حالت پایه و برانگیخته یک اتم

کوچکترین جزء هر عنصر اتم نام دارد. فیزیک کوانتومی شاخه‎ای از علم فیزیک است که ساختار و رفتار یک اتم را توضیح می‎دهد. اتم از سه ذره تشکیل شده است: الکترون، پروتون و نوترون. گذار و انتقال الکترون‎ها موجب تغییر ترازهای انرژی می‎شود که اصطلاحاً به آن "حالت" اتم می‎گویند.

آیا می‎دانستید که؟

یک فوتون یا کوانتای انرژی یک طیف الکترومغناطیسی، در حین گذار جذب و یا آزاد می‎شود. انرژی مربوط به هر فوتون با معادله νE=h داده می‎شود که در آن ν، فرکانس موج الکترومغناطیس، و h ثابت پلانک می‎باشد.
یکی از راههایی که می‎توان بطریق آن ذرات اتمی را از یکدیگر متمایز کرد بار الکتریکی آنهاست. الکترون‎ها بار منفی یا بار 1-، و پروتون‎ها بار مثبت یا بار 1+ دارند. نوترون‎ها خنثی هستند یا به بیان دیگر بار آنها صفر است که این به معنای آن است که نوترون‎ها حامل هیچ بار الکتریکی نیستند. هر اتم یک هسته دارد که پروتون‎ها و نوترون‎ها را در خود جای داده است و الکترون‎ها حول هسته در مدارهای مختلفی می‎چرخند. عدد اتمی و عدد جرمی را تعداد همین پروتون و نوترون‎ها تعیین می‎کنند. به این صورت که عدد اتمی تعداد پروتون‎ها و عدد جرمی مجموع تعداد پروتون‎ها و نوترون‎هاست.

& مدل بوهر

نیل بوهر، فیزیکدان دانمارکی، تئوریی را پایه‎گذاری کرد که ساختار اتم‎ها را توصیف می‎کرد. تئوری او به مدل بوهر معروف است. این مدل را می‎توان بصورت زیر تشریح کرد:

• مشابه سیارات که به دور خورشید می‎گردند، الکترون‎ها نیز در مدارهای مختلفی به دور هسته در حال چرخش هستند.
• هرکدام از این ترازها انرژی مشخصی دارند. بنابراین به آنها ترازهای انرژی می‎گوییم.
• الکترون‎ها به یک تراز انرژی مشخص وابسته هستند که این بدان معناست که انرژی آنها کوانتیزه است. یعنی یک الکترون نمی‎تواند بین دو تراز انرژی قرار داشته باشد.
• معمولاً الکترون، تراز انرژی که به آن "تراز پایه" می‎گویند را اشغال می‎کند. وقتی الکترون به تراز بالاتر می‎رود، آن تراز، "تراز برانگیخته" نامیده می‎شود.
• الکترونی که در تراز برانگیخته است می‎تواند با آزاد کردن انرژی اضافه خود به تراز پایه بازگردد. انرژی آزاد شده یا به اصطلاح همان کوانتوم یا بسته انرژی ممکن است طول‎موجی داشته باشد که در محدوده طیف مرئی بوده و رنگی دیده شود. بهترین مثال این فرآیند، آتش‎بازی است که رنگهای مختلفی در آن قابل مشاهده است.

مقاسه حالت پایه و حالت برانگیخته یک اتم:

حالت پایه:

• الکترون‎های یک اتم در کمترین مقدار انرژی ممکن قرار دارند. به حالت پایه، "حالت خلأ" نیز گفته می‎شود.
• الکترون‎ها به ترازی وابسته هستند که هیچ انرژی به آنها نسبت داده نمی‎شود. به این تراز، "تراز انرژی صفر" گفته می‎شود.
• گذار از حالت پایه به حالت برانگیخته تنها درصورتی امکان دارد که الکترون‎ها به طریقی انرژی کسب کنند و میزان این انرژی بایستی از اختلاف انرژی بین دو تراز بیشتر باشد.
• فاصله هسته‎ها از یکدیگر کمترین مقدار ممکن است. این به معنای آن است که در فازی که ماده قرار گرفته است هسته‎ها تا جای ممکن نزدیک به یکدیگر و بهم فشرده هستند و اگر بیش از این به هم نزدیک شوند ماده به فاز دیگری، مثلا از مایع به جامد، منتقل خواهد شد.
• الکترون به خودی خود تمایلی به کسب انرژی نداشته و به یک تراز خاص تعلق دارد.
• طول عمر تراز پایه بلندتر است.
• تراز پایه انرژی کمی داشته و یک حالت پایدار می‎باشد.
• در این تراز کوانتوم انرژی یا همان فوتون جذب می‎شود.
• تراز پایه دسته‎بندی ندارد و تنها یک تراز پایه وجود دارد.

حالت برانگیخته:

• به حالتی گفته می‎شود که در آن الکترون‎ها در ترازهای انرژی بالاتر از تراز پایه قرار گرفته‎اند. این به معنای آن است که تمام الکترون‎ها در پایین‎ترین انرژی مدار خود به دور هسته حرکت نمی‎کنند.
• الکترون‎ها به ترازهایی تعلق دارند که انرژی آن ترازها برابر با انرژی الکترون باشد.
• گذار از حالت برانگیخته درصورتی رخ می‎دهد که الکترون با گسیل یک فوتون به حالت پایه منتقل شود که نتیجه آن تولید یک موج الکترومغناطیس است.
• فاصله متوسط بین هسته‎ها نسبت به حالت پایه بزرگتر است.
• الکترون‎هایی که در تراز برانگیخته هستند تمایل دارند که با آزاد کردن انرژی به ترازهای برانگیخته پایین‎تر، و یا به حالت پایه منتقل شوند.
• طول عمر تراز برانگیخته بسیار کوتاه است. این بدان معنی است که الکترون‎ها تمایل دارند سریعتر انرژی از دست بدهند تا انرژی جذب کنند.
• حالت برانگیخته نسبت به تراز پایه انرژی بالاتری داشته و از پایداری کمتری برخوردار است.
• کوانتای انرژی بصورت یک فوتون آزاد می‎شود.
• برای یک اتم تعدادی تراز برانگیخته وجود دارد. نزدیکترین آنها به هسته "اولین تراز برانگیخته" نام دارد که نسبت به بقیه ترازهای برانگیخته انرژی کمتری دارد. تراز بعدی "دومین تراز برانگیخته" نام دارد و به همین ترتیب.

فسفر که یکی از عناصر شیمیایی با عدد اتمی 15 است و با نماد P نمایش داده می‎شود را درنظر بگیرید.
تکیب‎بندی حالت پایه آن بصورت زیر است:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p3
و ترکیب‎بندی حالت برانگیخته آن بصورت زیر می‎باشد:
1s2 2s2 2p6 3s1 3p3 3d1
همانطور که مشخص است در حالت برانگیخته یک الکترون از مدار 3s به 3d منتقل شده است.
هم تراز پایه و هم تراز برانگیخته ترازهای موقتی هستند. ولی تراز برانگیخته در مقایسه با تراز پایه ناپایدار است زیرا الکترونی که در حالت برانگیخته قرار دارد به سرعت انرژی از دست می‎دهد تا به تراز پایه منتقل شود.