Raven energije: definicija, enačba (z diagrami)

V kvantni mehaniki lahko energija zaprtega sistema prevzame le nekatere kvantizirane vrednosti. Atom (jedro in elektroni) je kvantni sistem, ki sledi temu pravilu; njegove ravni energije so diskretne zaradi narave kvantne mehanike. Za kateri koli atom obstajajo samo določene dovoljene energijske vrednosti, ki jih imajo lahko njegovi elektroni, različni atomi pa imajo različna energijska stanja.

Ideja o kvantizaciji ravni atomske energije je bila dejansko teoretizirana desetletja pred pojavom kvantne mehanike. Znanstveniki v 19. stoletju so opazili, da sončna svetloba vsebuje spektralne črte pri različnih energijah. Sodobna kvantna mehanika je bila formalizirana šele leta 1926.

Ravni energije so energijske vrednosti, ki jih lahko ima ali zaseda elektron v atomu. Najnižje energijsko stanje ali nivo energije se imenuje osnovno stanje. Ker elektrone privlačijo pozitivno nabiti protoni v jedru, bodo na splošno najprej napolnili nižje ravni energije. Vzbujena stanja se pojavijo, ko se elektroni z nižjo energijo premaknejo v višja energijska stanja, v nižjih energetskih stanjih pa ostanejo prazne "reže" odprte.

Dve ali več ravni energije naj bi bili "izrojeni", če sta v različnih elektronskih konfiguracijah, vendar imata enako količino energije. Takrat se imenujejo izrojene ravni energije.

Energijske razlike med temi nivoji so različne za različne elemente, kar omogoča njihovo prepoznavanje po njihovem edinstvenem spektralnem prstnem odtisu.

Kvantna mehanika opisuje kvantizirano ali diskretno naravo teh ravni.

Bohrjev model je bil razširitev Rutherfordovega modela, ki je atome obravnaval kot planetarne sisteme. Rutherfordov model pa je imel ključno napako: za razliko od planetov imajo elektroni električni naboj, kar pomeni, da bi med kroženjem okoli jedra sevali energijo.

Izguba energije na ta način bi povzročila, da bi padli v jedro, kar bi onemogočilo stabilnost atomov. Poleg tega bi se energija, ki jo izžarevajo, "razmazala" po elektromagnetnem spektru, medtem ko je bilo znano, da atomi oddajajo energijo v ločenih linijah.

Bohrjev model je to popravil. Natančneje, model vsebuje tri postulate:

1. Elektroni se lahko premikajo v določenih diskretnih, stabilnih orbitah, ne da bi sevali energijo.
2. Orbite imajo vrednosti kotnega momenta, ki so celoštevilčnizmanjšanoPlanckova konstantaħ​.
3. Elektroni lahko pridobijo ali izgubijo zelo specifične količine energije samo s preskakovanjem ene orbite v drugo v ločenih korakih, tako da absorbirajo ali oddajajo sevanje določene frekvence.

Model zagotavlja dober približek ravni energije za preproste atome, kot je atom vodika, prvega reda. Prav tako narekuje, da mora biti kotni moment elektrona L = mvr = nħ. Spremenljivkanse imenuje glavno kvantno število.

Postulat, da je kotni moment kvantiziran, je pojasnil stabilnost atomov in diskretno naravo njihovih spektrov, leta pred pojavom kvantne mehanike. Bohrjev model je skladen z opazovanji, ki vodijo v kvantno teorijo, kot so Einsteinov fotoelektrični učinek, snovni valovi in ​​obstoj fotonov.

Vendar pa obstajajo nekateri kvantni učinki, ki jih ne more razložiti, na primer Zeemanov učinek ali fina in hiperfina struktura v spektralnih črtah. Manj natančen postane tudi z večjimi jedri in več elektroni.

Elektronske lupine v bistvu predstavljajo raven energije, ki ustreza glavnemu kvantnemu številun. Školjke imajo različne podvrste. Število podlupin =n​.

Obstajajo različne vrste podlupin, imenovane orbitale "s", orbitale "p", orbitale "d" in "f". Vsaka orbitala lahko vsebuje največ dva elektrona, vsak z nasprotnim elektronskim spinom; elektroni so lahko "spin up" ali "spin down".

Kot primer: lupina "n = 3" ima tri podlupine. Ti se imenujejo 3s, 3p in 3d. Pod lupina 3s ima eno orbitalo, ki vsebuje dva elektrona. Podplošča 3p ima tri orbitale, ki vsebujejo šest celotnih elektronov. 3D podlupina ima pet orbital, ki vsebujejo 10 celotnih elektronov. Lupina n = 3 ima torej 18 elektronov v devetih orbitalah, ki se raztezajo v treh podlupinah.

Splošno pravilo je, da lahko lupina sprejme do 2 (n²) elektroni.

Orbitali lahko zaradi Paulijevega izključitvenega načela imajo samo dva elektrona, po enega od vsakega elektronskega spina, ki pravi, da dva ali več elektronov ne moreta zasedati istega kvantnega stanja v istem kvantnem sistemu hkrati čas. Iz tega razloga atomi nikoli ne bodo imeli elektronov z enakim glavnim kvantnim številom in enakim spinom znotraj iste orbitale.

Orbitale so v resnici prostor vesolja, kjer je najverjetneje najti elektrone. Vsaka vrsta orbite ima drugačno obliko. Orbitala "s" izgleda kot preprosta krogla; orbitala "p" je videti kot dva režnja okoli središča. Orbitali "d" in "f" sta videti precej bolj zapleteni. Te oblike predstavljajo porazdelitve verjetnosti za lokacije elektronov v njih.

Najbolj zunanja energijska raven atoma se imenuje valentna raven energije. Elektroni na tej energijski ravni sodelujejo pri kakršni koli interakciji atoma z drugimi atomi.

Če je nivo energije poln (dva elektrona za s-orbitalo, šest za p-orbitalo itd.), Potem atom verjetno ne bo reagiral z drugimi elementi. Zaradi tega je zelo stabilen ali "inerten". Zelo reaktivni elementi imajo lahko v zunanji valentni lupini le en ali dva elektrona. Struktura valentne lupine določa veliko lastnosti atoma, vključno z njegovo reaktivnostjo in ionizacijsko energijo.

Razumevanje ravni energije atoma vodika je prvi korak k razumevanju, kako ravni energije na splošno delujejo. Atom vodika, sestavljen iz enega napolnjenega pozitivnega jedra in enega elektrona, je najbolj preprost izmed atomov.

Za izračun energije elektrona v nivoju vodikove energije je E = -13,6eV / n², kjenje glavno kvantno število.

Tudi polmer orbite je dokaj enostavno izračunati: r = r₀n²kjer je r₀ je Bohrov polmer (0,0529 nanometra). Bohrov radij izhaja iz Bohrovega modela in je polmer najmanjše orbite, ki jo ima elektron okoli jedra v atomu vodika in je še vedno stabilen.

Valovna dolžina elektrona, ki izhaja iz kvantno-mehanske ideje, da sta elektrona oba delcev in valov, je preprosto obseg njegove orbite, ki je 2π-krat večji od izračunanega polmera: λ = 2πr₀n².

Elektroni se lahko premikajo navzgor in navzdol po ravni energije tako, da absorbirajo ali oddajajo foton zelo specifičnega valovna dolžina (ustreza določeni količini energije, ki je enaka energijski razliki med ravni). Posledično lahko atome različnih elementov prepoznamo z ločenim absorpcijskim ali emisijskim spektrom.

Absorpcijski spektri se dobijo z bombardiranjem elementa s svetlobo z veliko valovnimi dolžinami in zaznavanjem, katere valovne dolžine se absorbirajo. Emisijski spekter dobimo s segrevanjem elementa, da sili elektrone v vzbujena stanja, nato pa zaznavanje valovnih dolžin svetlobe, ko se elektroni spet spustijo v nižja energetska stanja. Ti spektri bodo pogosto inverzni drug drugemu.

Spektroskopija je način, kako astronomi prepoznajo elemente v astronomskih objektih, kot so meglice, zvezde, planeti in planetarne atmosfere. Spektri lahko astronomom povedo tudi, kako hitro se astronomski objekt odmika ali proti Zemlji, za koliko se spekter določenega elementa premakne rdeče ali modro. (Ta premik spektra je posledica Dopplerjevega učinka.)

Če želite najti valovno dolžino ali frekvenco fotona, ki se odda ali absorbira skozi prehod nivoja elektronske energije, najprej izračunajte razliko v energiji med obema energijskima nivojema:

To energijsko razliko lahko nato uporabimo v enačbi za energijo fotonov,

kjehje Planckova konstanta,fje frekvenca inλje valovna dolžina fotona, ki se oddaja ali absorbira, incje hitrost svetlobe.

Ko so atomi povezani, se ustvarijo nove vrste ravni energije. Posamezen atom ima le nivo energije elektronov; molekula ima posebne ravni molekularne energije elektronov, pa tudi vibracijske in rotacijske ravni energije.

Ko se atomi kovalentno vežejo, njihove orbitale in ravni energije vplivajo drug na drugega, da ustvarijo nov nabor orbital in ravni energije. Ti se imenujejovezanjeinprotilepljenjemolekularne orbitale, kjer imajo vezne orbitale nižjo raven energije, protivezne orbitale pa višjo raven energije. Da imajo atomi v molekuli stabilno vez, morajo biti kovalentni vezni elektroni v molekularni orbitali spodnje vezi.

Molekule imajo lahko tudi nevezne orbitale, ki vključujejo elektrone v zunanjih lupinah atomov, ki niso vključeni v vezni postopek. Njihove ravni energije so enake, kot bi bile, če atom ne bi bil vezan na drugega.

Ko so atomi povezani, lahko te vezi oblikujemo skoraj kot vzmeti. Energiji, ki jo vsebuje relativno gibanje vezanih atomov, pravimo vibracijska energija in jo kvantiziramo tako kot ravni elektronov. Molekularni kompleksi se lahko tudi vrtijo med seboj prek atomskih vezi in ustvarjajo kvantizirane rotacijske ravni energije.

Prehod nivoja elektronske energije v molekuli se lahko kombinira s prehodom ravni vibracijske energije v tako imenovanemvibronski prehod. Imenujejo se kombinacije vibracijske in rotacijske ravni energijerovibracijski prehodi; imenuje se prehod, ki vključuje vse tri vrste ravni energijerovibronic. Razlike v ravni energije so na splošno večje med elektronskimi prehodi, nato vibracijskimi prehodi in nato najmanjše za rotacijske prehode.

Obstaja več vedno bolj zapletenih pravil o tem, v kakšnem stanju so elektroni v večjih atomih, ker imajo ti atomi večje število elektronov. Ta stanja so odvisna od količin, kot so spin, interakcije med elektronskimi spini, orbitalne interakcije itd.

Kristalinični materiali imajo energijske pasove - elektron v tovrstni trdni snovi lahko sprejme katero koli vrednost energije znotraj njih psevdo-neprekinjeni pasovi, če je pas neizpolnjen (obstaja omejitev, koliko elektronov lahko določen pas vsebujejo). Ti pasovi, čeprav veljajo za neprekinjene, so tehnično ločeni; vsebujejo le preveč ravni energije, ki so preblizu skupaj, da bi jih ločili ločeno.

Najpomembnejši pasovi se imenujejoprevodnostpas invalencapas; valenčni pas je obseg najvišjih energijskih ravni materiala, v katerem so prisotni elektroni absolutna ničelna temperatura, medtem ko je prevodni pas najnižji obseg ravni, ki vsebujejo neizpolnjeno države. V polprevodnikih in izolatorjih so ti pasovi ločeni z energijsko režo, imenovanopasovna vrzel. V polmetih se prekrivajo. V kovinah ni razlike med njimi.