Mức năng lượng nguyên tử

Trạng thái rời rạc và ý nghĩa của năng lượng

Nếu lấy năng lượng của electron tự do ở vô cực bằng0, electron liên kết có tổng năng lượng âm; càng âm thì liên kết càng chặt. Ion hóa đưa electron tới miền liên tục ở0 hoặc cao hơn.

Với hydro, gần đúng phi tương đối tính là Eₙ=−13,6 eV/n². Các mức sít lại khi tiến tới ngưỡng ion hóa. Nguyên tử nhiều electron không tuân theo công thức đơn giản này vì đẩy và che chắn electron.

Photon nối trạng thái này với trạng thái khác

Chuyển mức chỉ xảy ra khi năng lượng trao đổi khớp chênh lệch: ΔE=hν=hc/λ. Hấp thụ đưa nguyên tử lên trạng thái cao hơn; phát xạ xảy ra khi nguyên tử hạ xuống trạng thái thấp hơn.

Vì vậy bước sóng phổ đo chênh lệch năng lượng giữa hai trạng thái cho phép, không phải “màu tuyệt đối” của một orbital.

Lớp, phân lớp và mức không đồng nghĩa

Trong mô hình hydro đơn giản nhất, các trạng thái cùng n gần suy biến; ở nguyên tử nhiều electron, xuyên thấu và che chắn tách năng lượng các phân lớp s,p,d,f. Cấu trúc tinh tế, ghép spin–quỹ đạo và trường điện hay từ ngoài còn tách mức thêm.

Kích thích, ion hóa và thời gian sống

Trạng thái kích thích vẫn liên kết nếu năng lượng dưới ngưỡng ion hóa. Các trạng thái thường phân rã, nhưng thời gian sống rất khác nhau vì quy tắc chọn quyết định mức độ ghép với ánh sáng.

Trạng thái siêu bền có thể tồn tại lâu hơn nhiều so với hình dung “electron rơi ngay”; laser khai thác phân bố kích thích có kiểm soát và phát xạ kích thích.

Mức hydro từ lực hút Coulomb

Với ion kiểu hydro một electron lý tưởng, Eₙ=−13,6 Z²/n² eV. Vì vậy trạng thái cơ bản của He⁺ liên kết mạnh gấp bốn H; khi có nhiều electron, che chắn và đẩy nhau làm quy luật Z² đơn giản mất hiệu lực.

Suy biến, tách mức và quy tắc chọn

Hai trạng thái có cùng năng lượng là suy biến. Ghép spin–quỹ đạo, hiệu ứng Zeeman và Stark có thể phá suy biến. Không phải bất kỳ cặp mức tồn tại nào cũng cho vạch mạnh; xác suất chuyển mức còn tuân theo quy tắc chọn do đối xứng và mômen động lượng.

Nguyên tử nhiều electron và quang phổ quang điện tử

Trong nguyên tử nhiều electron, nhãn 3p hay4s không mang một năng lượng duy nhất độc lập với cấu hình còn lại. Xuyên thấu, che chắn và tương quan electron làm thay đổi mức. Quang phổ quang điện tử dùng photon có năng lượng biết trước để bật electron ra và đo động năng, từ đó suy ra năng lượng liên kết.

Sơ đồ mức của nguyên tử thực

Na có chuyển mức3s→3p tạo các vạch D vàng gần589 nm; hai vạch sát nhau cho thấy cấu trúc tinh tế. He còn có họ singlet và triplet. Một đường ngang trong sơ đồ năng lượng biểu diễn trạng thái lượng tử nhiều electron, không phải “một electron ngồi ở độ cao đó”.

Ngưỡng và vạch phổ

Chuyển liên kết–liên kết tạo vạch rời rạc; hấp thụ liên kết–tự do bắt đầu ở ngưỡng ion hóa và tạo miền liên tục vì electron bật ra có thể mang nhiều động năng khác nhau. Ngưỡng cho năng lượng ion hóa của trạng thái đầu, còn phân bố động năng cho thêm thông tin cấu trúc electron.

Bài tập

Kích thích hydro

Bước sóng phát xạ

Kích thích và ion hóa