Tingkat energi atom

Keadaan diskret dan arti energi

Jika energi elektron bebas di tak hingga didefinisikan0, elektron terikat memiliki energi total negatif; makin negatif berarti makin kuat terikat. Ionisasi membawa elektron ke kontinum pada atau di atas0.

Untuk hidrogen, tingkat nonrelativistiknya Eₙ=−13,6 eV/n². Tingkat makin rapat mendekati batas ionisasi. Atom banyak elektron tidak mengikuti rumus sederhana ini karena tolakan dan perisai elektron.

Foton menghubungkan satu keadaan dengan keadaan lain

Transisi terjadi hanya bila energi yang ditukar cocok dengan beda tingkat: ΔE=hν=hc/λ. Absorpsi menaikkan atom, emisi terjadi saat atom turun ke keadaan lebih rendah.

Panjang gelombang spektrum jadi mengukur beda energi antara dua keadaan yang diizinkan, bukan energi absolut satu orbital.

Kulit, subkulit, dan tingkat bukan sinonim

Dalam model hidrogen paling sederhana, keadaan dengan n sama hampir degenerat; pada atom banyak elektron, penetrasi dan perisai memisahkan energi subkulit s,p,d,f. Struktur halus, kopling spin–orbit, serta medan listrik atau magnet luar dapat memisahkan tingkat lebih lanjut.

Eksitasi, ionisasi, dan waktu hidup

Keadaan tereksitasi tetap terikat jika energinya di bawah batas ionisasi. Keadaan ini biasanya meluruh, tetapi waktu hidup sangat bervariasi karena aturan seleksi menentukan kekuatan kopling ke cahaya.

Keadaan metastabil dapat bertahan jauh lebih lama daripada gambaran “elektron langsung jatuh”. Laser memanfaatkan populasi keadaan tereksitasi dan emisi terstimulasi.

Tingkat hidrogenik dari tarikan Coulomb

Untuk ion hidrogenik satu elektron ideal berlaku Eₙ=−13,6 Z²/n² eV. Karena itu keadaan dasar He⁺ terikat empat kali lebih kuat daripada H; dengan banyak elektron, perisai dan tolakan menghilangkan skala Z² sederhana.

Degenerasi, pemisahan, dan aturan seleksi

Dua keadaan dengan energi sama disebut degenerat. Kopling spin–orbit, efek Zeeman, dan efek Stark dapat mengangkat degenerasi. Tidak setiap pasangan tingkat menghasilkan garis kuat; probabilitas transisi juga tunduk pada aturan seleksi dari simetri dan momentum sudut.

Atom banyak elektron dan spektroskopi fotoelektron

Dalam atom banyak elektron, label 3p atau4s tidak memiliki satu energi universal yang terlepas dari konfigurasi lainnya. Penetrasi, perisai, dan korelasi elektron mengubah energi. Spektroskopi fotoelektron mengeluarkan elektron dengan foton berenergi diketahui dan mengukur energi kinetiknya untuk memperoleh energi ikat.

Diagram tingkat atom nyata

Pada Na, transisi3s→3p menghasilkan garis D kuning sekitar589 nm, sedangkan dua garis berdekatan sudah menunjukkan pemisahan struktur halus. Helium memiliki keluarga singlet dan triplet. Garis horizontal pada diagram tingkat adalah keadaan kuantum banyak elektron, bukan “satu elektron duduk pada ketinggian itu”.

Ambang versus garis

Transisi terikat-ke-terikat menghasilkan garis diskret; absorpsi terikat-ke-bebas mulai pada ambang ionisasi dan membentuk kontinum karena elektron keluar dapat membawa berbagai energi kinetik. Ambang memberi energi ionisasi keadaan awal, sedangkan distribusi energi kinetik memberi informasi struktur elektron tambahan.

Latihan

Eksitasi hidrogen

Panjang gelombang emisi

Eksitasi dan ionisasi