Mini-kurzus
Atomi energiaszintek
Az atomban kötött elektronok energiája nem vehet fel tetszőleges értéket: meghatározott kvantumállapotokhoz tartozó energiaszintek engedélyezettek. Két szint közötti átmenetnél az atom olyan fotont nyel el vagy bocsát ki, amelynek energiája megegyezik a szintek különbségével.
Miért kvantált?
Az elektron hullámfüggvényének a mag elektromos terében csak bizonyos állóhullám-szerű megoldásai teljesítik a kvantummechanikai feltételeket. Ezekhez diszkrét energiák tartoznak. Az elektron ezért nem klasszikus bolygó, amely bármilyen sugarú pályán keringhet.
Hidrogén egyszerű esete
Nemrelativisztikus hidrogénatomnál En≈−13,6 eV/n². A negatív jel azt mutatja, hogy az elektron kötött; E=0 a szabad elektron határa. Nagy n esetén a szintek egyre közelebb kerülnek egymáshoz.
Átmenetek és fotonok
Ha az elektron Ei szintről alacsonyabb Ef szintre kerül, ΔE=Ei−Ef=hν energiájú foton bocsátódik ki. Felfelé átmenethez a megfelelő energiát el kell nyelni. Ez adja az atomspektrumok vonalas szerkezetét.
Miért bonyolultabb a több-elektronos atom?
Több elektron esetén az elektron–elektron taszítás, árnyékolás, spin–pálya kölcsönhatás és más effektusok felhasítják és eltolják a szinteket. Az energia ezért nem csak a főkvantumszámtól függ. Az orbitális energiasorrend a periódusos rendszer szerkezetével is összefügg.
Gerjesztés és ionizáció
Gerjesztéskor az elektron magasabb, de továbbra is kötött állapotba kerül. Ionizációkor elegendő energiát kap ahhoz, hogy a kötött állapotot elhagyja. Az ionizációs energia ezért a legmagasabb betöltött állapot és a folytonos, szabad állapotok határa közti energiamérleghez kapcsolódik.
Spektrális vonalak
Egy vonal hullámhossza λ=hc/ΔE alapján közvetlenül információt hordoz az energiaszint-különbségről. A vonalak intenzitása azonban nem csak a szintek létezésétől függ: számít a populáció és az átmeneti valószínűség is.
Szélesség és finomszerkezet
Valódi spektrális vonalak nem végtelenül keskenyek. Termikus Doppler-szélesedés, ütközések, az állapot véges élettartama és műszerhatások szélesíthatják őket. Nagy felbontásban további finom- és hiperfinomszerkezet is megjelenhet.
Kiválasztási szabályok
Nem minden két energiaszint közötti fotonátmenet ugyanolyan valószínű. A kvantummechanikai szimmetriák kiválasztási szabályokat adnak, ezért egyes átmenetek erősek, mások gyengék vagy csak magasabb rendű folyamatban jelennek meg. A spektrumban tehát a vonal helye az energiakülönbséget, az intenzitás pedig az állapotnépességet és az átmeneti valószínűséget együtt tükrözi.
Próbáld ki
Egy atom két energiaszintjének különbsége 3,0 eV. Mi történik, ha az atom pontosan 3,0 eV energiájú megfelelő fotont nyel el és az átmenet megengedett?
Megoldás
Az elektron a magasabb energiaszintre gerjesztődhet. Később alacsonyabb állapotba térve fotont vagy fotonokat bocsáthat ki, a lehetséges közbenső szintektől függően.