Niveaux d'énergie atomique

Les atomes constituent les blocs de construction de tous les matériaux existants. Dans ces atomes, il y a une partie centrale appelée noyau (N dans la Figure 1) qui se compose de protons et de neutrons, autour duquel tournent des particules appelées électrons. Ensuite, il convient de noter que tous les électrons constituant le matériau considéré ne tournent pas sur le même chemin. Cependant, cela ne signifie pas non plus que leurs chemins révolutionnaires puissent être aléatoires. C'est-à-dire que chaque électron d'un atome particulier a son propre chemin dédié, appelé orbite, le long duquel il tourne autour du noyau central. Ce sont ces orbites qui sont appelées niveaux d'énergie d'un atome.

Cela est dû au fait que chacun d'eux possède une quantité d'énergie dédiée qui est exprimée en termes de multiple entier de l'équation
Où h est la constante de Planck et υ est la fréquence.

La Figure 2 montre l'énergie finie possédée par différents états d'énergie (et donc tous les électrons présents dans ceux-ci) en électrovolt (eV). D'après la figure, on peut voir que l'énergie des électrons augmente à mesure qu'on s'éloigne du centre de l'atome. Par exemple, un électron dans le premier état d'énergie (E1) a une énergie de -13,6 eV, celui dans le second (E2) possède une énergie de -3,4 eV et ainsi de suite. Continuant ainsi, on peut atteindre un niveau auquel l'énergie devient 0 eV, c'est-à-dire le niveau d'énergie E∞.

Maintenant, supposons que nous fournissons de l'énergie externe (peut-être de n'importe quelle manière, y compris celle de la lumière) au matériau. Cette énergie fournie sera absorbée par les électrons présents dans les atomes constituant le matériau. Cependant, les électrons ne sont pas autorisés à absorber n'importe quelle quantité d'énergie comme ils le souhaitent. Cela est dû au fait que si un électron absorbe de l'énergie, alors son énergie nette change. Cela signifie que l'électron ne peut plus rester dans son niveau d'énergie original. Disons, par exemple, qu'un électron dans l'état d'énergie E1 absorbe 4 eV d'énergie. En faisant cela, l'énergie nette de l'électron augmenterait à
en raison de quoi il ne peut plus rester dans le niveau d'énergie E1 qui a son énergie de -13,6 eV. De plus, il ne peut pas trouver un autre niveau qui a une énergie équivalente à ce qu'il a. Cela le fait perdre sa trace !

D'autre part, si cet électron absorbe une énergie de 10,2 eV, alors son énergie augmentée serait

Ceci n'est rien d'autre que l'énergie possédée par le niveau E2, ce qui signifie que l'électron qui était auparavant dans E1 est maintenant dans le niveau d'énergie E2. Autrement dit, on dit que cet électron a effectué une transition du niveau E1 au niveau E2 qui conduit à un atome excité. Cependant, l'électron ne peut pas rester dans cet état instable pendant longtemps. Il reviendra bientôt à son état original en effectuant une transition du niveau E2 au niveau E1. Mais un point important à noter ici est le fait que, en faisant cela, l'électron émet une énergie de 10,2 eV (qui est la même que celle absorbée) sous forme d'ondes électromagnétiques.

Comme il ressort de la discussion présentée, il est évident que les électrons ne sont autorisés à absorber (ou émettre de manière équivalente) que des quantités d'énergie quantifiées. La quantité de cette énergie n'est rien d'autre que la différence entre les énergies des niveaux parmi lesquels la transition se produit. Ensuite, d'après la Figure 2, on voit que cette différence entre les états d'énergie diminue à mesure qu'on s'éloigne de E1 c'est-à-dire …

Cela signifie que les électrons dans les couches les plus externes nécessitent moins d'énergie pour être excités que ceux présents dans les couches les plus internes. Cela est conforme au fait bien connu que les électrons présents près du noyau sont fortement liés aux atomes plutôt que ceux qui sont présents loin de lui.
Bien que nous ayons expliqué le processus d'excitation, le même mode d'argumentation s'applique également au cas de la libération. Cela est dû au fait que nous pouvons supposer que l'électron, lorsqu'il est excité au niveau d'énergie avec une énergie de 0 eV (E∞), il serait complètement libre de la force attractive du noyau de l'atome. Ce sont ces électrons libres qui contribuent à la conduction dans le cas de matériaux comme les métaux.

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