Atomare Energieebenen

Atome bilden die Bausteine aller existierenden Materialien. In diesen Atomen gibt es einen zentralen Bereich, den Kern (N in Abbildung 1), der aus Protonen und Neutronen besteht, um den sich die Elektronen bewegen. Es ist zu beachten, dass nicht alle Elektronen, die das betrachtete Material aufbauen, denselben Pfad beschreiben. Dies bedeutet jedoch nicht, dass ihre Bewegungspfade zufällig sein können. Jedes Elektron eines bestimmten Atoms hat seinen eigenen dedizierten Pfad, genannt Orbit, entlang dem es um den zentralen Kern kreist. Diese Orbits werden als Energieebenen des Atoms bezeichnet.

Dies liegt daran, dass jedes von ihnen eine bestimmte Menge an Energie besitzt, die durch ein ganzzahliges Vielfaches der Gleichung ausgedrückt wird
Wobei h die Planck-Konstante und υ die Frequenz ist.

Abbildung 2 zeigt die endliche Energie, die verschiedene Energiezustände (und damit alle darin befindlichen Elektronen) in Elektronenvolt (eV) besitzen. Aus der Abbildung kann man sehen, dass die Energie der Elektronen zunimmt, je weiter man sich vom Zentrum des Atoms entfernt. Zum Beispiel hat ein Elektron im ersten Energiezustand (E1) eine Energie von -13,6 eV, das im zweiten (E2) besitzt eine Energie von -3,4 eV und so weiter. Fortsetzend erreicht man schließlich einen Zustand, bei dem die Energie 0 eV beträgt, also die Energieebene E∞.

Nehmen wir nun an, wir geben dem Material externe Energie (dies könnte auf verschiedene Weisen, einschließlich Licht, erfolgen). Diese zugeführte Energie wird von den Elektronen in den Atomen, die das Material aufbauen, absorbiert. Die Elektronen dürfen jedoch nicht beliebig viel Energie absorbieren. Wenn ein Elektron Energie absorbiert, ändert sich seine Gesamtenergie. Dies bedeutet, dass das Elektron nicht länger in seiner ursprünglichen Energieebene bleiben kann. Angenommen, ein Elektron im Energiezustand E1 absorbiert 4 eV Energie. Durch diese Absorption würde die Gesamtenergie des Elektrons auf
steigen, wodurch es nicht mehr in der Energieebene E1 mit einer Energie von -13,6 eV bleiben kann. Darüber hinaus findet es keinen anderen Zustand, der eine Energie hat, die der seinen entspricht. Dies führt dazu, dass es seine Bahn verliert!

Wenn dieses Elektron jedoch 10,2 eV Energie absorbiert, dann wäre seine erhöhte Energie

Dies entspricht der Energie, die der Ebene E2 eigen ist, was bedeutet, dass das Elektron, das früher in E1 war, jetzt in der Energieebene E2 ist. Mit anderen Worten, wir sagen, dass dieses Elektron einen Übergang von der Ebene E1 zur Ebene E2 gemacht hat, was zu einem angeregten Atom führt. Allerdings kann das Elektron nicht lange in diesem instabilen Zustand verbleiben. Es wird bald in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren, indem es einen Übergang von der Ebene E2 zur Ebene E1 macht. Ein wichtiger Punkt hierbei ist, dass das Elektron dabei eine Energie von 10,2 eV (was gleich der absorbierten Energie ist) in Form elektromagnetischer Wellen emittiert.

Aus der vorgestellten Diskussion geht hervor, dass Elektronen nur quantisierte Mengen an Energie absorbieren (oder entsprechend emittieren) dürfen. Die Menge dieser Energie entspricht dem Unterschied in den Energien der Ebenen, zwischen denen der Übergang stattfindet. Aus Abbildung 2 geht hervor, dass dieser Unterschied zwischen den Energiezuständen abnimmt, je weiter man sich von E1 entfernt. Das bedeutet …

Das bedeutet, dass die Elektronen in den äußersten Schalen weniger Energie benötigen, um angeregt zu werden, als diejenigen, die in den innersten Schalen vorhanden sind. Dies ist im Einklang mit der bekannten Tatsache, dass die Elektronen in der Nähe des Kerns stärker an die Atome gebunden sind als die, die weiter entfernt sind.
Obwohl wir den Prozess der Anregung erklärt haben, gilt derselbe Argumentationsmodus auch für den Fall der Befreiung. Denn wir können annehmen, dass das Elektron, wenn es zu der Energieebene mit einer Energie von 0 eV (E∞) angeregt wird, vollständig frei von der anziehenden Kraft des Atomkerns ist. Es sind diese freien Elektronen, die zur Leitung in Fällen wie Metallen beitragen.

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