Poziomy energii elektronu w atomie. Kwantyzacja Wyjaśnienie: Duality-cząstka falowa

W tym artykule dowiesz się, kiedy odkryto poziomy energii. A także, jak zostały wyjaśnione i jak zastosowana jest taka właściwość materii jak kwantyzacja energii elektronu w atomie.

Błyskawica i marmur

Struktura substancji interesowała ludzkość, ponieważ stało się możliwe zadawanie abstrakcyjnych pytań bez martwienia się o żywność. Takie straszne zjawiska, jak błyskawice, powodzie, susze, spowodowały horror. Niezdolność do wyjaśnienia, co się dzieje wokół, zrodziła ideę gniewnych bogów, którzy domagali się poświęceń. Każdego dnia ludzie starali się jakoś nauczyć przewidywania pogody, aby być gotowym na kolejny kataklizm. Fakt, że substancje składają się z bardzo małych cząsteczek, zgadywali starożytni Grecy. Zauważyli, że marmurowe schody, na których przez dziesięciolecia przechodziło wiele osób, zmieniają kształt, co oznacza, że ​​każda stopa zabiera ze sobą jakąś część kamienia. Od tego odkrycia po koncepcję poziomów energetycznych jest bardzo daleko w czasie i pod względem wiedzy. Jednak dokładnie ta uwaga, która powstała ponad trzy tysiące lat temu, doprowadziła naszą naukę do nowoczesnego poglądu.

Rutherford and Bor

Na początku XX wieku, dzięki eksperymentom z elektrycznością, było już wiadomo, że minimalna cząstka, która przenosi wszystkie właściwości chemiczne substancji, jest atomem. Generalnie był on neutralny elektrycznie, ale zawierał elementy pozytywne i negatywne. Naukowcy musieli dowiedzieć się, w jaki sposób są dystrybuowane. Zaproponowano kilka modeli, z których jeden był nawet nazywany "bułką z rodzynkami". Sławny Doświadczenie Rutherforda wykazali, że w centrum atomu znajduje się ciężkie dodatnie jądro, podczas gdy ładunek ujemny jest skoncentrowany w małych elektronach światła, które obracają się na obwodzie. Poziomy energii elektronów w atomie i proces ich odkrywania doprowadziły fizykę do przełomu. Zgodnie z równaniami Maxwella, każdy poruszający się naładowany obiekt wytwarza pole, nieustannie promieniując energię w przestrzeń. Powstało więc pytanie: dlaczego elektrony obracają się w atomach, ale nie są promieniowane i nie spadają na jądro, tracąc energię? Dzięki Postulaty Bohra stało się jasne, że elektrony zajmują określone poziomy energii w atomie i, będąc na tych stabilnych orbitach, nie tracą energii. Teza teoretyczna wymagała fizycznego uzasadnienia.

Planck i lasery

Kiedy Max Planck, próbując uprościć rozwiązanie niektórych równań, wprowadził pojęcie kwantu, nowa era zaczęła się w fizyce. Nazywa się to okresem nieklasycznym i wiąże się z wieloma znaczącymi odkryciami, które zasadniczo zmieniły życie ludzkości. Podobnie jak penicylina w medycynie, kwant w fizyce obrócił cały system wiedzy. Warto zauważyć, że nowe formuły nie zaprzeczyły, ale wręcz przeciwnie, potwierdziły poprzednie wnioski. W warunkach ciał masowych, makrodegancji, normalnych prędkości, zamieniły się w znajome i zrozumiałe prawa. Fizyka kwantowa pomogła odpowiedzieć na wiele pytań, w tym na pytanie, dlaczego w atomie są poziomy energii elektronów. Stało się jasne, że elektrony mogą przeskakiwać z jednej orbity na drugą. W tym przypadku, w zależności od kierunku skoku, nastąpiło pochłanianie lub emisja energii. Wiele właściwości substancji buduje się właśnie na tych skokowych przejściach. Ze względu na fakt, że istnieją poziomy energii w atomach, lasery działają, jest spektroskopia, możliwe jest tworzenie nowych materiałów.

Fala i foton

Jednak samo zjawisko kwantyzacji energii nie daje jasnego wyjaśnienia, dlaczego niektóre poziomy są stabilne i dlaczego odległość od orbity do jądra w atomie zależy. Na ratunek przybył nietypowy pomysł. Wszystko zaczęło się od rozbieżności między wynikami różnych eksperymentów na tych samych obiektach. W niektórych przypadkach zachowywali się jak cząstki, które mają masę, a zatem bezwładność: przesuwają talerze, obracają ostrza. W innych - jako zestaw fal, które są w stanie się przecinać, nawilżają się lub wzmacniają nawzajem (na przykład fotony, nośniki światła). W rezultacie naukowcy musieli przyznać: elektrony są cząstkami i falami. Tak zwana dualność falowo-cząsteczkowa wyjaśniała poziomy energetyczne atomu. Podobnie jak fala, elektron, który porusza się w kółku, nakłada się na siebie. Tak więc, jeśli maksimum "głowy" pokrywa się z minimum "ogona", fala ulega osłabieniu. W pewnych odległościach od centrum maksima pokrywają się, a elektron może istnieć, jakby stale się podtrzymywał, tworząc poziomy energetyczne atomu.

Chemia i elektron

W trakcie badania właściwości chemicznych substancji okazało się, że poziomy każdego z nich są różne. Oznacza to, że obraz helu jest inny niż wodór, chociaż ich liczba atomowa różni się tylko jednym. Poziomy energetyczne atomów pierwiastków chemicznych zależą od ich całkowitej liczby. Oznacza to, że górne elektrony, jak gdyby, "naciskały" na niższych poziomach, zmuszając je do ruchu. Struktura skorupy energetycznej atomu ma swoje własne prawa, które określają cztery główne liczby kwantowe. Znając je, każdy rodzaj pierwiastka chemicznego jest łatwy do obliczenia poziomów energii elektronów.