Основно съдържание
Текущ час:0:00Обща продължителност:9:59

Видео транскрипция

Това е много опростен модел на един атом. Ядрото в центъра на атома е мястото, където "живеят" протоните и неутроните, но те са донякъде скучни, понеже през повечето време просто си стоят там. Истинската звезда на шоуто е електронът. Електронът прави всички интересни неща, като да се движи, подскача и свързва с други атоми. Тези прекъснати линии представляват различните енергийни нива, които електронът може да има, докато е в атома. Предпочитаме да представяме тези енергийни нива с диаграма на енергийните нива. Диаграмата на енергийните нива ни дава начин да покажем каква енергия има електронът, без да трябва да чертаем атом с множество кръгчета постоянно. Да кажем, че предполагаемият ни атом има енергийни нива на електроните от 0eV, 4eV, 6eV и 7eV. Забележи, че придвижването наляво или надясно на една диаграма на енергийното ниво не представлява нищо значимо, така че технически няма ос х на една диаграма на енергийното ниво, но все пак я чертаем там, понеже така изглежда добре. Всичко, което има значение, е на кое енергийно ниво, или "стъпало" от стълбата, е електронът. Забележи, че електронът за хипотетичния ни атом тук може да съществува само с 0eV, 4, 6 или 7eV. Електронът не може да съществува между енергийните нива. Винаги ще е точно на едно от енергийните нива. Да кажем, че електронът ни започва от енергийно ниво 0eV. Добре е да отбележим, че най-ниското енергийно ниво, което един електрон може да има в един атом, се нарича основно състояние. Как може електронът ни да премине от основно състояние към което и да е от по-високите енергийни нива? За да премине електронът към по-високо енергийно ниво, трябва да дадем на електрона повече енергия и знаем как да дадем на един електрон повече енергия. Просто изстрелваме светлина към него. Ако един фотон с точната енергия може да удари един електрон, електронът ще абсорбира цялата енергия на фотона и преминава към по-високо енергийно ниво. Електронът в това основно състояние има нужда от 4eV, за да прескочи към следващото енергийно ниво. Това означава, че ако един фотон, който е имал енергия от 4eV, удари електрона, електронът ще абсорбира енергията на фотона, карайки фотона да изчезне, а този електрон ще премине към следващото енергийно ниво. Наричаме това първо енергийно ниво след основното състояние първо възбудено състояние. След като електронът е на по-високо енергийно ниво, няма да остане там за дълго. Електроните, ако имат възможност, ще паднат към най-ниското енергийно ниво, към което могат. Тоест електронът ни ще падне обратно до основно състояние и ще отдаде 4eV енергия. Начинът, по който един електрон може да отдаде енергия, е като излъчи един фотон. След като падне обратно до основното състояние, електронът ще излъчи фотон с 4eV. Но не е нужно електроните да прескачат енергийните нива едно по едно. Ако електронът в основното състояние абсорбира протон от 6eV, електронът може да прескочи чак до енергийно ниво 6eV. Сега, когато електронът е на по-високо енергийно ниво, той ще се опита да падне обратно надолу, но в този случай има два начина, по който може да падне обратно надолу. Електронът може отведнъж да падне обратно до основно състояние, отдавайки един протон от 6eV в този процес, но тъй като електронът започна от енергийно ниво 6eV, можеше първо да падне до енергийно ниво 4eV, излъчвайки един фотон от 2eV през това време. Това е фотон от 2eV, понеже енергията на електрона падна с 2 електрон волта и сега, когато електронът е при енергийно ниво 4eV, той ще падне обратно до основно състояние, излъчвайки един фотон от 4eV, докато прави това. Електроните понякога ще слязат надолу с няколко енергийни нива едновременно, а понякога ще "изберат" да направят отделни стъпки, но без значение от това, енергията на фотона винаги е равна на разликата в енергийните нива на електрона. А ако електронът ни е в основно състояние и изпратим един фотон от 5eV към него? Ако електронът абсорбира цялата енергия на фотона от 5eV, сега той ще има 5 електрон волта, но това не е позволено енергийно ниво, така че електронът не може да абсорбира този фотон и фотонът ще премине директно през атома. Помни това, електронът в атома трябва да абсорбира цялата енергия на фотона или никаква част от нея. Не може да абсорбира само част от нея. Сега можем да открием всеки възможен фотон, който този атом може да абсорбира. Ако електронът е в основно състояние, той може да абсорбира фотон от 4eV, 6eV или 7eV. Ако електронът е на второто енергийно ниво, също наречено първо възбудено състояние, електронът може да абсорбира фотон от 2eV или 3eV. И ако електронът беше на трето енергийно ниво, или второто възбудено състояние, електронът може да абсорбира един фотон от 1eV. Това са единствените фотони, които този атом може да абсорбира. Фотони от 2,5eV директно ще преминат, фотони от 5eV директно ще преминат, фотони от 6,3eV директно ще преминат. Това означава, че ако осветиш със светлина, която се състои от всички възможни дължини на вълните, един газ, който е съставен от нашите атоми, не всички от дължините на вълните ще преминат. Някои от дължините на вълните ще бъдат абсорбирани, после разпръснати в случайни посоки. Това ще се прояви като тъмни линии в спектъра, липсващи дължини на вълните или липсващи енергийни нива, които съответстват на енергиите на фотоните, които нашият електрон може да абсорбира. Това е като пръстов отпечатък за един атом и се нарича спектър на абсорбция на атома. Ако видиш тази прогресия на тъмни линии в точно тези позиции, ще знаеш, че газът, който гледаш, е бил съставен поне частично от нашия хипотетичен атом. Това също позволява на астрономите да определят от какви неща е изградена Вселената, въпреки че не можем да се приближим достатъчно, че да вземем проба от тях. Просто трябва да съберем светлина от далечна звезда или квазер, който свети през нещата, които ни интересуват, а после да определим кои дължини на вълните, или енергии, са били премахнати. Детайлите тук са малко по-объркани, но това предоставя на астрономите може би най-важния инструмент, който е на тяхно разположение. Абсорбционният спектър представлява всички дължини на вълните, или енергии, които един атом ще абсорбира от светлината, която преминава през него. Можеш да попиташ също и за емисионния спектър. Емисионният спектър представлява всички дължини на вълните, или енергии, които един атом ще излъчи, поради падането на електроните на по-ниски енергийни нива. Можеш да преминеш през всички възможности за падането на енергийните нива на електрона, но ще осъзнаеш, че ще получиш точно същите енергии за емисионния спектър, които получи за абсорбционния спектър. Така че вместо да осветяваш един газ, създаден от хипотетичните ти атоми, със светлина, да кажем, че направиш контейнер, в който имаш газ от хипотетичните си атоми, и пуснеш ток през него, възбуждайки тези електрони към по-високи енергийни нива и оставяйки ги да паднат обратно до по-ниски енергийни нива. Това се случва в неоновите светлини или ако си в лабораторията, това се случва в газоразрядните тръби. При емисионния спектър, вместо да видим целия електромагнитен спектър с няколко липсващи линии, ще видиш само няколко линии, които съответстват на енергиите на тези фотони, които този атом ще излъчи. Трябва да съм честен за нещо. Ако някои физици гледат видеото, те настръхват, понеже енергиите, които имат електроните в един атом, не са положителни. Енергиите, които един електрон може да има в един атом, всъщност са отрицателни стойности. Това е понеже електронът е свързан към атома. Всичко, което е свързано към нещо друго, ще има общи енергии, които са отрицателни. Това е аналогично на топка, ударена в дъното на една канавка. Ако топката не се движи, тя няма кинетична енергия и ако приемем, че основното ниво е при позиция h = 0, тогава тази топка ще има отрицателна гравитационна потенциална енергия. Тъй като топката има отрицателна обща енергия, тя е "заседнала" и свързана към канавката. Ако някои може да даде на тази топка достатъчно енергия, че тя да има положителна обща енергия, топката може да напусне канавката. Вече няма да е свързана към нея. За да направим хипотетичния си атом малко по-реалистичен, нека извадим 10eV от всяко енергийно ниво. Това всъщност не променя нещо. За да преминат електроните от основното състояние -10eV към първо възбудено състояние от -6eV, пак ще е нужен фотон от 4eV. Но хората ще се объркат с отрицателните знаци, така че внимавай. За да намериш енергията на фотона, който е бил абсорбиран или излъчен, винаги взимай по-високото енергийно ниво и от него изваждай по-ниското енергийно ниво. В този случай ще вземем -6eV и от нещо ще извадим -10eV, което ни казва, че ще е нужен фотон от 4eV, за да изблъска един електрон нагоре до това енергийно ниво, и електронът ще излъчи фотон от 4eV, ако падне обратно надолу от това ниво. Нещо друго, което е нереалистично за хипотетичния ни атом, е, че реалните атоми няма просто да спрат при -3eV за най-високото енергийно ниво. Реалните атоми имат енергийни нива, които се доближават все повече и повече, докато доближаваш 0eV. Какво се случва, когато един електрон получи повече от 0eV енергия? Ако един електрон има повече от 0 енергия, това означава, че има положителна енергия. И ако има положителна енергия, той вече не е свързан към атома. Ще е свободен да си върви, ще си "отиде" и ще кажем, че сме йонизирали атома чрез премахване на един електрон. Например да кажем, че електронът започна от енергийно ниво от -4eV и абсорбира един фотон от 7eV, този електрон ще има обща енергия от +3eV и ще се отдели от атома.