A kvantummechanikában egy zárt rendszer energiája csak bizonyos kvantált értékeket vehet fel. Az atom (a mag és az elektronok) egy kvantumrendszer, amely ezt a szabályt követi; energiaszintjei a kvantummechanika jellege miatt diszkrétek. Bármely adott atom esetében csak meghatározott megengedett energiaértékek vannak, amelyek az elektronjainak rendelkezhetnek, és a különböző atomoknak eltérő az energiaállapota.
Az atomenergia-szintek kvantálásának gondolatát évtizedekkel ezelőtt a kvantummechanika megjelenése előtt teoretizálták. Az 1800-as években a tudósok észrevették, hogy a napfény különböző energiákon spektrális vonalakat tartalmaz. A modern kvantummechanikát csak 1926-ban formalizálták.
Mik az energiaszintek?
Az energiaszintek olyan energiaértékek, amelyeket az atomban levő elektron rendelkezhet vagy elfoglalhat. A legalacsonyabb energiaállapotot vagy energiaszintet alapállapotnak nevezzük. Mivel az elektronokat a mag pozitív töltésű protonjai vonzzák, általában először az alacsonyabb energiaszinteket töltik meg. Izgatott állapotok akkor fordulnak elő, amikor az alacsonyabb energiájú elektronok magasabb energiájú állapotokba lépnek, és alacsonyabb energiaállapotokban üres "rések" maradnak nyitva.
Két vagy több energiaszintről azt mondják, hogy "degenerált", ha különböző elektronkonfigurációjúak, de azonos energiamennyiséggel rendelkeznek. Ezeket degenerált energiaszinteknek nevezzük.
Az e szintek közötti energiakülönbségek különböző elemek esetében eltérőek, ami lehetővé teszi, hogy egyedi spektrális ujjlenyomatuk alapján azonosítsák őket.
A kvantummechanika leírja e szintek kvantált vagy diszkrét jellegét.
A Bohr-modell
Bohr modellje Rutherford modelljének kiterjesztése volt, amely az atomokat bolygórendszerekhez hasonlóan kezelte. Rutherford modelljének azonban volt egy fő hibája: a bolygókkal ellentétben az elektronok elektromos töltéssel rendelkeznek, vagyis a mag körül keringve energiát sugároznak.
Ilyen módon elveszítve az energiát a magjukba esnek, ami lehetetlenné teszi az atomok stabilitását. Ezenkívül az általuk kisugárzott energia "elkenődik" az elektromágneses spektrumban, miközben ismert volt, hogy az atomok diszkrét vonalakban bocsátanak ki energiát.
Bohr modellje ezt korrigálta. Pontosabban, a modell három posztulátumot tartalmaz:
- Az elektronok bizonyos diszkrét, stabil pályákon képesek energiát sugározni.
- A pályák szögmomentumértékei az egész szám többszöröseicsökkentPlanck állandójaħ.
- Az elektronok csak nagyon meghatározott mennyiségű energiát nyerhetnek vagy veszíthetnek, ha diszkrét lépésekben ugranak egyik pályáról a másikra, meghatározott frekvenciájú sugárzás elnyelésével vagy kibocsátásával.
A modell jó elsőrendű közelítést nyújt az egyszerű atomok, például a hidrogénatom energiaszintjeihez. Azt is előírja, hogy az elektron szögletének L = mvr = nħ legyen. A változónfő kvantumszámnak nevezzük.
A szögimpulzus kvantálásának posztulátuma megmagyarázta az atomok stabilitását és spektrumaik diszkrét jellegét évekkel a kvantummechanika megjelenése előtt. Bohr modellje összhangban áll az olyan kvantumelmélethez vezető megfigyelésekkel, mint Einstein fotoelektromos hatása, anyaghullámok és fotonok.
Vannak azonban olyan kvantumhatások, amelyeket nem tud megmagyarázni, mint például a Zeeman-effektus vagy a finom és hiperfinom szerkezet a spektrális vonalakban. Nagyobb magok és több elektron esetén is kevésbé lesz pontos.
Héjak és elektronpályák
Az elektronhéjak lényegében egy fő kvantumszámnak megfelelő energiaszintet képviselnekn. A héjaknak különböző altípusaik vannak. Az alhéjak száma =n.
Különböző alhéjak vannak, úgynevezett "s", "p", "d" és "f" pályák. Minden pálya legfeljebb két elektront tartalmazhat, mindegyiknek ellentétes elektron-spinje van; az elektronok lehetnek "felfelé" vagy "lefelé pörögnek".
Például: az "n = 3" héjnak három alhéja van. Ezeket 3s, 3p és 3d nevezzük. A 3s alhéjnak van egy pályája, amely két elektront tartalmaz. A 3p alhéjnak három pályája van, amelyek összesen hat elektronot tartalmaznak. A 3d alhéj öt pályával rendelkezik, amelyek összesen 10 elektronot tartalmaznak. Az n = 3 héjban tehát összesen 18 elektron található kilenc pályán, amelyek három alhéjat ölelnek át.
Általános szabály, hogy egy héj legfeljebb 2 (n2) elektronok.
Az orbitális pályáknak csak két elektronjuk van, mindegyik elektronból egy forog, a Pauli kizárási elv miatt, amely kimondja, hogy két vagy több elektron nem foglalhatja el ugyanazt a kvantumállapotot ugyanabban a kvantumrendszerben ugyanabban az időben idő. Emiatt az atomoknak soha nem lesznek azonos fő kvantumszámú és azonos spinű elektronok ugyanazon a pályán belül.
A pályák a valóságban olyan térfogatok, ahol az elektronok a legvalószínűbbek. A pálya minden típusának más-más alakja van. Az "s" pálya egyszerű gömbnek tűnik; a "p" pálya két karéjnak látszik a központ körül. A "d" és "f" pályák sokkal bonyolultabbak. Ezek az alakzatok a bennük levő elektronok helyének valószínűségi eloszlását jelentik.
Vegyérték elektronok
Az atom legkülső energiaszintjét valencia energiaszintnek nevezzük. Az ebben az energiaszintben lévő elektronok részt vesznek az atom bármely más interakciójában.
Ha az energiaszint tele van (két elektron egy s pályán, hat egy p pályán és így tovább), akkor az atom valószínűleg nem reagál más elemekkel. Ez nagyon stabilá vagy "inerté" teszi. A nagyon reaktív elemek külső vegyértékhéjában csak egy vagy két elektron lehet. A vegyértékű héj szerkezete meghatározza az atom sok tulajdonságát, beleértve annak reakcióképességét és ionizációs energiáját.
A hidrogénatom
A hidrogénatom energiaszintjének megértése az első lépés annak megértéséhez, hogy az energiaszintek általában hogyan működnek. A hidrogénatom, amely egyetlen töltött pozitív magból és egyetlen elektronból áll, a legegyszerűbb atom.
Az elektron energiájának kiszámításához hidrogén energia szinten E = -13,6eV / n2, holna fő kvantumszám.
A pályasugár kiszámítása is meglehetősen egyszerű: r = r0n2ahol r0 a Bohr-sugár (0,0529 nanométer). A Bohr-sugár a Bohr-modellből származik, és az a legkisebb pálya sugara, amelyet egy elektron a hidrogénatomban levő mag körül lehet, és még mindig stabil.
Az elektron hullámhossza, amely abból a kvantummechanikai elképzelésből származik, hogy az elektronok mindkettő részecskék és hullámok, egyszerűen a pályája kerülete, amely a fent számított sugár 2π-szerese: λ = 2πr0n2.
Elektromágneses sugárzás és fotonok
Az elektronok felfelé és lefelé mozoghatnak az energia szintjén egy nagyon specifikus foton elnyelésével vagy kibocsátásával hullámhossz (egy meghatározott energiamennyiségnek felel meg, amely megegyezik a szintek). Ennek eredményeként a különböző elemek atomjai külön abszorpciós vagy emissziós spektrum alapján azonosíthatók.
Az abszorpciós spektrumokat egy elem sok hullámhosszú fénnyel történő bombázásával és abszorpciós hullámhosszak detektálásával kapjuk. Kibocsátási spektrumokat kapunk az elem melegítésével, hogy az elektronokat gerjesztett állapotokba kényszerítsük, majd annak detektálása, hogy mely hullámhosszú fény bocsátódik ki, amikor az elektronok visszaesnek alacsonyabb energiaállapotokba. Ezek a spektrumok gyakran egymás inverzei lesznek.
A spektroszkópia segítségével a csillagászok azonosítják a csillagászati tárgyak elemeit, például a ködöket, a csillagokat, a bolygókat és a bolygók légkörét. A spektrumok azt is meg tudják mondani a csillagászoktól, hogy egy csillagászati tárgy milyen gyorsan mozog távolabb vagy a Föld felé, egy bizonyos elem spektrumának mennyivel piros vagy kék eltolódással. (A spektrum ilyen eltolódása a Doppler-hatásnak köszönhető.)
Az elektron energiaszint-átmenetén keresztül kibocsátott vagy elnyelt foton hullámhosszának vagy frekvenciájának megtalálásához először kiszámítja a két energiaszint közötti energia különbséget:
\ Delta E = -13,6 \ bigg (\ frac {1} {n_f ^ 2} - \ frac {1} {n_i ^ 2} \ bigg)
Ez az energiakülönbség azután felhasználható a fotonenergia egyenletében,
\ Delta E = hf = \ frac {hc} {\ lambda}
holhPlanck állandója,fa frekvencia ésλa kibocsátott vagy elnyelt foton hullámhossza, ésca fénysebesség.
Molekuláris pályák és rezgési energiaszintek
Amikor az atomok összekapcsolódnak, újfajta energiaszintek jönnek létre. Egyetlen atomnak csak elektronenergia-szintje van; egy molekulának különleges molekuláris elektronenergia-szintje van, valamint rezgési és rotációs energiaszintje is van.
Amint az atomok kovalensen kötődnek, pályáik és energiaszintjük egymásra hatással új pályák és energiaszintek létrehozására szolgál. Ezeket únkötésésgátlómolekuláris pályák, ahol a kötő pályák alacsonyabb energiaszinttel, az ellenálló pályáké pedig magasabb energiával rendelkezik. Annak érdekében, hogy a molekulában lévő atomok stabil kötéssel rendelkezzenek, a kovalens kötő elektronoknak az alsó kötésű molekulapályán kell lenniük.
A molekuláknak lehetnek nem kötődő pályái is, amelyek az elektronokat a kötési folyamatban részt nem vevő atomok külső héjába vonják be. Energiaszintjük megegyezik azzal, ami akkor lenne, ha az atom nem kötődne egy másikhoz.
Amikor az atomok egymáshoz vannak kötve, ezek a kötések szinte mint a rugók modellezhetők. A kapcsolt atomok relatív mozgásában rejlő energiát rezgési energiának nevezzük, és ugyanúgy kvantált, mint az elektronenergia-szinteket. A molekuláris komplexek egymáshoz viszonyítva atomkötések révén is foroghatnak, kvantált mennyiségű forgási energiaszinteket hozva létre.
A molekula elektron-energiaszint-átalakulása kombinálható egy rezgési energiaszint-átmenettel, az úgynevezett a-valvibrációs átmenet. Rezgési és forgási energiaszint kombinációkat hívunkrovibrációs átmenetek; mindhárom energiaszintet magában foglaló átmenetet nevezzükrovibronic. Az energiaszintbeli különbségek általában nagyobbak az elektronikus átmenetek, majd a rezgési átmenetek között, majd a legkisebbek a forgási átmeneteknél.
Nagyobb atomok és energiasávok
Több, egyre bonyolultabb szabály létezik arra vonatkozóan, hogy a nagyobb atomokban lévő elektronok milyen állapotban lehetnek, mivel ezeknek az atomoknak nagyobb az elektronszámuk. Ezek az állapotok olyan mennyiségektől függenek, mint a spin, az elektronpörgetések, az orbitális kölcsönhatások stb.
A kristályos anyagoknak vannak energiasávjai - az ilyen szilárd anyagban lévő elektron ezeken belül bármilyen értékű energiát fel tud venni ál-folytonos sávok, mindaddig, amíg a sáv nincs kitöltve (van egy korlát, hogy egy adott sáv hány elektronra képes tartalmaz). Bár ezeket a sávokat folyamatosnak tekintik, technikailag diszkrétek; csak túl sok olyan energiaszintet tartalmaznak, amelyek túl közel vannak egymáshoz ahhoz, hogy külön megoldódjanak.
A legfontosabb zenekarokat hívjákvezetészenekar ésvegyértékZenekar; a vegyérték sáv az anyag legmagasabb energiaszintjének a tartománya, amelyben az elektronok jelen vannak abszolút nulla hőmérséklet, míg a vezetési sáv a legalacsonyabb azon tartományok tartománya, amelyek nem töltik fel Államok. A félvezetőkben és a szigetelőkben ezeket a sávokat egy energiahézag választja el, az úgynevezettsávrés. Félméretekben átfedik egymást. A fémekben nincs különbség közöttük.