Hôm nay chúng tôi sẽ cho bạn biết về mức năng lượng của nguyên tử là gì, khi một người gặp khái niệm này và nó được áp dụng ở đâu.
Vật lý trường học
Mọi người lần đầu tiên gặp gỡ khoa học ở trường. Và nếu trong năm học thứ bảy, các em vẫn thấy thú vị với những kiến thức mới về sinh học, hóa học thì ở các lớp cuối cấp các em bắt đầu sợ hãi. Khi bước ngoặt của vật lý nguyên tử đến, các bài học trong lĩnh vực này đã chỉ truyền cảm hứng cho sự ghê tởm đối với những nhiệm vụ không thể hiểu được. Tuy nhiên, điều đáng nhớ là tất cả những khám phá giờ đã trở thành những môn học nhàm chán ở trường học đều có một lịch sử không hề tầm thường và cả một kho các ứng dụng hữu ích. Tìm hiểu cách thức vận hành của thế giới cũng giống như mở một chiếc hộp với thứ gì đó thú vị bên trong: bạn luôn muốn tìm một ngăn bí mật và tìm một kho báu khác ở đó. Hôm nay chúng ta sẽ nói về một trong những khái niệm cơ bản của vật lý nguyên tử, cấu trúc của vật chất.
Không thể phân chia, tổng hợp, lượng tử
Từ tiếng Hy Lạp cổ đại, từ "nguyên tử" được dịch là "không thể phân chia, nhỏ nhất". Quan điểm này là hệ quả của lịch sử khoa học. Một số người Hy Lạp và Ấn Độ cổ đại tin rằng mọi thứ trên thế giới đều được tạo thành từ các hạt nhỏ.
Trong lịch sử hiện đại, các thí nghiệm trong hóa học được thực hiện sớm hơn nhiều so với vật lýtìm kiếm. Các học giả của thế kỷ XVII và XVIII chủ yếu làm việc để tăng sức mạnh quân sự của một quốc gia, vua hoặc công tước. Và để tạo ra chất nổ và thuốc súng, cần phải hiểu chúng bao gồm những gì. Kết quả là, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng một số nguyên tố không thể tách rời khỏi một mức độ nhất định. Điều này có nghĩa là có những chất mang đặc tính hóa học nhỏ nhất.
Nhưng họ đã nhầm. Nguyên tử hóa ra là một hạt tổng hợp, và khả năng thay đổi của nó có bản chất lượng tử. Điều này được chứng minh bằng sự chuyển đổi các mức năng lượng của nguyên tử.
Tích cực và tiêu cực
Vào cuối thế kỷ 19, các nhà khoa học đã tiến gần đến việc nghiên cứu các hạt vật chất nhỏ nhất. Ví dụ, rõ ràng là một nguyên tử chứa cả thành phần tích điện dương và âm. Nhưng cấu trúc của nguyên tử vẫn chưa được biết: sự sắp xếp, tương tác, tỷ lệ trọng lượng của các nguyên tố của nó vẫn còn là một bí ẩn.
Rutherford đã thiết lập một thí nghiệm về sự tán xạ của các hạt alpha bởi lá vàng mỏng. Ông phát hiện ra rằng ở trung tâm của các nguyên tử là các phần tử dương nặng, và các phần tử âm rất nhẹ nằm ở các cạnh. Điều này có nghĩa là các hạt mang các điện tích khác nhau là các hạt không tương đồng với nhau. Điều này giải thích điện tích của nguyên tử: một nguyên tố có thể được thêm vào chúng hoặc loại bỏ. Sự cân bằng giữ cho toàn bộ hệ thống trung tính đã bị phá vỡ và nguyên tử nhận được một điện tích.
Electron, proton, neutron
Sau đó hóa ra: các hạt âm nhẹ là các electron, và một hạt nhân dương nặng bao gồmhai loại nucleon (proton và neutron). Các proton chỉ khác neutron ở chỗ cái trước mang điện tích dương và nặng, trong khi cái sau chỉ có khối lượng. Việc thay đổi thành phần và điện tích của hạt nhân là rất khó: nó đòi hỏi những năng lượng đáng kinh ngạc. Nhưng một nguyên tử dễ dàng hơn nhiều để phân chia bởi một electron. Có nhiều nguyên tử âm điện hơn, có nhiều khả năng "lấy đi" một điện tử hơn, và những nguyên tử có độ âm điện thấp hơn, có nhiều khả năng "cho đi" nó hơn. Đây là cách điện tích của một nguyên tử được hình thành: nếu thừa electron thì nó là âm, và nếu thiếu thì nó là dương.
Sự sống lâu dài của vũ trụ
Nhưng cấu trúc này của nguyên tử khiến các nhà khoa học bối rối. Theo vật lý cổ điển thịnh hành lúc bấy giờ, một electron, liên tục chuyển động xung quanh hạt nhân, phải liên tục bức xạ sóng điện từ. Vì quá trình này có nghĩa là mất năng lượng, nên tất cả các hạt âm sẽ sớm mất tốc độ và rơi vào hạt nhân. Tuy nhiên, vũ trụ đã tồn tại trong một thời gian rất dài, và thảm họa toàn cầu vẫn chưa xảy ra. Nghịch lý của vật chất quá cũ đã được sản xuất.
Định đề của Bohr
Định đề của Bohr có thể giải thích sự khác biệt. Khi đó chúng chỉ là những khẳng định, những bước nhảy vào cái chưa biết, không được hỗ trợ bởi tính toán hay lý thuyết. Theo các định đề, có các mức năng lượng của các electron trong nguyên tử. Mỗi hạt tích điện âm chỉ có thể ở các mức này. Sự chuyển đổi giữa các obitan (được gọi là mức) được thực hiện bằng một bước nhảy, trong khi một lượng tử năng lượng điện từ được giải phóng hoặc hấp thụ.năng lượng.
Sau đó, khám phá ra lượng tử của Planck đã giải thích hành vi này của các electron.
Ánh sáng và nguyên tử
Lượng năng lượng cần thiết cho quá trình chuyển đổi phụ thuộc vào khoảng cách giữa các mức năng lượng của nguyên tử. Chúng càng xa nhau, lượng tử phát xạ hoặc hấp thụ càng nhiều.
Như bạn đã biết, ánh sáng là lượng tử của trường điện từ. Do đó, khi một electron trong nguyên tử di chuyển từ mức cao hơn xuống mức thấp hơn, nó sẽ tạo ra ánh sáng. Trong trường hợp này, định luật ngược lại cũng được áp dụng: khi một sóng điện từ rơi vào một vật thể, nó sẽ kích thích các electron của nó và chúng chuyển động đến một quỹ đạo cao hơn.
Ngoài ra, các mức năng lượng của nguyên tử là riêng lẻ đối với từng loại nguyên tố hóa học. Mô hình khoảng cách giữa các obitan là khác nhau đối với hydro và vàng, vonfram và đồng, brom và lưu huỳnh. Do đó, việc phân tích quang phổ phát xạ của bất kỳ vật thể nào (kể cả các ngôi sao) sẽ xác định rõ ràng những chất nào và số lượng nào có trong nó.
Phương pháp này được sử dụng vô cùng rộng rãi. Phân tích phổ được sử dụng:
- trong pháp y;
- trong kiểm soát chất lượng thực phẩm và nước;
- trong sản xuất hàng hoá;
- trong việc tạo ra vật liệu mới;
- trong việc cải tiến công nghệ;
- trong các thí nghiệm khoa học;
- trong việc khám phá các vì sao.
Danh sách này chỉ cho thấy một cách đại khái việc khám phá các mức điện tử trong nguyên tử đã hữu ích như thế nào. Mức điện tử là thô nhất, lớn nhất. Có nhỏ hơnrung động, và thậm chí các mức độ quay tinh tế hơn. Nhưng chúng chỉ liên quan đến các hợp chất phức tạp - phân tử và chất rắn.
Phải nói rằng cấu trúc của hạt nhân vẫn chưa được khám phá đầy đủ. Ví dụ, không có câu trả lời cho câu hỏi tại sao một số lượng neutron như vậy lại tương ứng với một số lượng proton nhất định. Các nhà khoa học cho rằng hạt nhân nguyên tử cũng chứa một số mức điện tử tương tự. Tuy nhiên, điều này vẫn chưa được chứng minh.
