I livelli di energia dell'elettrone nell'atomo. Spiegazione della quantizzazione: dualità onda-particella

28/05/2019

Questo articolo ti dice quando sono stati scoperti i livelli di energia. E anche, come sono stati spiegati e come viene applicata una tale proprietà della materia come la quantizzazione dell'energia degli elettroni in un atomo.

Fulmine e marmo

livelli di energia

La struttura delle sostanze ha interessato l'umanità poiché è diventato possibile porre domande astratte senza preoccuparsi del cibo. Tali fenomeni terribili come lampi, inondazioni, siccità, hanno causato orrore. L'incapacità di spiegare ciò che sta accadendo intorno ha dato origine all'idea di dèi arrabbiati che chiedevano sacrifici. E ogni giorno, le persone cercavano in qualche modo di imparare come prevedere il tempo per essere pronti per il prossimo cataclisma. Il fatto che le sostanze siano costituite da particelle molto piccole, pensavano gli antichi greci. Hanno notato che i gradini di marmo, sui quali molte persone erano passate per decenni, cambiano forma, il che significa che ogni piede porta con sé parte della pietra. Da questa scoperta al concetto di quali sono i livelli di energia, è molto lontano nel tempo e in termini di conoscenza. Tuttavia, esattamente l'osservazione fatta più di tremila anni fa ha portato la nostra scienza a una visione moderna.

Rutherford e Bor

livelli di energia dell'atomo

All'inizio del ventesimo secolo, grazie agli esperimenti con l'elettricità, era già noto che la particella minima che porta tutte le proprietà chimiche di una sostanza è un atomo. In generale, era elettricamente neutro, ma conteneva elementi positivi e negativi. Gli scienziati avevano bisogno di capire come sono distribuiti. Sono stati proposti diversi modelli, uno dei quali è stato anche chiamato "panino con uvetta". famoso L'esperienza di Rutherford ha mostrato che al centro dell'atomo c'è un nucleo molto pesante, mentre la carica negativa è concentrata in piccoli elettroni di luce che ruotano sulla periferia. I livelli di energia degli elettroni in un atomo e il processo della loro scoperta hanno portato la fisica ad una svolta. Secondo le equazioni di Maxwell, qualsiasi oggetto caricato in movimento genera un campo, irradiando continuamente energia nello spazio. Quindi, la domanda sorse: perché gli elettroni ruotano negli atomi, ma non sono irradiati e non cadono sul nucleo, perdendo energia? grazie I postulati di Bohr è diventato chiaro che gli elettroni occupano determinati livelli di energia in un atomo e, essendo in queste orbite stabili, non perdono energia. Questa tesi teoretica necessitava di giustificazione fisica.

Planck e laser

livelli di energia degli elettroni in un atomo

Quando Max Planck, cercando di semplificare la soluzione di alcune equazioni, introdusse il concetto di quantum, iniziò una nuova era in fisica. Si chiama periodo non classico ed è associato a una serie di scoperte significative che hanno cambiato radicalmente la vita dell'umanità. Come la penicillina in medicina, quantistica in fisica ha trasformato l'intero sistema di conoscenza. È interessante notare che le nuove formule non hanno negato, ma, al contrario, hanno confermato le conclusioni precedenti. Sotto le condizioni di corpi sfusi, macrodistanze, velocità normali, si trasformarono in leggi familiari e comprensibili. La fisica quantistica ha aiutato a rispondere a molte domande, compreso il motivo per cui ci sono livelli di energia degli elettroni in un atomo. È diventato chiaro che gli elettroni possono saltare da un'orbita all'altra. In questo caso, a seconda della direzione del salto, si è verificato l'assorbimento o l'emissione di energia. Molte proprietà di sostanze sono costruite proprio su queste transizioni simili a salti. A causa del fatto che ci sono livelli di energia negli atomi, i laser funzionano, c'è la spettroscopia, è possibile creare nuovi materiali.

Onda e fotone

Tuttavia, il fenomeno stesso della quantizzazione dell'energia non fornisce una chiara spiegazione del perché alcuni livelli sono stabili e perché la distanza dall'orbita al nucleo di un atomo dipende. Un'idea non standard è venuta in soccorso. Tutto è iniziato con una discrepanza tra i risultati di diversi esperimenti sugli stessi oggetti. In alcuni casi, si sono comportati come particelle che hanno massa e, quindi, inerzia: hanno spostato le piastre, ruotato le lame. In altri - come un insieme di onde che sono in grado di intersecare, smorzare o amplificare a vicenda (ad esempio, fotoni, portatori di luce). Di conseguenza, gli scienziati dovevano ammettere: gli elettroni sono particelle e onde. La cosiddetta dualità onda-particella spiegava i livelli energetici dell'atomo. Come un'onda, un elettrone che si muove in un cerchio si sovrappone a se stesso. Quindi, se il massimo della "testa" coincide con il minimo della "coda", l'onda si attenua. A certe distanze dal centro, i massimi coincidono e l'elettrone può esistere, come se continuasse a sostenere se stesso, creando livelli di energia dell'atomo.

Chimica ed elettrone

livelli di energia degli atomi di elementi chimici

Nel processo di studio delle proprietà chimiche delle sostanze, si è scoperto che i livelli di ciascuno di essi sono diversi. Cioè, l'immagine dell'elio è diversa da quella dell'idrogeno, sebbene i loro numeri atomici differiscano di uno solo. I livelli di energia degli atomi degli elementi chimici dipendono dal loro numero totale. Cioè, risulta che gli elettroni superiori, per così dire, "mettevano pressione" ai livelli più bassi, costringendoli a muoversi. La struttura del guscio energetico dell'atomo ha le sue leggi, che sono determinate dai quattro numeri quantici principali. Conoscendoli, è facile per ogni tipo di elemento chimico calcolare i livelli di energia degli elettroni.