ระดับพลังงานอะตอม

อะตอม เป็นส่วนประกอบพื้นฐานของวัสดุทุกชนิดที่มีอยู่ ในอะตอมเหล่านี้ มีส่วนกลางที่เรียกว่า นิวเคลียส (N ในรูปที่ 1) ซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน และรอบๆ นิวเคลียสนี้จะมีอนุภาคที่เรียกว่าอิเล็กตรอนหมุนเวียนอยู่ ต่อไปนี้ควรทราบว่า อิเล็กตรอนที่ประกอบขึ้นเป็นวัสดุที่พิจารณานั้นไม่ได้หมุนเวียนตามเส้นทางเดียวกัน แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าเส้นทางการหมุนเวียนของพวกมันสามารถเป็นแบบสุ่มได้ กล่าวคือ อิเล็กตรอนแต่ละตัวในอะตอมเฉพาะเจาะจงมีเส้นทางเฉพาะของตนเอง เรียกว่าวงโคจร ซึ่งมันหมุนเวียนรอบนิวเคลียสกลาง วงโคจรเหล่านี้คือระดับพลังงานของอะตอม

เนื่องจากแต่ละอิเล็กตรอนมีพลังงานเฉพาะจำนวนหนึ่ง ซึ่งแสดงเป็นผลรวมของสมการ
เมื่อ h คือค่าคงที่ของพลังค์ และ ν คือความถี่

รูปที่ 2 แสดงพลังงานจำกัดที่มีอยู่ในสถานะพลังงานต่างๆ (และดังนั้นอิเล็กตรอนที่อยู่ภายใน) ในหน่วยอิเล็กตรอนโวลต์ (eV) จากภาพ จะเห็นว่าพลังงานของอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นเมื่อเราห่างออกไปจากศูนย์กลางของอะตอม ตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอนในสถานะพลังงานที่ 1 (E1) มีพลังงาน -13.6 eV ขณะที่ในสถานะที่ 2 (E2) มีพลังงาน -3.4 eV และต่อไปเรื่อยๆ จนถึงระดับที่พลังงานเท่ากับ 0 eV คือระดับพลังงาน E∞.

สมมติว่าเราให้พลังงานภายนอก (อาจเป็นในรูปใดก็ได้ รวมถึงแสง) แก่วัสดุ พลังงานที่ให้นี้จะถูกดูดซับโดยอิเล็กตรอนที่อยู่ในอะตอมที่ประกอบขึ้นเป็นวัสดุ แต่อิเล็กตรอนไม่ได้รับอนุญาตให้ดูดซับพลังงานในปริมาณใดๆ ตามที่ต้องการ เพราะหากอิเล็กตรอนดูดซับพลังงานบางส่วน พลังงานรวมของมันจะเปลี่ยนแปลง ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนไม่สามารถอยู่ในระดับพลังงานเดิมได้ ตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอนในสถานะพลังงาน E1 ดูดซับพลังงาน 4 eV เมื่อดูดซับแล้ว พลังงานรวมของอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นเป็น
ทำให้มันไม่สามารถอยู่ในระดับพลังงาน E1 ซึ่งมีพลังงาน -13.6 eV ได้อีก นอกจากนี้มันไม่สามารถหาระดับพลังงานอื่นที่มีพลังงานเท่ากับที่มันมีได้ ทำให้มันสูญเสียทางออก!

ในทางกลับกัน หากอิเล็กตรอนดูดซับพลังงาน 10.2 eV พลังงานรวมที่เพิ่มขึ้นจะเป็น

นี่คือพลังงานที่ระดับ E2 หมายความว่าอิเล็กตรอนที่เคยอยู่ใน E1 ตอนนี้อยู่ในระดับพลังงาน E2 หรือพูดอีกอย่างคือ อิเล็กตรอนนี้ได้ทำ переходจากระดับ E1 ไปยังระดับ E2 ทำให้อะตอมอยู่ในสถานะกระตุ้น แต่อิเล็กตรอนไม่สามารถอยู่ในสถานะไม่เสถียรนี้ได้นาน มันจะกลับไปยังสถานะเดิมโดยทำ переходจากระดับ E2 ไปยังระดับ E1 แต่สิ่งสำคัญที่ต้องทราบคือ ในขณะทำเช่นนี้ อิเล็กตรอนจะปล่อยพลังงาน 10.2 eV (เท่ากับพลังงานที่ดูดซับ) ในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

จากคำอธิบายข้างต้น พบว่าอิเล็กตรอนได้รับอนุญาตให้ดูดซับ (หรือปล่อย) พลังงานในปริมาณที่กำหนด ปริมาณพลังงานนี้คือความแตกต่างระหว่างพลังงานของระดับที่เกิดการเปลี่ยนแปลง ต่อมา จากรูปที่ 2 จะเห็นว่าความแตกต่างระหว่างระดับพลังงานลดลงเมื่อเราห่างออกไปจาก E1 นั่นคือ …

นั่นหมายความว่าอิเล็กตรอนในเปลือกนอกสุดต้องการพลังงานน้อยกว่าในการกระตุ้นเมื่อเทียบกับอิเล็กตรอนที่อยู่ในเปลือกใกล้เคียงกับนิวเคลียส ซึ่งสอดคล้องกับความจริงที่รู้จักกันว่า อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสจะมีการผูกพันอย่างแข็งแกร่งกับอะตอม มากกว่าอิเล็กตรอนที่อยู่ห่างจากนิวเคลียส
แม้ว่าเราจะอธิบายกระบวนการกระตุ้น แต่การอภิปรายในลักษณะเดียวกันยังใช้ได้สำหรับกรณีของการปลดปล่อย เช่น เราสามารถสมมติว่าอิเล็กตรอนเมื่อได้รับการกระตุ้นขึ้นไปยังระดับพลังงานที่มีพลังงาน 0 eV (E∞) มันจะได้รับการปลดปล่อยอย่างสมบูรณ์จากแรงดึงดูดของนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งอิเล็กตรอนที่ปลดปล่อยเหล่านี้คืออิเล็กตรอนที่มีส่วนสำคัญในการนำไฟฟ้าในวัสดุเช่นโลหะ

คำชี้แจง: ขอให้ เคารพ ต้นฉบับ บทความที่ดีควรแชร์ หากมีการละเมิดสิทธิ์ โปรดติดต่อลบ