"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.; под ред. Орлова В.А. (ч.1); Генденштейн Л.Э., Кошкина А.В., Левиев Г.И. (ч. 2)
Энергетические уровни — это допустимые значения энергии атома, между которыми электрон не может находиться в связанном состоянии. Самый низкий уровень соответствует основному состоянию, а более высокие — возбуждённым. При поглощении энергии атом переходит вверх, при возвращении вниз излучает фотон. Разности энергий уровней определяют частоты фотонов и линии в спектре каждого химического элемента.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Энергетический уровень — одно из дискретных значений энергии, которые может иметь атом. Для связанного электрона промежуточные значения между уровнями недоступны. Это понятие позволяет описывать состояние атома не непрерывной шкалой, а набором разрешённых значений.
Основное состояние — состояние атома с наименьшей возможной энергией. В нём атом наиболее устойчив и самопроизвольно не переходит на ещё более низкий уровень. От него отсчитывают переходы к возбуждённым состояниям.
Возбуждённое состояние — состояние атома, энергия которого выше энергии основного состояния. Оно появляется после получения энергии, но обычно не является устойчивым: атом стремится вернуться на нижний уровень. При этом возвращении может испускаться фотон.
Квантовый переход — изменение состояния атома с переходом между энергетическими уровнями. Переход вверх сопровождается поглощением энергии, а переход вниз — её выделением. Так можно связать изменения состояния атома с фотонами и спектрами.
Связанный электрон нельзя представить маленьким шариком, который может двигаться вокруг ядра по любой орбите с любой энергией. Его состояние описывается волной, а для устойчивого состояния вокруг ядра должна укладываться целая структура этой волны. Поэтому возможны только такие состояния, которым соответствуют определённые энергии; между ними устойчивого состояния нет.
На схеме уровни изображают горизонтальными линиями и располагают снизу вверх по возрастанию энергии. Нижняя линия — основное состояние, выше находятся возбуждённые состояния. Расстояния между соседними уровнями не обязаны быть одинаковыми, потому что они определяются строением конкретного атома и взаимодействием электрона с ядром.
Чтобы перейти на более высокий уровень, атом должен получить строго определённую порцию энергии. Например, он поглощает фотон, если энергия фотона совпадает с разностью энергий верхнего и нижнего уровней: Eф = E₂ − E₁. Фотон с неподходящей энергией не вызывает такой переход, поэтому поглощение происходит выборочно.
При переходе на более низкий уровень атом теряет энергию. Она уносится фотоном, энергия которого равна разности уровней: Eф = Eвыс − Eниз, а его частота определяется формулой Eф = hν. Переход может происходить сразу на несколько уровней ниже или поэтапно, если такие переходы разрешены.
Набор уровней зависит от заряда ядра и числа электронов, поэтому у каждого атома получается своя система возможных переходов. Каждой разности энергий соответствует определённая частота света. Из-за этого спектр атома состоит из отдельных линий и служит своеобразным «отпечатком» химического элемента.
| Состояние или переход | Энергия атома | Что происходит | Связь с фотоном |
|---|---|---|---|
| Основное состояние | Наименьшая из допустимых | Атом наиболее устойчив | Фотон не поглощается и не излучается самопроизвольно |
| Возбуждённое состояние | Выше энергии основного состояния | Атом получил энергию и может вернуться вниз | При переходе вниз возможна эмиссия фотона |
| Переход на более высокий уровень | Энергия увеличивается | Атом поглощает энергию | Eф = Eвыс − Eниз |
| Переход на более низкий уровень | Энергия уменьшается | Атом отдаёт энергию | Излучается фотон с Eф = Eвыс − Eниз |
В таблице сначала определите начальное и конечное состояния, а затем сравните их энергии. Если энергия увеличилась, речь идёт о поглощении, если уменьшилась — об излучении. В обоих случаях энергия фотона равна разности уровней, а не их сумме.
Условие: энергии двух уровней атома равны E₁ и E₂, причём E₂ > E₁. Определить энергию фотона, поглощённого при переходе с первого уровня на второй.
Решение: атом движется вверх по шкале энергий, поэтому фотон должен передать ему недостающую энергию.
Ответ: Eф = E₂ − E₁.
Условие: атом переходит с уровня E₂ на уровень E₁, где E₂ > E₁. Найти частоту излучённого фотона.
Решение: при переходе вниз атом отдаёт разность энергий, а затем эту энергию связываем с частотой.
Ответ: ν = (E₂ − E₁)/h.
Условие: для атома известны несколько уровней энергии. Требуется перечислить энергии фотонов при переходах и определить линии спектра излучения.
Решение: излучение возможно только при движении с более высокого уровня на более низкий. Поэтому нужно рассмотреть каждую пару уровней, для которой такой переход разрешён.
Ответ: набор линий определяется всеми различными разностями энергий разрешённых переходов вниз.
Любая энергия между уровнями. Ошибка возникает, если переносить на атом привычное представление о непрерывном изменении энергии. Проверка проста: для связанного состояния сверяйте значение только с разрешёнными уровнями.
Путаница основного и возбуждённого состояний. Иногда основное состояние ошибочно считают самым «главным» по величине энергии. Сравните энергии: основное всегда самое низкое, а любое более высокое состояние — возбуждённое.
Излучение при переходе вверх. Такой вывод появляется из-за невнимательности к направлению перехода. Подъём требует поглощения фотона или другой энергии, а излучение относится к переходу вниз.
Сумма энергий вместо разности. Суммирование не показывает, сколько энергии потерял или получил атом. Вычтите энергию нижнего уровня из энергии верхнего и проверьте, что результат положителен.
Для понимания уровней нужны понятия энергии и закона сохранения энергии. Также используется представление о фотоне и формула Eф = hν, связывающая его энергию с частотой.
Энергетические уровни помогают объяснить спектры излучения и поглощения атомов. По спектральным линиям можно определять состав вещества и исследовать его состояние.
Эта тема опирается на квантовые представления о строении атома. Она служит основой для изучения квантовых процессов и взаимодействия вещества со светом.
Почему энергия электрона в атоме не может принимать любые значения?
Электрон в атоме находится в связанном состоянии и может существовать только в определённых квантовых состояниях. Каждому такому состоянию соответствует свой энергетический уровень, поэтому промежуточные значения энергии недоступны.
Чем основное состояние атома отличается от возбуждённого?
Основное состояние имеет наименьшую возможную энергию. Возбуждённое состояние обладает большей энергией и возникает, когда атом получает энергию извне.
Что происходит с атомом, когда он поглощает фотон?
Атом поглощает фотон только тогда, когда его энергия равна разности между двумя разрешёнными уровнями. После этого атом переходит с нижнего уровня на более высокий и оказывается в возбуждённом состоянии.
Как найти энергию фотона при переходе между уровнями?
Нужно найти модуль разности энергий начального и конечного уровней: Eф = |Eнач − Eкон|. При переходе вниз эта энергия выделяется в виде фотона, а при переходе вверх поглощается.
Почему у разных атомов разные спектры?
У каждого атома своё строение и свой набор разрешённых энергетических уровней. Поэтому различаются и разности энергий уровней, а значит, частоты и положения спектральных линий.
2. Энергетические уровни
