Atomaire energieniveaus

Atomen vormen de bouwstenen van alle materialen die bestaan. In deze atomen is er een centraal gedeelte genaamd het nucleus (N in figuur 1) dat bestaat uit protonen en neutronen, waaromheen deeltjes genaamd elektronen cirkelen. Het moet worden opgemerkt dat niet alle elektronen die het beschouwde materiaal vormen, langs hetzelfde pad cirkelen. Dit betekent echter niet dat hun cirkelpaden willekeurig kunnen zijn. Dat wil zeggen, elk elektron van een bepaald atoom heeft zijn eigen toegewijd pad, genaamd baan, waarnaar het om het centrale nucleus cirkelt. Het zijn deze banen die worden aangeduid als energieniveaus van een atoom.

Dit komt omdat elk van hen een specifieke hoeveelheid energie bezit, die wordt uitgedrukt in termen van een geheel veelvoud van de vergelijking
Waarbij h de constante van Planck is en υ de frequentie.

Figuur 2 toont de eindige energie die verschillende energiestaten (en daarmee alle elektronen die zich daarin bevinden) in elektronvolt (eV) bezitten. Uit de figuur kan worden gezien dat de energie van de elektronen toeneemt naarmate men zich verder van het centrum van het atoom verwijdert. Bijvoorbeeld, een elektron in de eerste energiestaat (E1) heeft een energie van -13,6 eV, dat in de tweede (E2) heeft een energie van -3,4 eV enzovoort. Door zo door te gaan, kan men een niveau bereiken waarbij de energie 0 eV wordt, d.w.z. het energieniveau E∞.

Stel nu dat we externe energie (mogelijk op elke manier, inclusief licht) aan het materiaal toevoeren. Deze toegevoerde energie zal worden geabsorbeerd door de elektronen die zich in de atomen bevinden die het materiaal vormen. De elektronen mogen echter niet zomaar elke hoeveelheid energie absorberen die ze willen. Dit komt omdat, als een elektron enige energie absorbeert, dan verandert zijn netto-energie. Dit betekent dat het elektron niet langer in zijn oorspronkelijk energieniveau kan blijven. Stel bijvoorbeeld, een elektron in het energieniveau E1 absorbeert 4 eV energie. Door dit te doen, zou de netto-energie van het elektron toenemen tot
waardoor het niet langer in het energieniveau E1 kan blijven, dat een energie van -13,6 eV heeft. Bovendien kan het geen ander niveau zien dat een energie heeft die overeenkomt met wat het heeft. Dit doet het zijn weg verliezen!

Aan de andere kant, als dit elektron 10,2 eV energie absorbeert, dan zou zijn toegenomen energie zijn

Dit is niets anders dan de energie die het niveau E2 bezit, wat betekent dat het elektron dat eerst in E1 was, nu in het energieniveau E2 is. Met andere woorden, we zeggen dat dit elektron een overgang heeft gemaakt van het niveau E1 naar het niveau E2, wat leidt tot een geëxciteerd atoom. Het elektron kan echter niet lang in deze onstabiele staat blijven. Het zal snel terugkeren naar zijn oorspronkelijke staat door een overgang te maken van het niveau E2 naar het niveau E1. Maar een belangrijk punt om hier te noteren is het feit dat, terwijl dit gebeurt, het elektron een energie van 10,2 eV (hetzelfde als dat van de geabsorbeerde) uitstraalt in de vorm van elektromagnetische golven.

Uit de bespreking blijkt dat elektronen slechts gequantiseerde hoeveelheden energie mogen absorberen (of equivalent uitstralen). De hoeveelheid van deze energie is niets anders dan het verschil in de energieën van de niveaus waartussen de overgang plaatsvindt. Vervolgens, uit figuur 2, wordt gezien dat dit verschil tussen de energiestaten afneemt naarmate men zich verder van E1 verwijdert, d.w.z. …

Dit betekent dat de elektronen in de buitenste schillen minder energie nodig hebben om geëxciteerd te raken dan die in de binnenste schillen. Dit is in overeenstemming met het bekende feit dat de elektronen die zich in de buurt van het nucleus bevinden, sterk verbonden zijn aan de atomen in plaats van degenen die zich verder weg bevinden.
Hoewel we het proces van opwinding hebben uitgelegd, geldt dezelfde redenering ook voor het geval van bevrijding. Dit komt omdat we kunnen aannemen dat het elektron, wanneer het geëxciteerd raakt tot het energieniveau met een energie van 0 eV (E∞), volledig vrij zou zijn van de aantrekkende kracht van het atoomkern. Het zijn deze vrije elektronen die bijdragen aan geleiding in het geval van materialen zoals metalen.

Verklaring: Respecteer het oorspronkelijke, goede artikelen zijn de elkaar waard om gedeeld te worden, als er inbreuk is contacteer dan om te verwijderen.