Atomo energijos lygmenys

Diskrečios būsenos ir energijos prasmė

Surištam elektronui patogu nuline energija laikyti laisvo elektrono energiją begaliniame nuotolyje. Tada surištosios būsenos turi E<0, o E=0 yra jonizacijos kontinuumo riba. Diskreti energija nereiškia, kad elektronas juda klasikine orbita su tiksliai nustatytu spinduliu; energijos savoji būsena yra kvantinė būsena, aprašoma erdviniu tikimybės pasiskirstymu ir simetrija.

Sluoksnis, posluoksnis ir lygmuo nėra sinonimai

„Sluoksnis“ paprastai reiškia tą patį pagrindinį kvantinį skaičių n, „posluoksnis“ papildomai nusako ℓ (s, p, d, f), o konkretus realaus daugiaelektronio atomo energijos lygmuo gali dar skilti dėl elektronų tarpusavio sąveikos, sukinio ir orbitos sąveikos arba išorinio lauko. Todėl 3p posluoksnis ir viena stebima spektrinė linija nėra tas pats.

Fotonai jungia vieną būseną su kita

Perėjimui tarp dviejų stacionarių būsenų tenka energija ΔE = hν = hc/λ. Sugerdamas fotoną atomas pereina į aukštesnę energiją; spontaniškai ar stimuliuotai spinduliuodamas pereina žemyn ir išleidžia fotoną. Surištų būsenų perėjimui nepakanka, kad šviesa būtų tiesiog „energinga“: dažnis turi atitikti leistiną energijų skirtumą, o intensyvumas daugiausia keičia įvykių skaičių.

Sužadinimas, jonizacija ir gyvavimo trukmės

Sužadinimas palieka elektroną surištą, bet aukštesnėje diskrečioje būsenoje. Jonizacija iškelia jį į kontinuumą; energijos perteklius virš slenksčio gali virsti laisvo elektrono kinetine energija. Sužadintos būsenos turi baigtines gyvavimo trukmes. Metastabilios būsenos gali gyvuoti daug ilgiau, jei perėjimai žemyn silpni arba draudžiami atrankos taisyklių; tai svarbu lazeriams ir spektroskopijai.

Vandenilio lygmenys iš Kulono traukos

Vienelektroniam vandeniliškam jonui Kulono modelis duoda Eₙ = −13,6 Z²/n² eV. Vandeniliui Z=1, o perėjimui n=1→2 reikia 10,2 eV. Didėjant n, lygmenys tankėja artėdami prie E=0. Šios formulės negalima tiesiogiai taikyti neutraliam natriui ar geležiai, nes elektronai ekranizuoja branduolio krūvį ir vieni kitus stumia.

Degeneracija, skilimas ir atrankos taisyklės

Vienodos energijos būsenos vadinamos degeneruotomis. Realios sąveikos gali degeneraciją pašalinti ir sukurti artimas, bet atskiras linijas. Elektriniams dipoliniams perėjimams galioja atrankos taisyklės — pavyzdžiui, dažniausiai Δℓ=±1 — todėl ne kiekviena energiškai įmanoma būsenų pora duoda stiprią liniją. Magnetinis laukas sukelia Zeemano, elektrinis — Starko skilimą.

Daugiaelektroniai atomai ir fotoelektronų spektroskopija

Realių atomų lygmenų diagramos

Daugiaelektroniuose atomuose skvarba ir ekranavimas skiria s, p, d ir f posluoksnių energijas, o elektronų koreliacija ir sukinio–orbitos sąveika prideda smulkesnę struktūrą. Realios lygmenų diagramos remiasi matuojamais spektrais ir kvantmechaniniais skaičiavimais. Natrio D linijos ties maždaug 589 nm yra artima pora dėl smulkiojo skilimo, o heliuje atsiranda singletinės ir tripletinės serijos.

Slenksčiai ir spektrinės linijos

Fotoelektronų spektroskopijoje žinomos energijos fotonai išmuša elektronus, o iš jų kinetinės energijos pagal energijos tvermę gaunamos ryšio energijos. Taip „lygmuo“ susiejamas su išmatuojamu dydžiu, nors smulkioji struktūra ir cheminiai poslinkiai gali skaidyti smailes. Reikia atskirti diskrečią liniją tarp dviejų surištų būsenų nuo jonizacijos slenksčio, už kurio prasideda kontinuumas.

Uždaviniai

Vandenilio sužadinimas

Kiek energijos reikia vandenilio perėjimui n=1→2?

Spinduliavimo bangos ilgis

Perėjimas išskiria 3,10 eV. Koks λ?

Jonizacija

Kaip atskirti sužadinimą nuo jonizacijos?