Fysiikka 8 – luku 2 Atomi ja aineen rakenne

2.1 Varhaiset atomimallit

Thomsonin atomimalli

Thomsonin atomimallissa eli ”rusinakakkumallissa” elektronit ovat metallin atomissa kuin rusinat kakussa ja positiivinen varaus on jakautunut koko atomin alueelle.

Rutherfordin atomimalli

Rutherfordin atomimalli muistuttaa rakenteeltaan planeettajärjestelmää. Coulombin lain mukainen sähköinen vetovoima pitää elektronit radoillaan ytimen lähellä.

Bohrin malli vetyatomille

Bohrin vetyatomimallin mukaan elektroni kiertää pientä positiivisesti varattua ydintä ympyrärataa pitkin. Elektronin ympyräliikkeen aiheuttaa Coulombin lain mukainen ytimen ja elektronin välinen sähköinen vetovoima. Elektronin liikeyhtälö on

∑F = ma_n = ke² / r² = mv²/r

Elektroni voi liikkua vain tiettyjä ratoja pitkin. Elektronin energia ei muutu elektronin ollessa sallitulla radalla, eikä atomi silloin lähetä sähkömagneettista säteilyä. Pääkvanttiluku n ilmoittaa, mikä rata ytimestä lähtien on kyseessä. Kun atomi siirtyy sallitulta radalta eli energiatilalta toiselle, atomi emittoi tai absorboi fotonin eli energiakvantin. Kvantin energia on eri tiloja vastaavien elektronin kokonaisenergioiden erotus eli

E = hf = Em – En

2.2 Atomin energiatilat

Energiatasokaavio

Atomin energia on kvantittunut. Pääkvanttiluku n ilmoittaa, mikä elektronin energiatila on kyseessä. Tilaa, jossa atomin energia on pienin, kutsutaan atomin perustilaksi. Silloin pääkvanttiluku n=1. Muita tiloja kutsutaan viritystiloiksi.

Kun elektroni siirtyy alemmalta energiatilalta ylemmälle, atomi absorboi energiaa eli se virittyy. Jotta tämä voisi tapahtua, on elektronin saatava energiaa näiden energiatilojen energioiden erotus. Elektronin siirtymisen voi aiheuttaa säteilykvantti tai törmäyksessä saatu energia. Atomi voi absorboida energiaa vain tietyn suuruisina kvantteina.

Atomin viritystilat ovat lyhytikäisiä. Viritystilan purkautuessa atomi emittoi fotonin ja siirtyy samalla korkeammalta energiatasolta matalammalle. Kvantin energia on

hf = Em-En

jossa m > n

Vetyatomin energiatilat

Vetyatomien pysyvien eli stationääristen tilojen energiat saadaan yhtälöstä

jossa n = 1,2,3,....

Elektronin irrottamiseen perustilassa olevasta vetyatomista tarvitaan siis vähintään 13,6 eV:n suuruinen energia. Tätä energiaa sanotaan vetyatomin ionisointienergiaksi.

 

Fluoresenssi ja fosforesenssi              

Fluoresenssi-ilmiössä virittyneet molekyylit tai atomit palaavat viritystilasta perustilaan. Välivaiheita voi olla yksi tai useampi. Samalla ne lähettävät näkyvää valoa. Fluoresenssi päättyy siis samalla hetkellä kuin siihen kohdistuva, virityksen aiheuttava säteily päättyy. Viivästyneessä fluoresenssissa eli fosforesenssissa sen sijaan aineet säteilevät vielä virittävän säteilyn loputtuakin.

Laser

Laseriksi kutsutaan laitetta, jossa voidaan saada aikaan stimuloitu emissio. Stimuloidulla emissiolla tarkoitetaan optiikassa ilmiötä, jossa viritettyä elektronia häiritään (stimuloidaan) fotonilla, jolla on oikea energia, jolloin elektroni palaa perustilaansa emittoiden samalla fotonin. Tällä emittoituneella fotonilla on sama energia, vaihe, suunta ja polarisaatio kuin stimuloivalla fotonilla. Stimuloidussa emissiossa syntyy siis koherenttia säteilyä. Stimuloitu emissio on valoa vahvistavan prosessin perusilmiö ja mahdollistaa laserin ja maserin toiminnan.

Kuvassa stimuloitu emissio.

2.3 Kvanttimekaaninen atomimalli

Kvanttimekaniikan mukaan hiukkasten käyttäytymistä ei voi täysin ennakoida, vaan tiedetään vain, millä todennäköisyydellä hiukkanen käyttäytyy milläkin tavalla. Kvanttimekaanisessa atomimallissa elektronin tilaa kuvataan aaltofunktioilla. Aaltofunktiosta voidaan määrittää todennäköisyys, jolla elektroni löytyy tietyltä alueelta ytimen ympäriltä.