پوسته و تراز های انرژی

مریم: تا این جا گفتیم که اتم ها شامل هسته (مرکز) و الکترون های چرخان دور آن می شود. قبل از بحث عمیق تر نیاز داریم درباره خاصیت مهمی از الکترون ها بیشتر بدانیم. الکترون می کوشد که همیشه بهره وری انرژیک داشته باشد. یعنی تلاش می کند تا انرژی/سرعت خود را در پایین ترین حد ممکن نگه دارد.

علی: اصل نگه داشتن انرژی در حالت کمینه در طبیعت بسیار رایج است. اگر بخواهم خودم را مثال بزنم،ترجیح می دهم که در خانه مقابل تلویزیون بنشینم (انرژی جنبشی خود را مینیمُم کنم) تا این که در همین حوالی به آهستگی بدوم. (انرژی جنبشی زیاد)

مریم: هر اتم تعداد مشخصی الکترون دارد. به عنوان مثال سیلیسیوم 14 تا دارد. این الکترون ها بسته به انرژی شان در مدارهایی قرار می گیرند. هرچه الکترون ها به مرکز اتم نزدیک تر باشند، انرژی آن ها کم تر است. این بدان معناست که الکترون ها تراز های اتمی را از پایین به بالا پر می کنند. بالاترین ترازی که توسط الکترون های موجود در هر اتم اشغال می شود، تراز ظرفیت نام دارد و الکترون هایی که این تراز را اشغال می کنند نیز الکترون های ظرفیت اند. دقت کنید که تراز ظرفیت بیرونی ترین تراز الکترونی نیست، بلکه بیرونی ترین ترازی است که توسط الکترون ها اشغال شده باشد. ترازهای خالی دیگری ورای این تراز وجود خواهند داشت.

علی: ما می توانیم اتم و لایه های آن را به لیوانی که از آب (الکترون ها) پر شده باشد، تشبیه نماییم. اگر شما آب را درون لیوان بریزید، از پایین به بالا شروع به پر کردن لیوان می کند و نه از بالا به پایین. سطح آب داخل لیوان متناظر با تراز ظرفیت در اتم خواهد بود.

مریم: به نظرم مثال آب در لیوان بد نیست ولی شاید زیادی ساده شده است. همان طور که قبلاً گفتیم،

الکترون ها به پوسته هایی تقسیم می شوند که هرچه از هسته دورتر می شوند، انرژی شان افزایش می یابد. اما نگفتیم که الکترون ها فقط می توانند تراز های انرژی مشخصی را اشغال نمایند. بین این ترازهای مجاز انرژی، نواحی غیر مجاز قرار دارند با انرژی هایی که هیچ الکترونی نمی تواند داشته باشد.

علی: خوب، برای این که مثال لیوان آب را واقعی تر کنیم، نیاز به یک لیوان واقعی تر داریم. این لیوان از قسمت هایی تشکیل شده است که می تواند نمادی از ترازهای انرژی باشد و هر قسمت با آب پر شده است. موانع میان بخش ها همانند باندهای غیرمجاز انرژی اند و نمی توانند آب را درون خود نگه دارند.

علی: حالا ما مدل اتمی داریم با یک مرکز و الکترون هایی که با انرژی مشخصی به دور آن می چرخند. با مقادیر انرژی مشخصی که به عنوان پوسته شناخته می شود. پوسته های انرژی به وسیله ی نوارهای ممنوعه از هم جدا می شوند(اختلاف انرژی ها). برای این که الکترونی از تراز انرژی پایین تر به تراز انرژی بالاتر برود، باید به اندازه ی این اختلاف انرژی به انرژی آن اضافه شود. الکترونی که این انرژی را گرفته و به تراز بالاتر رفته، الکترون برانگیخته نام دارد. ولی با توجه به این که الکترون تمایل به ماندن در پایین ترین سطح انرژی را دارد، سریعاً انرژی دریافتی را آزاد می کند. (مثلاً از طریق گسیل نور) و مجدداً به شرایط اولیه اش، که به عنوان تراز پایه شناخته می شود، بر می گردد.

علی: به این الکترون کوچک نگاه کنید که در حالت پایه ی خودش در نزدیک ترین تراز به هسته ی اتم قرار دارد. اگر بخواهیم که آن را به تراز بالاتر بفرستیم، باید به اندازهِ اختلاف انرژی بین این پوسته و پوسته ای که می خواهیم به آن برویم، انرژی بدهیم. خودتان این کار را انجام بدهید. تفنگ انرژیٍ پایین صفحه می تواند با چرخاندن درجه در طول موج های مختلفی تنظیم شود. برای این که الکترون به تراز دلخواه شما برسد کافیست تفنگ را روی طول موج درست قرار دهید و شلیک کنید.

مترجم: پویا قسوره