Строение атома

Как устроен атом и почему он излучает свет строго определённых цветов.

Постулаты Бора: электрон в атоме может находиться только на разрешённых орбитах (стационарных состояниях), не излучая энергии; излучение происходит при переходе между уровнями.

Резерфорд показал, что атом похож на солнечную систему: крошечное тяжёлое ядро в центре и электроны вокруг. Но классическая физика предсказывала, что такой атом мгновенно «схлопнется». Бор спас модель, введя квантовые постулаты.

Энергетические уровни

Электрон может иметь только определённые значения энергии $E_1, E_2, E_3, \dots$ Самый нижний уровень $E_1$ — основное состояние.

Излучение и поглощение

При переходе с верхнего уровня $E_m$ на нижний $E_n$ атом излучает фотон с энергией, равной разности уровней:

$$ h\nu = E_m - E_n $$

Поэтому каждый химический элемент имеет уникальный спектр — «отпечаток пальца» из строго определённых линий.

Как решать задачи

Задача: «Атом перешёл с уровня $-3{,}4$ эВ на уровень $-13{,}6$ эВ. Найдите частоту излучённого фотона». Сначала переведём разность энергий в джоули, потом найдём частоту из $h\nu = \Delta E$.

h = 6.63e-34
E_m = -3.4   # эВ
E_n = -13.6  # эВ
dE_eV = E_m - E_n
dE_J = dE_eV * 1.6e-19
nu = dE_J / h
print("Разность энергий:", round(dE_eV, 1), "эВ")
print("Частота фотона:", round(nu, -12), "Гц")

Вывод:

Разность энергий: 10.2 эВ
Частота фотона: 2.461e+15 Гц

Частые ошибки

Брать разность энергий со знаком минус — частота фотона всегда положительна, берут модуль.
Забывать переводить электронвольты в джоули ($1$ эВ $= 1{,}6 \cdot 10^{-19}$ Дж).
Путать поглощение (переход вверх) и излучение (переход вниз).

Итоги

Электрон занимает только разрешённые энергетические уровни.
При переходе вниз излучается фотон: $h\nu = E_m - E_n$.
Спектр элемента уникален — это основа спектрального анализа.