Warto przeczytać

Materia zbudowana jest z atomów, które stanowią najmniejszą część każdego pierwiastka chemicznego. 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. Zgodnie z tym opisem, położenie elektronu w danej chwili jest nieokreślone, możemy tylko określić prawdopodobieństwo znalezienia się elektronu w danym miejscu. Dlatego opisujemy atom jako jądro otoczone chmurą elektronową (Rys. 1.).

RvqCD2nbaySMk

Rys. 1. Rysunek przedstawia małe kółeczko podpisane jako jądro. Otacza je duże niebieskie koło podpisane jako chmura elektronowa. Duże koło jest najciemniejsze blisko środka, a im dalej od środka tym barwa koła staje się jaśniejsza.

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. Całkowita energia elektronu w atomie jest ujemna. Na przykład, energia elektronu w atomie wodoru wynosi -13,6 eV (elektronowoltaelektronowolt (eV)elektronowolta).

Aby wyrwać elektron z atomu, trzeba dostarczyć mu energię równą +13,6 eV lub więcej. Energia elektronu wzrośnie wtedy co najmniej do zera, co oznacza, że elektron uwolnił się z zasięgu odziaływania sił elektrycznych jądra (Rys. 2.). Energię potrzebną do oderwania elektronu z atomu nazywamy energią jonizacji, bo atom pozbawiony elektronu staje się jonem, obdarzonym dodatnim ładunkiem elektrycznym.

RAigz2Q2enGK1

Rys. 2. Na rysunku znajduje się pionowa oś skierowana do góry. Na osi odłożono wartości energii elektronu w elektronowoltach. Zaznaczone są dwie wartości: minus 13,6 elektronowolta i 0 elektronowoltów. Przy tych wartościach od osi odchodzą poziome odcinki. Przy dolnym odcinku odpowiadającym wartości energii minus 13,6 elektronowolta jest wyjaśnienie: energia elektronu uwięzionego w atomie wodoru. Przy górnym odcinku odpowiadającym wartości energii 0 elektronowoltów jest wyjaśnienie: energia swobodnego elektronu. Od dolnego do górnego odcinka narysowana jest pionowa strzałka skierowana do góry z wyjaśnieniem: aby elektron opuścił atom należy dostarczyć mu energię plus 13,6 elektronowolta.

Atom wodoru jest najprostszym atomem, składającym się z jądra - pojedynczego protonu i jednego elektronu. Energia elektronu w atomie wodoru, -13,6 eV, jest najmniejszą możliwą energią. Gdy elektron ma najmniejszą energię, atom jest w stabilnym stanie, zwanym stanem podstawowym.

Gdy elektron w atomie otrzyma energię o odpowiedniej wartości, na przykład pochłaniając kwantkwantkwant światła, jego energia zwiększy się. Ale nie każda wartość energii elektronu w atomie jest dozwolona. Elektron może mieć tylko pewne, 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, … $\infty$).

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.

Elektron przechodzi z jednego poziomu energetycznego na inny skokowo, jego energia nie zmienia się w sposób ciągły.

RWGt6NnKE4kUT

Rys. 3. Na rysunku z lewej strony znajduje się długa pionowa oś skierowana do góry. Na osi odłożono wartości energii elektronu w elektronowoltach. Zakres wartości energii obejmuje przedział od minus 13,6 do zero elektronowoltów. Od tej osi odchodzą w prawo poziome odcinki symbolizujące dozwolone poziomy energetyczne elektronu w atomie wodoru. Najniższy poziom znajduje się przy wartości energii minus 13,6 elektronowolta. Przy nim jest równość: n równa się 1 oraz napis: stan podstawowy atomu. Kolejny poziom znajduje się przy wartości energii minus 3,4 elektronowolta. Przy nim jest równość: n równa się 2. Następny poziom znajduje się przy wartości energii minus 1,5 elektronowolta. Przy nim jest równość: n równa się 3. Następny poziom znajduje się przy wartości energii minus 0,85 elektronowolta. Przy nim jest równość: n równa się 4. Ostatni podpisany poziom znajduje się przy wartości energii minus 0,54 elektronowolta. Przy nim jest równość: n równa się 5. Poziomy o liczbie n większej od jedności ujęte są w pionową klamrę z wyjaśnieniem stany wzbudzone atomu. Przy wartościach energii powyżej 0 elektronowoltów znajduje się wyjaśnienie: atom zjonizowany.

Gdy elektron znajduje się na wyższym poziomie energetycznym, atom jest w stanie wzbudzonym. Stan wzbudzony jest nietrwały. Po czasie rzędu 10Indeks górny -8^-8 s elektron przeskakuje na niższy poziom energetyczny, emitując foton o energii równej różnicy między energiami obu poziomów (Rys. 4.).

Jaka jest energia fotonu, emitowanego przez atom wodoru przy przejściu od pierwszego stanu wzbudzonego do stanu podstawowego? Energia ta jest różnicą między energią stanu wzbudzonego i energią stanu podstawowego:

RgOp7QD76E26t

Rys. 4. Na rysunku znajduje się pionowa oś skierowana do góry. Na osi odłożono wartości energii elektronu w elektronowoltach. Zaznaczone są dwie wartości: minus 13,6 elektronowolta i minus 3,4 elektronowolta. Przy tych wartościach od osi odchodzą w prawo 2 poziome odcinki, symbolizujące 2 dozwolone poziomy energetyczne elektronu w atomie wodoru. Przy dolnym odcinku odpowiadającym wartości energii minus 13,6 elektronowolta jest równość: n równa się 1. Przy górnym odcinku odpowiadającym wartości energii minus 3,4 elektronowolta jest równość: n równa się 2. Od górnego do dolnego poziomu narysowano strzałkę skierowaną w dół. Obok strzałki znajduje się falista linia z wyjaśnieniem: emisja fotonu o energii wielkie E z indeksem dolnym f równa się 10,2 elektronowolta.

A jeśli atom wodoru jest w wyższym stanie wzbudzonym, na przykład w stanie o głównej liczbie kwantowej n = 5? Również w tym przypadku atom powróci do stanu podstawowego, ale może to zrobić na wiele sposobów (Rys. 5.). Realizacja jednego z tych sposobów jest przypadkowa.

RCXerLFmAYw03

Rys. 5. Rysunek zawiera 3 części a, b i c. W każdej części z lewej strony znajduje się długa pionowa oś skierowana do góry. Na osi odłożono wartości energii elektronu w elektronowoltach. Zakres wartości energii obejmuje przedział od minus 13,6 do zero elektronowoltów. Od tej osi odchodzą w prawo poziome odcinki symbolizujące dozwolone poziomy energetyczne elektronu w atomie wodoru. Najniższy poziom znajduje się przy wartości energii minus 13,6 elektronowolta. Przy nim jest równość: n równa się 1. Kolejny poziom znajduje się przy wartości energii minus 3,4 elektronowolta. Przy nim jest równość: n równa się 2. Następny poziom znajduje się przy wartości energii minus 1,5 elektronowolta. Przy nim jest równość: n równa się 3. Następny poziom znajduje się przy wartości energii minus 0,85 elektronowolta. Przy nim jest równość: n równa się 4. Ostatni podpisany poziom znajduje się przy wartości energii minus 0,54 elektronowolta. Przy nim jest równość: n równa się 5.
Rys. 5a) Od poziomu n równe 5 o energii minus 0,54 elektronowolta poprowadzona jest krótka pionowa strzałka do poziomu n równe 4 o energii minus 0,85 elektronowolta. Druga pionowa strzałka zaczyna się przy poziomie n równe 4 o energii minus 0,85 elektronowolta, a kończy przy poziomie n równe 3 o energii minus 1,5 elektronowolta. Trzecia pionowa strzałka zaczyna się przy poziomie n równe 3 o energii minus 1,5 elektronowolta, a kończy przy poziomie n równe 2 o energii minus 3,4 elektronowolta. Czwarta pionowa strzałka zaczyna się przy poziomie n równe 2 o energii minus 3,4 elektronowolta, a kończy przy poziomie n równe 1 o energii minus 13,6 elektronowolta.
Rys. 5b) Od poziomu n równe 5 o energii minus 0,54 elektronowolta poprowadzona jest pionowa strzałka do poziomu n równe 2 o energii minus 3,4 elektronowolta. Druga pionowa strzałka zaczyna się przy poziomie n równe 2 o energii minus 3,4 elektronowolta, a kończy przy poziomie n równe 1 o energii minus 13,6 elektronowolta.
Rys. 5c) Od poziomu n równe 5 o energii minus 0,54 elektronowolta poprowadzona jest pionowa strzałka do poziomu n równe 1 o energii minus 13,6 elektronowolta.

Podsumujmy nasze rozważania. Gdy atom wodoru ma najmniejszą możliwą energię, jest w stanie podstawowym. Wynika z tego, że stan podstawowy jest tylko jeden, odpowiada mu główna liczba kwantowa n = 1. Atom o większej energii, niż energia stanu podstawowego, jest w stanie wzbudzonym. Stanów wzbudzonych jest wiele, odpowiadają im liczby n = 2, 3, 4, …

Słowniczek