Atomai

Kokia yra atomo sandara?

Atomas yra mažiausia materijos dalelė, turinti chemines savybes. Viename grame vandenilio yra 6,022⋅10^23 atomų. Jį sudaro trijų rūšių elementariosios dalelės, kurios sudaro materiją. Protonai (teigiamai elektringos dalelės) ir neutronai (neutralios, teigiamai elektringos dalelės) yra sutelkti branduolyje, o mažesnieji elektronai (neigiamai įkrautos dalelės) sukasi aplink jį. Atomo masė yra šių dalelių masių suma, tačiau kadangi elektronai yra daug lengvesni, tik 0,06 % atomo masės sudaro elektronai.
Tačiau būtent elektronai suteikia atomui visas chemines savybes. Elektronų skaičius yra elemento atominis numeris. Kiekybinė mechanika mums sako, kad atomų elektronai gali turėti tik tam tikras, diskrečias energijas.
n-tojo lygmens energija apskaičiuojama pagal formulę

kur h – Planko konstanta, c – šviesos greitis, R∞ – Rydbergo konstanta, o Z – atomo atominis numeris.

Kai elektronas pereina iš aukštesnio energijos lygmens į žemesnį, jis išspinduliuoja elektromagnetinės energijos kvantą (fotoną). Energija yra tų lygmenų energijų skirtumas ir ji išspinduliuojama dažniu f, kuris apskaičiuojamas pagal formulę

kur E2 yra aukštesnio lygmens energija (t. y. pradinio elektrono lygmens), o E1 – žemesnio lygmens energija (t. y. galutinio lygmens).

Toks spinduliavimas vadinamas spontaniškuoju arba radiaciniu spinduliavimu.

Tam, kad pilnai suprastume šio spinduliavimo dinamiką, svarbu prisiminti kai kurias atomo sandaros ypatybes.

Elektronai paklūsta kvantinės mechanikos dėsniams, kurie teigia, kad

  • negalime rasti dalelės padėties ir impulso su begaliniu tikslumu (Heizenbergo neapibrėžtumo principas)
  • galime žinoti tik tikimybę rasti dalelę tam tikroje erdvės vietoje, naudodami Šrėdingerio lygtį. Šios lygties sprendiniai duoda tikimybę kaip erdvės koordinatę. Todėl galime vizualizuoti erdvės sritį, kurioje sąveikos su dalelėmis tikimybė yra reikšminga.

Elektronų atome atveju Šrėdingerio lygties sprendiniai vadinami orbitalėmis.

Pauli draudimo principas leidžia tik dviem elektronams (po vieną kiekvienai elektronų savybei, vadinamai sukinio kryptimi) užimti vieną orbitalę, t. y. atitikti Šrėdingerio lygties sąlygas.

Atomo energijos lygmenų sandara ir perėjimai tarp jų priklauso nuo šių taisyklių.