Енергетичний рівень атома: будова і переходи

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 73

Сьогодні повідаємо про те, що таке енергетичний рівень атома, коли людина стикається з цим поняттям, і де воно застосовується.

Шкільна фізика

Люди вперше зустрічаються з природничими науками в школі. І якщо на сьомому році навчання діти ще знаходять нові знання з біології та хімії цікавими, то в старших класах їх починають боятися. Коли приходить черга атомної фізики, уроки з цієї дисципліни вже вселяють тільки огиду до незрозумілих завдань. Однак варто пам’ятати, що у всіх відкриттів, які зараз перетворилися на нудні шкільні предмети, нетривіальна історія і цілий арсенал корисних застосувань. Дізнаватися, як влаштований світ — це як відкривати шкатулку з чимось цікавим всередині: завжди хочеться знайти потаємне відділення і виявити там ще один скарб. Сьогодні ми розповімо про одне з базових поняття атомної фізики, будові речовини.

Неподільний, складовий, квантовий

З давньогрецької мови слово «атом» перекладається як «неподільний, найменший». Таке подання — наслідок історії науки. Деякі греки та індійці вірили, що все складається з найменших частинок.

У сучасній історії досліди з хімії були вироблені набагато раніше фізичних досліджень. Вчені сімнадцятого і вісімнадцятого століть працювали в першу чергу для збільшення військової могутності країни, короля або герцога. А щоб створити вибухівку і порох, треба було зрозуміти, з чого вони складаються. У підсумку дослідники з’ясували: деякі елементи не можна розділити далі певного рівня. Отже, існують найменші носії хімічних властивостей.

Але вони помилялися. Атом виявився складовою часткою, а його здатність змінюватися носить квантовий характер. Про це говорять і переходи енергетичних рівнів атома.

Позитивне і негативне

Наприкінці дев’ятнадцятого століття вчені впритул підійшли до вивчення найдрібніших частинок речовини. Наприклад, було зрозуміло: атом містить як позитивно, так і негативно заряджені складові. Але структура атома була невідома: розташування, взаємодія, співвідношення ваги його елементів залишалися загадкою.

Резерфорд поставив досвід з розсіювання альфа-частинок тонкою золотою фольгою. Він з’ясував, що в центрі атомів знаходяться важкі позитивні елементи, а по краях розташовані дуже легкі негативні. Значить, носіями різних зарядів є не схожі один на одного частинки. Це пояснювало заряд атомів: до них можна було додати елемент або вилучити його. Рівновага, яка підтримувала нейтральність всієї системи, порушувалася, і атом набував заряд.

Електрони, протони, нейтрони

Пізніше з’ясувалося: легкі негативні частинки — це електрони, а важке позитивне ядро складається з двох видів нуклонів (протонів і нейтронів). Протони відрізнялися від нейтронів тільки тим, що перші були позитивно зарядженими і важкими, а другі мали тільки масу. Змінити склад і заряд ядра складно: для цього потрібні неймовірні енергії. А ось електроном атом ділиться набагато легше. Є більш електроотрицательные атоми, які охочіше «відбирають» електрон, і менш електроотрицательные, які швидше «віддадуть» його. Так формується заряд атома: якщо електронів надлишок, то він негативний, а якщо недолік — то позитивний.

Довге життя всесвіту

Але така будова атома спантеличувала вчених. Згідно з класичною фізикою, що панувала в ті часи, електрон, який весь час рухався навколо ядра, повинен був безперервно випромінювати електромагнітні хвилі. Оскільки цей процес означає втрату енергії, всі негативні частинки незабаром втратили б свою швидкість і впали на ядро. Однак всесвіт існує вже дуже довго, а всесвітньої катастрофи ще не сталося. Назрівав парадокс занадто старої матерії.

Постулати Бора

Пояснити невідповідність змогли постулати Бора. Тоді це були просто твердження, стрибки в невідоме, які не підтверджувалися розрахунками або теорією. Згідно з постулатами, існували в атомі енергетичні рівні електронів. Кожна негативно заряджена частинка могла перебувати тільки на цих рівнях. Перехід між орбіталями (так назвали рівні) здійснюється стрибком, при цьому виділяється або поглинається квант електромагнітної енергії.

Пізніше відкриття Планком кванту пояснило таку поведінку електронів.

Світло і атом

Кількість енергії, необхідної для переходу, залежить від відстані між енергетичними рівнями атома. Чим вони далі один від одного, тим більше квант, що виділяється або поглинається.

Як відомо, світло — це і є квант електромагнітного поля. Таким чином, коли електрон в атомі переходить з більш високого на більш низький рівень, він творить світло. При цьому діє і зворотний закон: коли електромагнітна хвиля падає на предмет, вона збуджує його електрони, і вони переходять на більш високу орбіталь.

Крім того, енергетичні рівні атома індивідуальні для кожного виду хімічного елемента. Візерунок відстаней між орбіталями відрізняється для водню і золота, вольфраму і міді, брому і сірки. Тому аналіз спектрів випускання будь-якого об’єкта (в тому числі і зірки) однозначно визначає, які речовини і в якій кількості в ньому присутні.

Застосовується цей метод неймовірно широко. Спектральний аналіз використовується:

• в криміналістиці;
• в контролі якості їжі та води;
• у виробництві товарів;
• у створенні нових матеріалів;
• в удосконаленні технологій;
• у наукових експериментах;
• у дослідженні зірок.

Цей перелік лише приблизно показує, наскільки корисним виявилося відкриття електронних рівнів в атомі. Електронні рівні — найбільш грубі, найбільші. Існують більш дрібні коливальні, і ще більш тонкі обертальні рівні. Але вони актуальні тільки для складних сполук — молекул і твердих тіл.

Треба сказати, що структура ядра досі не досліджена до кінця. Наприклад, немає відповіді на питання про те, чому певній кількості протонів відповідає саме така кількість нейтронів. Вчені припускають, що атомне ядро теж містить певний аналог електронних рівнів. Однак досі це не доведено.