Ατομικά Ενεργειακά Επίπεδα

Άτομα αποτελούν τα βασικά συστατικά όλων των υλικών που υπάρχουν. Σε αυτά τα άτομα, υπάρχει μια κεντρική ενότητα ονομαζόμενη πυρήνας (N στο Σχήμα 1) ο οποίος αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια, γύρω από τον οποίο κινούνται τα σωματίδια ονομαζόμενα ηλεκτρόνια. Επόμενο, πρέπει να σημειωθεί ότι όλα τα ηλεκτρόνια που αποτελούν το συγκεκριμένο υλικό δεν κινούνται κατά μήκος του ίδιου διαδρομής. Ωστόσο, αυτό δεν σημαίνει ότι οι διαδρομές τους μπορούν να είναι τυχαίες. Δηλαδή, κάθε ηλεκτρόνιο ενός συγκεκριμένου άτομου έχει τη δική του εξατομικευμένη διαδρομή, ονομαζόμενη τροχιά, κατά μήκος της οποίας κινείται γύρω από τον κεντρικό πυρήνα. Είναι αυτές οι τροχιές που αναφέρονται ως ενεργειακά επίπεδα ενός άτομου.

Αυτό συμβαίνει επειδή, κάθε ένα από αυτά διαθέτει μια εξατομικευμένη ποσότητα ενέργειας η οποία εκφράζεται ως ακέραιο πολλαπλάσιο της εξίσωσης
όπου h είναι η σταθερά Planck και υ η συχνότητα.

Το Σχήμα 2 δείχνει την πεπερασμένη ενέργεια που διαθέτουν διαφορετικά ενεργειακά καταστήματα (και επομένως όλα τα ηλεκτρόνια που παρουσιάζονται σε αυτά) σε ηλεκτρόνια βολτ (eV). Από το σχήμα, φαίνεται ότι η ενέργεια των ηλεκτρονίων αυξάνεται όσο κινείται κανείς μακριά από το κέντρο του άτομου. Για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο στο πρώτο ενεργειακό κατάστημα (E1) έχει ενέργεια -13.6 eV, ενώ αυτό στο δεύτερο (E2) έχει ενέργεια -3.4 eV και ούτω καθεξής. Συνεχίζοντας έτσι, θα μπορούσε κανείς να φτάσει σε ένα επίπεδο στο οποίο η ενέργεια γίνεται 0 eV δηλαδή το ενεργειακό επίπεδο E∞.

Τώρα υποθέτουμε ότι παρέχουμε εξωτερική ενέργεια (που μπορεί να είναι με οποιονδήποτε τρόπο, συμπεριλαμβανομένης της της φωτός) στο υλικό. Αυτή η παραχωρηθείσα ενέργεια θα απορροφηθεί από τα ηλεκτρόνια που παρούσια στα άτομα που αποτελούν το υλικό. Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια δεν επιτρέπεται να απορροφήσουν οποιαδήποτε ποσότητα ενέργειας όπως θέλουν. Αυτό συμβαίνει, επειδή, αν ένα ηλεκτρόνιο απορροφήσει κάποια ενέργεια, τότε η συνολική ενέργειά του αλλάζει. Αυτό σημαίνει ότι το ηλεκτρόνιο δεν μπορεί πλέον να μείνει στο αρχικό του ενεργειακό επίπεδο. Να λέμε για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο στο ενεργειακό κατάστημα E1 απορροφά 4 eV ενέργεια. Κάνοντας αυτό, η συνολική ενέργεια του ηλεκτρονίου θα αυξηθεί σε
λόγω του οποίου δεν μπορεί πλέον να μείνει στο ενεργειακό επίπεδο E1 το οποίο έχει ενέργεια -13.6 eV. Επιπλέον, δεν μπορεί να βρει κάποιο άλλο επίπεδο που έχει ενέργεια ισοδύναμη με αυτή που έχει. Αυτό το κάνει να χάσει την τροχιά του!

Σε αντίθεση, αν αυτό το ηλεκτρόνιο απορροφήσει ενέργεια 10.2 eV, τότε η αυξημένη ενέργειά του θα είναι

Αυτό δεν είναι τίποτα άλλο από την ενέργεια που διαθέτει το επίπεδο E2, σημαίνοντας ότι το ηλεκτρόνιο που ήταν προηγουμένως στο E1 είναι τώρα στο ενεργειακό επίπεδο E2. Με άλλα λόγια, λέμε ότι αυτό το ηλεκτρόνιο έχει κάνει μετάβαση από το επίπεδο E1 στο επίπεδο E2 ο οποίος συνεπώς οδηγεί σε ένα ενεργοποιημένο άτομο. Ωστόσο, το ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να παραμείνει σε αυτή την ασταθή κατάσταση για πολύ. Θα επιστρέψει σύντομα στην αρχική του κατάσταση κάνοντας μια μετάβαση από το επίπεδο E2 στο επίπεδο E1. Ωστόσο, ένα σημαντικό σημείο που πρέπει να σημειωθεί εδώ είναι το γεγονός ότι κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, το ηλεκτρόνιο εκπέμπει μια ενέργεια 10.2 eV (η οποία είναι ίδια με την απορροφηθείσα) σε μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Από τη συζήτηση που παρουσιάστηκε, είναι εμφανές ότι τα ηλεκτρόνια επιτρέπεται να απορροφούν (ή εκπέμπουν) μόνο ποσοτικοποιημένες ποσότητες ενέργειας. Η ποσότητα αυτής της ενέργειας είναι τίποτα άλλο από τη διαφορά των ενεργειακών επιπέδων μεταξύ των οποίων συμβαίνει η μετάβαση. Επόμενο, από το Σχήμα 2, φαίνεται ότι αυτή η διαφορά μεταξύ των ενεργειακών καταστάσεων μειώνεται όσο κινείται κανείς μακριά από το E1 δηλαδή …

Αυτό σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια στα εξωτερικά στελέχη απαιτούν λιγότερη ποσότητα ενέργειας για να ενεργοποιηθούν από ό,τι εκείνα που παρούσια στα εσωτερικά στελέχη. Αυτό συμφωνεί με το γνωστό γεγονός ότι τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται κοντά στον πυρήνα είναι ενδυναμωμένα συνδεδεμένα με το άτομο από ό,τι εκείνα που βρίσκονται μακριά από αυτό.
Παρόλο που έχουμε εξηγήσει τη διαδικασία της ενεργοποίησης, ο ίδιος τρόπος λογικής ισχύει ακόμη και για την περίπτωση της απελευθέρωσης. Αυτό συμβαίνει, επειδή, μπορούμε να υποθέσουμε ότι το ηλεκτρόνιο όταν ενεργοποιείται στο ενεργειακό επίπεδο με ενέργεια 0 eV (E