Poziomy energetyczne

        Istnieje wygodny sposób przedstawiania mechanizmu promieniowania atomu za pomocą schematycznego układu pioziomów energetycznych w atomie. Rozpatrzymy taki schemat na przykładzie atomu wodoru. -Orbitom stacjonarnym w atomie wodoru przypisaliśmy określone wartości energii zależne, zgodnie z wzorem (30.9), od liczby n, zwanej liczbą kwantową główną. Stan podstawowy (" = 1) ma energię

stan drugi (n = 2) ma energię

stan trzeci (n = 3) ma energię

itd. Możemy tak dobrać układ linii poziomych, aby ich odległości od linii najwyższej N, odpowiadającej energii zerowej, wyrażały w pewnej skali podane wyżej wartości Eit E2,E3y...itd. (rys. 30.6).
        Przy takim założeniu można uważać, że linia najniższa odpowiada stanowi energetycznemu n = 1, linia druga od dołu - stanowi energetycznemu  n = 2 itd. Linie tego układu reprezentują poziomy energetyczne atomu. Na rysunku widać wyraźnie zagęszczanie się poziomów energetycznych w miarę przechodzenia do stanów energetycznych wyższych. Gdyby skala była dokładnie zachowana, to zagęszczanie się linii byłoby jeszcze wyraźniejsze. Przy kilku niższych poziomach energetycznych z prawej strony podana jest wartość energii w dżulach. Wartości n = oo odpowiada energia zerowa.
        Przejściu elektronu z jednego poziomu energetycznego na drugi odpowiada różnica energii AE, pochłonięta przez atom w przypadku jego wzbudzenia lub wypromieniowana w postaci kwantu hv. Na przykład różnica

odpowiada przejściu z poziomu n = 2 na n - 1 i wysłaniu kwantu odpowiadającego pierwszej linii Lymana. Analogiczne przejście z " = 3 do "= 1 odpowiada drugiej linii serii Lymana itd.
        Przejścia z poziomów niższych na wyższe, a więc odwrotne do zaznaczonych na rys. 30.6, przedstawiałyby akty absorpcji energii.
        Aby pogłębić nieco wiadomości dotyczące emisji i absorpcji promieniowania przez wodór, zastanówmy się jeszcze nad możliwościami pochłaniania i emisji kwantów promieniowania odpowiadających np. liniom serii Balmera.

Wiemy już, że przypisując elektronom możliwość odbywania ruchu po płaskich orbitach kołowych dokoła centralnego nieruchomego jądra Bohr wyprowadził wzory na promień orbity (30.6), na prędkość elektronu na orbicie (30.7) oraz - co w tej chwili jest najważniejsze - wzór na energię elektronu na orbicie (30.9). W tym ostatnim wzorze widoczna jest zależność od liczby ", która przyjmuje wyłącznie wartości całkowite od 1 do oo. A zatem i energia nie zmienia się w sposób ciągły, lecz przyjmuje tylko pewne określone - dyskretne - wartości, czyli innymi słowy, energia jest skwantowana.
Jeżeli weźmiemy pod uwagę atom wodoru w stanie normalnym, to jedyny elektron musi zajmować miejsce na orbicie o n - 1, której odpowiada minimalna energia. Do wzbudzenia tego atomu potrzebna jest porcja energii z zewnątrz. Nie może to być jednak dowolna porcja energii. Jak widać z rys. 30.6, minimalna energia potrzebna do wzbudzenia atomu wodoru w stanie normalnym wynosi 16,34 *10~19 J (czyli 10,21 eV). Jest to energia większa od energii kwantu odpowiadającego dowolnej linii serii Balmera. A zatem wodór niewzbudzony jest całkowicie przezroczysty dla kwantów promieniowania odpowiadających liniom Balmera.
Inaczej się sprawa przedstawia z wodorem wzbudzonym. Wśród atomów wzbudzonych wodoru (np. dzięki zderzeniom z innymi atomami czy też dzięki zderzeniom z elektronami w czasie wyładowań elektrycznych w rozrzedzonym wodorze w rurce Geisslera) na pewno są takie, w których elektrony znajdują się na orbicie drugiej. Takie atomy są przystosowane do absorpcji kwantów odpowiadających liniom Balmera. Absorpcji tych kwantów towarzyszą przeskoki elektronów na orbity 3, 4, 5 lub wyższe. Innymi słowy, wodór wzbudzony jest nieprzezroczysty dla kwantów promieniowania serii Balmera: nie przepuszcza takich kwantów, lecz je pochłania. Tym właśnie tłumaczy się istnienie w widmie absorpcyjnym Słońca linii Fraunhofera, odpowiadających co do długości liniom serii Balmera. W skład atmosfery Słońca, dzięki jej wysokiej temperaturze, wchodzą atomy wodoru nie w stanie normalnym, lecz w stanie wzbudzonym. Zgodnie z tym, cośmy wyżej powiedzieli, atomy te absorbują z promieniowania ciągłego, idącego od powierzchni Słońca, te kwanty, które odpowiadają liniom serii Balmera.
Rysunek 30.6 pozwala też na wyjaśnienie pojęcia energii jonizacji. Dostarczenie niewzbudzonemu elektronowi w atomie wodoru energii równej 21,76-10~19 J (czyli 13,6 eV) powoduje jego przejście do stanu n = oo. W tych warunkach elektron staje się całkowicie niezależny od macierzystego atomu, który przekształca się w jon. Wymieniona energia jest właśnie energią jonizacji wodoru.
Jak już podkreślaliśmy, wzbudzenie atomu może nastąpić m.in. wskutek zderzenia jego elektronu z rozpędzonym elektronem swobodnym. Energia kinetyczna bombardującego elektronu zamienia się w energię wzbudzenia. Muszą być jednak przy tym zachowane warunki kwantowe i w związku z tym należy rozróżnić następujące przypadki. Jeśli energia kinetyczna bombardującego elektronu jest mniejsza od energii przejścia elektronu bombardowanego na wyższy poziom energetyczny, to w ogóle nie pochłania on energii i zderzenie jest doskonale- elastyczne (sprężyste). Jeśli energia bombardującego elektronu jest większa lub równa energii przejścia do najbliższego poziomu, lecz mniejsza od energii jonizacji, to elektron orbitalny może pobrać część lub całość tej energii, przechodząc do stanu energetycznie wyższego (w dalszej konsekwencji wystąpi emisja promieniowania). Ten rodzaj zderzenia jest zderzeniem nieelastycznym (niesprążystym).
Gdy energia bombardującego elektronu jest większa lub co najmniej równa energii jonizacji, zderzenia elektronów prowadzą do wybicia elektronu orbitalnego z atomu (jonizacji).