Varför faller en boll?

Från klassisk bana till kvanttillstånd

Elektroner i bundna atomer kan inte ha vilka energier som helst utan befinner sig i diskreta kvanttillstånd. Övergångar mellan nivåerna kan absorbera eller avge fotoner med bestämda energier, vilket ligger bakom atomernas karakteristiska linjespektra.

I en klassisk planetmodell skulle en accelererad elektron kring kärnan stråla energi och spirala in. Kvantmekaniken ersätter sådana bestämda banor med stationära tillstånd som har väldefinierade energier och sannolikhetsfördelningar för elektronens läge.

För en väteatom kan Schrödingerekvationen lösas analytiskt i den icke-relativistiska modellen. Energin beror huvudsakligen på huvudkvanttalet n och blir mindre negativ när n ökar. Vid tillräckligt hög energi är elektronen inte längre bunden och atomen joniseras.

När en atom går från högre till lägre energi kan en foton avges med hf = ΔE. Absorption kräver motsvarande energi från ljuset. Eftersom ΔE bara kan anta vissa värden för bundna nivåer uppstår diskreta spektrallinjer.

I atomer med flera elektroner påverkar elektron–elektron-repulsion och skärmning energierna. Orbitaler med samma n kan därför få olika energier beroende på l och andra kvanteffekter. Spinn–ban-koppling och relativistiska korrektioner kan ge ytterligare finstruktur.