Энергетические уровни электронов

В современной физике важно понимать, как электроны располагаются внутри атома. Электроны играют важную роль в электричестве, химии и многих других научных областях. Одним из ключевых понятий атомной физики являются энергетические уровни, которые могут занимать электроны вокруг ядра. Это понятие помогает нам понимать химические связи, электрическую проводимость и другие важные явления. Давайте более подробно изучим энергетические уровни электронов.

Электроны и атомы

Атом состоит из ядра, в котором содержатся протоны и нейтроны, и электронов, которые вращаются вокруг ядра. Электроны — это крошечные частицы с отрицательным зарядом. Их поведение и расположение вокруг ядра определяют химические свойства элементов.

Концепция энергетического уровня

Представьте лестницу. Так же, как человек может стоять на разных ступеньках лестницы, электроны могут существовать только на определенных энергетических уровнях внутри атома. Эти уровни также называют оболочками или орбиталями. Электроны не могут существовать между этими уровнями. Это фундаментальный принцип квантовой механики, известный как квантование.

Визуальный пример

Рассмотрим атом, изображенный ниже, в котором имеются несколько энергетических уровней.

На этой диаграмме ядро находится в центре, окруженное тремя энергетическими уровнями. Электроны движутся в пределах этих определенных путей.

Понимание энергетических уровней на примере

Рассмотрим атом с атомным номером 3. Это означает, что у него есть 3 электрона. Эти электроны будут занимать энергетические уровни, начиная с самого внутреннего уровня. Так, на первом энергетическом уровне, если доступно только 2 места, третий электрон должен переместиться на второй энергетический уровень.

Атомная модель Бора

Нильс Бор был одним из первых ученых, предложивших концепцию дискретных энергетических уровней внутри атома. В модели Бора электроны вращаются вокруг ядра так же, как планеты вращаются вокруг Солнца, но только по разрешенным путям или энергетическим уровням.

Пример урока - модель Бора

Модель Бора можно упростить следующим образом:

1. Электроны вращаются вокруг ядра на конкретных энергетических уровнях.
2. Эти уровни квантованы.
3. Электроны могут прыгать между разными уровнями, но не могут существовать между ними.
4. Когда электрон переходит на более высокий энергетический уровень, он поглощает энергию.
5. Когда он возвращается на более низкий энергетический уровень, он испускает энергию.
    

Расчет энергетического уровня

Каждый энергетический уровень в атоме может содержать определенное количество электронов, которое определяется по следующей формуле:

Максимальное количество электронов = 2n²
    

Где n — это главное квантовое число или номер энергетического уровня. Например:

• Энергетический уровень 1 (n=1): максимум 2 электрона
• Энергетический уровень 2 (n=2): максимум 8 электронов
• Энергетический уровень 3 (n=3): до 18 электронов

Визуализация переходов электронов

Когда электрон поглощает фотон с нужным количеством энергии, он может перейти с более низкого энергетического уровня на более высокий. И наоборот, когда он возвращается назад, он испускает фотон.

В этом примере электрон перемещается с более высокого энергетического уровня (E3) на более низкий энергетический уровень (E1) и при этом испускает фотон.

Квантовый скачок

Перемещение электронов между этими энергетическими уровнями часто называют квантовым скачком или переходом. Это понятие важно для понимания многих атомных поведений.

Применения энергетических уровней

Концепция энергетического уровня важна в областях квантовой механики и химии. Она помогает объяснять:

• Как атомы связываются друг с другом для образования молекул.
• Эмиссионные и абсорбционные спектры атомов, которые уникальны для каждого элемента и служат инструментом для химического анализа.
• Основные принципы работы лазеров и многих электронных устройств.

Флуоресценция и эмиссионные спектры

Когда все электроны находятся на самом низком возможном энергетическом уровне, атом находится в основном состоянии. Когда электроны поглощают энергию и переходят на более высокие уровни, атом находится в возбужденном состоянии. Возвращаясь в основное состояние, возбужденные электроны испускают энергию в виде света.

Это излучение света является основой флуоресценции. Когда поглощаются и затем излучаются определенные длины волн, создается уникальный для этого элемента эмиссионный спектр.

Эмиссионный спектр натрия

Например, когда через натрий проходит электрический ток, он показывает яркий желтый цвет из-за его эмиссионного спектра. Это вызвано переходом электронов между определенными энергетическими уровнями в атоме натрия.

Заключение

Энергетические уровни электронов составляют основу для понимания атомной структуры и химических свойств. Эти уровни являются фундаментальными понятиями как в школьных, так и в университетских курсах химии и физики. С помощью энергетических уровней мы понимаем поведение атомов и молекул во время химических реакций и взаимодействий с светом.

Комментарии