原子エネルギー準位

原子は存在するすべての物質の構成要素です。これらの原子には、プロトンと中性子で構成される中心部（図1のN）があり、その周りを電子という粒子が回っています。次に、考慮されている物質を構成するすべての電子が同じ経路を回るわけではないことに注意が必要です。しかし、これはそれらの回転経路がランダムであることを意味するわけではありません。つまり、特定の原子の各電子には、その電子が核の周りを回る専用の経路があり、これを軌道と呼びます。これらの軌道は、原子のエネルギーレベルと呼ばれます。

これは、それぞれが以下の式で表される整数倍のエネルギーを持つためです。
ここでhはプランク定数、υは周波数です。

図2は、異なるエネルギーステート（そしてそれらに存在するすべての電子）が持つ有限のエネルギーを電子ボルト（eV）で示しています。図から、電子のエネルギーは原子の中心から遠ざかるほど増加することがわかります。たとえば、第1エネルギーステート（E1）にある電子は-13.6 eVのエネルギーを持ち、第2（E2）では-3.4 eVのエネルギーを持ちます。このように続いていき、エネルギーが0 eVとなるレベル（E∞）に達します。

ここで、外部エネルギー（光を含む任意の方法で）を物質に供給すると仮定します。この供給されたエネルギーは、物質を構成する原子内の電子によって吸収されます。ただし、電子は自由に任意の量のエネルギーを吸収できるわけではありません。なぜなら、電子がエネルギーを吸収すると、そのネットエネルギーが変化し、もはや元のエネルギーレベルに留まることができないからです。たとえば、エネルギーステートE1にある電子が4 eVのエネルギーを吸収した場合、電子のネットエネルギーは
となり、-13.6 eVのエネルギーを持つエネルギーレベルE1に留まることはできません。また、それが持つエネルギーに等しい他のレベルを見つけることもできません。これにより、電子はその軌道を失います。

一方、この電子が10.2 eVのエネルギーを吸収した場合、その増加したエネルギーは

となります。これはエネルギーレベルE2が持つエネルギーであり、E1にいた電子がエネルギーレベルE2に移動したことを意味します。言い換えると、この電子はエネルギーレベルE1からエネルギーレベルE2へ遷移し、これが励起状態の原子を生じます。しかし、電子はこの不安定な状態で長く留まることはできません。すぐにエネルギーレベルE2からエネルギーレベルE1へと遷移し、元の状態に戻ります。ここで重要な点は、電子がこの遷移を行う際、吸収したのと同じ10.2 eVのエネルギーを電磁波の形で放出することです。

これまでの説明から、電子は量子化された量のエネルギーのみを吸収（または放出）することが許可されていることが明らかです。このエネルギーの量は、遷移が起こるエネルギーレベル間のエネルギー差に過ぎません。次に、図2から、エネルギーステート間のこの差はE1から離れるにつれて減少することがわかります……

これは、最も外側の殻にある電子は最も内側の殻にある電子よりも少ないエネルギーで励起されることを意味します。これは、原子核に近い電子が原子よりも強い結合を持っているというよく知られた事実と一致しています。
我々が励起過程を説明しましたが、解放の過程についても同様の議論が成立します。なぜなら、電子がエネルギーレベルE∞（エネルギーが0 eV）に励起されたと仮定すると、それは完全に原子核の引きつけ力から解放されると考えられます。これらの自由電子が金属などの材料での伝導に寄与します。

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