» » » » » » Nivele energetice cuantificate ale electronilor

Nivele energetice cuantificate ale electronilor

Niveluri de energie ale electronilor în atomi (Aceste niveluri de energie ale electronului (nu la scară) sunt suficiente pentru stările de la nivelul atomilor până la cadmiu (5s2 4d10) inclusiv. Nu uitați că chiar și partea superioară a diagramei este mai mică decât o stare electronică nelegată.)

Un sistem mecanic cuantic sau o particulă care este legată – adică, limitată spațial – nu poate lua decât anumite valori discrete ale energiei. Aceasta contrastează cu particulele clasice, care pot avea orice energie. Aceste valori discrete se numesc nivele de energie. Termenul este utilizat în mod obișnuit pentru nivelurile de energie ale electronilor din atomi, ioni sau molecule, care sunt legate de câmpul electric al nucleului, dar se pot referi și la nivelurile de energie ale nucleelor ​​sau la nivelul energiei vibraționale sau rotative în molecule. Spectrul energetic al unui sistem cu astfel de niveluri de energie discrete se spune că este cuantificat.

În chimie și fizică atomică, un înveliș de electroni sau un nivel energetic principal poate fi considerată ca o orbită urmată de electroni în jurul nucleului unui atom. Cel mai apropiat înveliș de nucleu se numește „învelișul 1” (denumită și „învelișul K”), urmată de „învelișul 2” (sau „învelișul L”), apoi „învelișul 3” , și așa mai departe. Învelișurile corespund cu numerele cuantice principale (n = 1, 2, 3, 4 …) sau sunt etichetate alfabetic cu literele utilizate în notația cu raze X (K, L, M, …).

(Nivelul energiei pentru un electron dintr-un atom: starea de bază și stările excitate. După absorbția energiei, un electron poate „sări” din starea solului într-o stare excitată de energie. https://en.wikipedia.org/wiki/File:Atomic_orbital_energy_levels.svg)

Fiecare înveliș poate conține numai un număr fix de electroni: primul înveliș poate conține până la doi electroni, cel de-al doilea înveliș poate conține până la opt (2 + 6) electroni, cel de-al treilea înveliș poate ține până la 18 (2 + 6 + 10 ) și așa mai departe. Formula generală este că învelișul n-lea poate în principiu să dețină până la 2(n2) electroni. Deoarece electronii sunt atrași electric de nucleu, electronii unui atom vor ocupa în general învelișuri exterioare numai dacă cele mai multe învelișuri interioare au fost deja umplute complet de alți electroni. Totuși, aceasta nu este o cerință strictă: atomii pot avea două sau chiar trei învelișuri exterioare incomplete.

Dacă energia potențială este setată la zero la o distanță infinită de nucleul sau molecula atomică, convenția obișnuită, atunci stările electronilor legate au energie potențială negativă.

Dacă un atom, ion sau moleculă este la cel mai mic nivel posibil de energie, el și electronii săi sunt considerați a fi în starea de bază. Dacă se află la un nivel de energie mai ridicat, se spune că este excitat sau că sunt excitați toți electronii care au energie mai mare decât starea de bază. Dacă mai mult de o stare mecanică cuantică este la aceeași energie, nivelurile de energie sunt „degenerate„. Acestea sunt apoi numite nivele de energie degenerate.

Explicaţie

Stări cuantice excitate Funcțiile de undă ale electronului într-un atom de hidrogen(Funcțiile de undă ale unui atom de hidrogen, care arată probabilitatea de a găsi electronul în spațiul din jurul nucleului. Fiecare stare staționară definește un nivel specific al energiei atomului.)

Nivelele de energie cuantificate rezultă din relația dintre energia unei particule și lungimea de undă. Pentru o particulă limitată, cum ar fi un electron într-un atom, funcția de undă are forma undelor staționare. Pot exista numai stări staționare cu energii corespunzătoare numerelor integrale de lungimi de undă; pentru alte stări undele interferează distructiv, ducând la densitatea de probabilitate zero. Exemplele elementare care arată matematic cum sunt nivelurile de energie sunt particula într-o cutie și oscilatorul cuantic armonic.

Tranziții ale nivelelor de energie

O creștere a nivelului de energie de la E1 la E2 care rezultă din absorbția unui foton
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Schematic_diagram_of_atomic_line_spontaneous_emission_(hv_corrected).png

(O creștere a nivelului de energie de la E1 la E2 care rezultă din absorbția unui foton reprezentat de săgeata roșie, și a cărei energie este h ν. La scăderea nivelului de energie de la E2 la E1, rezulă emisia unui foton reprezentat de săgeata roșie în sens invers, cu energie hν.)

Electronii din atomi și molecule pot schimba (realizând tranziții în) nivelurile de energie prin emiterea sau absorbția unui foton (de radiație electromagnetică), a cărui energie trebuie să fie exact egală cu diferența energetică dintre cele două nivele. Electronii pot fi, de asemenea, îndepărtați complet dintr-o specie chimică, cum ar fi un atom, o moleculă sau un ion. Îndepărtarea completă a unui electron de la un atom poate fi o formă de ionizare, care îndepărtează în mod efectiv electronul dintr-un orbital cu un număr cuantum principal infinit, atât de departe încât să nu mai aibă practic niciun efect asupra atomului rămas ion). Pentru diferite tipuri de atomi, există energii de ionizare 1, 2, 3, etc., pentru îndepărtarea primului, apoi a celui de-al doilea, apoi a celui de-al treilea, etc., electronilor cu cele mai înalte energii de la atomul inițial în starea de bază. Energia în cantități opuse corespunzătoare poate fi, de asemenea, eliberată, uneori sub formă de energie fotonică, atunci când electronii sunt adăugați la ioni încărcați pozitiv sau uneori la atomi. Moleculele pot, de asemenea, suferi tranziții la nivelurile de energie vibraționale sau rotative. Tranzițiile nivelelor de energie pot fi, de asemenea, non-radiative, ceea ce înseamnă că emisia sau absorbția unui foton nu este implicată.

Energia unui foton este egală cu constanta lui Planck (h) ori frecvența lui (f) și astfel este proporțională cu frecvența lui sau cu inversul lungimii sale de undă (λ).

ΔE = hf = hc/λ,

unde c, viteza luminii este egală cu .

Corespunzător, multe tipuri de spectroscopie se bazează pe detectarea frecvenței sau lungimii de undă a fotonilor emiși sau absorbiți pentru a furniza informații despre materialul analizat, inclusiv informații despre nivelurile de energie și structura electronică a materialelor obținute prin analiza spectrului.

Un asterisc este folosit în mod obișnuit pentru a desemna o stare excitată. O tranziție electronică în legătura unei molecule de la o stare de bază la o stare excitată poate avea o denumire precum σ → σ*, π → π* sau n → π*, ceea ce înseamnă excitarea unui electron de la un orbital de legătură σ la un orbital antilegătură σ , de la un orbital de legătură π la un orbital antilegătură π, sau de la un orbital antilegătură la un orbital antilegătură π. Tranzițiile electronice inverse pentru toate aceste tipuri de molecule excitate sunt, de asemenea, posibile pentru a reveni la stările lor de bază, care pot fi desemnate ca σ* → σ, π* → π, sau π* → n.

O tranziție la un nivel de energie a unui electron într-o moleculă poate fi combinată cu o tranziție vibrațională și se numește o tranziție vibronică. O tranziție vibrațională și rotativă poate fi combinată prin cuplaj echilibrat. În cuplajul rovibronic, tranzițiile electronice sunt simultan combinate cu tranziții vibraționale și rotative. Fotonii implicați în tranziții pot avea energie de diverse grade în spectrul electromagnetic, cum ar fi raze X, ultraviolete, lumină vizibilă, infraroșu sau radiații cu microunde, în funcție de tipul de tranziție. Într-un mod foarte general, diferențele de nivel de energie între stările electronice sunt mai mari, diferențele dintre nivelurile vibraționale sunt intermediare, iar diferențele dintre nivelurile de rotație sunt mai mici, deși pot exista suprapuneri. Nivelurile de energie translaționale sunt practic continui și pot fi calculate ca energie cinetică utilizând mecanica clasică.

Temperatura mai ridicată determină ca atomii și moleculele fluidelor să se deplaseze mai repede, crescând energia lor translațională și excită termic moleculele la amplitudini medii mai mari ale modurilor vibraționale și de rotație (excită moleculele la niveluri energetice interne mai mari). Aceasta înseamnă că, pe măsură ce crește temperatura, contribuțiile translaționale, vibraționale și rotaționale la capacitatea moleculară de căldură permit moleculelor să absoarbă căldura și să dețină mai multă energie internă. Conducția căldurii apare în mod tipic deoarece moleculele sau atomii se ciocnesc transferând căldura între ei. La temperaturi chiar mai ridicate, electronii pot fi excitați termic la orbitale energetice mai mari în atomi sau molecule. O scădere ulterioară a unui electron la un nivel de energie mai scăzut poate elibera un foton, provocând o strălucire eventual colorată.

Un electron mai departe de nucleu are o energie potențială mai mare decât un electron mai aproape de nucleu, astfel devine mai puțin legat de nucleu, deoarece energia sa potențială este negativă și invers dependentă de distanța sa de la nucleu.

Summary
Review Date
Reviewed Item
Nivele energetice cuantificate ale electronilor
Author Rating
51star1star1star1star1star

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *

Acest sit folosește Akismet pentru a reduce spamul. Află cum sunt procesate datele comentariilor tale.