ენერგიის დონე: განმარტება, განტოლება (დიაგრამები / დიამეტრი)

კვანტურ მექანიკაში, შეზღუდული სისტემის ენერგიას შეუძლია მიიღოს მხოლოდ გარკვეული კვანტიზირებული მნიშვნელობები. ატომი (ბირთვი და ელექტრონები) არის კვანტური სისტემა, რომელიც მიჰყვება ამ წესს; მისი ენერგიის დონე დისკრეტულია კვანტური მექანიკის ხასიათის გამო. მოცემული ატომისთვის არსებობს მხოლოდ სპეციფიკური ნებადართული ენერგიის მნიშვნელობები, რომლებიც შეიძლება ჰქონდეთ მის ელექტრონებს, ხოლო სხვადასხვა ატომებს აქვთ სხვადასხვა ენერგეტიკული მდგომარეობა.

იდეა იმის შესახებ, რომ ატომური ენერგიის დონე კვანტიზირებულია, სინამდვილეში თეორიული იყო კვანტური მექანიკის დადგომამდე ათწლეულების განმავლობაში. 1800-იან წლებში მეცნიერებმა შენიშნეს, რომ მზის შუქი შეიცავს სპექტრულ ხაზებს მკაფიო ენერგიებში. თანამედროვე კვანტური მექანიკა ფორმალიზებული არ იყო 1926 წლამდე.

ენერგიის დონე არის ენერგიის მნიშვნელობები, რომლებიც შეიძლება ჰქონდეს ან დაიკავოს ელექტრონულმა ატომმა. ყველაზე დაბალი ენერგეტიკული მდგომარეობა ან ენერგიის დონე ეწოდება გრუნტის მდგომარეობას. მას შემდეგ, რაც ელექტრონებს იზიდავს ბირთვში დადებითად დამუხტული პროტონები, ისინი ზოგადად შეავსებენ ქვედა ენერგიის დონეს. აღგზნებული მდგომარეობა ხდება მაშინ, როდესაც დაბალი ენერგიის ელექტრონები გადადიან უფრო მაღალ ენერგეტიკულ მდგომარეობებში, ტოვებენ ცარიელ "სლოტებს" ქვედა ენერგეტიკულ მდგომარეობებში.

ნათქვამია, რომ ორი ან მეტი ენერგიის დონე "გადაგვარებულია", თუ ისინი სხვადასხვა ელექტრონული კონფიგურაციისაა, მაგრამ აქვთ იგივე რაოდენობის ენერგია. შემდეგ მათ ეწოდება გადაგვარებული ენერგიის დონე.

ენერგეტიკული განსხვავებები ამ დონეებს შორის განსხვავებულია სხვადასხვა ელემენტისთვის, რაც საშუალებას აძლევს მათ დაადგინონ მათი უნიკალური სპექტრალური თითის ანაბეჭდი.

კვანტური მექანიკა აღწერს ამ დონის კვანტიზირებულ ან დისკრეტულ ხასიათს.

ბორის მოდელი იყო რეზერფორდის მოდელის გაგრძელება, რომელიც ატომებს პლანეტარული სისტემების მსგავსად ექცეოდა. რეზერფორდის მოდელს ჰქონდა ძირითადი ნაკლი: პლანეტებისგან განსხვავებით, ელექტრონებს აქვთ ელექტრული მუხტი, რაც ნიშნავს, რომ ისინი ენერგიას ასხივებენ ბირთვის გარშემო ბრუნვისას.

ამ გზით ენერგიის დაკარგვა გამოიწვევს მათ ბირთვში ჩავარდნას, რაც შეუძლებელს გახდის ატომების სტაბილურობას. გარდა ამისა, მათ მიერ გამოსხივებული ენერგია ელექტრომაგნიტური სპექტრის მასშტაბით "ნაცხებს", მაშინ როდესაც ცნობილი იყო, რომ ატომები ენერგიას ასხივებდნენ დისკრეტულ ხაზებში.

ბორის მოდელმა შეასწორა ეს. უფრო კონკრეტულად, მოდელი შეიცავს სამ პოსტულატს:

1. ელექტრონებს შეუძლიათ იმოძრაონ გარკვეულ დისკრეტულ, სტაბილურ ორბიტებში ენერგიის გამოსხივების გარეშე.
2. ორბიტებს აქვთ კუთხოვანი იმპულსის მნიშვნელობები, რომლებიც მთლიანი ჯერადიაშემცირდაპლანკის მუდმივაħ​.
3. ელექტრონებს შეუძლიათ მიიღონ ან დაკარგონ ენერგიის ძალიან სპეციფიკური რაოდენობა მხოლოდ ერთი ორბიტიდან მეორეზე გადახრით დისკრეტული ნაბიჯებით, კონკრეტული სიხშირის გამოსხივების შთანთქვით ან გამოსხივებით.

მოდელი უზრუნველყოფს ენერგიის დონის პირველ რიგში მიახლოებას მარტივი ატომებისთვის, მაგალითად წყალბადის ატომი. ის ასევე გვკარნახობს, რომ ელექტრონის კუთხოვანი იმპულსი უნდა იყოს L = mvr = nħ. ცვლადინეწოდება ძირითადი კვანტური რიცხვი.

პოსტულატი, რომ კუთხოვანი იმპულსი კვანტიზირებულია, ხსნიდა ატომების სტაბილურობას და მათი სპექტრის დისკრეტულ ხასიათს, კვანტური მექანიკის დადგომამდე წლებით ადრე. ბორის მოდელი შეესაბამება კვანტურ თეორიამდე მისულ დაკვირვებებს, როგორიცაა აინშტაინის ფოტოელექტრული ეფექტი, მატერიის ტალღები და ფოტონის არსებობა.

ამასთან, არსებობს გარკვეული კვანტური ეფექტები, რომელთა ახსნა შეუძლებელია, მაგალითად, ზემანის ეფექტი ან სპექტრალურ ხაზებში წვრილი და ჰიპერფინი სტრუქტურა. ეს ასევე ხდება ნაკლებად ზუსტი უფრო დიდი ბირთვებისა და მეტი ელექტრონების შემთხვევაში.

ელექტრონული გარსი არსებითად წარმოადგენს ენერგიის დონეს, რომელიც შეესაბამება ძირითად კვანტურ რიცხვსნ. ჭურვებს აქვთ სხვადასხვა ქვეტიპები. ქვეგარედების რაოდენობა =ნ​.

არსებობს სხვადასხვა სახის ქვეჯგუფები, რომლებსაც "s" ორბიტალები, "p" ორბიტალები, "d" ორბიტალები და "f" ორბიტალები აქვთ. თითოეულ ორბიტალს შეიძლება შეიცავდეს მაქსიმუმ ორ ელექტრონს, რომელთაგან თითოეულს აქვს საპირისპირო ელექტრონული ტრიალი; ელექტრონები შეიძლება იყოს "დატრიალება" ან "დატრიალება".

როგორც მაგალითი: "n = 3" გარსს აქვს სამი ქვე-გარსი. მათ 3s, 3p და 3d ეწოდება. 3s ქვეშელას აქვს ერთი ორბიტალი, რომელიც შეიცავს ორ ელექტრონს. 3p ქვეჯანგს აქვს სამი ორბიტალი, რომელიც შეიცავს ექვს მთლიან ელექტრონს. 3D ქვეჯანგს აქვს ხუთი ორბიტალი, რომელიც შეიცავს 10 სულ ელექტრონს. N = 3 გარსს, ამრიგად, აქვს 18 სულ ელექტრონი ცხრა ორბიტალში, რომელიც მოიცავს სამ ქვე-გარსს.

ზოგადი წესია, რომ ჭურვი იტევს 2-ს (n²) ელექტრონები.

ორბიტალებს უფლება აქვთ ჰქონდეთ მხოლოდ ორი ელექტრონი, თითო ელექტრონული დატრიალება, პაულის გამორიცხვის პრინციპის გამო, სადაც ნათქვამია, რომ ორი ან მეტი ელექტრონი ერთსა და იმავე კვანტურ სისტემაში ერთსა და იმავე კვანტურ მდგომარეობას ვერ იკავებს დრო ამ მიზეზით, ატომებს არასდროს ექნებათ იგივე ორბიტალის ფარგლებში იგივე ძირითადი კვანტური რიცხვისა და იგივე ტრიალის ელექტრონები.

ორბიტალები, სინამდვილეში, არის სივრცის ის მოცულობები, სადაც ელექტრონების აღმოჩენა ხდება. ორბიტალის თითოეულ ტიპს განსხვავებული ფორმა აქვს. "S" ორბიტალი ჰგავს მარტივ სფეროს; "p" ორბიტალი ცენტრის გარშემო ორ სამფრთიანს ჰგავს. "დ" და "ვ" ორბიტალები ბევრად უფრო რთულად გამოიყურება. ეს ფორმები წარმოადგენს ალბათობის განაწილებას მათში არსებული ელექტრონების ადგილმდებარეობისთვის.

ატომის ყველაზე გარე ენერგეტიკულ დონეს ეწოდება ვალენტური ენერგიის დონე. ამ ენერგიის დონის ელექტრონები მონაწილეობენ ატომის სხვა ატომებთან ურთიერთქმედებაში.

თუ ენერგიის დონე სავსეა (ორი ელექტრონი s ორბიტალისთვის, ექვსი p ორბიტალი და ა.შ.), მაშინ ატომი სავარაუდოდ არ რეაგირებს სხვა ელემენტებთან. ეს მას ძალიან სტაბილურს ან "ინერტულს" ხდის. ძალიან რეაქციულ ელემენტებს შეიძლება ჰქონდეთ მხოლოდ ერთი ან ორი ელექტრონი გარე ვალენტურ გარსში. ვალენტური გარსის სტრუქტურა განსაზღვრავს ატომის უამრავ თვისებას, მათ შორის მის რეაქტიულობასა და იონიზაციის ენერგიას.

წყალბადის ატომის ენერგეტიკული დონის გაგება პირველი ნაბიჯია იმის გაგებისა, თუ როგორ მუშაობს ენერგიის დონე ზოგადად. წყალბადის ატომი, რომელიც შედგება ერთი დამუხტული დადებითი ბირთვისა და ერთი ელექტრონისგან, ატომებისგან ყველაზე მარტივია.

ელექტრონის ენერგიის გამოსათვლელად წყალბადის ენერგიის დონეზე, E = -13,6 eV / n²სადნარის მთავარი კვანტური რიცხვი.

ორბიტალური რადიუსის გამოთვლა ასევე საკმაოდ მარტივია: r = r₀ნ²სადაც რ₀ არის ბორის რადიუსი (0,0529 ნანომეტრი). ბორის რადიუსი მოდის ბორის მოდელიდან და არის ყველაზე პატარა ორბიტის რადიუსი, რომელსაც ელექტრონი შეიძლება ჰქონდეს წყალბადის ატომის ბირთვის გარშემო და მაინც იყოს სტაბილური.

ელექტრონის ტალღის სიგრძე, რომელიც კვანტური მექანიკური იდეიდან გამომდინარეობს, რომ ელექტრონები ორივეა ნაწილაკები და ტალღები, უბრალოდ, მისი ორბიტის გარშემოწერილობაა, რაც 2π – ჯერ აღემატება ზემოთ გამოთვლილ რადიუსს: λ = 2πr₀ნ².

ელექტრონებს შეუძლიათ გადაადგილება ენერგიის დონეზე ზემოთ და ქვემოთ, სპეციფიკური ფოტონის შთანთქმით ან გამოსხივებით ტალღის სიგრძე (რაც შეესაბამება ენერგიის სპეციფიკურ რაოდენობას, ტოლია ენერგიის სხვაობას შორის დონეები). შედეგად, სხვადასხვა ელემენტის ატომების იდენტიფიცირება შესაძლებელია მკაფიო შთანთქმის ან ემისიური სპექტრის საშუალებით.

აბსორბციის სპექტრი მიიღება მრავალი ტალღის სიგრძის სინათლის ელემენტის დაბომბვით და თუ რომელი ტალღის სიგრძე შეიწოვება. ემისიის სპექტრები მიიღება ელემენტის გათბობით, რათა ელექტრონები აიძულონ აღგზნებულ მდგომარეობებში და შემდეგ იმის დადგენა, თუ რომელი სინათლის ტალღის სიგრძე გამოიყოფა, რადგან ელექტრონები ქვემო ენერგიის მდგომარეობებში ვარდებიან. ეს სპექტრები ხშირად ერთმანეთის შებრუნებული იქნება.

სპექტროსკოპია არის ის, თუ როგორ ამოიცნობს ასტრონომები ასტრონომიულ ობიექტებში ელემენტებს, როგორიცაა ნისლეულები, ვარსკვლავები, პლანეტები და პლანეტარული ატმოსფერო. სპექტრებს ასევე შეუძლიათ ასტრონომებს განუცხადონ, რამდენად სწრაფად მოძრაობს ასტრონომიული ობიექტი ან დედამიწისკენ, რამდენად წითელი ან ლურჯია გადატანილი გარკვეული ელემენტის სპექტრი. (სპექტრის ეს გადაადგილება გამოწვეულია დოპლერის ეფექტით).

ელექტრონის ენერგიის დონეზე გადასვლის შედეგად გამოყოფილი ან შთანთქმული ფოტონის ტალღის სიგრძის ან სიხშირის დასადგენად, პირველ რიგში გამოთვალეთ ენერგიის სხვაობა ორ ენერგეტიკულ დონეს შორის:

შემდეგ ეს ენერგიის სხვაობა შეიძლება გამოყენებულ იქნას ფოტონის ენერგიის განტოლებაში,

სადთპლანკის მუდმივია,ვარის სიხშირე დაλარის ფოტონის ტალღის სიგრძე, რომელიც გამოიყოფა ან შეიწოვება დაგარის სინათლის სიჩქარე.

ატომების შეერთებისას იქმნება ენერგიის ახალი სახეობები. ერთ ატომს აქვს მხოლოდ ელექტრონული ენერგიის დონე; მოლეკულას აქვს სპეციალური მოლეკულური ელექტრონული ენერგიის დონე, ასევე ვიბრაციული და ბრუნვითი ენერგიის დონე.

როგორც ატომები კოვალენტურად იკავშირებენ, მათი ორბიტალები და ენერგიის დონე ერთმანეთზე ახდენს გავლენას ორბიტალებისა და ენერგიის დონის ახალი ნაკრების შესაქმნელად. ესენი ე.წ.შემაკავშირებელდასაწინააღმდეგო სავალდებულომოლეკულური ორბიტალები, სადაც შემაკავშირებელ ორბიტალებს აქვთ დაბალი ენერგიის დონე და საწინააღმდეგო შემაკავშირებელ ორბიტალებს აქვთ უფრო მაღალი ენერგიის დონე. იმისათვის, რომ მოლეკულაში არსებულ ატომებს ჰქონდეთ სტაბილური კავშირი, კოვალენტური კავშირის ელექტრონები უნდა იყოს ქვედა შემაკავშირებელ მოლეკულურ ორბიტალში.

მოლეკულას შეიძლება ჰქონდეს არაკავშირთან დაკავშირებული ორბიტალები, რომლებიც მოიცავს ატომების გარე გარსებში არსებულ ელექტრონებს, რომლებიც არ მონაწილეობენ კავშირის პროცესში. მათი ენერგიის დონე იგივეა, რაც იქნებოდა, თუ ატომი არ იქნებოდა შეკრული სხვაზე.

როდესაც ატომები ერთმანეთთან არის შეკრული, ამ ობლიგაციების მოდელირება შესაძლებელია თითქმის როგორც ზამბარები. შეკავშირებული ატომების ფარდობით მოძრაობაში არსებულ ენერგიას ვიბრაციული ენერგია ეწოდება და ის კვანტიზდება ისევე, როგორც ელექტრონების ენერგიის დონეები. მოლეკულურ კომპლექსებს ასევე შეუძლიათ ატომური ბმების მეშვეობით ერთმანეთთან შედარებით ბრუნვა, შექმნან კვანტიზირებული ბრუნვითი ენერგიის დონეები.

ელექტრონის ენერგიის დონის გადასვლა მოლეკულაში შეიძლება შერწყმდეს ვიბრაციული ენერგიის დონის გადასვლასთან, რასაც ეწოდება aვიბრონული გადასვლა. ვიბრაციული და ბრუნვითი ენერგიის დონის კომბინაციებს უწოდებენროვიბრაციული გადასვლები; გარდამავალ პერიოდს, რომელიც მოიცავს ენერგიის სამივე დონეს, ეწოდებაროვიბრონიკი. ენერგიის დონის სხვაობები, ზოგადად, უფრო დიდია ელექტრონულ გადასვლებს შორის, შემდეგ არის ვიბრაციული გადასვლები და შემდეგ მცირეა ბრუნვის გადასვლებს შორის.

არსებობს მრავალი მზარდი რთული წესი, თუ რა მდგომარეობაში შეიძლება იყოს ელექტრონები უფრო დიდ ატომებში, რადგან ამ ატომებს უფრო მეტი ელექტრონი აქვთ. ეს მდგომარეობა დამოკიდებულია ისეთ სიდიდეებზე, როგორებიცაა სპინი, ელექტრონულ ტრიალებს შორის ურთიერთქმედება, ორბიტალური ურთიერთქმედება და ა.შ.

კრისტალურ მასალებს აქვს ენერგეტიკული ზოლები - ამ სახის მყარი ელემენტის ელექტრონს შეუძლია ენერგიის ნებისმიერი მნიშვნელობა მიიღოს მათში ფსევდო – უწყვეტი ზოლები, სანამ ზოლი არ არის შევსებული (არსებობს ლიმიტი, თუ რამდენი ელექტრონი შეუძლია მოცემულ ჯგუფს შეიცავს). ეს ზოლები, მიუხედავად იმისა, რომ განიხილება უწყვეტი, ტექნიკურად დისკრეტულია; ისინი უბრალოდ შეიცავს ძალიან ბევრ ენერგიის დონეს, რომლებიც ერთმანეთთან ძალიან ახლოსაა და ცალკე ვერ გადაწყდება.

ყველაზე მნიშვნელოვან ჯგუფებს ეწოდებაკონდუქციაბენდი დავალენტობაბენდი; ვალენტობის ზოლი არის მასალის ყველაზე მაღალი ენერგეტიკული დონის დიაპაზონი, რომელშიც იმყოფებიან ელექტრონები აბსოლუტური ნულოვანი ტემპერატურა, ხოლო გამტარობა არის დონის ყველაზე დაბალი დიაპაზონი, რომელიც შეიცავს შევსებულს აცხადებს. ნახევარგამტარებსა და იზოლატორებში ეს ზოლები გამოყოფილია ენერგეტიკული უფსკრულით, ე.წ.ჯგუფის უფსკრული. სემიმეტალებში ისინი ერთმანეთს ემთხვევა. ლითონებში, მათ შორის განსხვავება არ არის.