Енергийните нива на електрона в атома. Квантуване Обяснение: Двойственост на вълновите частици

Тази статия ви казва кога са открити енергийни нива. Също така, как се обяснява и как се прилага такова свойство на материята като квантуване на енергията на електрони в един атом.

Светкавица и мрамор

Структурата на веществата е заинтересувала човечеството, тъй като е възможно да се задават абстрактни въпроси, без да се притеснявате за храна. Такива ужасни явления, като мълния, наводнения, суши, предизвикаха ужас. Неспособността да се обясни какво се случва наоколо породи идеята за ядосани богове, които изискваха жертви. И всеки ден хората се опитваха някак си да се научат как да предсказват времето, за да бъдат готови за следващия катаклизъм. Фактът, че веществата се състоят от много малки частици, предположили са древните гърци. Те забелязали, че мраморните стъпала, на които много хора са преминали през десетилетията, променят формата си, което означава, че всяко стъпало носи със себе си част от камъка. От това откритие до концепцията за това какви са енергийните нива, то е много далеч както във времето, така и по отношение на знанието. Но точно тази забележка, направена преди повече от три хиляди години, доведе нашата наука до модерен поглед.

Ръдърфорд и Бор

В началото на ХХ век, благодарение на експериментите с електричество, вече беше известно, че минималната частица, която носи всички химически свойства на дадено вещество, е атом. Като цяло тя беше електрически неутрална, но съдържаше положителни и отрицателни елементи. Учените трябваше да разберат как се разпределят. Предложени са няколко модела, единият от които дори се нарича „кифла с стафиди“. известен Опитът на Ръдърфорд показа, че в центъра на атома има тежко положително ядро, докато отрицателният заряд е концентриран в малки светлинни електрони, които се въртят по периферията. Енергийните нива на електроните в един атом и процесът на тяхното откриване накараха физиката да пробие. Според уравненията на Максуел всеки движещ се обект генерира поле, което непрекъснато излъчва енергия в пространството. Така възниква въпросът: защо електроните се въртят в атомите, но не се излъчват и не попадат в ядрото, губейки енергия? благодаря Постулатите на Бор стана ясно, че електроните заемат определени енергийни нива в един атом и, ако са в тези стабилни орбити, те не губят енергия. Тази теоретична теза се нуждаеше от физическа обосновка.

Планк и лазери

Когато Макс Планк, опитвайки се да опрости решението на някои уравнения, въведе концепцията за квантовата, във физиката започва нова ера. Тя се нарича некласически период и се свързва с редица значими открития, които фундаментално променят живота на човечеството. Подобно на пеницилина в медицината, квантовата физика превръща цялата система на знанието. Трябва да се отбележи, че новите формули не отричат, а напротив, потвърждават предишните заключения. В условията на насипни тела, макродистанции, нормални скорости, те се превърнаха в познати и разбираеми закони. Квантовата физика е помогнала да се отговори на много въпроси, включително защо има енергийни нива на електрони в един атом. Стана ясно, че електроните могат да скачат от една орбита към друга. В този случай, в зависимост от посоката на скока, имаше или абсорбция, или излъчване на енергия. Много от свойствата на веществата са изградени именно на тези скокове подобни преходи. Поради факта, че има енергийни нива в атомите, лазерите работят, има спектроскопия, възможно е да се създават нови материали.

Вълна и фотон

Самото явление на енергийното квантуване обаче не дава ясно обяснение защо някои нива са стабилни и защо разстоянието от орбитата до ядрото в атом зависи. Нестандартна идея дойде на помощ. Всичко започна с несъответствие между резултатите от различни експерименти върху същите обекти. В някои случаи те се държаха като частици, които имат маса и следователно инерция: те преместваха плочите, въртяха остриетата. В други - като набор от вълни, които са в състояние да се пресичат, навлажняват или усилват взаимно (например, фотони, носители на светлина). В резултат на това учените трябваше да признаят: електроните са частици и вълни. Така наречената двойственост на вълновите частици обяснява енергийните нива на атома. Подобно на вълна, електрон, който се движи в кръг, се наслагва върху себе си. Така, ако максимумът на “главата” съвпада с минимума на “опашката”, вълната се отслабва. На определени разстояния до центъра максимумите съвпадат и електронът може да съществува, сякаш непрекъснато се поддържа, създавайки енергийни нива на атома.

Химия и електрон

В процеса на изучаване на химичните свойства на веществата се оказа, че нивата на всеки от тях са различни. Това означава, че хелиевата картина е различна от тази на водорода, въпреки че техните атомни номера се различават само с едно. Енергийните нива на атомите на химичните елементи зависят от техния общ брой. Тоест, се оказва, че горните електрони, така или иначе, „оказват натиск” на по-ниските нива, принуждавайки ги да се движат. Структурата на енергийната обвивка на атома има свои собствени закони, които се определят от четирите основни квантови числа. Познавайки ги, за всеки вид химически елемент е лесно да изчисли енергийните нива на електроните.