Atomok energiaszintjei

Ahogy kémiából emlékezhetsz, az atomok egy magból és a körülöttük keringő elektronokból állnak. Az elektronok azonban nem választhatnak tetszőleges pályát. Csak bizonyos energiájú pályákon tudnak mozogni. Az elektronok átugorhatnak az egyik energiaszintű pályáról a másikra, de sohasem lehet a megengedett energiaszinttől különböző energiájú pályájuk.

Nézzük meg a legegyszerűbb atomot, egy semleges hidrogénatomot. Energiaszintjei az alábbi ábrán láthatók. Az x tengely a hidrogénatom elektronjának megengedett energiaszintjeit mutatja, 1-től 5-ig számozva. Az y tengely az egyes szintek energiáját mutatja elektronvolt (eV) mértékegységben. Egy elektronvolt az az energia, amit az elektron egy volt potenciálkülönbségen áthaladva nyer (1 eV = 1.6 x 10^-19 Joule).

A teljes mérethez kattints a képre

A hidrogénatomban az elektron csak megengedett energiaszinten helyezkedhet el. Ha egy elektron az első energiaszinten helyezkedik el, pontosan -13.6 eV energiája van. Ha a második energiaszinten helyezkedik el, pontosan -3.4 eV energiája kell legyen. A hidrogénatomban az elektron nem rendelkezhet -9 eV, -8 eV vagy bármilyen köztes energiával.

Tegyük fel, hogy az elektron az első energiaszintről (n = 1) a második energiaszintre (n = 2) akar ugrani. A második szint energiája nagyobb, mint az első, ezért ahhoz, hogy n = 1-ről n = 2-re kerülhessen, az elektronnak energiát kell szereznie. Ahhoz, hogy a második energiaszintre jusson, (-3.4) - (-13.6) = 10.2 eV energiára van szüksége.

Az elektron a szükséges energiát fény elnyelésével szerezheti meg. Ha a második energiaszintről ugrik le az első energiaszintre, energiájának egy részét le kell adnia, fény kibocsátásával. Az atomok a fényt fotonnak nevezett különálló csomagokban tudják elnyelni vagy kibocsátani, és minden foton meghatározott energiával rendelkezik. Amikor az elektron az n = 1 és n = 2 energiaszintek között átugrik, csak egy pontosan 10.2 eV energiájú foton nyelődhet el vagy bocsájtódhat ki.

A foton energiáját a hullámhossza határozza meg. Mivel az n = 1 és n = 2 energiaszintek között átugró elektronok pontosan 10.2 eV energiájú fotont nyelnek el vagy bocsájtanak ki, az elnyelt vagy kibocsájtott fény pontosan meghatározott frekvenciájú. Ezt a hullámhosszt az

E = hc/l

egyenlőségből kaphatjuk meg, ahol E a foton energiája (eV egységben), h a Planck-állandó (4.14 x 10^-15 eV s) és c a fénysebesség (3 x 10⁸ m/s). Az egyenlőséget átrendezve kapjuk:

l = hc/E.

Egy 10.2 eV energiájú foton hullámhossza 1.21 x 10^-7 m, ami a spektrum ultraibolya részére esik. Tehát amikor egy foton az n = 1 szintről az n = 2 szintre ugrik, egy ultraibolya fotont kell hogy elnyeljen. Az n = 2 szintről az n = 1 szintre ugorva egy ultraibolya fényű fotont bocsájt ki.

A második és a harmadik energiaszint közötti különbség sokkal kisebb. Ehhez az ugráshoz mindössze 1.89 eV energia szükséges. A harmadik és a negyedik szint között még kisebb a különbség, és még annál is kisebb a negyedik és az ötödik szint között.

Mi történne, ha az elektron annyi energiát tudna összeszedni, hogy el tudjon jutni egészen 0 eV-ig? Az elektron ekkor kiszabadulna a hidrogénatomból. Az atomnak elektronhiánya támadna, hidrogénion lenne belőle.

Az alábbi táblázat a hidrogénatom első öt energiaszintjét mutatja.

3. gyakorlat. Az alábbi táblázat egy egyszeresen ionizált héliumatom - amely két protont, két neutront és egy elektront tartalmaz - energiaszintjeit mutatja: Energiaszint Energia 1 -54.4 eV 2 -13.6 eV 3 -6.04 eV 4 -3.4 eV 5 -2.176 eV Mennyi energia szabadul fel, amikor az elektron a második energiaszintről az első energiaszintre ugrik?

Ezzel a módszerrel kiszámítható a különféle elemekben, különböző szintek között átugró elektronok által kibocsátott fény hullámhossza. Mindazonáltal a helyes energiaszintek kiszámítása a nagyobb, sok elektront tartalmazó atomokra bonyolult. Még a semleges hélium és az egyszeresen ionizált hélium energiaszintjei is eltérnek egymástól! Ezért most mellőzzük, hogyan lehet különböző atomok energiaszintjeit kiszámolni. Az energiaszintek értékének utánanézhetsz valamilyen kémia vagy fizika könyvben, vagy az interneten.