U kvantnoj mehanici energija zatvorenog sustava može poprimiti samo određene kvantizirane vrijednosti. Atom (jezgra i elektroni) je kvantni sustav koji slijedi ovo pravilo; njegove su razine energije diskretne zbog prirode kvantne mehanike. Za bilo koji dati atom postoje samo određene dopuštene vrijednosti energije koje njegovi elektroni mogu imati, a različiti atomi imaju različita energetska stanja.
Ideja da se razine atomske energije kvantiziraju zapravo je teoretizirana desetljećima prije pojave kvantne mehanike. Znanstvenici su 1800-ih primijetili da sunčeva svjetlost sadrži spektralne linije pri različitim energijama. Moderna kvantna mehanika formalizirana je tek 1926.
Što su razine energije?
Razine energije su energetske vrijednosti koje elektron u atomu može imati ili zauzimati. Najniže energetsko stanje ili energetska razina naziva se osnovno stanje. Budući da elektrone privlače pozitivno nabijeni protoni u jezgri, oni će općenito prvo napuniti niže razine energije. Uzbuđena stanja nastaju kada se elektroni niže energije premještaju u viša energetska stanja, ostavljajući prazne "utore" otvorenima u nižim energetskim stanjima.
Za dvije ili više razina energije kaže se da su "izrođene" ako su različitih elektronskih konfiguracija, ali imaju jednaku količinu energije. Tada se nazivaju degeneriranim razinama energije.
Energetske razlike između ovih razina različite su za različite elemente, što im omogućuje prepoznavanje po njihovom jedinstvenom spektralnom otisku prsta.
Kvantna mehanika opisuje kvantiziranu ili diskretnu prirodu tih razina.
Bohrov model
Bohrov model bio je produžetak Rutherfordovog modela, koji je atome tretirao poput planetarnih sustava. Međutim, Rutherfordov model imao je ključnu manu: za razliku od planeta, elektroni imaju električni naboj, što znači da će zračiti energijom dok kruže oko jezgre.
Gubitak energije na ovaj način uzrokovao bi njihov pad u jezgru, što bi onemogućilo atome da budu stabilni. Uz to, energija koju su zračili "razmazala" bi se po elektromagnetskom spektru, dok je bilo poznato da atomi emitiraju energiju u diskretnim linijama.
Bohrov model to je ispravio. Konkretnije, model sadrži tri postulata:
- Elektroni se mogu kretati u određenim diskretnim, stabilnim orbitama bez zračenja energije.
- Orbite imaju vrijednosti kutnog gibanja koje su cjelobrojni višekratnici odsmanjenaPlanckova konstantaħ.
- Elektroni mogu dobiti ili izgubiti vrlo specifične količine energije preskačući s jedne orbite na drugu u diskretnim koracima, apsorbirajući ili emitirajući zračenje određene frekvencije.
Model pruža dobru aproksimaciju približne razine energije prvog reda za jednostavne atome kao što je atom vodika. Također nalaže da kutni moment elektrona mora biti L = mvr = nħ. Varijablannaziva se glavnim kvantnim brojem.
Postulat da se kutni moment gibanja kvantizira objasnio je stabilnost atoma i diskretnu prirodu njihovih spektra, godinama prije pojave kvantne mehanike. Bohrov model u skladu je s opažanjima koja vode kvantnoj teoriji, poput Einsteinovog fotoelektričnog efekta, valova materije i postojanja fotona.
Međutim, postoje određeni kvantni učinci koje on ne može objasniti, poput Zeemanovog učinka ili fine i hiperfine strukture u spektralnim linijama. Također postaje manje precizno s većim jezgrama i više elektrona.
Školjke i elektronske orbitale
Elektronske ljuske u osnovi predstavljaju razinu energije koja odgovara glavnom kvantnom brojun. Školjke imaju različite podvrste. Broj podljuski =n.
Postoje različite vrste podljuski, koje se nazivaju "s" orbitale, "p" orbitale, "d" orbitale i "f" orbitale. Svaka orbitala može sadržavati najviše dva elektrona, svaki sa suprotnim elektronskim spinom; elektroni mogu biti ili "okrenuti prema gore" ili "okrenuti se prema dolje".
Kao primjer: ljuska "n = 3" ima tri podljuske. Oni se nazivaju 3s, 3p i 3d. 3s podljuska ima jednu orbitalu koja sadrži dva elektrona. 3p podljuska ima tri orbitale, sadrže šest ukupnih elektrona. 3D podljuska ima pet orbitala, sadrži 10 ukupnih elektrona. Stoga ljuska n = 3 ima 18 ukupnih elektrona u devet orbitala u tri podljuske.
Opće je pravilo da ljuska može primiti do 2 (n2) elektroni.
Orbitali smiju imati samo dva elektrona, po jedan od svakog elektronskog spina, zbog Pauli-jevog principa isključenja, koji navodi da dva ili više elektrona ne mogu zauzeti isto kvantno stanje u istom kvantnom sustavu u isto vrijeme vrijeme. Iz tog razloga atomi nikada neće imati elektrone s istim glavnim kvantnim brojem i istim spinom unutar iste orbitale.
Orbitale su u stvarnosti svemirske količine u kojima će se elektroni najvjerojatnije naći. Svaka vrsta orbite ima drugačiji oblik. Orbitala "s" izgleda poput jednostavne kugle; orbitala "p" izgleda poput dva režnja oko središta. Orbitale "d" i "f" izgledaju puno složenije. Ti oblici predstavljaju raspodjelu vjerojatnosti za položaje elektrona u njima.
Valentni elektroni
Najudaljenija razina energije atoma naziva se valentna razina energije. Elektroni na ovoj razini energije sudjeluju u bilo kojoj interakciji koju atom ima s drugim atomima.
Ako je razina energije puna (dva elektrona za s-orbitalu, šest za p-orbitalu i tako dalje), tada atom vjerojatno neće reagirati s drugim elementima. To ga čini vrlo stabilnim ili "inertnim". Vrlo reaktivni elementi mogu imati samo jedan ili dva elektrona u vanjskoj valentnoj ovojnici. Struktura valentne ljuske određuje mnoštvo svojstava atoma, uključujući njegovu reaktivnost i energiju ionizacije.
Atom vodika
Razumijevanje razine energije atoma vodika prvi je korak ka razumijevanju kako razina energije uopće djeluje. Atom vodika, koji se sastoji od jedne nabijene pozitivne jezgre i jednog elektrona, najjednostavniji je od atoma.
Da bi se izračunala energija elektrona u razini energije vodika, E = -13,6eV / n2, gdjenje glavni kvantni broj.
Radijus orbite također je prilično jednostavno izračunati: r = r0n2gdje je r0 je Bohrov radijus (0,0529 nanometara). Bohrov radijus potječe iz Bohrovog modela i radijus je najmanje radijuse koju elektron može imati oko jezgre u atomu vodika i pritom biti stabilan.
Valna duljina elektrona, koja dolazi od kvantno-mehaničke ideje da su elektroni oboje čestica i valova, jednostavno je opseg njegove orbite, što je 2π puta radijus gore izračunat: λ = 2πr0n2.
Elektromagnetsko zračenje i fotoni
Elektroni se mogu kretati gore-dolje u razini energije apsorbiranjem ili emitiranjem fotona vrlo specifičnog valna duljina (koja odgovara određenoj količini energije jednakoj energetskoj razlici između razine). Kao rezultat toga, atomi različitih elemenata mogu se identificirati posebnim spektrom apsorpcije ili emisije.
Apsorpcijski spektri dobivaju se bombardiranjem elementa svjetlošću mnogih valnih duljina i otkrivanjem kojih se valnih duljina apsorbira. Emisioni spektri dobivaju se zagrijavanjem elementa da se elektroni dovedu u pobuđena stanja, a zatim otkrivajući koje se valne duljine svjetlosti emitiraju dok se elektroni vraćaju prema dolje u niža energetska stanja. Ti će spektri često biti međusobno obrnuti.
Spektroskopija je način na koji astronomi prepoznaju elemente u astronomskim objektima, poput maglica, zvijezda, planeta i planetarnih atmosfera. Spektri također mogu astronomima reći koliko se brzo astronomski objekt udaljava ili prema Zemlji, za koliko je spektar određenog elementa pomaknut crveno ili plavo. (Ovo pomicanje spektra posljedica je Doppler-ovog efekta.)
Da biste pronašli valnu duljinu ili frekvenciju fotona koji se emitirao ili apsorbirao kroz prijelaz razine energije elektrona, prvo izračunajte razliku u energiji između dvije razine energije:
\ Delta E = -13,6 \ bigg (\ frac {1} {n_f ^ 2} - \ frac {1} {n_i ^ 2} \ bigg)
Tada se ta razlika energije može koristiti u jednadžbi za energiju fotona,
\ Delta E = hf = \ frac {hc} {\ lambda}
gdjehje Planckova konstanta,fje frekvencija iλje valna duljina fotona koji se emitira ili apsorbira, icje brzina svjetlosti.
Molekularne orbitale i razine vibracijske energije
Kada su atomi povezani, stvaraju se nove vrste energetskih razina. Jedan atom ima samo razinu energije elektrona; molekula ima posebne molekularne razine energije elektrona, kao i vibracijske i rotacijske razine energije.
Kako se atomi kovalentno vežu, njihove orbitale i razine energije utječu jedni na druge da bi stvorili novi skup orbitala i razine energije. To su tzvvezivanjeiprotuvezivanjamolekularne orbitale, gdje orbitale vezanja imaju nižu razinu energije, a orbitale vezivanja imaju višu razinu energije. Da bi atomi u molekuli mogli imati stabilnu vezu, elektroni kovalentne veze moraju biti u molekularnoj orbitali donje veze.
Molekule mogu imati i nevezujuće orbitale, koje uključuju elektrone u vanjskim ljuskama atoma koji nisu uključeni u postupak vezivanja. Njihova razina energije jednaka je onoj koja bi bila da atom nije vezan za drugi.
Kad su atomi povezani, te se veze mogu modelirati gotovo poput opruga. Energija sadržana u relativnom kretanju vezanih atoma naziva se vibracijskom energijom i kvantizira se baš kao i razine energije elektrona. Molekularni kompleksi također se mogu okretati jedan prema drugome kroz atomske veze, stvarajući kvantizirane rotacijske razine energije.
Prijelaz razine energije elektrona u molekuli može se kombinirati s prijelazom razine vibracijske energije u onome što se naziva avibronska tranzicija. Pozvane su kombinacije vibracijske i rotacijske razine energijerovibracijski prijelazi; naziva se prijelaz koji uključuje sve tri vrste energetskih razinarovibronic. Razlike u razini energije uglavnom su veće između elektroničkih prijelaza, zatim vibracijskih prijelaza, a zatim najmanje za rotacijske prijelaze.
Veći atomi i energetski opsezi
Mnogo je složenih pravila za ono u kojem stanju mogu biti elektroni u većim atomima jer ti atomi imaju veći broj elektrona. Ta stanja ovise o veličinama poput spina, interakcija između elektronskih spinova, orbitalnih interakcija i tako dalje.
Kristalni materijali imaju energetske pojaseve - elektron u ovoj vrsti krutine može uzeti bilo koju vrijednost energije unutar njih pseudo-kontinuirani opsezi, sve dok je pojas neispunjen (postoji ograničenje koliko elektrona može dati opseg sadrže). Ovi opsezi, iako se smatraju kontinuiranim, tehnički su diskretni; oni samo sadrže previše razina energije koje su preblizu jedna drugoj da bi se mogle odvojeno riješiti.
Najvažniji bendovi nazivaju sekondukcijabend ivalencijabend; valentni pojas je raspon najviših energetskih razina materijala u kojem su prisutni elektroni apsolutne nulte temperature, dok je vodljivi pojas najniži raspon razina koji sadrže neispunjene Države. U poluvodičima i izolatorima ti su pojasevi odvojeni energetskom prazninom, koja se nazivapojasni razmak. U polumetalima se preklapaju. U metalima nema razlike među njima.