Atomin energiatasot
Sidotun atomin elektronit eivät voi omata mielivaltaisia energioita, vaan sallitut tilat ovat kvantittuneita. Tasojen välisissä siirtymissä absorboitu tai emitted fotoni kantaa niiden energiaeron. Energiatasorakenne selittää atomispektrejä ja muodostaa perustan suurelle osalle kemiasta.
Vety mallina
Yhden elektronin Coulomb-potentiaalissa Schrödingerin yhtälö voidaan ratkaista tarkasti. Yksinkertaisessa ei-relativistisessa vedyn mallissa energia riippuu pääasiassa pääkvanttiluvusta n ja käyttäytyy kuten −1/n². Tämä on lähtökohta, mutta monielektroniset atomit vaativat lisävuorovaikutuksia.
Elektronien keskinäinen vuorovaikutus
Monielektronisessa atomissa elektronit hylkivät toisiaan ja varjostavat ydintä. Orbitaalien tunkeutuminen ja varjostus tekevät saman n:n alakuorista erienergisiä, mikä johtaa monimutkaisempaan orbitaalien täyttymisjärjestykseen.
Siirtymät ja valintasäännöt
Yhden fotonin siirtymässä ΔE=hν. Kaikki tasoparit eivät kuitenkaan ole yhtä vahvasti kytkeytyneitä. Valintasäännöt määräävät, mitkä sähködipolisiirtymät ovat voimakkaita ja mitkä heikkoja tai kiellettyjä tietyssä approksimaatiossa.
Hieno- ja hyperhienorakenne
Relativistiset korjaukset ja spin-rata-kytkentä jakavat tasoja, jotka yksinkertaisessa mallissa olisivat samassa energiassa. Vielä pienempi hyperhienorakenne syntyy elektronien ja ytimen spinin välisestä vuorovaikutuksesta.
Ulkoiset kentät
Magneettikenttä voi jakaa tasoja Zeeman-ilmiössä ja sähkökenttä Stark-ilmiössä. Näitä muutoksia käytetään kvanttilukujen tunnistamiseen, kenttien mittaamiseen ja atomien tarkkaan ohjaukseen.
Ionisaatioraja
Kun n kasvaa, sidotut tasot tihenevät ja lähestyvät vapaan elektronin jatkuvaa energia-aluetta. Ionisaatioenergia on sidotun tilan ja tämän rajan energiaero. Monielektronisessa atomissa arvo riippuu koko elektronirakenteesta.
Metastabiilit tilat
Joidenkin viritystilojen tavallinen sähkömagneettinen purkautuminen on valintasääntöjen vuoksi voimakkaasti estynyt. Silloin tila voi elää poikkeuksellisen pitkään. Metastabiileja tiloja hyödynnetään lasereissa, atomikelloissa ja tarkkuusspektroskopiassa.
Miksi tasot näkyvät kemiallisissa ominaisuuksissa?
Atomin uloimpien miehitettyjen ja alimpien vapaiden tilojen energiat ratkaisevat, kuinka helposti elektroneja irtoaa, vastaanotetaan tai jaetaan sidoksessa. Siksi ionisaatioenergia, elektronin affiniteetti ja tyypilliset hapetusluvut liittyvät samaan energiarakenteeseen. Energiatasot eivät siis ole vain spektroskopian yksityiskohta, vaan yhteys kvanttimekaniikan ja havaittavan kemiallisen käyttäytymisen välillä.
Harjoitus
Miksi spektriviivan taajuus on ν=(E₂−E₁)/h?
Ratkaisu
Koska alku- ja lopputilan energiat ovat diskreettejä ja yksi fotoni kantaa juuri niiden erotuksen E=hν.