidaryti dėžutę, kurios viduje yra kažkas įdomaus: visada norisi rasti slaptą skyrių ir ten rasti kitą lobį. Šiandien kalbėsime apie vieną iš pagrindinių atominės fizikos sąvokų – materijos sandarą.
Nedalomas, sudėtinis, kvantinis
Iš senovės graikų kalbos žodis „atomas“išverstas kaip „nedalomas, mažiausias“. Toks požiūris yra mokslo istorijos pasekmė. Kai kurie senovės graikai ir indėnai tikėjo, kad viskas pasaulyje sudaryta iš mažyčių dalelių.
Šiuolaikinėje istorijoje chemijos eksperimentai buvo atlikti daug anksčiau nei fiziniaityrimai. XVII–XVIII amžių mokslininkai pirmiausia siekė padidinti šalies, karaliaus ar kunigaikščio karinę galią. O norint sukurti sprogmenis ir paraką, reikėjo suprasti, iš ko jie susideda. Dėl to mokslininkai nustatė, kad kai kurių elementų negalima atskirti virš tam tikro lygio. Tai reiškia, kad yra mažiausi cheminių savybių nešėjai.
Bet jie klydo. Atomas pasirodė esąs sudėtinė dalelė, o jo gebėjimas keistis yra kvantinio pobūdžio. Tai liudija atomo energijos lygių perėjimai.
Teigiamas ir neigiamas
Devynioliktojo amžiaus pabaigoje mokslininkai priartėjo prie mažiausių materijos dalelių tyrimo. Pavyzdžiui, buvo aišku, kad atome yra ir teigiamai, ir neigiamai įkrautų komponentų. Tačiau atomo sandara buvo nežinoma: jo elementų išsidėstymas, sąveika, svorių santykis liko paslaptis.
Rutherfordas atliko alfa dalelių sklaidos plona aukso folija eksperimentą. Jis nustatė, kad atomų centre yra sunkūs teigiami elementai, o labai lengvi neigiami – pakraščiuose. Tai reiškia, kad skirtingų krūvių nešikliai yra dalelės, kurios nėra panašios viena į kitą. Tai paaiškino atomų krūvį: prie jų buvo galima pridėti arba pašalinti elementą. Pusiausvyra, kuri išlaikė visą sistemą neutralią, buvo pažeista, ir atomas įgijo krūvį.
Elektronai, protonai, neutronai
Vėliau paaiškėjo: lengvosios neigiamos dalelės yra elektronai, o sunkusis teigiamas branduolys susideda išdviejų tipų nukleonai (protonai ir neutronai). Protonai nuo neutronų skyrėsi tik tuo, kad pirmieji buvo teigiamai įkrauti ir sunkūs, o antrieji turėjo tik masę. Branduolio sudėtį ir krūvį pakeisti sunku: tam reikia neįtikėtinos energijos. Tačiau atomą daug lengviau padalyti iš elektrono. Yra daugiau elektronneigiamų atomų, kurie greičiau „atima“elektroną, ir mažiau elektronneigiamų, kurie labiau jį „atiduoja“. Taip susidaro atomo krūvis: jei yra elektronų perteklius, tai jis neigiamas, o jei trūkumas – teigiamas.
Ilgas visatos gyvenimas
Tačiau ši atomo struktūra glumino mokslininkus. Pagal tuo metu vyravusią klasikinę fiziką, aplink branduolį nuolat judantis elektronas turėjo nuolatos skleisti elektromagnetines bangas. Kadangi šis procesas reiškia energijos praradimą, visos neigiamos dalelės greitai netektų greičio ir nukristų ant branduolio. Tačiau visata egzistavo labai ilgai, o pasaulinė katastrofa dar neįvyko. Brendo per senos medžiagos paradoksas.
Boro postulatai
Boro postulatai galėtų paaiškinti neatitikimą. Tada tai tebuvo tvirtinimai, šuoliai į nežinią, kurių neparemdavo nei skaičiavimai, nei teorija. Pagal postulatus atome buvo elektronų energijos lygiai. Kiekviena neigiamai įkrauta dalelė gali būti tik tokiame lygyje. Perėjimas tarp orbitų (vadinamųjų lygių) vyksta šuoliu, o elektromagnetinės energijos kvantas išsiskiria arba sugeria.energija.
Vėliau Planckas atradęs kvantą paaiškino tokį elektronų elgesį.
Šviesa ir atomas
Perėjimui reikalingas energijos kiekis priklauso nuo atstumo tarp atomo energijos lygių. Kuo toliau vienas nuo kito, tuo daugiau išspinduliuoja arba sugeria kvantą.
Kaip žinote, šviesa yra elektromagnetinio lauko kvantas. Taigi, kai elektronas atome juda iš aukštesnio lygio į žemesnį lygį, jis sukuria šviesą. Šiuo atveju galioja ir atvirkštinis dėsnis: kai elektromagnetinė banga krenta ant objekto, ji sužadina jo elektronus, ir jie persikelia į aukštesnę orbitą.
Be to, atomo energijos lygiai yra individualūs kiekvienam cheminio elemento tipui. Vandenilio ir aukso, volframo ir vario, bromo ir sieros atstumų tarp orbitalių modelis skiriasi. Todėl išanalizavus bet kurio objekto (taip pat ir žvaigždžių) emisijos spektrus vienareikšmiškai nustatoma, kokių medžiagų ir koks kiekis jame yra.
Šis metodas naudojamas neįtikėtinai plačiai. Naudota spektro analizė:
- kriminalistikoje;
- maisto ir vandens kokybės kontrolėje;
- prekių gamyboje;
- kuriant naujas medžiagas;
- tobulinant technologijas;
- moksliniuose eksperimentuose;
- žvaigždžių tyrinėjime.
Šis sąrašas tik apytiksliai parodo, koks naudingas buvo elektroninių lygių atradimas atome. Elektroniniai nivelyrai yra patys grubiausi, didžiausi. Yra mažesniųvibraciniai ir dar subtilesni sukimosi lygiai. Bet jie svarbūs tik sudėtingiems junginiams – molekulėms ir kietosioms medžiagoms.
Reikia pasakyti, kad branduolio sandara dar nėra iki galo ištirta. Pavyzdžiui, nėra atsakymo į klausimą, kodėl toks neutronų skaičius atitinka tam tikrą protonų skaičių. Mokslininkai teigia, kad atomo branduolyje taip pat yra elektroninių nivelyrų analogų. Tačiau tai dar neįrodyta.
