Livelli energetici atomici
Gli atomi costituiscono i mattoni di base di tutti i materiali esistenti. In questi atomi, c'è una parte centrale chiamata nucleo (N nella Figura 1) che è composto da protoni e neutroni, intorno al quale ruotano le particelle chiamate elettroni. Si deve notare che non tutti gli elettroni che costituiscono il materiale considerato ruotano lungo lo stesso percorso. Tuttavia, ciò non significa che i loro percorsi rivoluzionari possano essere casuali. Cioè, ogni elettrone di un particolare atomo ha il suo proprio percorso dedicato, chiamato orbita, lungo la quale circonda il nucleo centrale. Sono queste orbite che vengono definite livelli energetici di un atomo.
Questo avviene perché ognuno di essi possiede una quantità dedicata di energia che è espressa in termini di un multiplo integrale dell'equazione
Dove h è la costante di Planck e υ è la frequenza.
La Figura 2 mostra l'energia finita posseduta dai diversi stati energetici (e quindi da tutti gli elettroni presenti in essi) in elettronvolt (eV). Dalla figura, si può vedere che l'energia degli elettroni aumenta allontanandosi dal centro dell'atomo. Ad esempio, un elettrone nello stato energetico E1 ha un'energia di -13,6 eV, quello nel secondo (E2) possiede un'energia di -3,4 eV e così via. Continuando così, si può raggiungere un livello in cui l'energia diventa 0 eV, cioè il livello energetico E∞.
Ora, supponiamo di fornire energia esterna (che può essere in qualsiasi modo, incluso quello della luce) al materiale. Questa energia fornita sarà assorbita dagli elettroni presenti negli atomi che costituiscono il materiale. Tuttavia, gli elettroni non sono liberi di assorbire qualsiasi quantità di energia come desiderano. Ciò avviene perché, se un elettrone assorbe qualche energia, allora la sua energia netta cambia. Ciò significa che l'elettrone non può più rimanere nel suo livello energetico originale. Ad esempio, un elettrone nello stato energetico E1 assorbe 4 eV di energia. Facendo ciò, l'energia netta dell'elettrone aumenterebbe a
per cui non può più rimanere nel livello energetico E1 che ha un'energia di -13,6 eV. Inoltre, non può trovare alcun altro livello che abbia un'energia equivalente a quella che ha. Questo lo fa perdere il suo percorso!
D'altra parte, se questo elettrone assorbe un'energia di 10,2 eV, allora la sua energia aumentata sarebbe
Questa è nient'altro che l'energia posseduta dal livello E2, il che significa che l'elettrone che era precedentemente in E1 ora si trova nel livello energetico E2. In altre parole, diciamo che questo elettrone ha effettuato una transizione dal livello E1 al livello E2, che a sua volta porta a un atomo eccitato. Tuttavia, l'elettrone non può rimanere in questo stato instabile a lungo. Presto tornerà al suo stato originale effettuando una transizione dal livello E2 al livello E1. Ma un punto importante da notare qui è il fatto che, facendo ciò, l'elettrone emette un'energia di 10,2 eV (che è la stessa dell'assorbita) sotto forma di onde elettromagnetiche.
Dalla discussione presentata, risulta evidente che agli elettroni è permesso assorbire (o equivalentemente emettere) solo quantità quantizzate di energia. L'ammontare di questa energia non è altro che la differenza tra le energie dei livelli tra i quali avviene la transizione. Inoltre, dalla Figura 2, si vede che questa differenza tra gli stati energetici diminuisce man mano che ci si allontana da E1, cioè …
Ciò significa che gli elettroni nelle conchiglie esterne richiedono meno energia per eccitarsi rispetto a quelli presenti nelle conchiglie interne. Questo è in accordo con il ben noto fatto che gli elettroni presenti vicino al nucleo sono fortemente legati all'atomi piuttosto che quelli presenti lontano da esso.
Anche se abbiamo spiegato il processo di eccitazione, lo stesso schema di argomentazione vale anche per il caso di liberazione. Ciò avviene perché possiamo assumere che l'elettrone, quando viene eccitato al livello energetico con un'energia di 0 eV (E∞), sarebbe completamente libero dalla forza attrattiva del nucleo dell'atomo. Sono questi elettroni liberi che contribuiscono alla conduzione nel caso di materiali come i metalli.
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