Атомные энергетические уровни

Атомы являются строительными блоками всех существующих материалов. В этих атомах есть центральная часть, называемая ядром (N на рисунке 1), которое состоит из протонов и нейтронов, вокруг которого вращаются частицы, называемые электронами. Далее следует отметить, что все электроны, составляющие рассматриваемый материал, не вращаются по одному и тому же пути. Однако это не означает, что их пути вращения могут быть случайными. То есть, каждый электрон данного атома имеет свою собственную выделенную траекторию, называемую орбитой, по которой он движется вокруг центрального ядра. Именно эти орбиты называются энергетическими уровнями атома.

Это происходит потому, что каждый из них обладает определенным количеством энергии, выражаемым в виде целочисленного кратного уравнению
где h - постоянная Планка, а υ - частота.

Рисунок 2 показывает конечную энергию, которой обладают различные энергетические состояния (и, следовательно, все электроны, находящиеся в них) в электрон-вольтах (эВ). Из рисунка видно, что энергия электронов увеличивается, когда мы отдаляемся от центра атома. Например, электрон в первом энергетическом состоянии (E1) имеет энергию -13,6 эВ, тот, что во втором (E2) - энергию -3,4 эВ и так далее. Продолжая так, можно достичь уровня, на котором энергия становится 0 эВ, то есть энергетического уровня E∞.

Теперь предположим, что мы подаем внешнюю энергию (может быть любым способом, включая свет) на материал. Эта поданная энергия будет поглощаться электронами, находящимися в атомах, составляющих материал. Однако электроны не могут поглощать любое количество энергии, как им захочется. Это связано с тем, что, если электрон поглощает некоторую энергию, его общая энергия изменяется. Это, в свою очередь, означает, что электрон больше не может оставаться на своем исходном энергетическом уровне. Например, электрон в энергетическом состоянии E1 поглощает 4 эВ энергии. В результате этого общая энергия электрона увеличится до
вследствие чего он уже не может оставаться на энергетическом уровне E1, который имеет энергию -13,6 эВ. Более того, он не может найти другой уровень, который бы имел энергию, эквивалентную той, которую он имеет. Это приводит к потере его траектории!

С другой стороны, если этот электрон поглощает энергию 10,2 эВ, то его увеличенная энергия будет

Это ничто иное, как энергия, которой обладает уровень E2, что означает, что электрон, который ранее находился на уровне E1, теперь находится на энергетическом уровне E2. Иными словами, мы говорим, что этот электрон перешел с уровня E1 на уровень E2, что в свою очередь приводит к возбужденному атому. Однако электрон не может долго оставаться в этом неустойчивом состоянии. Он вскоре вернется в свое исходное состояние, сделав переход с уровня E2 на уровень E1. Однако важно отметить, что при этом электрон излучает энергию 10,2 эВ (которая равна поглощенной) в виде электромагнитных волн.

Из представленного обсуждения очевидно, что электроны могут поглощать (или, соответственно, испускать) только квантованные количества энергии. Количество этой энергии равно разности энергий уровней, между которыми происходит переход. Далее, из рисунка 2 видно, что эта разница между энергетическими состояниями уменьшается, когда мы отдаляемся от E1, то есть …

Это означает, что электроны, находящиеся на внешних оболочках, требуют меньшего количества энергии для возбуждения, чем те, которые находятся на внутренних оболочках. Это соответствует хорошо известному факту, что электроны, находящиеся ближе к ядру, сильно связаны с атомами, чем те, которые находятся дальше от него.
Хотя мы объяснили процесс возбуждения, тот же аргумент применим и к случаю освобождения. Это связано с тем, что мы можем предположить, что, когда электрон возбуждается до энергетического уровня с энергией 0 эВ (E∞), он будет полностью свободен от притяжения ядра атома. Именно эти свободные электроны вносят вклад в проводимость в случае материалов, таких как металлы.

Заявление: Уважайте оригинал, хорошие статьи стоят того, чтобы ими поделиться, если есть нарушение авторских прав, пожалуйста, свяжитесь для удаления.