Orbity i poziomy energetyczne

W przeciwieństwie do planet krążących wokół Słońca, elektrony nie mogą znajdować się w dowolnej odległości od jądra; mogą istnieć tylko w pewnych specyficznych miejscach zwanych dozwolonymi orbitami. Ta właściwość, po raz pierwszy wyjaśniona przez duńskiego fizyka Nielsa Bohra w 1913 roku, jest kolejnym wynikiem mechaniki kwantowej, a konkretnie wymogiem, że moment pędu elektronu na orbicie, tak jak wszystko inne w świecie kwantowym, jest dostarczany w dyskretnych wiązkach zwanych kwantami.

W atomie Bohra elektrony mogą znajdować się tylko na dozwolonych orbitach, a te dozwolone orbity mają różne energie. Orbity są analogiczne do zestawu schodów, w których grawitacyjna energia potencjalna jest inna dla każdego stopnia i w których piłka może być znaleziona na każdym stopniu, ale nigdy pomiędzy nimi.

Prawa mechaniki kwantowej opisują proces, w którym elektrony mogą przechodzić z jednej dozwolonej orbity, lub poziomu energetycznego, na inny. Jak w przypadku wielu procesów w świecie kwantowym, proces ten jest niemożliwy do zwizualizowania. Elektron znika z orbity, na której się znajduje i pojawia się ponownie w nowej lokalizacji, nie pojawiając się w żadnym miejscu pomiędzy. Proces ten nazywany jest skokiem kwantowym lub przeskokiem kwantowym i nie ma on analogii w świecie makroskopowym.

Ponieważ różne orbity mają różne energie, kiedykolwiek następuje skok kwantowy, energia posiadana przez elektron będzie inna po skoku. Na przykład, jeżeli elektron przeskakuje z wyższego na niższy poziom energetyczny, to utracona energia będzie musiała gdzieś się podziać i w rzeczywistości zostanie wyemitowana przez atom w postaci wiązki promieniowania elektromagnetycznego. Ta wiązka jest znana jako foton, a ta emisja fotonów ze zmianą poziomów energetycznych jest procesem, dzięki któremu atomy emitują światło. Zobacz również laser.

W ten sam sposób, jeśli energia jest dodawana do atomu, elektron może użyć tej energii do wykonania skoku kwantowego z niższej na wyższą orbitę. Ta energia może być dostarczona na wiele sposobów. Jednym z powszechnych sposobów jest zaabsorbowanie przez atom fotonu o odpowiedniej częstotliwości. Na przykład, gdy białe światło pada na atom, selektywnie absorbuje on te częstotliwości, które odpowiadają różnicom energii pomiędzy dozwolonymi orbitami.

Każdy pierwiastek ma unikalny zestaw poziomów energetycznych, a więc częstotliwości, przy których absorbuje i emituje światło działają jak rodzaj odcisku palca, identyfikując dany pierwiastek. Ta właściwość atomów dała początek spektroskopii, nauce zajmującej się identyfikacją atomów i cząsteczek na podstawie rodzaju promieniowania, które emitują lub absorbują.

Ten obraz atomu, z elektronami poruszającymi się w górę i w dół pomiędzy dozwolonymi orbitami, którym towarzyszy absorpcja lub emisja energii, zawiera zasadnicze cechy modelu atomu Bohra, za który Bohr otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1922 roku. Jego podstawowy model nie sprawdza się jednak w wyjaśnianiu szczegółów budowy atomów bardziej skomplikowanych niż wodór. Wymaga to wprowadzenia mechaniki kwantowej. W mechanice kwantowej każdy orbitujący elektron jest reprezentowany przez wyrażenie matematyczne znane jako funkcja falowa – coś w rodzaju drgającej struny gitarowej ułożonej wzdłuż ścieżki orbity elektronu. Te kształty falowe nazywane są orbitalami. Zobacz też mechanika kwantowa: Teoria atomu Bohra.