Elektromagnetsko zračenje, kvantnomehanički model atoma i elektronska konfiguracija atoma

Spektar elektromagnetskoga zračenja obuhvaća vrlo široki raspon valnih duljina. Vidljiva svjetlost uski je snop elektromagnetskog zračenja valnih duljina između 400 i 700 nm.

Svjetlost predstavlja jedan od oblika energije koju odašilju atomi. Ako se uski snop Sunčeve svjetlosti propusti kroz staklenu prizmu nastaje kontinuirani spektar vidljivoga dijela zračenja.

Kada pogledate videozapis, odgovorite na pitanja.

Njemački fizičar Max Planck 1900. godine postavio je kvantnu teoriju energije zračenja. Prema Planckovoj kvantnoj teoriji, užareno tijelo može emitirati ili apsorbirati samo određenu količinu energije ili višekratnike te energije. Najmanji iznos energije naziva se kvant energije ili  kvant zračenja (foton). 

Val svjetlosti određen je frekvencijom, ν,  i valnom duljinom, 𝛌. Te dvije veličine povezuje brzina širenja vala, označena s c. Brzina širenja svjetlosnih valova u vakuumu jednaka je brzini svjetlosti, i ne ovisi ni o valnoj duljini zračenja, ni o frekvenciji.

Veza između brzine svjetlosti, valne duljine i frekvencije svjetlosti dana je sljedećim izrazom:

Energija zračenja, E, proporcionalna je frekvenciji zračenja, a obrnuto je proporcionalna valnoj duljini.

Na temelju slike Spektar elektromagnetskog zračenja, odgovorite na pitanja u 2. kvizu.

Apsorpcija i emisija energije zbivaju se samo pri prijelazu elektrona s jedne energijske razine na drugu, tj. iz jednoga stacionarnoga stanja u drugo.

Energijska razlika između stanja više i niže energije emitira se u obliku kvanta zračenja.

Elektromagnetsko zračenje koje emitiraju pobuđeni atomi i ioni kemijskog elementa ili molekule stvara karakteristični spektar. Takvi se spektri koriste za identifikaciju kemijskih elemenata, kako u laboratoriju, tako i u udaljenim zvijezdama.

Energija fotona, kvanta toga zračenja, jednaka je razlici između energije početnoga i konačnoga stanja.

Užareni plinovi i pare metala emitiraju zračenje točno određenih valnih duljina. Ako tako obojeno svjetlo propusti kroz staklenu prizmu, prijelaz jedne boje u drugu boju više nije kontinuiran, neprekidan, već nastaje spektar zračenja koji sadržava točno određene valne duljine zračenja. Taka se spektar naziva se linijski spektar.

Linijski spektar može biti apsorpcijski ili emisijski spektar, ovisno o tome hoće li doći do apsorpcije ili emisije elektromagnetskoga zračenja. Apsorpcijski se spektar sastoji od tamnih linija za valne duljine, apsorbiranoga svjetla. Položaj tamnih linija u apsorpcijskome spektru preklapa se s položajem obojenih linija u emisijskome spektru. S druge strane, emisijski spektar se sastoji se od niza obojenih linija različitih boja, odnosno valnih duljina između kojih su tamna područja.

U vodikovu se spektru od mnogobrojnih linija četiri nalaze u vidljivome dijelu spektra i nastaju vraćanjem elektrona na drugu, L-ljusku. Dovođenjem energije elektron vodika iz osnovnoga stacionarnog stanja prelazi na jednu od mogućih energijskih razina ovisno o tome koliko je energije apsorbirao.

Niels Bohr izveo je jednadžbu na temelju koje je izračunao energiju elektrona u atomu vodika u n-tom stacionarnom stanju.

Energija elektrona u atomu je kvantizirana. Stanje elektrona u atomu određeno je s četiri kvantna broja:

• glavni kvantni broj, n
• orbitalni kvantni broj, l
• magnetski kvantni broj, m_l
• spinski kvantni broj, m_s

Glavni kvantni broj, n, broj je ljuske u kojoj se elektron nalazi, n = 1, 2, 3, ..., 7.

Svi elektroni sa istim kvantnim brojem n čine jednu ljusku. Ljuske se označuju i slovima: K (n = 1), L (n = 2) , M (n = 3), ..., Q (n = 7).

Što je veća vrijednost glavnoga kvantnog broja, veća je i udaljenost između elektrona i jezgre.

Orbitalni ili sporedni kvantni broj, l, određuje oblik elektronskoga oblaka, orbitale. Orbitale mogu imati različite oblike ovisno o orbitalnome kvantnom broju.

Magnetski kvantni broj, m_l, opisuje određenu orbitalu u koju se mogu smjestiti po dva elektrona.

Moguća je jedna s-orbitala, tri p-orbitale, pet d-orbitala i sedam f-orbitala. Shematski orbitale prikazujemo kvadratićem.

Spinski kvantni broj, m_s, označuje spin elektrona. U svakoj se orbitali mogu nalaziti po dva elektrona suprotnoga spina. Elektroni se shematski prikazuju strelicama.

Paulijevo načelo isključenja glasi: elektroni koji se nalaze u istoj orbitali moraju imati suprotan spin. Uzimajući u obzir sve mogućnosti koje proizlaze iz vrijednosti kvantnih brojeva, može se zaključiti da pojedina ljuska može imati najviše dva s-elektrona, šest p-elektrona, deset d-elektrona i četrnaest f-elektrona.

Orbitale koje imaju jednaku vrijednost glavnoga kvantnog broja čine ljusku. Unutar ljuske nalaze se podljuske, koje se označujuavaju slovima s, p, d i f. Broj podljuske jednak je glavnomu kvantnom broju. Primjerice 3s, 3p i 3d orbitale čine M ljusku, glavnoga kvantnog broja n = 3.

Redoslijed popunjavanja pojedinih ljusaka i orbitala elektronima naziva se elektronska konfiguracija.

Elektronska konfiguracija atoma prikazuje raspored elektrona po ljuskama i orbitalama.

Ukupan broj elektrona u svim orbitalama atoma nekoga elementa jednak je protonskomu broju atoma toga elementa.

Atomi svih kemijskih elemenata koji se nalaze u istoj periodi periodnoga sustava elemenata, imaju jednak broj ljusaka. Broj je periode glavni kvantni broj ili broj ljuske. Redoslijed popunjavanja orbitala elektronima naziva se pravilo dijagonala.

Pri pisanju elektronske konfiguracije, osim pravila dijagonala, treba primijeniti i Hundovo pravilo.

Hundovo pravilo glasi: Istovrsne orbitale uvijek se popunjavaju tako da najveći mogući broj elektrona bude nesparen jer je tada energija atoma najmanja, a atom najstabilniji.

Budući da je atom stabilniji ako ima veći broj nesparenih elektrona, elektronska konfiguracija, primjerice, atoma kroma nije [Ar]4s²3d⁴, već [Ar]4s¹3d⁵.

Atom je bakra je stabilniji, ako su mu svi elektroni u d-podljusci spareni. To je razlog da je elektronska konfiguracija atoma bakra, [Ar]4s¹3d¹⁰ , a ne [Ar]4s²3d⁹.

Prilikom pisanja elektronskih konfiguracija kationa umanjuje se elektronska konfiguracija atoma za broj otpuštenih elektrona.

Prilikom pisanja elektronskih konfiguracija aniona povećava se elektronska konfiguracija atoma za broj primljenih elektrona.

Pogledajte videozapis Rendgenske ili X-zrake i u kraćem izvještaju, koji možete prirediti u nekom vama poznatome prezentacijskom alatu, primjerice Genially, navedite još neke primjere primjene elektromagnetskog zračenja u medicini i tehnologiji.