Warto przeczytać

Atom to najmniejsza cząstka pierwiastka chemicznego. 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. Masa elektronu jest ponad 1840 razy mniejsza niż masa protonu lub neutronu. Atomu nie można opisać pojęciami fizyki klasycznej. Do opisu mikroświata stosuje się mechanikę kwantową, która traktuje poruszające się cząstki jako fale. Nieprawdziwy jest obrazek, jakim często ilustruje się atom, na którym wokół jądra krążą elektrony w postaci maleńkich kulek, niczym planety wokół Słońca (Rys. 1. a). W rzeczywistości położenie elektronu w danej chwili jest nieokreślone, możemy tylko określić prawdopodobieństwo znalezienia się elektronu w danym miejscu. Dlatego lepszym przybliżeniem rzeczywistego obrazu atomu jest jądro otoczone chmurą elektronową (Rys. 1. b).

R18FBaG1cdaqm

Rys. 1. Ilustracja przedstawia dwa rysunki.
Rysunek a. (po lewej) przedstawia dużą niebieską kulą, wokół której po blisko leżących orbitach krążą małe kulki. Płaszczyzny orbit przecinaj się i nie tworzą żadnej struktury.

Rysunek b. (po prawej) Kula ma średnicę 1 angstrema, co jest równe 100 000 femtometrów. Rozmiar ten jest pod nią zaznaczony. Jest ona niejednolicie szara. W środku ma barwę bardziej intensywną. W środku jest zbliżenie pokazujące cztery kulki obrazujące nukleony w jądrze o rozmiarach 1 femtometra.

Elektrony o ujemnym ładunku są w atomie przyciągane siłami elektrycznymi przez dodatnio naładowane protony w jądrze. To oddziaływanie powoduje, że elektrony uwięzione są w atomie. Aby elektron opuścił atom, należy dostarczyć mu energii z zewnątrz. Im bliżej jądra znajduje się elektron, tym silniej jest przyciągany i tym większa jest energia konieczna do oderwania go od atomu. Gdy elektron znajdzie się z dala od jądra i nie porusza się, jego energia jest równa zeru, bo nie ma energii kinetycznej ani potencjalnej, gdyż oddziaływanie sił elektrycznych jądra jest już tak małe, że można je pominąć. Oznacza to, że całkowita energia elektronu w atomie jest ujemna. Na przykład, energia elektronu w atomie wodoru wynosi -13,6 elektronowolta (Rys. 2.). Elektronowolt (eV)elektronowolt (eV)Elektronowolt (eV) jest jednostką energii używaną w fizyce mikroświata. 1 eV to energia, jaką uzyskuje elektron przyspieszany w polu elektrycznym o różnicy potencjałów równej 1 wolt (1 eV = 1,6·10Indeks górny -19^-19 J).

Aby wyrwać elektron z atomu, trzeba dostarczyć mu energię równą co najmniej + 13,6 eV.

R1WiV1SEpOKeu

Rys. 2. Na rysunku jest pokazana pionowa oś liczbowa, na której odłożona jest energia w elektronowoltach. Są na tej osi zaznaczone dwie wartości) i -13,6 eV. Po prawej stronie osi narysowane są dwie poziome strzałki: przy zerze jest napis Energia swobodnego elektronu, przy -13,6 eV energia elektronu uwięzionego w atomie wodoru. Po lewej stronie jest informacja: Aby elektron opuścił atom należy dostarczyć ma energię +13,6 eV

Atom wodoru jest najprostszym atomem, składającym się z jądra - pojedynczego protonu i jednego elektronu. Na Rys. 2. widzimy, że energia elektronu w atomie wodoru wynosi -13,6 eV. Jest to najmniejsza możliwa energia. Elektron w atomie wodoru może mieć też wyższe energie. Ale nie każda wartość energii jest dozwolona. Elektron może mieć tylko określone energie – mówimy, że energia elektronu w atomie jest skwantowana. Dozwolone energie elektronu w atomie wodoru wyrażają się wzorem:

gdzie n to liczba naturalna (n = 1, 2, 3, 4, …).

Liczbę n nazywamy główną liczbą kwantową, która wyznacza kolejne powłoki elektronowepowłoka elektronowapowłoki elektronowe. Każdej powłoce elektronowej odpowiada inny poziom energetyczny. Poziomy energetyczne elektronu w atomie wodoru przedstawione są na Rys. 3.

R1LSpecJ2CHWy

Rys. 3. Rysunek przedstawia oś pionową, na której odłożona jest energia w elektronowoltach. Przedstawione są na niej energie elektronu w atomie wodoru na kolejnych poziomach energetycznych. Numery powłok są zaznaczone po prawej stronie wykresu jako kolejne liczny całkowite. Wartość energii na najniższym poziomie pierwszej powłoki n=1 wynosi -13,6 eV, dla n=2 energia wynosi -3,4 eV, dla n=3 energia równa jest -1,5 eV , n=4, energia -0,85 eV; n=5 energia -0,54 eV

Skwantowanie energii elektronu w atomie jest związane z jego falowym charakterem. Fala w zamkniętej przestrzeni jest zawsze falą stojącą. Na przykład fala stojąca w strunie gitary może mieć tylko ściśle określone długości fali, wyznaczone przez długość struny. Podobnie elektron w atomie musi mieć pewne określone długości fali materii, odpowiadające fali stojącej. Z długością fali elektronu związana jest jego energia, więc i energia musi przybierać tylko określone wartości.

Elektron może znaleźć się na wyższym poziomie energetycznym pochłaniając foton o odpowiedniej energii lub otrzymując tę energię ze zderzenia z innym atomem lub cząstką. Elektron przechodzi na wyższy poziom energetyczny skokowo, jego energia nie zmienia się w sposób ciągły. Aby lepiej zrozumieć, jak to się dzieje, możemy porównać przeskoki elektronu z jednego poziomu energetycznego na wyższy, do wchodzenia po drabinie (Rys. 4.). Energia potencjalna grawitacji człowieka wchodzącego po drabinie zmienia się skokowo, gdy człowiek osiąga kolejne szczeble. Nie może się on znajdować pomiędzy szczeblami – taki stan jest niestabilny (mówiąc wprost - spadnie z drabiny). Podobnie elektron w atomie może znajdować się tylko w określonych stanach energetycznych.

R1RSAv9LJgJ2s

Rys. 4. Zdjęcie poglądowe przedstawia młodego mężczyznę ubranego w białe buty sportowe, ciemnogranatowe dżinsy rozcięte na kolanie, białej bluzie, czarnym plecakiem, zegarkiem i czapką z daszkiem, wpisanjącym się po metalowej drabinie na wysokim budynku.

Stanem podstawowym atomu nazywamy taki stan, w którym elektrony w atomie mają możliwie najmniejszą energię.

Dla atomu wodoru oznacza to, że energia elektronu ma najmniejszą wartość EIndeks dolny 1₁ = -13,6 eV i elektron znajduje się na pierwszym poziomie energetycznym. Gdy elektron przeskoczy na wyższy poziom energetyczny, atom znajduje się w stanie wzbudzonym.

Jaka jest energia fotonu, którego pochłonięcie spowoduje, że atom wodoru przejdzie od stanu podstawowego do pierwszego stanu wzbudzonego o energii EIndeks dolny 2₂ = -3,4 eV? Energia ta jest różnicą między energią stanu wzbudzonego i energią stanu podstawowego:

Gdy atom pochłonie foton o takiej energii, elektron przeskoczy na wyższy poziom energetyczny (Rys. 5. a). Jest to stan niestabilny, atom w krótkim czasie powraca do stanu podstawowego. Odbywa się to tak, że elektron przeskakuje z powrotem na niższy poziom energetyczny, emitując przy tym foton o identycznej energii, jak foton poprzednio pochłonięty (Rys. 5. b).

RiU3hoceFajTf

Ilustracja przedstawia dwa rysunki.
Rys. 5a. (po lewej) Na rysunku jest pionowa oś energii wyrażonej w elektronowoltach. Zaznaczone są dwie wartości energii odpowiadające dwóm powłokom: n=1 i energia -13,6 eV oraz n=2 energia -3,4 eV. Pomiędzy nimi jest strzałka z grotem w górę . Obok niej jest napis: pochłoniecie fotonu o energii E z indeksem f równej 10,2 eV. Nad napisem jest fala z grotem skierowanym w lewo ku osi liczbowej.

Rys. 5b. (po prawej) Rysunek identyczny jak 5a z różnicą taką, że strzałka pomiędzy powłokami skierowana jest w dół a napis z prawej strony brzmi następująco: emisja fotonu o energii E z indeksem f= 10,2 eV. Fala na napisem ma grot skierowany od osi liczbowej, czyli w prawo.

Słowniczek