ATOM KAO KVANTNI SISTEM

Proces emisije svjetlosti je kvantne prirode, a ostvaruje se prijelazom atoma iz višeg energetskog stanja u niže. Stanja elektrona u atomu (uz zanemarivanje kretanja jezgre) karakterizirana su kvantnim brojevima. U vodikovom atomu postoje četiri kvantna broja: glavni kvantni broj (n), orbitalni kvantni broj (l), magnetski kvantni broj (m) i kvantni broj spina ().

Svaki od ovih kvantnih brojeva karakterizira neku specifičnost elektronskog stanja.

Glavni kvantni broj n ima vrijednosti 1, 2, 3 ... i određuje energiju stanja. Više stanja mogu imati istu energiju. Skup svih stanja čini elektronsku ljusku. Ljuske se redom označuju sa K, L, M, N...

Drugi kvantni broj l naziva se orbitalnim kvantnim brojem i određuje moment količine gibanja elektrona, a za dani n može poprimiti značenja od l = 0 do l = (n - 1). Različita kvantna stanja elektrona, koja odgovaraju vrijednostima:

l = 0, l, 2, 3, 4, 5... označuju se sa:

s, p, d, f, g, h ... i nazivaju se podljuskama.

Svakoj elektronskoj ljusci K, L, M,. . . odgovara izvjestan broj podljusaka s, p, d,... Ljuska K, npr., ima samo s podljusku (l = 0). Ljuska L ima s i p podljusku (l =0, 1) itd.

Treći kvantni broj m naziva se magnetski i poprima cjelobrojne vrijednosti između —1 i +1: ukupno (2 + 1) vrijednosti. Za l = 1,

m = -1, 0, 1, a za l = 2, m = -2, -l, 0, l, 2. Fizikalni smisao magnetskog kvantnog broja leži u tome da predstavlja projekciju magnetskog momenta ili momenta količine gibanja na os kvantizacije. Drugim riječima, za dane n i l, razne vrijednosti m određuju razne orijentacije u prostoru elektronskih orbitala.

Četvrti kvantni broj, , naziva se spinski i određuje projekciju spina elektrona na os kvantizacije, a može poprimiti vrijednosti -1/2 i +1/2.

Četiri kvantna broja koji određuju stanje elektrona u vodikovom atomu mogu, dakle, imati sljedeće vrijednosti:

n = l, 2, 3, 4, ...

l = 0,1,2,3,...

m = -1, (- l - 1), (- l - 2),...  (l - l), l.

 = -1/2, +1/2.

Elektronska stanja vodikovog atoma služe kao osnova za elektronsku strukturu višeelektronskih atoma. Pri tome treba uvažiti Paulijev princip zabrane, koji kaže da u izoliranom atomu ne može biti dva ili više elektrona, koji bi imali identične kvantne brojeve n, l, m i .

Na osnovu gornjih izraza lako se nalazi da u prvoj ljusci može biti 2, u drugoj 8, u trećoj 18 elektrona itd., te da je, prema tome, maksimalan broj elektrona u n-toj ljusci jednak 2n². Ukupan broj elektrona u atomu, na svim njegovim ljuskama, jednak je rednom broju tog atoma u Mendeljejevom sistemu. Tako, npr., za atome koji će biti od interesa kasnije, He, Ne i Ar, imamo elektronsku strukturu:

He 1s²

Ne 1s²2s²2p⁶

Ar 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶

Elektroni u atomu nalaze se, dakle, grupirani na odvojenim ljuskama, koje oblikuju elektronski omotač. Ovakva diskretnost ukazuje i na diskretnost energetskih stanja, a najbolje se očituje u atomskim spektrima. Opća osobina atomskih spektara je linijska struktura: svaka linija spektra karakterizira se odgovarajućom valnom dužinom, odnosno frekvencijom f.

Pojedine grupe, ili serije linija tvore određeni prijelaz u atomu, što se naročito lako uočava u spektru atoma vodika.

Vidjeli smo da se emisija dešava kada atom prelazi na niže energetsko stanje. Analogno tome, apsorpcija se dešava kada atom prelazi na vise energetsko stanje. Uzmemo li primjer vodikovog atoma koji ima ljusku karakteriziranu sa n = 1, tada je u principu moguća serija linija koju će generirati elektron prelazeći sa 2., 3., 4. ili još viših nivoa na prvi. Analognu situaciju imali bismo pri povratku elektrona sa bilo kojeg višeg nivoa na n = 2 nivo itd.

Kružne frekvencije spektralnih linija ovih serija određene su formulom:

                                                                                  (4)

Konkretno, za pojedine serije imamo:

 n=1; m=2,3,4...

 n=2; m=3,4,5...                                                            (5)

 n=3; m=4,5,6...

gdje je R Rydbergova konstanta; R = 1,096 x 10⁷ cm^-1, c - brzina svjetlosti. Nastajanje serija shematski je prikazano na slici, a njihovi nazivi su: Lymanova, Balmerova, Pashenova...