background image

Komentarz  3 
Ciepło właściwe ciał stałych. 
 
Znana jest empiryczna reguła głosząca, ze ciepło molowe ciał stałych jest stałe i wynosi: 

K

kmol

kcal

R

C

V

/

6

3

=

=

                                                 (3.1) 

Reguła  ta  sprawdza  się  dla  większości  ciał  stałych  w  wysokich  temperaturach.  Regułę  tą 
tłumaczy  klasyczna  teoria  ciepła  właściwego.  Według  tej  teorii,  drgający  atom  o  trzech 
stopniach swobody zgodnie z zasadą ekwipartycji energii posiada średnią energię kinetyczną 

kT

2

3

 oraz taką samą energię potencjalną. W sumie średnia energia wewnętrzna jednego mola 

ciała  stałego  wynosi 

kT

3

.  Wobec  tego  energia  wewnętrzna  jednego  mola  ciała  stałego 

wyniesie: 

RT

kT

N

U

A

3

3

=

=

                       

                                 (3.2) 

Stąd zgodnie z definicją ciepła molowego w stałej objętości: 

R

dT

dU

C

V

3

=

=

                                   

                      (3.3) 

Reguła  Dulonga-Petita  oraz  klasyczna  teoria  ciepła  właściwego  zupełnie  zawodzą  w  niskich 
temperaturach, w których obserwuje się gwałtowny spadek ciepła molowego. Znacznie lepiej 
tłumaczyła  dane  doświadczalne  teoria  ciepła  właściwego  Einsteina  (1907),  Einstein 
potraktował każdy atom ciała stałego jako oddzielny niezależny od innych atomów oscylator 
harmoniczny w przestrzeni trójwymiarowej drgający z częstością 

v

. Średnia energia takiego 

zgodnie z kwantowym wzorem Plancka wynosi: 

1

3

=

kT

hv

e

hv

E

                                                      

  (3.4) 

Mnożąc przez 

A

N

otrzymamy energię wewnętrzną dla mola ciała stałego: 

1

3

=

kT

hv

A

e

hv

N

U

                                                                   (3.5)  

Stąd ciepło molowe: 

2

2

1

3



=

=

kT

hv

kT

hv

V

e

e

kT

hv

R

dT

dU

C

                                             (3.6) 

Częstość oscylacji atomu w ciele stałym możemy oszacować różnymi metodami. Na przykład 
przez  pomiar  ściśliwości  ciała  stałego  można  oszacować  „stałą  sprężystości”  sił 
powodujących powrót do stanu równowagi, a masa atomu jest oczywiście wielkością znaną. 
Stosując tę metodę stwierdzono, że teoria Einsteina jest jakościowo zgodna z doświadczalnie 
zmierzonymi wartościami ciepła właściwego.  
 
Zjawisko fotoelektryczne 

 

Absorpcja  promieniowania  elektromagnetycznego  w  szczególności  światła,  może  być 
spowodowana  oddziaływaniem  promieniowania  z  elektronami  napromieniowywanej 
(oświetlanej  substancji).  Absorpcji  promieniowana  mogą  wtedy  towarzyszyć  efekty,  które 
określamy  wspólnym  mianem  zjawiska  fotoelektrycznego  lub  fotoefektu.  Rozróżnia  się  trzy 
formy fotoefektu: 

 

fotoefekt  zewnętrzny  zwany  też  fotoemisją  i  polegający  na  emisji  elektronów  z 
oświetlonego ciała stałego lub ciekłego do otaczającej przestrzeni (z reguły próżni); 

background image

 

fotoefekt  w  gazach  zwany  też  fotojonizacją  i  sprowadzający  się  do  jonizacji  atomów 
cząstek gazu pod wpływem promieniowania; 

 

fotoefekt  wewnętrzny.  Pod  nazwą  tą  rozumiemy  efekt  fotoprzewodzący 
(fotoprzewodnictwo)  oraz  efekt  fotowoltaiczny.  Fotoprzewodnictwo  charakteryzuje 
się  wzrostem  przewodności  ciała  stałego  pod  wpływem  oświetlenia.  Efekt 
fotowoltaiczny  natomiast  polega  na  powstawaniu  siły  elektromotorycznej  pod 
wpływem  oświetlenia  złącza  półprzewodnika  i  metalu  lub  dwóch  półprzewodników 
różnych typów (zjawiska te będą dyskutowane dokładnie w późniejszych wykładach).  

Teraz  będziemy  omawiali  tylko  zjawisko  fotoelektryczne  zewnętrzne.  Zjawisko  to  można 
badać za pomocą lampy przedstawionej schematycznie na rysunku. Elektrody lampy stanowią 
kondensator  kulisty.  Kulka  z  badanego  materiału  przewodzącego  znajduje  się  zwykle  w 
ś

rodku kulistego kolektora elektronów. Kolektorem jest zwykle warstwa metalu naniesiona na 

wewnętrzną  stronę  szklanej  osłony  próżni.  Badany  materiał  oświetla  się  przez  okienko  z 
kwarcu,  który  umożliwia  przechodzenie  zarówno  promieni  widzialnych  jak  i  promieni 
ultrafioletowych.  Między  kolektorem  i  emiterem  przykłada  się  różnicę  potencjałów  .  W 
zastosowaniach  praktycznych  fotoefektu  kolektor  jest  na  potencjale  wyższym  emiter  na 
potencjale  niższym.  Kolektor  jest  wtedy  anodą,  a  emiter  katodą  nazywaną  też  fotokatodą. 
Emitowane elektrony nazywane fotoelektronami poruszają się w kierunku kolektora tworząc 
tzw.  fotoprąd  ,  który  jest  mierzony  za  pomocą  galwanometru.  Typowe  wyniki  pomiarów 
przedstawią  rysunki. Jak widać z rysunku 1, jeżeli stały jest strumień 

Φ

 oświetlający emiter i 

między  emiterem  i  kolektorem  istnieje  napięcie  przyspieszające  elektrony  (potencjał 
kolektora  wyższy  od  potencjału  emitera),  to  pewnej  wartości  napięcia  natężenie  fotoprądu 
osiąga  wartość  stałą 

fnas

I

zwaną  prądem  nasycenia,  Prąd  nasycenia  będący  maksymalnym 

fotoprądem  przy  danym  oświetleniu  emitera  zostaje  osiągnięty  przy  takim  napięciu 
przyspieszającym,  przy  którym  wszystkie  elektrony  emitowane  przez  fotokatodę  osiągają 
anodę. Można zatem napisać: 

n

e

I

fnas

=

                                                           (3.7) 

e

-ładunek elektronu, 

n

-liczba elektronów emitowanych z katody w jednostce czasu. 

Istnienie pokaźnego fotoprądu przy zerowym napięciu świadczy, że większość emitowanych 
fotoelektronów  ma  początkową  energię  kinetyczną  różną  od  zera,  dzięki  czemu  może 
osiągnąć anodę bez napięcia przyspieszającego. Świadczy to też o tym, że emitera umożliwia 
nie tylko przepływ prądu, ale także wzbudza siłę elektromotoryczną w obwodzie. Informacji 
o  rozkładzie  energii  kinetycznej  fotoelektronów  dostarcza  nam  pomiar  fotoprądu  przy 
napięciu  hamującym  elektrony  (potencjał  kolektora  niższy  niż  potencjał  emitera).  W  miarę 
wzrostu  bezwzględnej  wartości  napięcia  hamującego  natężenie  fotoprądu  spada,  gdyż  coraz 
więcej  elektronów  o  niewystarczającej  energii  kinetycznej  zostaje  zawróconych  przez 
hamujące pole elektryczne i nie dochodzi do kolektora. Fotoprąd spada do zera przy pewnej 
wartości napięcia hamującego 

0

zwanej napięciem odcięcia, przy której maksymalna energia 

kinetyczna  fotoelektronów  zmienia  się  całkowicie  na  ich  energię  potencjalną  w  polu 
elektrycznym 

eU

mv

=

2

2

max

                                                             (3.8) 

Na rysunku () przedstawiono charakterystyki prądowo-napięciowe fotoemisji, otrzymane dla 
dwóch  różnych  strumieni 

Φ

  oświetlających  emiter,  spadają  do  zera  przy  tej  samej  wartości 

napięcia  hamującego 

0

.  Oznacza  to,  że  napięcie  odcięcia,  a  tym  samym  maksymalna 

energia kinetyczna fotoelektronów nie zależy od natężenia światła. Pomiary wartości 

0

 dla 

różnych  częstości  światła  wskazują  na  istnienie  zależności  liniowej  między  tymi 
wielkościami. Zależność tę dla różnych metali przedstawiają proste o jednakowym nachyleniu 

background image

na  rysunku  poniżej.  Wynika  stąd  następna  własność  zewnętrznego  fotoefektu:  maksymalna 
energia  kinetyczna  fotoelektronów  jest  proporcjonalna  do  częstości  światła  padającego.  Jak 
można  zauważyć  z  rysunku  dla  każdego  materiału  istnieje  tzw.  częstość  progowa  poniżej 
której  fotoemisja  elektronów  z  danego  materiału  nie  zachodzi,  pomimo  stosowania  dużych 
natężeń  światła.  Zjawiska  fotoelektrycznego  nie  potrafiła  wyjaśnić  elektrodynamika 
klasyczna.  Oddziaływanie  światła  z  materią  zgodnie  z  tą  teorią  sprowadza  się  od  tego,  że 
zmienne  pole  elektryczne  fali  wprawia  elektrony  danej  substancji  w  drgania  wymuszone. 
Jeżeli  energia  drgań  elektronów  jest  większa  od  pracy  wyjścia 

0

możliwa  jest  emisja 

fotoelektronów. Amplituda drgań jest proporcjonalna do amplitudy siły wymuszającej, a tym 
samym  do  amplitudy  pola  elektrycznego.  Energia  elektronów,  proporcjonalna  do  kwadratu 
amplitudy, powinna być zatem proporcjonalna do natężenia fali świetlnej, co jest sprzeczne z 
doświadczeniem.  Dla  każdej  częstotliwości  światła,  przy  dostatecznie  dużym  natężeniu  fali, 
elektrony  swobodne  powinny  osiągać  wystarczającą  energie  do  fotoemisji,  czemu  zaprzecza 
istnienie częstotliwości progowej. Ponadto przyjmując zgodnie z klasyczną teorią, że energia 
ś

wiatła równomiernie rozkłada się na całą powierzchnię falową, a więc i na wszystkie atomy 

oświetlanej  powierzchni,  powinien  upłynąć  skończony  czas,  w  którym  elektrony 
akumulowałyby  energię  konieczną  do  emisji.  Czas  ten  powinien  być  tym  większy  im 
mniejsze byłoby natężenie fali. Oszacowano, że przy bardzo słabym oświetleniu przy, którym 
fotoprąd  jest  mierzalny  opóźnienie  fotoefektu  powinno  być  rzędu  roku.  Tymczasem,    w 
rzeczywistości  również  przy  bardzo  słabym  oświetleniu  zjawisko  fotoelektryczne  jest 
praktycznie natychmiastowe. 
 

Zgodną z doświadczeniem jest kwantowa teoria fotoefektu podana przez Einsteina w 

1905  roku.  Einstein  opierając  się  na  kwantowej  teorii  promieniowania  cieplnego  podanej 
przez  Plancka  przyjął,  że  promieniowanie  elektromagnetyczne  nie  tylko  jest  emitowane,  ale 
również  rozchodzi  się  w  przestrzeni  i  jest  pochłaniane  przez  materię  w  postaci 
skoncentrowanej  w  przestrzeni  i  czasie  porcji  energii 

hv ,  zwanych  kwantami  energii 

promieniowania  elektromagnetycznego.  W  myśl  teorii  Einsteina  dla  otrzymania  poprawnej 
interpretacji  właściwości  fotoefektu  należy  przyjąć,  że  promieniowanie  elektromagnetyczne 
nie jest falą, ale strumieniem cząstek. Jeżeli światło pada na ciało to energia promieniowania 
nie rozkłada się równomiernie na wszystkie cząstki w pobliżu powierzchni ciała, ale tylko na 
te  cząsteczki  materii,  na  które  trafiają  fotony.  Oddziaływanie  promieniowania  z  materią 
sprowadza się więc do lokalnych oddziaływań fotonów z cząstkami materii. W szczególności 
zjawisko  fotoelektryczne  trzeba  traktować  jako  rezultat  zderzenia  fotonu  z  elektronem  ciała. 
Foton  traci  przy  tym  całą  swoją  energię 

hv

E

f

=

  na  rzecz  elektronu  i  przestaje  istnieć.  Taki 

przebieg  procesu  wymiany  energii  automatycznie  wyjaśnia  brak  bezwładności  fotoefektu. 
Elektron po zderzeniu z fotonem natychmiast uzyskuje całą i niezależną od natężenia światła 
energię 

hv ,  która  o  ile  jest  dostatecznie  duża,  umożliwia  wyjście  elektronu  z  naświetlonego 

materiału. Oczywiście nie wszystkie fotony padające na ciało przekazują energię elektronom. 
Część fotonów ulega odbiciu do powierzchni ciała, wśród fotonów pochłoniętych większość 
powiększa energię ruchu cieplnego atomów, a tym samym temperaturę ciała. Stosunek liczby 
emitowanych  w  pewnym  czasie  elektronów  do  liczby  pochłoniętych  w  tym  czasie  fotonów 
nazywamy wydajnością kwantową. Zgodnie z zasadą zachowania energii energia kinetyczna 
fotoelektronów  równa  jest  różnicy  energii 

hv   uzyskanej  od  fotonów  i  energii  traconej  w 

procesie  emisji.  Na  tę  ostatnią  składają  się  straty  energii  w  niesprężystych  zderzeniach 
elektronu na jego drodze ku powierzchni ciała oraz praca wyjścia wykonana przeciwko siłom 
wiążącym  elektron  na  powierzchni  ciała.  Elektrony  posiadające  wewnątrz  ciała  największą 
możliwą  energię  są  najsłabiej  związane  na  powierzchni  i  im  odpowiada  najmniejsza  praca 
wyjścia 

0

.  Te  właśnie  elektrony  o  ile  nie  doznają  zderzeń  na  drodze  ku  powierzchni  lub 

background image

oddziałują  z  fotonami  na  samej  powierzchni  ciała,  po  opuszczeniu  ciała  posiadają 
maksymalną energię kinetyczną wynoszącą: 
 

0

2

max

2

W

hv

mv

=

                                                                        (3.9) 

W równaniu tym streszcza się cała kwantowa natura zewnętrznego efektu fotoelektrycznego. 
Z równania Einsteina dla zewnętrznego fotoefektu wynika zgodny z doświadczeniem wniosek 
ż

e maksymalna energia kinetyczna fotoelektronów zależy wyłącznie od częstości padającego 

promieniowania.  Zależność  ta  jest  liniowa.  Na  maksymalną  energię  kinetyczną  nie  ma 
wpływu natężenie promieniowania. Wzrost natężenia promieniowania w myśl teorii kwantów 
oznacza wzrost liczby fotonów w strumieniu, a nie wzrost ich energii. Wzrost liczby fotonów 
wywoła  jednak  przy  określonej  wydajności  kwantowej  zjawisko  wzrostu  liczby 
fotoelektronów.  Tłumaczy  to  zatem  istniejącą  proporcjonalność  natężenia  fotoprądu  od 
natężenia,  a  tym  samym  od  strumienia 

Φ

,  padającego  promieniowania..  Również  istnienie 

częstości  progowej 

0

  staje  się  zrozumiałe  na  gruncie  teorii  kwantów.    Zewnętrzny  efekt 

fotoelektryczny  nie    może  wystąpić  bez  względu  na  natężenie  promieniowania  (liczbę 
padających fotonów) jeżeli energia fotonu jest mniejsza od energii koniecznej do wyzwolenia 
elektronu,  równej  pracy  wyjścia 

0

.  Częstość  progowa  odpowiadająca  zerowej  energii 

kinetycznej fotoelektronów spełnia zatem równanie: 

0

0

W

hv

=

                                                                           (3.10) 

stąd  

h

W

v

0

0

=

                                                                             (3.11) 

Atom wodoru w teorii Bohra 
Próbę  teoretyczną  wyjaśnienia  widm  atomów  ,  w  szczególności  atomu  wodoru  była  teoria 
podana przez fizyka duńskiego Nielsa Bohra. W tej teorii Bohr oparł się na jądrowym modelu 
atomu  podanym  przez  Rutherforda  oraz  na  teorii  kwantów  zainicjowanej  przez  Plancka. 
Wynikało  to  z  faktu,  że  właściwości  widm  atomów  nie  można  wyjaśnić  w  oparciu  o 
niewantową,  czyli  klasyczną  elektrodynamikę.  Krążenie  elektronów  wokół  jądra  zapewnia, 
dzięki  sile  odśrodkowej,  mechaniczną  stabilność  atomu,  lecz  równocześnie  zgodnie 
elektrodynamiką  klasyczną  powinno  powodować  stałe  wypromieniowywanie  energii  pod 
postacią promieniowania elektromagnetycznego. W myśl bowiem elektrodynamiki klasycznej 
każde  przyspieszone  naładowane  ciało  (  w  przypadku  atomu  wodoru  elektron  posiadający 
przyspieszenie  dośrodkowe)  jest  źródłem  promieniowania  elektromagnetycznego.  Energia 
byłaby wypromieniowywana kosztem  energii mechanicznej elektronów, które poruszając się 
po  spirali  spadałyby  na  jądro.  Atomy  byłyby  zatem  układami  niestabilnymi  i  ich  wymiary 
kurczyłyby  się  do  rozmiarów  jąder,  czemu  przeczy  doświadczenie.  Poza  tym  krążący  po 
spirali  elektron  promieniowałby  widmo  ciągłe,  podczas  gdy  widma  atomów  są  dyskretne. 
Prawo  elektrodynamiki,  które  dobrze  opisuje  zjawiska  makroskopowe  np.  promieniowanie 
anten nie może być stosowne w świecie atomów.  
 

W  celu  otrzymania  teorii  zgodnej  z  doświadczeniem  Bohr  musiał  przyjąć  postulat 

zgodny  z  kwantowym  charakterem  emisji  i  absorpcji  promieniowania,  stwierdzonym  przez 
Plancka. Postulat ten zwany pierwszym postulatem Bohra, głosił: 
Elektron poruszający się po określonej orbicie nie promieniuje energii. Emisja kwantu energii 
promieniowania 

hv  następuje tylko przy przechodzeniu elektronu z orbity o większej energii 

n

na orbitę o mniejszej energii 

m

. Zgodnie z prawem zachowania energii pierwszy postulat 

Bohra można zapisać następująco: 

hv

E

E

m

n

=

                                                                      (3.12) 

background image

Stany  atomu, w których  elektrony krążą po określonych (stacjonarnych) orbitach nazywamy 
stanami stacjonarnymi. Można zatem stwierdzić, że energia atomu w stanie stacjonarnym nie 
zmienia  się.  Zmiana  energii  następuję  (emisja)  przy  przejściu  atomu  do  stanu  o  niższej 
energii, natomiast zysk energii (absorpcja) przy przejściu do stanu o wyższej energii.  
 

Można zauważyć, że gdyby były zgodnie z mechaniką klasyczną, dozwolone dowolne 

orbity  elektronów  w  atomach,  to  byłyby  również  dozwolone  dowolne  wartości  energii 
elektronów  i  jak  wynika  ze  wzoru  (3.12)  –  dowolne    częstości 

v

  emitowanego 

promieniowania.  Widma  atomowe,  wbrew  stanowi  faktycznemu  byłyby  widmami  ciągłymi. 
Bohr  musiał  wobec  tego  przyjąć  dodatkowy  postulat  głoszący,  że  elektrony  w  atomie  mogą 
poruszać  się  tylko  po  pewnych  dozwolonych  orbitach,  na  których  orbitalny  moment  pędu 

elektronu  jest  całkowitą  wielokrotnością  stałej  Plancka  podzielonej  przez 

π

2 .  Drugi 

postulat Bohra można zatem zapisać następująco: 

π

2

h

n

L

n

=

                                         gdzie  

K

2

,

1

=

n

                   (3.13) 

Liczba 

n

nazywana  jest  liczbą  kwantową.  Symbol 

n

oznacza  różne  wartości  orbitalnego 

momentu  pędu  elektronu  przyporządkowane  różnym  wartością  liczby  kwantowej.  Można 
powiedzieć, że drugi postulat Bohra kwantuje orbitalny moment pędu elektronu w atomie tzn. 
z ciągłego zbioru wszystkich wartości  wybiera pewne ściśle określone wartości 

n

 

 

Postać  drugiego  postulatu  Bohra  niewątpliwie  sugerował  fakt,  że  stała  Plancka  ma 

wymiar  momentu  pędu  i  w  empirycznych  wzorach  na  długość  fal  (wzór  Rydberga)  linii 
widmowych występują liczby naturalne. 

=

2

2

1

1

1

n

m

R

λ

  gdzie 

1

1097373

=

m

R

                                    (3.14) 

 
Rozważmy atom złożony z jądra o ładunku 

Ze

+

i masie  oraz jednego elektronu o ładunku 

e

  i  masie 

m

.  Uwzględniamy  w  ten  sposób  nie  tylko  atom  wodoru  (

1

=

Z

),  ale  również 

atomy  tzw.  wodoropodobne  jak    zjonizowany  atom  helu  He+  (

2

=

Z

)  czy  dwukrotnie 

zjonizowany  atom  Li++  (

3

=

Z

)  .  Ze  względu  na  nierówność  (

m

M

>>

)  przyjmiemy 

początkowo,  że  jądro  jest  w  spoczynku.  Warunkiem  mechanicznej  stabilności  jądra  jest 
równowaga kulombowskiej siły przyciągania między elektronami i jądrem oraz działającej na 
krążący elektron siły odśrodkowej: 

r

mv

r

Ze

2

2

2

0

4

1

=

πε

                                                                        (3.15) 

Gdzie  jest  promieniem  orbity  elektronu,  a 

v

-  prędkością  elektronu.  Po  uproszczeniu 

równania (3.15) otrzymujemy: 

2

2

0

4

1

mv

r

Ze

=

πε

                                                                       (3.16) 

Moment pędu elektronu wynosi 

mvr

L

=

i drugi postulat Bohra możemy zapisać w postaci: 

π

2

h

n

mvr

=

                                                                             (3.17) 

Rozwiązanie  układu  równań  (3.16)  i  (3.17)  prowadzi  do  wzorów  na  dowolne  wartości 
promieni orbit i prędkości elektronu w atomie:  

2

2

2

0

2

4

n

mZe

h

r

n

=

π

πε

                                                                  (3.18) 

 

background image

n

h

Ze

v

n

1

2

4

0

2

=

π

πε

                                                             (3.19) 

Kwantowanie momentu pędu prowadzi zatem do kwantowania orbit i prędkości elektronu w 
atomie  (jak  zobaczymy  dalej  –  również  do  kwantowania  energii) 

n

oraz 

n

oznaczają 

wybrane,  dozwolone  wartości  

v

,  przyporządkowanie  różnym  wartościom  liczby 

kwantowej 

n

. Warto zauważyć, że dozwolone promienie orbit są proporcjonalne do kwadratu 

liczby  kwantowej.  Obliczone  ze  wzoru  (3.18)  wartość  pierwszej  orbity  (

1

=

n

)  dla  atomu 

wodoru,  wynosi 

m

r

11

1

10

3

.

5

=

.  Jak  wynika  z  (3.12),  w  celu  wyliczenia  częstości, 

emitowanych, przez atom linii należy wyliczyć energie elektronu na poszczególnych orbitach. 
Na energię całkowitą elektronu   składa się jego energia kinetyczna 

k

i potencjalna 

p

p

k

E

E

E

+

=

                                                                   (3.20) 

Korzystając (3.16) możemy napisać: 

r

Ze

mv

E

k

2

0

2

8

1

2

πε

=

=

                                                     (3.21) 

Energia  potencjalna  oddziaływania  elektronu  z  jądrem  wynosi  przy  przyjęciu  ze 

0

 →

r

p

E

r

Ze

E

p

2

0

4

1

πε

=

                                                             (3.22) 

Wobec tego całkowita energia wynosi: 

r

Ze

E

2

0

8

1

πε

=

                                                                (3.23) 

Korzystając  z  (3.18)  widoczne  jest,  że  z  ciągłego  zbioru  wartości  energii  elektron  w  atomie 
może  przybrać  tylko  pewne,  dyskretne  wartości,  gdyż  występujący  we  wzorach  na  energie 
promień  orbity  jest  skwantowany.  Korzystając  z  otrzymanych  rezultatów  otrzymujemy 
związek opisujący dozwolone wartości energii całkowitej elektronu: 

K

,

3

,

2

,

1

,

1

2

32

2

2

2

0

2

4

2

=

=

n

n

h

e

mZ

E

n

π

ε

π

                     (3.24) 

Zwane też dozwolonymi poziomami lub stanami energetycznymi elektronu w atomie 
 

Stan  o  najniższej  dozwolonej  możliwej  energii  atomu  nazywamy  stanem 

podstawowym  (niewzbudzonym).  W  atomie  jednoelektrodowym  odpowiada  to  sytuacji,  gdy 
jedyny elektron znajduje się na pierwszym poziomie energetycznym (

1

=

n

). Wszystkie inne 

stany odpowiadające 

1

>

n

  nazywamy wzbudzonymi. W miarę wzrostu 

n

 energia elektronu 

wzrasta  as  do  wartości 

0

=

E

odpowiadającej 

=

n

,  kiedy  to  elektron  odrywa  się  od  jądra 

=

r

,  i  staje  się  elektronem  swobodnym,  mogącym  przyjmować  dowolną  wartość  energii 

większą od zera (tzw. continuum). Odwrotnie, im mniejsze 

n

 i mniejsza energia 

n

elektronu 

tym  większa  siła  wiąże  elektron  z  jądrem.  Można  więc  bezwzględną  wartość 

m

określoną 

(3.24) traktować jako energię wiązania w atomie elektronu znajdującego się w stanie 

n

. Jest 

to energia potrzebna do oderwania elektronu w stanie 

n

 od atomu, czyli energia potrzebna do 

jego  jonizacji  (jest  to  tzw.  energia  jonizacji).  Energia  konieczna  do  przeniesienia  atomu  ze 
stanu  podstawowego  do  w  stan  wzbudzony  (o  skończonym 

1

>

n

)  nazywa  się  energią 

wzbudzenia. Wymienione energie najczęściej są wyrażane w elektronowoltach 

eV . Często też 

posługujemy  się  pojęciami  potencjałów  jonizacji  wzbudzenia  itd.,  związanych  z 

background image

odpowiednimi energiami zależnością 

e

E

U

=

np. dla wodoru energia jonizacji 

eV

E

j

58

.

13

=

potencjał  jonizacji 

V

U

j

58

.

13

=

.  Normalnym,  stałym  stanem  atomu  jak  zresztą  każdego 

układu  fizycznego,  jest  stan  minimalnej  energii,  czyli  stan  podstawowy.  Jeżeli  jednak 
wzbudzimy  go  tzn.  zmusimy  go  do  pochłonięcia  pewnej  ilości  energii  (co  może  nastąpić  w 
wyniku  zderzenia  z  elektronem  swobodnym  lub  fotonem)  wówczas  przechodzi  na  wyższy 
poziom  energetyczny.  Atom  przechodzi  w  stan  wzbudzony.  Jest  to  stan  nietrwały.  Po 
pewnym czasie (zwykle jest 

s

8

10

 ) zwanym czasem życia poziomu wzbudzonego, elektron 

spontanicznie  wraca  do  stanu  podstawowego  wprost  lub  przez  szereg  przejść  do  stanów 
pośrednich  o  coraz  mniejszej  energii.  Przy  każdym  przejściu  promieniowane  jest 
promieniowanie  elektromagnetyczne,  o  częstości  określonej  wzorem  (3.12).  Korzystając  z 
tego wzoru i zależności  

 

,

1

1

2

32

2

2

2

2

0

2

4

2

=

=

n

m

h

e

mZ

h

E

E

v

m

n

π

ε

π

                                    (3.25) 

Stąd odwrotności długości fal 

c

v

=

λ

1

wyrażą się wzorem: 

=

2

2

2

1

1

1

n

m

R

Z

λ

                                                      (3.26) 

gdzie  stała wartość (teoretyczna wartość stałej Rydberga): 

2

2

0

2

4

2

2

32

=

π

ε

π

h

e

mZ

R

                                                      (3.27) 

dobrze  zgadza  się  z  empiryczną  wartością  stałej  Rydberga  z  równania  (3.14).  Indeks 

oznacza,  że  w  teorii  przyjęto  nieskończenie  dużą  masę  jądra  w  porównaniu  do  masy 

elektronu i w związku z tym nie uwzględniono ruchu jądra.