Poziomy energetyczne atomowe

Atomy stanowią podstawowe elementy budulcowe wszystkich istniejących materiałów. W tych atomach znajduje się centralna część zwana jądrem (N na Rysunku 1), składająca się z protonów i neutronów, wokół którego krążą cząstki zwane elektronami. Następnie należy zauważyć, że nie wszystkie elektrony tworzące rozważany materiał nie krążą po tej samej ścieżce. Jednak to nie oznacza, że ich ścieżki mogą być losowe. To znaczy, że każdy elektron danego atomu ma swoją własną dedykowaną ścieżkę, nazywaną orbitą, po której krąży wokół centralnego jądra. Są to te orbity, które są nazywane poziomami energetycznymi atomu.

To dlatego, że każdy z nich posiada dedykowaną ilość energii, która jest wyrażona jako całkowita wielokrotność równania
Gdzie h to stała Plancka, a υ to częstotliwość.

Rysunek 2 pokazuje skończoną energię posiadaną przez różne stany energetyczne (i tym samym wszystkie elektrony obecne w nich) w elektronoltach (eV). Z rysunku można zobaczyć, że energia elektronów wzrasta, gdy oddalamy się od środka atomu. Na przykład, elektron w pierwszym stanie energetycznym (E1) ma energię -13.6 eV, ten w drugim (E2) posiada energię -3.4 eV i tak dalej. Kontynuując tak, można dojść do poziomu, na którym energia wynosi 0 eV, czyli poziom E∞.

Załóżmy teraz, że dostarczamy zewnętrzną energię (może to być w dowolny sposób, w tym światło) do materiału. Ta dostarczona energia zostanie absorbowana przez elektrony obecne w atomach tworzących materiał. Jednak elektrony nie mogą absorbować jakiejś ilości energii, jakiej tylko chcą. To dlatego, że jeśli elektron absorbuje pewną ilość energii, jego całkowita energia ulega zmianie. Co oznacza, że elektron nie może już pozostać w swoim oryginalnym poziomie energetycznym. Na przykład, elektron w stanie energetycznym E1 absorbuje 4 eV energii. W takim przypadku, całkowita energia elektronu zwiększyłaby się do
co sprawia, że nie może już pozostać w poziomie energetycznym E1, który ma swoją energię -13.6 eV. Ponadto, nie widzi żadnego innego poziomu, który miałby energię równoważną tej, którą posiada. To powoduje, że traci swoją ścieżkę!

Z drugiej strony, jeśli ten elektron absorbuje energię 10.2 eV, to jego zwiększonej energii będzie

Co nic innego, jak energia posiadana przez poziom E2, co oznacza, że elektron, który był wcześniej w E1 jest teraz w poziomie energetycznym E2. Innymi słowy, mówimy, że ten elektron przeszedł przejście z poziomu E1 do poziomu E2, co prowadzi do pobudzonego atomu. Jednak elektron nie może długo pozostawać w tym niestabilnym stanie. Wkrótce powróci do swojego oryginalnego stanu, wykonując przejście z poziomu E2 do poziomu E1. Ale ważne jest tutaj zauważenie faktu, że robiąc to, elektron emituje energię 10.2 eV (która jest taka sama, jak ta absorbowana) w postaci fal elektromagnetycznych.

Z przedstawionej dyskusji wynika, że elektronom jest dozwolone absorbować (lub odpowiednio emitować) tylko kwantowane ilości energii. Ilość tej energii to nic innego, jak różnica w energiach poziomów, między którymi następuje przejście. Następnie, z Rysunku 2, widać, że ta różnica między stanami energetycznymi maleje, gdy oddalamy się od E1, czyli …

Oznacza to, że elektrony w najbardziej zewnętrznych powłokach wymagają mniejszej ilości energii, aby się pobudzić, niż te obecne w najbardziej wewnętrznych powłokach. Jest to zgodne z dobrze znanym faktem, że elektrony obecne w pobliżu jądra są silnie związane z atomy bardziej niż te, które są obecne dalej od niego.
Chociaż wyjaśniliśmy proces pobudzenia, ten sam tryb argumentacji jest prawdziwy również dla przypadku uwolnienia. To dlatego, że możemy założyć, że elektron, gdy jest pobudzony do poziomu energetycznego o energii 0 eV (E∞), byłby całkowicie wolny od siły przyciągania jądra atomu. Są to te wolne elektrony, które przyczyniają się do przewodzenia w przypadku materiałów takich jak metale.

Oświadczenie: Szanuj oryginał, dobre artykuły warto dzielić, w przypadku naruszenia praw autorskich prosimy o kontakt.