Warto przeczytać

Atomy mogą zarówno emitować, czyli wysyłać, jak i absorbować, czyli pochłaniać, różne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego, od promieniowania rentgenowskiego do podczerwieni. Aby zrozumieć mechanizm emisji i absorpcji promieniowania przez atomy, trzeba poznać budowę atomu. Atom składa się z protonów i neutronów tworzących jądro atomowe, które otaczają elektrony. Średnica jądra atomowego jest około 100 tysięcy razy mniejsza od średnicy atomu, ale prawie cała masa atomu skupiona jest w jądrze. Atomu nie można opisać pojęciami fizyki klasycznej. Do opisu mikroświata stosuje się mechanikę kwantową, która traktuje poruszające się cząstki jako fale. Z równań mechaniki kwantowej wynika, że energia elektronu w atomie może przybierać tylko pewne określone wartości. Nazywamy je dozwolonymi poziomami energetycznymi. Elektron przechodzi z jednego poziomu energetycznego na inny skokowo - jego energia nie zmienia się w sposób ciągły, podobnie jak człowiek wchodzący lub schodzący po drabinie zmienia swoją energię potencjalną skokowo (nie może zatrzymać się między szczeblami).

Najprostszym atomem jest atom wodoru, który składa się z jednego protonu (jądra atomowego) i jednego elektronu. Dozwolone energie elektronu w atomie wodoru wyrażają się wzorem:

gdzie $n$ to liczba naturalna ($n$ = 1, 2, 3, 4, … , $\infty$). Liczbę n nazywamy główną liczbą kwantową, wyznacza ona kolejne powłoki elektronowe. Każdej powłoce elektronowej odpowiada inny poziom energetyczny. Poziomy energetyczne elektronu w atomie wodoru przedstawione są na Rys. 1. Gdy atom ma najmniejszą możliwą energię, wówczas mówimy, że znajduje się w stanie podstawowymStan podstawowystanie podstawowym. Energia stanu podstawowego atomu wodoru wynosi -13,6 eVElektronowolt (eV)eV. Atom znajdujący się w stanie podstawowym nie może wyemitować promieniowania, bo nie może już bardziej zmniejszyć się jego energia.

R3TVEKV5cFxgG

Rys. 1 stanowi schemat poziomów energetycznych w atomie wodoru. Po lewej stronie znajduje się pionowa oś zwrócona w górę, oznaczona: E[eV]. w części środkowej widoczne linie poziome coraz bardziej zagęszczające się ku górze. Z prawej strony napisy, od dołu: stan podstawowy atomu, i stany wzbudzone atomu.

Natomiast atom w stanie podstawowym może zwiększyć swoją energię, absorbując foton promieniowania elektromagnetycznego. Ale nie każdy foton może być pochłonięty przez atom. Energia fotonu musi być równa dokładnie różnicy między energią poziomu końcowego i początkowego (Rys. 2.).

Gdy atom pochłonie foton, jego energia wzrasta i mówimy wtedy, że atom jest w stanie wzbudzonymStan wzbudzonystanie wzbudzonym. Ale nie pozostaje długo w takim stanie. Po około 10Indeks górny -8^-8 s elektron w atomie przeskakuje z wyższego poziomu energetycznego na niższy i atom pozbywa się nadmiaru energii emitując foton. Energia tego fotonu jest równa różnicy energii atomu w stanie początkowym i końcowym (Rys. 2.).

R1JTKAj9SV3QX

Rys. 2. a. przedstawia schemat przeskoku elektronu między poziomami. Pionowa oś energii jest usytuowana z lewej strony i zwrócona w górę. Dwa poziomy to dwa czarne odcinki połączone czerwoną pionową strzałką zwróconą w górę . Obok strzałki widnieje symbol impulsu falowego poruszającego się w lewo, z podpisem: absorpcja fotonu o energii Ef=En‑Ek. Rys. 2. b. przedstawia schemat przeskoku elektronu między poziomami. Pionowa oś energii jest usytuowana z lewej strony i zwrócona w górę. Dwa poziomy to dwa czarne odcinki połączone czerwoną pionową strzałką zwróconą w dół . Obok strzałki widnieje symbol impulsu falowego poruszającego się w prawo, z podpisem: emisja fotonu o energii Ef=En‑Ek.

Zarówno podczas emisji, jak i absorpcji fotonu przez atom, spełniona jest zasada zachowania energii, wyrażona wzorem:

gdzie $E_{f}$ jest energią fotonu wyemitowanego lub pochłoniętego przez atom, $E_{n}$ - wyższą energią elektronu, $E_{k}$ - niższą energią elektronu podczas przejścia między poziomami energetycznymi.

Podsumowując, atom może absorbować i emitować fotony o ściśle określonych energiach, charakterystycznych dla tego atomu. Jeśli foton jest wyemitowany przez atom, to może też być zaabsorbowany przez taki sam atom. Emitowane lub absorbowane mogą być tylko fotony o energii równej różnicy między dozwolonymi energiami elektronu w atomie.

Przyjrzyj się jeszcze raz Rys. 1. Im wyższe poziomy energetyczne, tym mniejsze różnice między nimi. Gdy elektron w atomie wodoru przeskakuje z wyższego poziomu na poziom pierwszy ($n=1$), emitowany jest foton o dużej energii, leżący w zakresie nadfioletu. Przeskokom na drugi poziom ($n=2$) towarzyszy emisja fotonów o mniejszej energii, w zakresie światła widzialnego. Natomiast przeskoki elektronu na poziom trzeci i wyższe ($n\gt2$) skutkują emisją fotonów promieniowania podczerwonego. Podobnie jest dla większych atomów – im niższy poziom, na który przeskakuje elektron, tym większa energia emitowanego fotonu. Jądra atomowe zawierające wiele protonów wytwarzają silniejsze pole elektryczne, niż jądro atomu wodoru. Elektrony wewnętrznych powłok elektronowych są silniej związane, co oznacza, że ich energia ma mniejszą wartość, niż w przypadku elektronu w atomie wodoru. Dlatego przeskoki elektronów na wewnętrzne powłoki elektronowe w dużych atomach powodują emisję fotonów promieniowania rentgenowskiego, o energii jeszcze większej, niż energia fotonów w nadfiolecie.

Słowniczek