Co oznacza wzbudzony atom?

Wprowadzenie

Ogólnie rzecz biorąc, stan systemu fizycznego jest opisywany przez zbiór zmiennych Rozważmy zmienną „Energia wewnętrzna systemu”

Stany systemu

Mówi się, że system jest w swoim „stanie podstawowym” kiedy jest na najniższym możliwym poziomie energii Każdy inny stan jest wówczas „Stanem wzbudzonym” i odpowiadałby poziomowi energii wyższemu niż stan podstawowy (z definicji jest to poziom minimalny)

Przykład

Rozważmy jako układ fizyczny atom wodoru, który jest utworzony przez proton i elektron.

Jest to związany układ mechaniki kwantowej, więc poziom energii jest dyskretny. Załóżmy, że elektron znajduje się na najniższej możliwej orbicie (s1): to jest stan podstawowy systemu.

Jeśli dostarczysz odpowiednią ilość energii (pamiętaj, że widmo energii jest dyskretne) za pomocą fotonu uderzającego w układ, wówczas system pochłonie energię fotonu i zapisze ją jako „energię wewnętrzną” z elektron przeskakujący na zewnętrzne orbitale. Zatem układ przechodzi do stanu wzbudzonego, ponieważ nie znajduje się już w stanie podstawowym (jego unikalny elektron zmienił orbitę).

Weź pod uwagę, że ogólnie systemy mają tendencję do minimalizowania swojej energii potencjalnej, więc „stany wzbudzone” są niestabilne: im dłużej system pozostaje wzbudzony, tym większe jest prawdopodobieństwo zaniku.

Podsumowując nasz przykład, rozważmy przypadek, w którym atom staje się jonem, dzieje się tak, gdy ilość zaabsorbowanej energii jest tak duża, że elektron może pokonać ujemną barierę potencjału stanu związanego i stać się „ wolna cząstka ”(właściwie trzeba pamiętać o dualności cząstka-fala).

W takim przypadku nie można powiedzieć, że system jest podekscytowany, całkowicie się zmienił: nie jest już związany układem qm złożonym z protonu i elektronu.

Komentarze

• Dziękuję Nicola za odpowiedź …… tylko po to, żeby wyjaśnić: A więc podekscytowany atom to taki, którego energia wzrosła, co przejawia się jako przeniesienie niektórych jego elektronów na dalsze orbitale. Jeśli atom jest zmuszony do poruszania się szybciej, nawet jeśli ma wyższą energię w porównaniu ze stanem początkowym, nie nazywa się tego ekscytującym atomem, prawda? Ma to związek tylko z elektronami. Prawda?
• Z technicznego punktu widzenia zależy to od układu odniesienia, którego używasz. Jako układ fizyczny wybrałem atom wodoru, więc umieściłem układ odniesienia wyśrodkowany na samym atomie, aby skupić się tylko na jego stanie wewnętrznym (i stopniach swobody). Jeśli umieszczasz układ odniesienia poza atomem, może również wziąć pod uwagę jego potencjał (ze względu na pole zewnętrzne) i energię kinetyczną, ale wtedy twój system staje się gazem.
• Nie rozumiem tej części „, ale wtedy twój system staje się gazem. ”

Wzbudzenie to podniesienie poziomu energii powyżej dowolnego podstawowego stanu energii.

„ Po angielsku, proszę! ”

To oznacza, że atom jest uważany za „wzbudzony”, gdy jego poziom energii jest wyższy niż reszta. Może się to objawiać jako ciepło, światło itp. Na przykład zorza polarna. Zorza polarna występuje wtedy, gdy promieniowanie słoneczne wzbudziło atomy w powietrzu. Atomy te muszą wrócić do linii podstawowej, więc uwalniają energię w postaci światła.

Twój piec kuchenny to kolejny przykład. Cząsteczki wody tuż obok grzejnika przyspieszyły, więc zaczynają rozbijać się na inne cząsteczki obok siebie, podniecając je. W ten sposób garnek się nagrzewa.

Zasadniczo elektrony wolą pozostać na najniższym poziomie energii w atomie. Jeśli zostanie mu podana określona ilość energii, przeskakuje na wyższy poziom energii. Istnieją dyskretne poziomy energii, więc e- zaakceptowałby tylko określoną energię, aby uzyskać wyższy poziom energii. Kiedy wraca do niższego stanu, oddaje energię w postaci fotonów. Wyszukaj więcej widma wodoru.

Rozważmy następujący model atomu:

Pamiętaj, że to tylko model i dopóki jest dobry model, który podnosi nasze zrozumienie świata subatomowego, wciąż jest tylko modelem, a rzeczywistość będzie wyglądać inaczej. Jak dokładnie? Nie wiemy. Model jest jednak wystarczająco dobry, aby zrozumieć, czym jest wzbudzony atom.

Po usunięciu tego zastrzeżenia możemy najpierw spróbować zrozumieć, czym jest stan podstawowy. pośrodku znajdują się protony i neutrony, które są gęsto upakowane, aby utworzyć jądro. Jest on ładowany dodatnio przez $ Ze $, gdzie $ Z $ to liczba protonów, a $ e $ to ładunek jednostkowy. Ta sama liczba $ Z $ elektronów musi okrążyć jądro, aby atom ten stał się neutralny. Jeśli weźmiemy pod uwagę $ Z = 1 $, mamy tylko jeden elektron i możemy zignorować reguły, zgodnie z którymi dokładnie elektron może znajdować się z powodu obecności innych elektronów ( patrz Zasada Pauliego , aby uzyskać więcej informacji).

Poziomy energii atomu są kwantowane. Oznacza to, że istnieją tylko pewne poziomy, na których elektron ma pozwolenie na orbitę. Na rysunku są one pokazane przez szare kółka („powłoki”). Jeśli elektron znajduje się na najbardziej wewnętrznej powłoce ($ n = 1 $), ma najniższą energię. Jeśli znajduje się na drugiej powłoce ($ n = 2 $), ma więcej energii i tak dalej. Zwykle atom chce być w stanie podstawowym, w którym ma najniższą możliwą energię, czyli tam, gdzie elektron znajduje się na pierwszej powłoce. Kiedy elektron krąży po innej powłoce niż pierwsza, nazywamy atom wzbudzony. Wzbudzenie atomu może się zdarzyć np. przez napromieniowanie, w którym elektron pochłania energię fotonu (światła), aby dostać się do jednej z zewnętrznych powłok. Po chwili elektron wróci do najbardziej wewnętrznej powłoki, czyli atom powróci do stanu podstawowego. Ponieważ jest w niższym stanie energetycznym, zasada zachowania energii mówi nam, że musi wyemitować pozostałą energię. Odbywa się to poprzez emisję fotonu o bardzo typowej długości fali (więcej informacji znajdziesz w liniach widmowych ). Na rysunku jest to pokazane czerwoną falistą linią, gdzie $ \ Delta E $ to różnica energii między drugą i trzecią powłoką, a także energia, którą foton zabierze.