Täna räägime teile, milline on aatomi energiatase, millal inimene selle mõistega kokku puutub ja kus seda rakendatakse.
Koolifüüsika
Inimesed puutuvad teadusega esimest korda kokku koolis. Ja kui seitsmendal õppeaastal on lastele uued bioloogia ja keemia teadmised huvitavad, siis vanemates klassides hakkavad nad kartma. Kui saabub aatomifüüsika pööre, tekitavad selle distsipliini tunnid juba vaid vastikust arusaamatute ülesannete vastu. Siiski tasub meeles pidada, et kõigil nüüdseks igavateks kooliaineteks muutunud avastustel on mittetriviaalne ajalugu ja terve arsenal kasulikke rakendusi. Maailma toimimise teadasaamine on nagu karbi avamine, mille sees on midagi huvitavat: alati tahad leida salakambri ja leida se alt veel ühe varanduse. Täna räägime ühest aatomifüüsika põhimõistest, aine struktuurist.
Jagamatu, liit-, kvant
Vanakreeka keelest on sõna "aatom" tõlgitud kui "jagamatu, väikseim". See seisukoht on teaduse ajaloo tagajärg. Mõned iidsed kreeklased ja indiaanlased uskusid, et kõik maailmas koosneb pisikestest osakestest.
Kaasaegses ajaloos tehti keemilisi katseid palju varem kui füüsikalisi katseiduurimine. 17. ja 18. sajandi teadlased töötasid peamiselt riigi, kuninga või hertsogi sõjalise võimsuse suurendamise nimel. Ja lõhkeainete ja püssirohu tekitamiseks oli vaja aru saada, millest need koosnevad. Selle tulemusena leidsid teadlased, et mõnda elementi ei saa teatud tasemest kaugemale eraldada. See tähendab, et on olemas väikseimad keemiliste omaduste kandjad.
Aga nad eksisid. Aatom osutus liitosakeseks ja selle muutumisvõime on kvantloomuline. Sellest annavad tunnistust aatomi energiatasemete üleminekud.
Positiivne ja negatiivne
Üheksateistkümnenda sajandi lõpus jõudsid teadlased kõige väiksemate aineosakeste uurimisele. Näiteks oli selge, et aatom sisaldab nii positiivselt kui ka negatiivselt laetud komponente. Kuid aatomi struktuur oli teadmata: selle elementide paigutus, vastastikmõju, masside suhe jäid saladuseks.
Rutherford korraldas katse alfaosakeste hajutamiseks õhukese kuldfooliumiga. Ta leidis, et aatomite keskel on rasked positiivsed elemendid ja väga kerged negatiivsed asuvad servades. See tähendab, et erinevate laengute kandjateks on osakesed, mis ei ole üksteisega sarnased. See selgitas aatomite laengut: neile sai lisada elemendi või eemaldada. Tasakaal, mis hoidis kogu süsteemi neutraalsena, katkes ja aatom omandas laengu.
Elektronid, prootonid, neutronid
Hiljem selgus: kerged negatiivsed osakesed on elektronid ja raske positiivne tuum koosnebkahte tüüpi nukleone (prootonid ja neutronid). Prootonid erinesid neutronitest ainult selle poolest, et esimesed olid positiivselt laetud ja rasked, teistel aga ainult mass. Tuuma koostise ja laengu muutmine on keeruline: see nõuab uskumatuid energiaid. Kuid aatomit on elektroniga palju lihtsam jagada. On rohkem elektronegatiivseid aatomeid, mis suurema tõenäosusega elektroni "ära võtavad" ja vähem elektronnegatiivseid, mis selle suurema tõenäosusega "ära annavad". Nii tekib aatomi laeng: kui elektrone on üleliigne, siis on see negatiivne ja kui puudujääk, siis positiivne.
Universumi pikk eluiga
Kuid selline aatomi struktuur tekitas teadlastes hämmingut. Tol ajal valitsenud klassikalise füüsika järgi pidi elektron, mis pidev alt ümber tuuma liikus, pidev alt kiirgama elektromagnetlaineid. Kuna see protsess tähendab energiakadu, kaotaksid kõik negatiivsed osakesed peagi kiiruse ja langeksid tuumale. Universum on aga eksisteerinud väga pikka aega ja globaalset katastroofi pole veel toimunud. Liiga vana aine paradoks oli kujunemas.
Bohri postulaadid
Bohri postulaadid võiksid lahknevust selgitada. Siis olid need vaid väited, hüpped tundmatusse, mida ei toetanud arvutused ega teooria. Postulaatide järgi olid aatomis elektronide energiatasemed. Iga negatiivselt laetud osake võiks olla ainult neil tasemetel. Üleminek orbitaalide (nn tasemete) vahel toimub hüppega, samal ajal vabaneb või neeldub elektromagnetilise energia kvant.energiat.
Hiljem selgitas Plancki kvanti avastus elektronide käitumist.
Valgus ja aatom
Üleminekuks vajalik energia hulk sõltub aatomi energiatasemete vahelisest kaugusest. Mida kaugemal nad üksteisest on, seda rohkem kiirgab või neeldub kvant.
Nagu teate, on valgus elektromagnetvälja kvant. Seega, kui elektron aatomis liigub kõrgem alt tasemelt madalamale, tekitab see valgust. Sel juhul kehtib ka vastupidine seadus: kui elektromagnetlaine langeb objektile, ergastab see selle elektrone ja need liiguvad kõrgemale orbitaalile.
Lisaks on aatomi energiatasemed iga keemilise elemendi tüübi puhul individuaalsed. Orbitaalide vahekauguste muster on erinev vesiniku ja kulla, volframi ja vase, broomi ja väävli puhul. Seetõttu määrab mis tahes objekti (ka tähtede) emissioonispektrite analüüs üheselt kindlaks, milliseid aineid ja millises koguses see sisaldab.
Seda meetodit kasutatakse uskumatult laialdaselt. Kasutatud spektrianalüüs:
- kohtuekspertiisi;
- toidu ja vee kvaliteedikontrollis;
- kaupade tootmisel;
- uute materjalide loomisel;
- tehnoloogia täiustamisel;
- teaduslikes katsetes;
- tähtede uurimisel.
See loend näitab vaid ligikaudselt, kui kasulik on olnud aatomite elektrooniliste tasemete avastamine. Elektroonilised lood on kõige karmimad, suurimad. On väiksemaidvibratsioonilised ja veelgi peenemad pöörlemistasandid. Kuid need on olulised ainult keeruliste ühendite – molekulide ja tahkete ainete puhul.
Peab ütlema, et tuuma ehitust pole veel täielikult uuritud. Näiteks puudub vastus küsimusele, miks selline arv neutroneid vastab teatud arvule prootonitele. Teadlased viitavad sellele, et aatomituum sisaldab ka mõnda elektroonilise nivoo analoogi. Seda pole aga veel tõestatud.
