Orbite e livelli di energia

A differenza dei pianeti che orbitano intorno al Sole, gli elettroni non possono trovarsi a qualsiasi distanza arbitraria dal nucleo; possono esistere solo in certe posizioni specifiche chiamate orbite permesse. Questa proprietà, spiegata per la prima volta dal fisico danese Niels Bohr nel 1913, è un altro risultato della meccanica quantistica – in particolare, il requisito che il momento angolare di un elettrone in orbita, come tutto il resto nel mondo quantistico, è in fasci discreti chiamati quanti.

Nell’atomo di Bohr gli elettroni si possono trovare solo in orbite permesse, e queste orbite permesse sono ad energie diverse. Le orbite sono analoghe a una serie di scale in cui l’energia potenziale gravitazionale è diversa per ogni gradino e in cui una palla può trovarsi su qualsiasi gradino ma mai nel mezzo.

Le leggi della meccanica quantistica descrivono il processo con cui gli elettroni possono muoversi da un’orbita permessa, o livello energetico, a un’altra. Come per molti processi nel mondo quantistico, questo processo è impossibile da visualizzare. Un elettrone scompare dall’orbita in cui si trova e riappare nella sua nuova posizione senza mai apparire in nessun posto nel mezzo. Questo processo è chiamato salto quantico o salto quantico, e non ha alcun analogo nel mondo macroscopico.

Perché orbite diverse hanno energie diverse, ogni volta che si verifica un salto quantico, l’energia posseduta dall’elettrone sarà diversa dopo il salto. Per esempio, se un elettrone salta da un livello energetico superiore a uno inferiore, l’energia persa dovrà andare da qualche parte e infatti sarà emessa dall’atomo in un fascio di radiazioni elettromagnetiche. Questo fascio è noto come fotone, e questa emissione di fotoni con un cambiamento di livello energetico è il processo con cui gli atomi emettono luce. Vedi anche laser.

Nello stesso modo, se l’energia viene aggiunta a un atomo, un elettrone può usare quell’energia per fare un salto quantico da un’orbita inferiore a una superiore. Questa energia può essere fornita in molti modi. Un modo comune è che l’atomo assorba un fotone della giusta frequenza. Per esempio, quando la luce bianca viene fatta brillare su un atomo, esso assorbe selettivamente quelle frequenze corrispondenti alle differenze di energia tra le orbite consentite.

Ogni elemento ha un unico insieme di livelli di energia, e quindi le frequenze alle quali assorbe ed emette luce agiscono come una sorta di impronta digitale, identificando il particolare elemento. Questa proprietà degli atomi ha dato origine alla spettroscopia, una scienza dedicata all’identificazione di atomi e molecole in base al tipo di radiazione che emettono o assorbono.

Questa immagine dell’atomo, con gli elettroni che si muovono su e giù tra orbite consentite, accompagnati dall’assorbimento o dall’emissione di energia, contiene le caratteristiche essenziali del modello atomico di Bohr, per il quale Bohr ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1922. Il suo modello di base non funziona bene nello spiegare i dettagli della struttura di atomi più complicati dell’idrogeno, tuttavia. Questo richiede l’introduzione della meccanica quantistica. Nella meccanica quantistica ogni elettrone in orbita è rappresentato da un’espressione matematica nota come funzione d’onda, qualcosa come una corda di chitarra vibrante disposta lungo il percorso dell’orbita dell’elettrone. Queste forme d’onda sono chiamate orbitali. Vedi anche meccanica quantistica: Teoria dell’atomo di Bohr.