Atomin energiatasot
Atomiin sidottu elektroni voi olla vain tietyissä energiatiloissa. Spektriviiva syntyy, kun atomi siirtyy sallittujen tilojen välillä ja vaihtaa fotonin, jonka energia vastaa tasojen erotusta.
Perusajatus ja määritelmä
Sidotulla atomilla on diskreettejä stationaarisia energiatiloja. Vaakaviivat energiakaaviossa eivät ole elektronin ratoja. Perustila on alin sallittu energia ja sitä ylemmät sidotut tilat ovat viritystiloja.
Sidotut energiatasot ovat diskreettejä
Tämä seuraa mallista eikä ole irrallinen muistisääntö. Suureet kannattaa kirjoittaa näkyviin ja tarkistaa sekä yksiköt että fysikaalinen raja-arvo.
Vety: Eₙ = −13,6 eV/n²
Kohta ymmärretään parhaiten, kun symbolinen yhteys yhdistetään siihen elektroni- tai ydinrakenteeseen, joka todella muuttuu. Pelkkä trendi on helppo yleistää väärin.
Mekanismi ja kvantitatiivinen malli
Kun atomi siirtyy alemmalle tasolle, se voi emittoida fotonin Eγ=|ΔE|=hν=hc/λ. Absorptiossa fotonin energian on vastattava sallittua energiaeroa. Siksi sama atomi tuottaa tunnusomaisia emissio- ja absorptioviivoja.
Perustila ja viritystilat
Yhteys toimii hyvänä johdonmukaisuustestinä: tuloksen on sovittava säilymislakeihin, sallittuihin kvanttitiloihin ja oikeaan suuruusluokkaan.
Vetykaltaiset ionit skaalautuvat Z²:n mukaan
Keskimääräinen malli voi kuvata trendin olematta yhden paikallisen suureen suora mittaus. Tämä ero on tärkeä erityisesti monielektronisissa atomeissa.
Mitä havainnot ja laskut kertovat
Vedylle Eₙ=−13,6 eV/n² yksielektronisessa mallissa. Vetykaltaisella ionilla energia skaalautuu likimäärin Z²:n mukaan. Nollataso asetetaan ionisaatiorajalle, joten negatiivinen energia tarkoittaa sidottua tilaa.
ΔE = hν = hc/λ
Ideaalimallin lisäksi on tiedettävä, mikä kokeessa voi muuttaa havaintoa: viritystilat, ympäristö, ilmaisimen hyötysuhde tai monihiukkasvaikutukset.
Rajoitukset ja yhteydet
Monielektroniatomissa elektronien keskinäinen vuorovaikutus, varjostus ja spin–ratakytkentä siirtävät ja jakavat tasoja. Pelkkä n ei siis määrää energiaa, vaan orbitaalityyppi ja elektronien kytkennät ovat olennaisia.
Emissio ja absorptio ovat vastakkaisia siirtymiä
Kohta ymmärretään parhaiten, kun symbolinen yhteys yhdistetään siihen elektroni- tai ydinrakenteeseen, joka todella muuttuu. Pelkkä trendi on helppo yleistää väärin.
Ratkaistuja esimerkkejä
Tehtävä 1
ΔE=1,89 eV. Laske λ käyttäen hc≈1240 eV·nm.
Ratkaisu
λ=1240/1,89≈656 nm.
Tehtävä 2
Vedylle E₂=−3,40 eV ja E₄=−0,85 eV. Laske |ΔE| siirtymälle 4→2.
Ratkaisu
|ΔE|=2,55 eV; emissiofotonin energia on sama.
Tehtävä 3
Laske vetykaltaisen He⁺-ionin E₁, kun Z=2.
Ratkaisu
E₁=−13,6·Z²=−54,4 eV.
Sidotulla atomilla on diskreettejä stationaarisia energiatiloja. Vaakaviivat energiakaaviossa eivät ole elektronin ratoja. Perustila on alin sallittu energia ja sitä ylemmät sidotut tilat ovat viritystiloja. Kun atomi siirtyy alemmalle tasolle, se voi emittoida fotonin Eγ=|ΔE|=hν=hc/λ. Absorptiossa fotonin energian on vastattava sallittua energiaeroa. Siksi sama atomi tuottaa tunnusomaisia emissio- ja absorptioviivoja. Vedylle Eₙ=−13,6 eV/n² yksielektronisessa mallissa. Vetykaltaisella ionilla energia skaalautuu likimäärin Z²:n mukaan. Nollataso asetetaan ionisaatiorajalle, joten negatiivinen energia tarkoittaa sidottua tilaa. Monielektroniatomissa elektronien keskinäinen vuorovaikutus, varjostus ja spin–ratakytkentä siirtävät ja jakavat tasoja. Pelkkä n ei siis määrää energiaa, vaan orbitaalityyppi ja elektronien kytkennät ovat olennaisia.