Baner og energiniveauer

I modsætning til planeter, der kredser om Solen, kan elektroner ikke befinde sig i en vilkårlig afstand fra kernen; de kan kun eksistere på bestemte steder, der kaldes tilladte baner. Denne egenskab, der først blev forklaret af den danske fysiker Niels Bohr i 1913, er endnu et resultat af kvantemekanikken – nærmere bestemt kravet om, at en elektrons impulsmoment i kredsløb, ligesom alt andet i kvanteverdenen, kommer i diskrete bundter kaldet kvanter.

I Bohr-atomet kan elektroner kun findes i tilladte baner, og disse tilladte baner har forskellige energier. Banerne svarer til et sæt trapper, hvor den potentielle tyngdeenergi er forskellig for hvert trin, og hvor en kugle kan findes på ethvert trin, men aldrig imellem.

Kvantemekanikkens love beskriver den proces, hvorved elektroner kan bevæge sig fra en tilladt bane, eller energiniveau, til et andet. Som det er tilfældet med mange processer i kvanteverdenen, er denne proces umulig at visualisere. En elektron forsvinder fra den bane, den befinder sig i, og dukker op igen i sin nye bane uden nogensinde at dukke op noget sted i mellemtiden. Denne proces kaldes et kvantespring eller kvantespring, og den har ingen analogi i den makroskopiske verden.

Da forskellige baner har forskellige energier, vil den energi, som elektronen besidder, hver gang der sker et kvantespring, være forskellig efter springet. Hvis en elektron f.eks. springer fra et højere til et lavere energiniveau, skal den tabte energi et eller andet sted hen og vil faktisk blive udsendt af atomet i et bundt elektromagnetisk stråling. Dette bundt er kendt som en foton, og denne udsendelse af fotoner med et skift i energiniveau er den proces, hvorved atomer udsender lys. Se også laser.

På samme måde kan en elektron, hvis der tilføres energi til et atom, bruge denne energi til at foretage et kvantespring fra en lavere til en højere bane. Denne energi kan tilføres på mange måder. En almindelig måde er, at atomet kan absorbere en foton med den helt rigtige frekvens. Når hvidt lys f.eks. skinner på et atom, absorberer det selektivt de frekvenser, der svarer til energiforskellene mellem de tilladte baner.

Hvert grundstof har et unikt sæt energiniveauer, og derfor fungerer de frekvenser, hvormed det absorberer og udsender lys, som en slags fingeraftryk, der identificerer det pågældende grundstof. Denne egenskab ved atomer har givet anledning til spektroskopi, en videnskab, der beskæftiger sig med at identificere atomer og molekyler ud fra den type stråling, de udsender eller absorberer.

Dette billede af atomet med elektroner, der bevæger sig op og ned mellem tilladte baner, ledsaget af absorption eller emission af energi, indeholder de væsentlige træk i Bohrs atommodel, som Bohr modtog Nobelprisen i fysik for i 1922. Hans grundmodel fungerer imidlertid ikke godt til at forklare detaljerne i strukturen af mere komplicerede atomer end hydrogen. Dette kræver indførelsen af kvantemekanikken. I kvantemekanikken er hver elektron i kredsløb repræsenteret ved et matematisk udtryk, der kaldes en bølgefunktion – noget i retning af en vibrerende guitarsnor, der er lagt ud langs elektronens bane. Disse bølgeformer kaldes orbitaler. Se også kvantemekanik: Bohrs teori om atomet.