Атомні енергетичні рівні

Атоми є будівельними блоками всіх існуючих матеріалів. У цих атомах є центральна частина, називається ядром (N на рисунку 1), яке складається з протонів та нейтронів, навколо якого обертаються частинки, називаються електронами. Далі, варто зазначити, що не всі електрони, що становлять розглянутий матеріал, обертаються по одній і тій же траєкторії. Проте це не означає, що їх траєкторії можуть бути довільними. Іншими словами, кожен електрон певного атома має свою власну дедиковану траєкторію, яка називається орбітою, навколо якої він обертається навколо центрального ядра. Саме ці орбіти називаються енергетичними рівнями атома.

Це тому, що кожен з них має визначену кількість енергії, яка виражається через ціле кратне рівняння
де h - стала Планка, а υ - частота.

Рисунок 2 показує скінчену енергію, яку мають різні енергетичні стани (і, таким чином, всі електрони, що в них присутні) у електронвольтах (eV). З рисунка видно, що енергія електронів зростає, коли ми віддаляємося від центру атому. Наприклад, електрон у першому енергетичному стані (E1) має енергію -13.6 eV, той у другому (E2) має енергію -3.4 eV і так далі. Продовжуючи, можна досягти рівня, при якому енергія стає 0 eV, тобто енергетичний рівень E∞.

Тепер припустимо, що ми надаємо зовнішню енергію (можливо, будь-яким способом, включаючи світло) матеріалу. Ця надана енергія буде поглиннута електронами, що присутні в атомах, що складають матеріал. Однак електронам не дозволяється поглинати будь-яку кількість енергії, яку вони бажають. Це тому, що, якщо електрон поглинає деяку енергію, то його загальна енергія змінюється. Це, в свою чергу, означає, що електрон більше не може залишатися на своєму оригінальному енергетичному рівні. Наприклад, якщо електрон у енергетичному стані E1 поглинає 4 eV енергії, то його загальна енергія збільшиться до
через що він більше не може залишатися на енергетичному рівні E1, який має енергію -13.6 eV. Більше того, він не може знайти жодного іншого рівня, який має енергію, еквівалентну тій, яку він має. Це робить його безпілотним!

З іншого боку, якщо цей електрон поглинає 10.2 eV енергії, то його збільшена енергія буде

Це нічого іншого, як енергія, яку має рівень E2, що означає, що електрон, який раніше був у E1, тепер знаходиться на енергетичному рівні E2. Іншими словами, ми кажемо, що цей електрон зробив переход від рівня E1 до рівня E2, що, в свою чергу, призводить до збудженого атома. Однак електрон не може довго залишатися в цьому нестабільному стані. Він скоро повернеться до свого оригінального стану, зробивши переход від рівня E2 до рівня E1. Але важливий момент, який слід зазначити, полягає в тому, що, роблячи це, електрон виділяє енергію 10.2 eV (яка така ж, як і поглинута) у вигляді електромагнітних хвиль.

З розгляду, представленого, очевидно, що електронам дозволено поглинати (або, еквівалентно, виділяти) лише квантовані кількості енергії. Кількість цієї енергії - це просто різниця енергій рівнів, між якими відбувається переход. Далі, з рисунка 2 видно, що ця різниця між енергетичними станами поступово зменшується, коли ми віддаляємося від E1, тобто ...

Це означає, що електрони в зовнішніх оболонках потребують меншої кількості енергії для збудження, ніж ті, що присутні в внутрішніх оболонках. Це відповідає добре відомому факту, що електрони, присутні близько до ядра, сильно зв'язані з атомами, ніж ті, що присутні далеко від нього.
Хоча ми пояснили процес збудження, той самий спосіб аргументації справедливий і для випадку звільнення. Це тому, що ми можемо припустити, що електрон, коли збуджується до енергетичного рівня з енергією 0 eV (E∞), він буде повністю вільним від притягальної сили ядра атома. Саме ці вільні електрони сприяють провідності у випадку матеріалів, таких як метал.

Заява: Поважайте оригінал, добри статті варті поширення, якщо є порушення авторських прав зв'яжіться для видалення.