1. Εξερεύνηση

Άτομα

Ποια είναι η δομή του ατόμου;

Το άτομο είναι το μικρότερο μέρος της ύλης που έχει χημικές ιδιότητες. Σε 1 γραμμάριο Υδρογόνου υπάρχουν 6,022⋅10^23 άτομα. Περιέχει τρεις τύπους στοιχειωδών σωματιδίων που συνιστούν την ύλη. Τα πρωτόνια (θετικά ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια) και τα νετρόνια (ουδέτερα, θετικά ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια) βρίσκονται στον πυρήνα, ενώ τα μικρότερα ηλεκτρόνια (αρνητικά φορτισμένα σωματίδια) βρίσκονται γύρω από τον πυρήνα. Η μάζα του ατόμου είναι το άθροισμα των μαζών αυτών των σωματιδίων, αλλά επειδή τα ηλεκτρόνια είναι ελαφρύτερα, μόνο το 0,06% της μάζας του ατόμου είναι ηλεκτρονική.
Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια δίνουν στο άτομο όλες του τις χημικές ιδιότητες. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων είναι ο Ατομικός Αριθμός του στοιχείου. Η Κβαντική Μηχανική μας λέει ότι τα ηλεκτρόνια στο άτομο μπορούν να έχουν μόνο ορισμένες ενέργειες με διακριτό τρόπο.
Η ενέργεια της n-οστής στάθμης δίνεται από τον τύπο

όπου h είναι η σταθερά του Planck, c είναι η ταχύτητα του φωτός, R_∞ είναι ο τύπος του Rydberg και Z είναι ο Ατομικός Αριθμός του ατόμου.

Όταν ένα ηλεκτρόνιο μεταβαίνει από μια υψηλότερη στάθμη ενέργειας σε μια χαμηλότερη, εκπέμπει ένα κβάντο ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας (ένα φωτόνιο). Η ενέργεια είναι η διαφορά των ενεργειών των εμπλεκόμενων σταθμών και εκπέμπεται με μια συχνότητα f που δίνεται από τον τύπο

όπου E₂ είναι η ενέργεια της υψηλότερης στάθμης (δηλαδή η αρχική στάθμη του ηλεκτρονίου) και E₁ η ενέργεια της χαμηλότερης στάθμης (δηλαδή η τελική στάθμη).

Αυτό το είδος εκπομπής ονομάζεται αυθόρμητη ή ακτινοβολούμενη εκπομπή.

Για να κατανοήσουμε πλήρως τη δυναμική αυτού του είδους εκπομπής είναι σημαντικό να υπενθυμίσουμε ορισμένα χαρακτηριστικά της δομής του ατόμου.

Τα ηλεκτρόνια υπακούουν στους νόμους της Κβαντικής Μηχανικής που μας λένε ότι

• δεν μπορούμε να βρούμε τη θέση και την ορμή των σωματιδίων με άπειρη ακρίβεια (Αρχή Απροσδιοριστίας του Heisenberg)
• μπορούμε μόνο να γνωρίζουμε την πιθανότητα να βρούμε ένα σωματίδιο σε μια συγκεκριμένη θέση στο χώρο μέσω της χρήσης της εξίσωσης του Schroedinger. Οι λύσεις αυτής της εξίσωσης μας δίνουν την πιθανότητα ως συνάρτηση των χωρικών συντεταγμένων. Ως αποτέλεσμα, μπορούμε να οπτικοποιήσουμε τη ζώνη του χώρου όπου η πιθανότητα αλληλεπίδρασης με ένα σωματίδιο δεν είναι αμελητέα.

Στην περίπτωση των ηλεκτρονίων στο άτομο, οι λύσεις της εξίσωσης του Schroedinger ονομάζονται ατομικά τροχιακά.

Η Απαγορευτική Αρχή του Pauli επιτρέπει μόνο σε δύο ηλεκτρόνια (ένα για κάθε φορά της ηλεκτρονικής ιδιότητας που ονομάζεται spin) να καταλαμβάνουν ένα τροχιακό, δηλαδή να ικανοποιούν τις συνθήκες της εξίσωσης του Schroedinger.

Η δομή των ενεργειακών σταθμών του ατόμου και οι μεταβάσεις μεταξύ τους εξαρτώνται από αυτούς τους κανόνες.