Energijos lygis: apibrėžimas, lygtis (su diagramomis)

Kvantinėje mechanikoje uždaros sistemos energija gali įgauti tik tam tikras kiekybines vertes. Atomas (branduolys ir elektronai) yra kvantinė sistema, kuri laikosi šios taisyklės; jo energijos lygiai yra diskretiški dėl kvantinės mechanikos pobūdžio. Bet kuriam duotam atomui yra tik tam tikros leistinos energijos vertės, kurias jo elektronai gali turėti, o skirtingi atomai turi skirtingas energijos būsenas.

Idėja, kad atominės energijos lygiai yra kvantuojami, iš tikrųjų buvo teoretizuota dešimtmečius iki kvantinės mechanikos atsiradimo. XIX amžiaus dešimtojo dešimtmečio mokslininkai pastebėjo, kad saulės šviesoje spektro linijos yra skirtingos energijos. Šiuolaikinė kvantinė mechanika buvo įforminta tik 1926 m.

Energijos lygiai yra energijos vertės, kurias atomo elektronas gali turėti arba užimti. Žemiausia energijos būsena arba energijos lygis vadinamas pagrindine būsena. Kadangi elektronus traukia teigiamai įkrauti protonai branduolyje, jie paprastai pirmiausia užpildys žemesnius energijos lygius. Sužadintos būsenos atsiranda, kai mažesnės energijos elektronai pereina į aukštesnės energijos būsenas, palikdami atvirus tuščius „lizdus“ žemesnės energijos būsenose.

Sakoma, kad du ar daugiau energijos lygių yra „išsigimę“, jei jie yra skirtingų elektronų konfigūracijų, tačiau turi tą patį energijos kiekį. Tada jie vadinami išsigimusiais energijos lygiais.

Energijos skirtumai tarp šių lygių skirtingiems elementams yra skirtingi, o tai leidžia juos atpažinti pagal jų unikalų spektrinį piršto atspaudą.

Kvantinė mechanika apibūdina šių lygių kiekybinį arba diskretų pobūdį.

Bohro modelis buvo pratęsimas Rutherfordo modelio, kuris traktavo atomus kaip planetų sistemas. Vis dėlto Rutherfordo modelis turėjo pagrindinį trūkumą: skirtingai nei planetos, elektronai turi elektrinį krūvį, vadinasi, skleisdami energiją skrisdami aplink branduolį.

Tokiu būdu praradę energiją, jie patektų į branduolį, todėl atomai negalėtų būti stabilūs. Be to, jų skleidžiama energija „tepėsi“ per elektromagnetinį spektrą, tuo tarpu buvo žinoma, kad atomai energiją skleidžia atskiromis linijomis.

Bohro modelis tai pakoregavo. Konkrečiau, modelyje yra trys postulatai:

1. Elektronai sugeba judėti tam tikrose diskrečiose, stabiliose orbitose, neskleidžiant energijos.
2. Orbitos turi kampinio impulso vertes, kurios yra sveikieji skaičiaus kartotiniaisumažintasPlancko nuolatinisħ​.
3. Elektronai gali įgyti arba prarasti labai specifinius energijos kiekius tik šokdami iš vienos orbitos į kitą atskirais žingsniais, sugerdami ar skleisdami tam tikro dažnio spinduliuotę.

Modelis suteikia gerą pirmos eilės paprastų atomų, tokių kaip vandenilio atomas, energijos lygių apytikslę vertę. Tai taip pat nurodo, kad elektrono kampinis impulsas turi būti L = mvr = nħ. Kintamasisnvadinamas pagrindiniu kvantiniu skaičiumi.

Postulatas, kad kampinis impulsas yra kiekybiškai įvertinamas, paaiškino atomų stabilumą ir diskrečią jų spektrų prigimtį, praėjus keleriems metams iki kvantinės mechanikos atsiradimo. Bohro modelis atitinka stebėjimus, vedančius į kvantinę teoriją, pvz., Einšteino fotoelektrinį efektą, materijos bangas ir fotonų egzistavimą.

Tačiau yra tam tikrų kvantinių efektų, kurių jis negali paaiškinti, pavyzdžiui, Zeemano efektas arba smulkioji ir hiperfinalioji struktūra spektrinėse linijose. Taip pat jis tampa mažiau tikslus esant didesniems branduoliams ir daugiau elektronų.

Elektronų apvalkalai iš esmės reiškia energijos lygį, atitinkantį pagrindinį kvantinį skaičiųn. Kriauklės turi skirtingus potipius. Pogrupių skaičius =n​.

Yra įvairių rūšių apvalkalų, vadinamų „s“, „p“, „d“ ir „f“ orbitalėmis. Kiekvienoje orbitoje gali būti ne daugiau kaip du elektronai, kurių kiekvienas turi priešingą elektronų sukimąsi; elektronai gali būti „sukti aukštyn“ arba „sukti žemyn“.

Kaip pavyzdys: „n = 3“ apvalkalas turi tris požemis. Tai vadinama 3s, 3p ir 3d. „3s“ apvalkalas turi vieną orbitą, kurioje yra du elektronai. 3p subshell turi tris orbitales, kuriose yra šeši elektronai. 3d subhell turi penkias orbitales, kuriose yra 10 elektronų. Todėl n = 3 apvalkalas turi 18 elektronų devyniose orbitose, apimančiose tris požemis.

Bendra taisyklė yra ta, kad apvalkalas gali turėti iki 2 (n²) elektronai.

Dėl Pauli išskyrimo principo orbitose leidžiama turėti tik du elektronus, po vieną iš kiekvieno elektronų sukimosi, kuriame teigiama, kad du ar daugiau elektronų toje pačioje kvantinėje sistemoje tuo pačiu metu negali užimti tos pačios kvantinės būsenos laikas. Dėl šios priežasties toje pačioje orbitoje atomai niekada neturės to paties pagrindinio kvantinio skaičiaus ir vienodo sukimo elektronų.

Orbitos iš tikrųjų yra erdvės tūriai, kuriuose greičiausiai yra elektronų. Kiekvieno tipo orbita yra skirtingos formos. „S“ orbita atrodo kaip paprasta sfera; „p“ orbita atrodo kaip dvi skiltys aplink centrą. "D" ir "f" orbitos atrodo daug sudėtingesnės. Šios formos rodo tikimybės pasiskirstymą jose esančių elektronų vietoms.

Atokiausias atomo energijos lygis vadinamas valentiniu energijos lygiu. Šio energijos lygio elektronai dalyvauja bet kokioje atomo sąveikoje su kitais atomais.

Jei energijos lygis yra pilnas (du elektronai s orbitai, šeši p orbitalei ir pan.), Tada atomas greičiausiai nereaguos su kitais elementais. Tai daro jį labai stabilų arba „inertišką“. Labai reaktyvių elementų išoriniame valentiniame apvalkale gali būti tik vienas ar du elektronai. Valentinio apvalkalo struktūra lemia daug atomo savybių, įskaitant jo reaktyvumą ir jonizacijos energiją.

Vandenilio atomo energijos lygių supratimas yra pirmas žingsnis norint suprasti, kaip energijos lygiai veikia apskritai. Vandenilio atomas, susidedantis iš vieno įkrauto teigiamo branduolio ir vieno elektrono, yra pats paprasčiausias atomas.

Norėdami apskaičiuoti elektrono energiją vandenilio energijos lygiu, E = -13,6eV / n², kurnyra pagrindinis kvantinis skaičius.

Skaičiuoti orbitos spindulį taip pat gana paprasta: r = r₀n²kur r₀ yra Bohro spindulys (0,0529 nanometrai). Bohro spindulys gaunamas iš Bohro modelio ir yra mažiausios orbitos, kurią elektronas gali turėti aplink vandenilio atomo branduolį, spindulys ir vis tiek būti stabilus.

Elektrono bangos ilgis, kilęs iš kvantinės mechaninės idėjos, kad elektronai yra abu dalelės ir bangos yra tiesiog jos orbitos apskritimas, kuris 2π kartus viršija aukščiau apskaičiuotą spindulį: λ = 2πr₀n².

Elektronai gali judėti aukštyn ir žemyn energijos lygiu, sugerdami arba išskirdami labai specifinio fotoną bangos ilgis (atitinka konkretų energijos kiekį, lygų energijos skirtumui tarp lygiai). Dėl to skirtingų elementų atomus galima nustatyti pagal skirtingą absorbcijos ar emisijos spektrą.

Absorbcijos spektrai gaunami bombarduojant elementą daugelio bangos ilgių šviesa ir nustatant, kurie bangos ilgiai yra absorbuojami. Emisijos spektrai gaunami kaitinant elementą, kad elektronai būtų priversti į sužadintas būsenas, ir tada nustatant, kurie šviesos bangos ilgiai sklinda elektronams krintant atgal į žemesnės energijos būsenas. Šie spektrai dažnai bus atvirkštiniai vienas kitam.

Spektroskopija yra tai, kaip astronomai nustato astronominių objektų elementus, tokius kaip ūkai, žvaigždės, planetos ir planetų atmosferos. Spektrai taip pat gali pasakyti astronomams, kaip greitai astronominis objektas juda tolyn arba link Žemės, kiek tam tikro elemento spektras yra raudonai arba mėlynai pasislinkęs. (Šį spektro poslinkį lemia Doplerio efektas.)

Norėdami sužinoti per elektronų energijos lygio perėjimą skleidžiamo ar absorbuoto fotono bangos ilgį ar dažnį, pirmiausia apskaičiuokite energijos skirtumą tarp dviejų energijos lygių:

Tada šis energijos skirtumas gali būti naudojamas fotonų energijos lygtyje,

kurhyra Plancko konstanta,fyra dažnis irλyra išsiskiriančio ar absorbuoto fotono bangos ilgis, ircyra šviesos greitis.

Sujungus atomus, sukuriami nauji energijos lygiai. Vienas atomas turi tik elektronų energijos lygius; molekulėje yra specialūs molekuliniai elektronų energijos lygiai, taip pat vibracijos ir sukimosi energijos lygiai.

Kai atomai kovalentiškai jungiasi, jų orbitos ir energijos lygiai veikia vienas kitą, kad sukurtų naują orbitalių ir energijos lygių rinkinį. Jie vadinamiklijavimasiratsparusmolekulinės orbitos, kur jungiančiosios orbitos turi mažesnį energijos lygį, o priešingos - aukštesnį energijos lygį. Kad molekulės atomai turėtų stabilų ryšį, kovalentiniai jungiamieji elektronai turi būti apatinėje jungiamojoje molekulinėje orbitoje.

Molekulės taip pat gali turėti nesusijusių orbitalių, kurios įtraukia elektronus į išorinius atomų apvalkalus, kurie nedalyvauja jungimosi procese. Jų energijos lygis yra toks pat, koks būtų, jei atomas nebūtų sujungtas su kitu.

Kai atomai sujungiami, šias jungtis galima modeliuoti beveik kaip šaltinius. Energija, esanti sujungtų atomų santykiniame judėjime, vadinama vibracine energija, ir ji yra kiekybiškai išreikšta taip, kaip yra elektronų energijos lygiai. Molekuliniai kompleksai taip pat gali pasisukti vienas kito atžvilgiu per atomines jungtis, sukurdami kiekybinius sukimosi energijos lygius.

Elektronų energijos lygio perėjimas molekulėje gali būti derinamas su vibracijos energijos lygio perėjimu, vadinamuoju avibroninis perėjimas. Vadinamos vibracijos ir sukimosi energijos lygių kombinacijossukimosi perėjimai; vadinamas perėjimas, apimantis visas tris energijos lygių rūšisrovibroninis. Energijos lygio skirtumai paprastai yra didesni tarp elektroninių perėjimų, tada virpesių perėjimų ir tada mažiausi sukimosi perėjimams.

Yra kelios vis sudėtingesnės taisyklės, kokiose būsenose gali būti didesnių atomų elektronai, nes tie atomai turi didesnį elektronų skaičių. Šios būsenos priklauso nuo tokių dydžių kaip sukimasis, sąveika tarp elektronų sukimų, orbitos sąveikos ir pan.

Kristalinės medžiagos turi energijos juostas - elektronas, esantis tokioje kietojoje medžiagoje, gali pasiimti bet kokią energijos vertę pseudo ištisinės juostos, kol juosta neužpildyta (yra tam tikra riba, kiek elektronų gali duoti tam tikra juosta) yra). Nors šios juostos laikomos ištisinėmis, techniškai yra atskiros; jose tiesiog yra per daug energijos lygių, kurie yra per arti vienas kito, kad išspręstų atskirai.

Svarbiausios grupės vadinamoslaidumasjuosta irvalentingumasjuosta; valentinė juosta yra medžiagos, kurioje yra elektronai, didžiausių energijos lygių diapazonas absoliuti nulio temperatūra, o laidumo juosta yra žemiausias lygių, kuriuose yra neužpildytų, diapazonas teigia. Puslaidininkiuose ir izoliatoriuose šias juostas skiria energijos tarpas, vadinamasjuostos tarpas. Semimetaluose jie sutampa. Metaluose nėra skirtumo tarp jų.