დღეს ჩვენ გეტყვით, თუ რა არის ატომის ენერგეტიკული დონე, როდის ხვდება ადამიანი ამ კონცეფციას და სად გამოიყენება იგი.
სასკოლო ფიზიკა
ადამიანები პირველად ხვდებიან მეცნიერებას სკოლაში. და თუ სწავლის მეშვიდე წელს ბავშვებს ჯერ კიდევ საინტერესოდ უჩნდებათ ახალი ცოდნა ბიოლოგიასა და ქიმიაში, მაშინ უფროს კლასებში ისინი შიშს იწყებენ. როდესაც ატომური ფიზიკის რიგი მოდის, ამ დისციპლინის გაკვეთილები უკვე მხოლოდ ზიზღს იწვევს გაუგებარი ამოცანების მიმართ. ამასთან, უნდა გვახსოვდეს, რომ ყველა აღმოჩენას, რომელიც ახლა მოსაწყენ სასკოლო საგნებად იქცა, აქვს არა ტრივიალური ისტორია და სასარგებლო აპლიკაციების მთელი არსენალი. იმის გარკვევა, თუ როგორ მუშაობს სამყარო, ჰგავს ყუთის გახსნას, რომელშიც რაღაც საინტერესოა შიგნით: თქვენ ყოველთვის გინდათ იპოვოთ საიდუმლო კუპე და იპოვოთ იქ სხვა საგანძური. დღეს ჩვენ ვისაუბრებთ ატომური ფიზიკის ერთ-ერთ ძირითად კონცეფციაზე, მატერიის სტრუქტურაზე.
განუყოფელი, კომპოზიტური, კვანტური
ძველი ბერძნული ენიდან სიტყვა "ატომი" ითარგმნება როგორც "განუყოფელი, უმცირესი". ეს შეხედულება მეცნიერების ისტორიის შედეგია. ზოგიერთი ძველი ბერძენი და ინდოელი თვლიდა, რომ სამყაროში ყველაფერი პატარა ნაწილაკებისგან შედგება.
თანამედროვე ისტორიაში ქიმიაში ექსპერიმენტები ფიზიკურზე ბევრად ადრე ტარდებოდაკვლევა. მეჩვიდმეტე და მეთვრამეტე საუკუნეების მეცნიერები ძირითადად მუშაობდნენ ქვეყნის, მეფის ან ჰერცოგის სამხედრო ძალაუფლების გასაზრდელად. ასაფეთქებელი ნივთიერებებისა და დენთის შესაქმნელად საჭირო იყო იმის გაგება, თუ რისგან შედგება ისინი. შედეგად, მკვლევარებმა დაადგინეს, რომ ზოგიერთი ელემენტის გამიჯვნა შეუძლებელია გარკვეული დონის მიღმა. ეს ნიშნავს, რომ არსებობს ქიმიური თვისებების ყველაზე პატარა მატარებლები.
მაგრამ ისინი ცდებოდნენ. ატომი კომპოზიტური ნაწილაკი აღმოჩნდა და მისი ცვლილების უნარი კვანტური ხასიათისაა. ამას მოწმობს ატომის ენერგეტიკული დონეების გადასვლები.
დადებითი და უარყოფითი
მეცხრამეტე საუკუნის ბოლოს მეცნიერები მიუახლოვდნენ მატერიის უმცირესი ნაწილაკების შესწავლას. მაგალითად, ნათელი იყო, რომ ატომი შეიცავს როგორც დადებითად, ასევე უარყოფითად დამუხტულ კომპონენტებს. მაგრამ ატომის სტრუქტურა უცნობი იყო: განლაგება, ურთიერთქმედება, მისი ელემენტების წონის თანაფარდობა საიდუმლოდ რჩებოდა.
რაზერფორდმა მოაწყო ექსპერიმენტი ალფა ნაწილაკების გაფანტვის შესახებ თხელი ოქროს ფოლგაში. მან აღმოაჩინა, რომ ატომების ცენტრში მძიმე დადებითი ელემენტებია, ხოლო ძალიან მსუბუქი ნეგატიური კიდეებზე. ეს ნიშნავს, რომ სხვადასხვა მუხტის მატარებლები არიან ნაწილაკები, რომლებიც არ ჰგვანან ერთმანეთს. ამით აიხსნება ატომების მუხტი: ელემენტის დამატება ან ამოღება შეიძლებოდა. ბალანსი, რომელიც ინარჩუნებდა მთელ სისტემას ნეიტრალურს, დაირღვა და ატომმა შეიძინა მუხტი.
ელექტრონები, პროტონები, ნეიტრონები
მოგვიანებით გაირკვა: მსუბუქი უარყოფითი ნაწილაკები ელექტრონებია, ხოლო მძიმე დადებითი ბირთვი შედგებაორი ტიპის ნუკლეონი (პროტონები და ნეიტრონები). პროტონები ნეიტრონებისაგან განსხვავდებოდნენ მხოლოდ იმით, რომ პირველი იყო დადებითად დამუხტული და მძიმე, ხოლო მეორეს მხოლოდ მასა. ბირთვის შემადგენლობისა და მუხტის შეცვლა რთულია: ის წარმოუდგენელ ენერგიას მოითხოვს. მაგრამ ატომი ბევრად უფრო ადვილია ელექტრონზე გაყოფა. უფრო მეტია ელექტრონეგატიური ატომები, რომლებიც უფრო მეტად „გაართმევენ“ელექტრონს და ნაკლებად ელექტროუარყოფითი ატომები, რომლებიც უფრო მეტად „გაძლევენ“მას. ასე ყალიბდება ატომის მუხტი: თუ ელექტრონები ჭარბობს, მაშინ ის უარყოფითია, ხოლო თუ დეფიციტი არის დადებითი.
სამყაროს ხანგრძლივი სიცოცხლე
მაგრამ ატომის ამ სტრუქტურამ მეცნიერები საგონებელში ჩააგდო. იმ დროს გაბატონებული კლასიკური ფიზიკის მიხედვით, ელექტრონი, რომელიც მუდმივად მოძრაობდა ბირთვის გარშემო, უწყვეტად უწევდა ელექტრომაგნიტური ტალღების გამოსხივებას. ვინაიდან ეს პროცესი ნიშნავს ენერგიის დაკარგვას, ყველა უარყოფითი ნაწილაკი მალე დაკარგავს სიჩქარეს და დაეცემა ბირთვს. თუმცა, სამყარო ძალიან დიდი ხნის განმავლობაში არსებობს და გლობალური კატასტროფა ჯერ არ მომხდარა. ძალიან ძველი მატერიის პარადოქსი მწიფდებოდა.
ბორის პოსტულატები
ბორის პოსტულატებმა შეიძლება ახსნას შეუსაბამობა. მაშინ ეს იყო მხოლოდ მტკიცებები, გადახტომები უცნობში, რაც არ იყო მხარდაჭერილი გამოთვლებით ან თეორიით. პოსტულატების მიხედვით, ატომში იყო ელექტრონების ენერგეტიკული დონეები. ყოველი უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკი შეიძლება იყოს მხოლოდ ამ დონეზე. ორბიტალებს შორის გადასვლა (ე.წ. დონეები) ხორციელდება ნახტომით, ხოლო ელექტრომაგნიტური ენერგიის კვანტი გამოიყოფა ან შეიწოვება.ენერგია.
მოგვიანებით, პლანკის აღმოჩენამ კვანტური ახსნა ელექტრონების ეს ქცევა.
სინათლე და ატომი
გადასვლისთვის საჭირო ენერგიის რაოდენობა დამოკიდებულია ატომის ენერგეტიკულ დონეებს შორის მანძილს. რაც უფრო შორს არიან ისინი ერთმანეთისგან, მით უფრო მეტად გამოიყოფა ან შეიწოვება კვანტი.
მოგეხსენებათ, სინათლე არის ელექტრომაგნიტური ველის კვანტი. ამრიგად, როდესაც ატომში ელექტრონი გადადის უფრო მაღალიდან ქვედა დონეზე, ის ქმნის სინათლეს. ამ შემთხვევაში ასევე მოქმედებს საპირისპირო კანონი: როდესაც ელექტრომაგნიტური ტალღა ეცემა ობიექტს, ის აღაგზნებს მის ელექტრონებს და ისინი გადადიან უფრო მაღალ ორბიტალზე.
გარდა ამისა, ატომის ენერგეტიკული დონეები ინდივიდუალურია თითოეული ტიპის ქიმიური ელემენტისთვის. ორბიტალებს შორის მანძილის ნიმუში განსხვავებულია წყალბადისა და ოქროს, ვოლფრამის და სპილენძის, ბრომისა და გოგირდისთვის. აქედან გამომდინარე, ნებისმიერი ობიექტის (მათ შორის ვარსკვლავების) ემისიის სპექტრის ანალიზი ცალსახად ადგენს, რომელი ნივთიერებები და რა რაოდენობითაა მასში.
ეს მეთოდი წარმოუდგენლად ფართოდ გამოიყენება. გამოყენებული სპექტრის ანალიზი:
- კრიმინალისტიკაში;
- საკვებისა და წყლის ხარისხის კონტროლში;
- საქონლის წარმოებაში;
- ახალი მასალების შექმნაში;
- ტექნოლოგიის გაუმჯობესებაში;
- მეცნიერულ ექსპერიმენტებში;
- ვარსკვლავების შესწავლაში.
ეს სია მხოლოდ უხეშად აჩვენებს, თუ რამდენად სასარგებლო იყო ატომში ელექტრონული დონის აღმოჩენა. ელექტრონული დონეები ყველაზე უხეში, ყველაზე დიდია. არის უფრო პატარავიბრაციული და კიდევ უფრო დახვეწილი ბრუნვის დონეები. მაგრამ ისინი აქტუალურია მხოლოდ რთული ნაერთებისთვის - მოლეკულები და მყარი.
უნდა ითქვას, რომ ბირთვის სტრუქტურა ჯერ კიდევ არ არის ბოლომდე შესწავლილი. მაგალითად, არ არსებობს პასუხი კითხვაზე, თუ რატომ შეესაბამება ნეიტრონების ასეთი რაოდენობა პროტონების გარკვეულ რაოდენობას. მეცნიერები ვარაუდობენ, რომ ატომის ბირთვი ასევე შეიცავს ელექტრონული დონის ზოგიერთ ანალოგს. თუმცა ეს ჯერ არ არის დადასტურებული.
