Was ist mit einem angeregten Atom gemeint?

Einführung

Im Allgemeinen wird ein physikalischer Systemzustand durch eine Reihe von Variablen beschrieben. Betrachten wir die Variable „System Internal Energy“

Systemzustände

Ein System soll sich in seinem „Grundzustand“ befinden. Wenn es sich auf dem niedrigstmöglichen Energieniveau befindet, ist jeder andere Zustand ein „angeregter Zustand“ und sie würden einem Energieniveau entsprechen, das größer als das des Grundzustands ist (per Definition ist es das Mindestniveau).

Beispiel

Betrachten wir als physikalisches System das Wasserstoffatom, das von einem Proton und einem Elektron gebildet wird.

Es ist ein gebundenes quantenmechanisches System, daher ist das Energieniveau diskret. Nehmen wir an, das Elektron befindet sich im niedrigstmöglichen Orbital (s1): Dies ist der Grundzustand des Systems.

Wenn Sie die richtige Energiemenge (denken Sie daran, dass das Energiespektrum diskret ist) mithilfe eines Photons bereitstellen, das auf das System trifft, absorbiert das System die Energie des Photons und speichert sie als „interne Energie“ mit dem Elektronensprung zu äußeren Orbitalen. Dann bewegt sich das System in einen angeregten Zustand, da es sich nicht mehr im Grundzustand befindet (sein einzigartiges Elektron hat das Orbital verändert).

Bedenken Sie, dass Systeme im Allgemeinen dazu neigen, ihre potenzielle Energie zu minimieren, sodass „angeregte Zustände“ instabil sind: Je länger das System angeregt bleibt, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit eines Zerfalls.

Um unser Beispiel abzuschließen, betrachten wir den Fall, dass das Atom ein Ion wird. Es passiert, wenn die absorbierte Energiemenge so hoch ist, dass das Elektron die negative Potentialbarriere des gebundenen Zustands überwinden und ein „ freies Teilchen “(eigentlich muss man sich an die Teilchenwellen-Dualität erinnern).

In diesem Fall kann man nicht sagen, dass das System angeregt ist, es hat sich vollständig geändert: Es ist kein gebundenes qm-System mehr, das aus Protonen und Elektronen besteht.

Kommentare

• Vielen Dank, Nicola, für Ihre Antwort. Nur um zu verdeutlichen: Ein angeregtes Atom ist also eines, dessen Energie zugenommen hat wird als Übertragung einiger seiner Elektronen auf weiter entfernte Orbitale gezeigt. Wenn sich ein Atom schneller bewegt, obwohl es im Vergleich zum Ausgangszustand eine höhere Energie hat, wird dies nicht als Anregung eines Atoms bezeichnet, oder? Es hat nur mit den Elektronen zu tun. Richtig?
• Technisch gesehen hängt es vom verwendeten Referenzrahmen ab. Ich habe als physikalisches System das Wasserstoffatom gewählt, also habe ich den Bezugsrahmen auf das Atom selbst zentriert, um mich nur auf seinen inneren Zustand (und seine Freiheitsgrade) zu konzentrieren. Wenn Sie den Bezugsrahmen außerhalb des Atoms platzieren, sind Sie kann auch sein Potential (aufgrund eines externen Feldes) und seine kinetische Energie berücksichtigen, aber dann wird Ihr System zu einem Gas.
• Ich bekomme diesen Teil nicht „, sondern dann Ihren System wird zu einem Gas. “

Anregung ist eine Erhöhung des Energieniveaus über einen beliebigen Grundlinienenergiezustand.

“ Auf Englisch bitte! “

Das heißt also effektiv, dass ein Atom als „angeregt“ betrachtet wird, wenn sein Energieniveau höher ist als das der anderen. Dies kann sich als Hitze, Licht usw. manifestieren. Zum Beispiel die Aurora Borealis. Die Aurora ist, wenn Sonnenstrahlung die Atome in der Luft anregt. Diese Atome müssen zur Grundlinie zurückkehren, damit sie Energie als Licht freisetzen.

Ihr Küchenherd ist ein weiteres Beispiel. Die Wassermoleküle direkt neben der Heizung haben sich beschleunigt, sodass sie in andere Moleküle neben ihnen eindringen und sie erregen. Und so erwärmt sich der Topf.

Grundsätzlich bevorzugen Elektronen, in einem Atom auf dem niedrigsten Energieniveau zu bleiben. Wenn ihm eine bestimmte Menge Energie gegeben wird, springt es auf ein höheres Energieniveau. Es gibt diskrete Energieebenen, so dass e- nur eine bestimmte Energie akzeptieren würde, um einem höheren Energieniveau ausgesetzt zu werden. Wenn es in einen niedrigeren Zustand zurückkehrt, gibt es die Energie in Form von Photonen ab. Durchsuchen Sie das Wasserstoffspektrum nach mehr.

Betrachten Sie das folgende Modell eines Atoms:

Beachten Sie, dass es sich nur um ein Modell handelt Ein gutes Modell, das unser Verständnis der subatomaren Welt verbessert. Es ist immer noch nur ein Modell, und die Realität wird anders aussehen. Wie genau? Wir wissen es nicht. Das Modell ist jedoch gut genug, um zu verstehen, was ein angeregtes Atom ist.

Mit dieser Einschränkung können wir zunächst versuchen, den Grundzustand zu verstehen In der Mitte befinden sich die Protonen und Neutronen, die dicht gepackt sind, um den Kern zu bilden. Sie werden durch $ Ze $ positiv geladen, wobei $ Z $ die Anzahl der Protonen und $ e $ die Einheitsladung ist. Dieselbe Anzahl $ Z. $ Elektronen müssen den Kern umkreisen, um dieses Atom neutral zu machen. Wenn wir $ Z = 1 $ betrachten, haben wir nur ein Elektron, und wir können Regeln ignorieren, nach denen genau das Elektron aufgrund der Anwesenheit anderer Elektronen sein darf ( Weitere Informationen finden Sie unter Pauli-Prinzip .

Die Energieniveaus des Atoms werden quantisiert. Das bedeutet, dass es nur bestimmte Niveaus gibt, in denen sich das Elektron befindet darf umkreisen. Im Bild werden sie durch die grauen Kreise („Schalen“) dargestellt. Wenn das Elektron auf der innersten Schale sitzt ($ n = 1 $), hat es die niedrigste Energie. Wenn es auf der zweiten Schale sitzt ($ n = 2 $), es hat mehr Energie und so weiter. Typischerweise möchte ein Atom in seinem Grundzustand sein, in dem es die niedrigstmögliche Energie hat, d. H. Wo sich das Elektron auf der ersten Hülle befindet. Wenn das Elektron auf einer anderen Schale als der ersten umkreist, nennen wir das Atom angeregt. Das Anregen eines Atoms kann z.B. durch Bestrahlung, bei der das Elektron Energie von einem Photon (Licht) absorbiert, um zu einer der äußeren Schalen zu gelangen. Nach einer Weile kehrt das Elektron zur innersten Hülle zurück, d. H. Das Atom kehrt in seinen Grundzustand zurück. Da es sich in einem Zustand niedrigerer Energie befindet, sagt uns die Energieeinsparung, dass es die übrig gebliebene Energie abgeben muss. Dies erfolgt durch Emission eines Photons mit einer sehr typischen Wellenlänge (weitere Informationen finden Sie unter Spektrallinien ). Im Bild wird dies durch die rote Wellenlinie gezeigt, wobei $ \ Delta E $ die Energiedifferenz zwischen der 2. und 3. Schale sowie die Energie ist, die das Photon wegtragen wird.