XIX a. pabaigoje daugelis mokslininkų manė, kad fizika - jau išbaigtas mokslas. Visa, ką buvo įmanoma atrasti, jau atrasta. Liko tik perkelti fizikos žinias į chemiją ir biologiją. Fizikai gėrėjosi dviejų - trijų šimtmečių darbo vaisiumi - darnia pasaulio sąrangos teorija. Idilišką fizikų pasaulį temdė tik kelios neišspręstos problemos. Dar ne visai buvo aišku, kaip įkaitinti kūnai spinduliuoja šviesą ir kaip paaiškinti fotoefektą. Neilgai trukus šios problemos buvo išspręstos, tačiau visiškai netikėtu būdu. Joms išspręsti prireikė naujos teorijos. Dienos šviesą išvydo kvantinė teorija. Amžių sandūroje atsiradusi energijos kvantavimo hipotezė pradėjo naują mokslinės minties vystymosi etapą. Su šviesa susijusių reiškinių paaiškinimas ne tik kad nepadėjo paskutinio taško fizikos istorijoje, bet dargi pradėjo naują erą moksle. Kvantinė teorija atvėrė kelius naujiems atradimams. Didžiausias kvantinės teorijos nuopelnas - naujas atomo sandaros modelis.
Klasikiniai fizikos dėsniai negali tinkamai paaiškinti daugelio atomų ir molekulių savybių. Tai galima padaryti tik naudojantis kvantine teorija. Šiame skyriuje sužinosite, kaip elektronų būseną apibūdina kvantinė teorija, kas yra kvantiniai skaičiai, elektronų orbitalės. Šio skyriaus žiniomis naudosimės aiškindami elementų savybių periodinius dėsningumus, cheminius ryšius, tarpmolekulinės sąveikos jėgas.
Elektronų konfigūracija – pagrindinis įvadas
Elektromagnetinė spinduliuotė
Pagrindinis šio skyriaus tikslas - išsiaiškinti elektroninę atomo sandarą. Deja, savo akimis pamatyti, kaip sudarytas atomas, neįmanoma. Apie jo sandarą tenka spręsti iš įvairių bandymų. Svarbiausi iš jų - elektromagnetinės spinduliuotės ir medžiagos sąveikos tyrimai.
Jeigu kada nors teko sėdėti nedidelėje valtelėje, pajutote bangas. Jos periodiškai kilsteli ir nuleidžia valtelę. Banga - tam tikras judėjimas, kuriam vykstant sklinda energija. Elektrinis ir magnetinis laukas bangų pavidalu gali sklisti ir medžiagomis (pvz., stiklu), ir tuštuma - vakuumu. Toks energijos sklidimo būdas vadinamas elektromagnetine spinduliuote. Nors mums labiau įprastos vandens paviršiumi bėgančios bangos, pradžiai pakalbėkime apie banguojančią virvę arba stygą. Vandens, garso ir žemės drebėjimo sukeltos bangos sklinda tik medžiaga. Elektromagnetinės bangos sklinda ir medžiaga, ir tuštuma.
Paimkime ilgą virvę ir vieną jos galą pririškime prie durų rankenos. Kurioje nors virvės vietoje užlašinkime raudono rašalo. Dabar virvę nesmarkiai įtemkime ir pradėkime ją judinti aukštyn-žemyn (9.1 pav.). Tinkamai judinant virve ims sklisti banga. Mes matysime keteras, arba iškylas (vietas, kur virvė pakils aukščiausiai)ir įdubas (vietas, kur virvė nusileis žemiausiai). Keteros ir įdubos sklis iš vieno virvės galo į kitą. Raudono rašalo dėmė kartu su virve kils aukštyn ir leisis žemyn, tačiau neslinks iš vieno virvės galo į kitą. Paveiksle punktyru pažymėta centrinė linija. Aukščiausio keteros arba žemiausio įdubos taško atstumas nuo centrinės linijos vadinamas bangos amplitude.
Banga apibūdinama dar vienu dydžiu - dažniu, kuris žymimas graikų abėcėlės raide niu . Dažnis - tai bangos keterų skaičius, prasklindantis pro pasirinktą tašką per laiko vienetą (pvz., per sekundę). Jeigu stebėsime raudono rašalo tašką - dažnis bus lygus šio taško svyravimų skaičiui per vieną sekundę. Dažnio matas yra s-1, arba hercas Hz. Bangos ilgio ir dažnio sandauga yra lygi bangos greičiui. Jeigu bangos ilgis yra 0,5 m, o dažnis 3 s-1 (t.y. 3 pilni svyravimai per sekundę), banga sklinda 0,5 m × 3 s-1 = 1,5 m/s greičiu.
Dabar trumpai susipažinkime su elektromagnetine spinduliuote (9.2 pav). Ją sudarančio elektrinio ir magnetinio lauko dedamosios yra statmenos viena kitai. Erdvė aplink elektringąją dalelę yra pakitusi - ten yra elektrinis laukas. Kad šis laukas yra iš tikrųjų, galima nustatyti priartinant kitus įelektrintus kūnus. Juos veikia tam tikra jėga. Magnetas irgi pakeičia erdvės savybes. Aplink magnetą yra magnetinis laukas. 1865 m. Maksvelas (James Clerk Maxwell, 1831-1879) sukūrė elektromagnetinio lauko teoriją. Pagal šią teoriją kai įelektrintas kūnas juda su pagreičiu (t.y., kai jo greitis keičiasi), susidaro elektromagnetinės bangos - erdve sklinda elektrinis ir magnetinis laukas. Radijo bangos - tai elektromagnetinės spinduliuotė, kurią sukelia tam tikroje elektros grandinėje vykstantis elektros srovės svyravimas. Regimoji šviesa - tai irgi elektromagnetinė spinduliuotė. Ji susidaro dėl atomuose ir molekulėse esančių elektronų greičio pokyčių.
Elektromagnetinių bangų dažnis, ilgis ir greitisSI sistemoje dažnis matuojamas atvirkštinėmis sekundėmis s-1, arba hercais Hz, o bangos ilgis - metrais m. Angstremas 1 Å yra tradicinis nesisteminis ilgio matas. Jis taip pavadintas švedų fiziko Angstremo (Anders Ångström, 1814 - 1874) garbei. Elektromagnetinė spinduliuotė vakuumu sklinda pastoviu 2,997925•108 m/s greičiu. Šis greitis vadinamas šviesos greičiu ir žymimas simboliu c. Matome svarbiausias elektromagnetinės spinduliuotės rūšis. Atkreipkite dėmesį, kad kuo trumpesnės elektromagnetinės bangos, tuo didesnis jų dažnis.
Sklisdama kokia nors medžiaga (pvz., stiklu) šviesa sulėtėja. Todėl šviesai sklindant iš vienos aplinkos į kitą, matomas vadinamasis šviesos spindulių lūžis. Ir dar viena svarbi aplinkybė. Vakuume bet kurio bangos ilgio šviesos greitis yra vienodas. Patekusi į kokią nors medžiagą skirtingų bangos ilgių šviesa sulėtėja skirtingai. Tiesa, tie skirtumai yra labai maži. Tai, ką mes vadiname balta šviesa, iš tikrųjų yra įvairių bangos ilgių šviesos mišinys. Kai balta šviesa krenta į skaidrią medžiagą, skirtingų bangos ilgių šviesa lūžta skirtingai. Balta šviesa suskyla. Taip susidaro spalvų spektras.
matome, kas nutinka, kai siauras baltos šviesos pluoštelis krenta į stiklinę prizmę. Labiausiai užlinksta violetinė šviesa, mažiausiai - raudona. Baltos šviesos pluoštelis suskyla sudarydamas spalvotą juostą - spektrą.
Gatvės apšviečiamos gyvsidabrio ir natrio garų lempomis. Gyvsidabrio lempos šviesa yra melsva, o natrio - gelsva. Vadinasi, gyvsidabrio lempos skleidžia mažesnio bangos ilgio, t.y. didesnio dažnio elektromagnetinę spinduliuotę.
Prisiminkime svarbiausius šio poskyrio faktus:
- Bangos ilgis ir dažnis yra atvirkščiai proporcingi vienas kitam (9.1 formulė): kuo didesnis bangos ilgis, tuo mažesnis dažnis.
- Nuo bangos ilgio priklauso šviesos spalva (9.3 pav.). Mažėjant bangos ilgiui spalvos keičiasi taip: raudona > oranžinė > geltona > žalia > mėlyna.
Elektromagnetinis spektras
Elektromagnetinio spektro schema
Atominis spektras
Šviesos šaltinis gali būti saulė arba paprasčiausia kaitinamoji lempa. Jeigu šviesa būtų tik vieno bangos ilgio, už prizmės matytume vieną plyšio atvaizdą. Tačiau balta šviesa susideda iš daugelio ilgių bangų, kurios lūžta skirtingu kampu. Todėl skirtingų ilgių bangos sudaro plyšių atvaizdus skirtingose vietose. Tų atvaizdų yra tiek daug, kad jie susilieja į ištisinę spalvotą juostą. Viename šios juostos gale matome raudoną spalvą, kitame - violetinę. Baltos šviesos spektras yra ištisinis.
Kai kurių švytinčių dujų spektras gali būti kitoks. Praleidus jų šviesą per prizmę, matoma keletą spalvotų linijų, tarp kurių lieka juodi tarpai. Tai linijinis, arba atominis spektras (9.7 pav.). Kiekvienam elementui būdingas nepakartojamas linijinis spektras. Tai savotiški elemento pirštų atspaudai.
Pirmąjį spektroskopą sukūrė Robertas Bunzenas (Robert Bunsen, 1811-1899) ir Gustavas Kirhofas (Gustav Kirchhoff, 1824-1887). Šį prietaisą jie pritaikė nustatyti jau žinomiems elementams ir netgi atrasti naujiems. 1860 m. jie atrado naują elementą, kurį pavadino ceziu (lot. caesius - žydras; jo spektre buvo matomos ryškios žydros linijos). 1861 m. Bunzenas ir Kirhofas atrado rubidį (lot. rubidius - tamsiai raudonas). Helis irgi buvo atrastas pasinaudojus spektroskopu. 1868 m. stebint Saulės užtemimą buvo pastebėtos jokiam žinomam elementui nepriklausančios spektro linijos. Saulėje atrastas elementas buvo pavadintas heliu (gr. helios - saulė). Žemėje aptikti helį pavyko tik po 27 metų.
Kruopščiausiai buvo tiriamas vandenilio spektras. Vandenilio lempa skleidžia purpurinę šviesą. Pagrindinis vandenilio spinduliuotės komponentas yra raudonos spalvos 656,3 nm ilgio šviesos bangos. Tačiau vandenilio spektre yra ir kitų linijų, kurios atitinka tokias bangas: 486,1 nm (žalsvai mėlyna), 434,0 nm (violetinė) ir 410,1 (irgi violetinė). 1885 m. Johanas Balmeris (Johann Balmer) pastebėjo ryšį tarp vandenilio spektro linijų dažnių.
Kodėl spektrą sudaro tik tam tikro linijos, kurių dažnis kinta dėsningai? Ar tai kaip nors nėra susiję su atomo sandara? Pirmiausia tai rodė, kad susižadindamas atomas gali įgyti tik tam tikras energijos vertes. Deja, klasikinė XIX a fizikos teorija negalėjo paaiškinti, kaip susidaro linijinis spektras.
Kvantinė teorija
Turbūt pastebėjote, kad stipriai įkaitinti kūnai ima švytėti. Įjungę elektrinę viryklę pastebime, kad nuo jos spiralės sklinda šiluma, vėliau ji pradeda švytėti blausiai raudonai, galiausiai - skaisčiai raudonai. Elektros lemputės siūlelis skleidžia akinamai baltą šviesą. Devynioliktojo amžiaus fizikai negalėjo išsamiai paaiškinti kietųjų kūnų spinduliuotės dėsningumų.
1900 m. Maksui Plankui (Max Planck, 1858-1947) kilo netikėta mintis. Medžiagų sandara yra netolydi. Bet kuri medžiaga susideda iš mažyčių nedalomų “porcijų” - atomų. Gal ir energija yra netolydi? Gal ji susideda iš energijos “porcijų”? Klasikinės fizikos požiūriu nėra jokių apribojimų, kokį energijos kiekį galėtume suteikti kokiam nors kūnui. Bet jei egzistuoja energijos “porcijos” - fizikai juos pavadino kvantais - tai kūnai negali vienas kitam perduoti mažiau nei vieną energijos “porciją”. E = h•
Proporcingumo konstanta h dabar vadinama Planko konstanta. Ji lygi 6,626•10-34 J•s. Naudojantis Planko energijos kvantuotumo hipoteze pavyko paaiškinti įkaitintų kūnų spinduliavimo dėsningumus. O 1905 m. Albertas Einšteinas šią hipotezę panaudojo fotoefektui aiškinti.
1888 H. Hercas atrado fotoefektą. Šį reiškinį kruopščiai tyrė P. Lenardas. Kai kurie metalai yra jautrūs šviesai. Šviesos pluoštas įelektrina šiuos metalus teigiamai. Taip yra todėl, kad šviesa išmuša dalį metalo elektronų. Lenardas nustatė, kad kuo intensyvesnė šviesa, tuo daugiau elektronų išlekia iš metalo. Tačiau išlėkusių elektronų energija nepriklauso nuo šviesos intensyvumo. Tačiau keičiant šviesos dažnį (spalvą), elektronų energija irgi keičiasi. Mėlyna šviesa suteikia išmuštiems elektronams daugiau energijos, negu raudona.
Problemą išsprendė A. Einšteinas. Jis nusprendė, kad elektromagnetinė spinduliuotė susideda iš savotiškų “šviesos atomų” - fotonų (9.11 pav.), kurių energija apskaičiuojama pritaikius Planko formulę (9.3). Šviesos energija sukoncentruota fotonuose. Atsitrenkęs į elektroną...
Tai pravartu žinoti…
Kodėl mes nepastebime energijos kvantuotumo? Planko konstanta - nepaprastai mažas dydis. Net ir labai didelį dažnį padauginę iš Planko konstantos gausime labai mažą energijos vertę. Erdvėlaivis, automobilis, golfo kamuoliukas ir net mažytė smiltelė yra per didelį, kad vienas energijos kvantas pakeistų jų judėjimą. Visiems plika akimi matomiems kūnams nėra reikalo taikyti kvantinės teorijos. Šių kūnų energiją galime laikyti esant tolydžią. Energijos kvantai svarbūs tik mikropasaulio objektams - atomams, molekulėms, elektronams, radikalams.
Elektronas nekaupia kelių fotonų energi- jos. Jį išmuša vienas atsitrenkęs fotonas. Štai kodėl elektronas įgyja tik tiek energi-jos, kiek jos “atneša” vienas fotonas. Kuo didesnis šviesos intensyvumas, tuo dau-giau fotonų “bombarduoja” metalą. Todėl didinant intensyvumą didėja tik išmuštų elektronų skaičius, bet ne jų energija.
tags: #kiek #elektronu #gali #but #sluoksniuose