Vad menas med en upphetsad atom?

Inledning

I allmänhet beskrivs ett fysiskt systemtillstånd av en uppsättning variabler Låt oss överväga variabeln ”System Intern energi”

Systemstatus

Ett system sägs vara i sitt ”marktillstånd” när den är på lägsta möjliga energinivå Varje annan stat är då en ”upphetsad stat” och de skulle motsvara en energinivå som är högre än marktillståndets (per definition är det miniminivån)

Exempel

Låt oss betrakta väteatomen som bildas av en proton och en elektron som fysiskt system.

Det är ett bundet kvantmekaniskt system så energinivån är diskret. Låt oss anta att elektronen befinner sig i lägsta möjliga omloppsbana (s1): det är systemets marktillstånd.

Om du tillhandahåller rätt mängd energi (kom ihåg att energispektrumet är diskret) med hjälp av en foton som träffar systemet, kommer systemet att absorbera fotonens energi och lagra den som ”intern energi” med elektronhoppning till yttre orbitaler. Så då flyttas systemet till ett upphetsat tillstånd eftersom det inte längre befinner sig i sitt jordtillstånd (dess unika elektron har bytt omlopp).

Tänk på att i allmänhet tenderar system att minimera sin potentiella energi så ”upphetsade tillstånd” är instabila: ju längre systemet förblir upphetsat, desto högre är sannolikheten för ett förfall.

För att avsluta vårt exempel, låt oss överväga att atomen blir en jon, det händer om mängden absorberad energi är så hög att elektronen kan övervinna den negativa potentiella barriären för det bundna tillståndet och bli ett ” fri partikel ”(faktiskt måste du komma ihåg om partikelvåg dualitet).

I så fall kan du inte säga att systemet är upphetsat, det har förändrats helt: det är inte längre bundet qm-system som består av proton och elektron.

Kommentarer

• Tack Nicola för ditt svar …… bara för att klargöra: Så en upphetsad atom är en vars energi har ökat vilket visas som en överföring av några av dess elektroner till längre orbitaler. Om en atom får en snabbare rörelse, även om den har högre energi jämfört med det ursprungliga tillståndet, så kallas det inte för att spänna en atom, eller hur? Det har bara att göra med elektronerna. Rätt?
• Tja, tekniskt sett beror det på vilken referensram du använder. Jag har valt Hydrogen Atom som fysiskt system så jag har lagt referensramen centrerad på själva atomen och därmed bara fokuserat på dess inre tillstånd (och frihetsgrader). Om du placerar referensramen utanför atomen, kan också överväga dess potential (på grund av ett externt fält) och kinetisk energi men då blir ditt system en gas.
• Jag får inte den här delen ” men sedan din systemet blir en gas. ”

Excitation är en höjd i energinivån över ett godtyckligt energiläge.

” Snälla på engelska! ”

Så vad detta effektivt säger är att en atom betraktas som ”upphetsad” när dess energinivå är högre än resten. Detta kan manifesteras som värme, ljus etc. Till exempel Aurora Borealis. Aurora är när strålning från solen upphetsar atomerna i luften. Dessa atomer måste gå tillbaka till baslinjen, så de släpper energi som ljus.

Din köksspis är ett annat exempel. Vattenmolekylerna precis bredvid värmaren har ökat, så de börjar krossa i andra molekyler bredvid dem och spännar dem. Och därmed värms upp potten.

I grund och botten föredrar elektroner att hålla sig på minst energinivå i en atom. Om viss energiförbrukning ges till den hoppar den till en högre energinivå. Det finns diskreta energinivåer, så e- accepterar endast en viss energi för att bli utsatt för högre energinivå. När den återgår till ett lägre tillstånd ger den ut energin i form av fotoner. Sök efter vätespektrum för mer.

Tänk på följande atommodell:

Tänk på att det bara är en modell och medan den är en bra modell som höjer vår förståelse av den subatomära världen, det är fortfarande bara en modell och verkligheten kommer att se annorlunda ut. Hur exakt? Vi vet inte. Modellen är dock tillräckligt bra för att förstå vad en upphetsad atom är.

Med denna försiktighet ur vägen kan vi först försöka förstå vad marktillståndet är. i mitten har du protonerna och neutronerna som är tätt packade för att bilda kärnan. Det laddas positivt av $ Ze $, där $ Z $ är antalet protoner och $ e $ är enhetsavgiften. Samma antal $ Z $ elektroner måste kretsa kring kärnan för att göra denna atom neutral. Om vi betraktar $ Z = 1 $ har vi bara en elektron och vi kan ignorera regler, där exakt elektronen får bero på närvaron av andra elektroner ( se Pauli-princip för ytterligare information).

Atomenerginivåerna kvantiseras. Det betyder att det bara finns vissa nivåer där elektronen tillåts kretsa. På bilden visas de av de grå cirklarna (”skal”). Om elektronen sitter på det innersta skalet ($ n = 1 $) har den lägsta energin. Om den sitter på det andra skalet ($ n = 2 $), den har mer energi och så vidare. Vanligtvis vill en atom vara i sitt jordtillstånd, där den har lägsta möjliga energi, dvs. där elektronen är i det första skalet. När elektronen kretsar kring ett annat skal än det första kallar vi atomen upphetsad. Spännande en atom kan hända t.ex. genom bestrålning, där elektronen absorberar energi från ett foton (ljus) för att komma till ett av de yttre skalen. Efter ett tag kommer elektronen tillbaka till det innersta skalet, dvs atomen återgår till sitt marktillstånd. Eftersom den befinner sig i ett lägre energiläge berättar energibesparing oss att den måste släppa ut kvarvarande energi. Detta görs genom att avge en foton med en mycket typisk våglängd (se spektrallinjer för mer info). På bilden visas detta med den röda vågiga linjen, där $ \ Delta E $ är energidifferensen mellan det andra och det tredje skalet och också den energi som foton kommer att bära bort.