Бүгін біз атомның энергетикалық деңгейі қандай екенін, адам бұл ұғыммен кездескен кезде және оның қайда қолданылатыны туралы айтып береміз.
Мектеп физикасы
Адамдар ғылыммен алғаш мектепте кездеседі. Ал жетінші оқу жылында балалар әлі де биология мен химиядан жаңа білімдерді қызықты деп тапса, жоғары сыныптарда олар қорқа бастайды. Атомдық физиканың кезегі келгенде, бұл пәндегі сабақтар түсініксіз тапсырмаларға деген жиіркенішті ғана шабыттандырады. Дегенмен, қазір қызықсыз мектеп пәндеріне айналған барлық жаңалықтардың тривиальды емес тарихы және пайдалы қолданбалардың тұтас арсеналы бар екенін есте ұстаған жөн. Әлемнің қалай жұмыс істейтінін білу - ішінде қызықты нәрсе бар қорапты ашумен бірдей: сіз әрқашан құпия бөлімше тауып, одан басқа қазына тапқыңыз келеді. Бүгін біз атомдық физиканың негізгі ұғымдарының бірі заттың құрылымы туралы сөйлесетін боламыз.
Бөлінбейтін, құрама, кванттық
Ежелгі грек тілінен «атом» сөзі «бөлінбейтін, ең кішкентай» деп аударылған. Бұл көзқарас ғылым тарихының салдары. Кейбір ежелгі гректер мен үндістер дүниедегі барлық нәрсе ұсақ бөлшектерден тұрады деп сенген.
Қазіргі тарихта химиядағы тәжірибелер физикалық тәжірибеден әлдеқайда ертерек жасалғанзерттеу. XVII-XVIII ғасырлардағы ғалымдар ең алдымен елдің, патшаның немесе герцогтың әскери қуатын арттыру үшін жұмыс істеді. Ал жарылғыш заттар мен мылтық жасау үшін олардың неден тұратынын түсіну қажет болды. Нәтижесінде зерттеушілер кейбір элементтерді белгілі бір деңгейден тыс бөлуге болмайтынын анықтады. Бұл химиялық қасиеттердің ең кішкентай тасымалдаушылары бар дегенді білдіреді.
Бірақ олар қателесті. Атом құрама бөлшек болып шықты, оның өзгеру қабілеті кванттық сипатта. Бұл атомның энергетикалық деңгейлерінің ауысуы арқылы дәлелденеді.
Оң және теріс
ХІХ ғасырдың аяғында ғалымдар материяның ең кішкентай бөлшектерін зерттеуге жақындады. Мысалы, атомда оң және теріс зарядталған компоненттер болатыны анық болды. Бірақ атомның құрылымы белгісіз болды: оның элементтерінің орналасуы, өзара әрекеттесуі, салмағының арақатынасы жұмбақ күйінде қалды.
Резерфорд жұқа алтын фольга арқылы альфа бөлшектерін шашырату тәжірибесін орнатты. Ол атомдардың ортасында ауыр оң элементтер, ал шеттерінде өте жеңіл теріс элементтер орналасатынын анықтады. Бұл әртүрлі зарядтардың тасымалдаушылары бір-біріне ұқсамайтын бөлшектер екенін білдіреді. Бұл атомдардың зарядын түсіндірді: оларға элемент қосуға немесе жоюға болады. Бүкіл жүйені бейтарап ұстаған тепе-теңдік бұзылып, атом зарядқа ие болды.
Электрондар, протондар, нейтрондар
Кейін белгілі болды: жеңіл теріс бөлшектер электрондар, ал ауыр оң ядро мыналардан тұрады.нуклондардың екі түрі (протондар мен нейтрондар). Протондардың нейтрондардан айырмашылығы біріншілері оң зарядты және ауыр, ал екіншісінде тек массасы ғана болды. Ядроның құрамы мен зарядын өзгерту қиын: ол керемет энергияны қажет етеді. Бірақ атомды электрон арқылы бөлу әлдеқайда оңай. Электронды «алып кететін» электртеріс атомдар көбірек, ал электртеріс атомдар азырақ, олар оны «беретін». Атом заряды осылай қалыптасады: электрондар артық болса, ол теріс, ал жетіспесе, оң болады.
Ғаламның ұзақ ғұмыры
Бірақ атомның бұл құрылымы ғалымдарды таң қалдырды. Сол кездегі үстемдік еткен классикалық физика бойынша ядроны үздіксіз айналып жүретін электрон үздіксіз электромагниттік толқындар шығаруға мәжбүр болды. Бұл процесс энергияның жоғалуын білдіретіндіктен, барлық теріс бөлшектер көп ұзамай жылдамдығын жоғалтып, ядроға түседі. Дегенмен, ғалам өте ұзақ уақыт бойы бар және жаһандық апат әлі болған жоқ. Тым ескі материяның парадоксы пайда болды.
Бор постулаттары
Бордың постулаттары сәйкессіздікті түсіндіре алады. Содан кейін бұл жай ғана бекітулер, белгісізге секірулер болды, олар есептеулермен немесе теориялармен расталмаған. Постулаттар бойынша атомда электрондардың энергетикалық деңгейлері болған. Әрбір теріс зарядталған бөлшек тек осы деңгейлерде болуы мүмкін. Орбитальдар арасындағы ауысу (деңгейлер деп аталатын) секіру арқылы жүзеге асырылады, ал электромагниттік энергияның кванты шығарылады немесе жұтылады.энергия.
Кейінірек Планктың квантты ашуы электрондардың бұл әрекетін түсіндірді.
Жарық және атом
Өтуге қажетті энергия мөлшері атомның энергетикалық деңгейлері арасындағы қашықтыққа байланысты. Олар бір-бірінен неғұрлым алыс болса, соғұрлым көп шығарылатын немесе жұтылатын квант.
Өздеріңіз білетіндей, жарық электромагниттік өрістің кванты. Осылайша, атомдағы электрон жоғары деңгейден төменірек деңгейге ауысқанда, ол жарық тудырады. Бұл жағдайда кері заң да қолданылады: электромагниттік толқын объектіге түскенде оның электрондарын қоздырады және олар жоғарырақ орбитальға көшеді.
Сонымен қатар, атомның энергетикалық деңгейлері химиялық элементтің әрбір түрі үшін жеке болады. Сутегі мен алтын, вольфрам мен мыс, бром мен күкірт үшін орбитальдар арасындағы қашықтықтың үлгісі әртүрлі. Сондықтан кез келген объектінің (жұлдыздарды қоса алғанда) сәулелену спектрлерін талдау онда қандай заттар және қандай мөлшерде болатынын бір мәнді түрде анықтайды.
Бұл әдіс керемет кеңінен қолданылады. Пайдаланылған спектрлік талдау:
- криминалистикада;
- тамақ пен судың сапасын бақылауда;
- тауар өндірісінде;
- жаңа материалдарды жасауда;
- технологияны жетілдіруде;
- ғылыми тәжірибелерде;
- жұлдыздарды зерттеуде.
Бұл тізім атомдағы электрондық деңгейлердің ашылуы қаншалықты пайдалы болғанын шамамен көрсетеді. Электрондық деңгейлер ең өрескел, ең үлкен. Кішіректері бардіріл және одан да нәзік айналу деңгейлері. Бірақ олар тек күрделі қосылыстарға – молекулалар мен қатты заттарға қатысты.
Ядроның құрылымы әлі толық зерттелмегенін айту керек. Мысалы, неге мұндай нейтрондар саны белгілі протондар санына сәйкес келеді деген сұраққа жауап жоқ. Ғалымдар атом ядросында электронды деңгейлердің кейбір аналогтары бар деп болжайды. Дегенмен, бұл әлі дәлелденген жоқ.
