Níveis de Energia Atômica

Átomos constituem os blocos de construção de todos os materiais existentes. Nesses átomos, há uma parte central chamada núcleo (N na Figura 1) que consiste em prótons e nêutrons, ao redor do qual giram as partículas chamadas elétrons. Em seguida, deve-se notar que nem todos os elétrons que compõem o material considerado giram pelo mesmo caminho. No entanto, isso não significa que seus caminhos revolucionários possam ser aleatórios. Ou seja, cada elétron de um átomo particular tem seu próprio caminho dedicado, chamado órbita, ao longo do qual ele circula em torno do núcleo central. São essas órbitas que são referidas como níveis de energia de um átomo.

Isso ocorre porque cada um deles possui uma quantidade dedicada de energia que é expressa em termos de um múltiplo integral da equação
Onde h é a constante de Planck e υ é a frequência.

A Figura 2 mostra a energia finita possuída por diferentes estados de energia (e, portanto, por todos os elétrons presentes neles) em elétron-volts (eV). A partir da figura, pode-se ver que a energia dos elétrons aumenta à medida que se afasta do centro do átomo. Por exemplo, um elétron no primeiro estado de energia (E1) tem uma energia de -13,6 eV, aquele no segundo (E2) possui uma energia de -3,4 eV e assim por diante. Continuando assim, pode-se chegar a um nível no qual a energia se torna 0 eV, ou seja, o nível de energia E∞.

Agora, suponha que estamos fornecendo energia externa (que pode ser de qualquer maneira, incluindo a da luz) ao material. Essa energia fornecida será absorvida pelos elétrons presentes nos átomos que compõem o material. No entanto, os elétrons não são permitidos a absorver qualquer quantidade de energia que desejarem. Isso ocorre porque, se um elétron absorve alguma energia, então sua energia líquida muda. Isso, por sua vez, significa que o elétron não pode mais permanecer em seu nível de energia original. Por exemplo, um elétron no estado de energia E1 absorve 4 eV de energia. Ao fazer isso, a energia líquida do elétron aumentaria para
devido ao qual ele não pode mais permanecer no nível de energia E1, que tem sua energia como -13,6 eV. Além disso, ele não pode encontrar nenhum outro nível que tenha uma energia equivalente à que ele tem. Isso o faz perder seu rumo!

Por outro lado, se esse elétron absorve 10,2 eV de energia, então sua energia aumentada seria

Isto é, nada mais do que a energia possuída pelo nível E2, o que significa que o elétron que estava anteriormente em E1 agora está no nível de energia E2. Em outras palavras, dizemos que este elétron fez uma transição do nível E1 para o nível E2, o que, por sua vez, leva a um átomo excitado. No entanto, o elétron não pode permanecer neste estado instável por muito tempo. Ele logo retornará ao seu estado original, fazendo uma transição do nível E2 para o nível E1. Mas um ponto importante a ser observado aqui é o fato de que, ao fazer isso, o elétron emite uma energia de 10,2 eV (que é a mesma da absorvida) na forma de ondas eletromagnéticas.

A partir da discussão apresentada, é evidente que os elétrons só são permitidos a absorver (ou, equivalentemente, emitir) quantidades quantizadas de energia. A quantidade desta energia é nada mais do que a diferença nas energias dos níveis entre os quais a transição ocorre. Em seguida, a partir da Figura 2, vê-se que esta diferença entre os estados de energia vai diminuindo à medida que se afasta de E1, isto é, …

Isso significa que os elétrons nas camadas mais externas requerem menos energia para se excitar do que aqueles presentes nas camadas mais internas. Isso está de acordo com o fato bem conhecido de que os elétrons presentes perto do núcleo estão fortemente ligados aos átomos em comparação com aqueles que estão presentes mais distantes dele.
Embora tenhamos explicado o processo de excitação, o mesmo modo de argumento é válido também para o caso de liberação. Isso ocorre porque podemos assumir que, quando o elétron se excita até o nível de energia com energia de 0 eV (E∞), ele estaria completamente livre da força atrativa do núcleo do átomo. São esses elétrons livres que contribuem para a condução no caso de materiais como metais.

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