Atomo sandara yra sudėtinga ir neįmanoma tiesiogiai pamatyti, todėl jos supratimui naudojami įvairūs bandymai ir elektromagnetinės spinduliuotės tyrimai. Šiame straipsnyje aptarsime elektronų išsidėstymo atomuose tvarką, ypatingą dėmesį skiriant pirmajam elektronų sluoksniui.
Norint suprasti elektronų išsidėstymą, svarbu žinoti apie energijos kvantus. XIX a. pabaigos fizika negalėjo paaiškinti kai kurių reiškinių, todėl buvo suvokta, kad energija nėra tolydinė, o suskirstyta tam tikrais dydžiais - energijos kvantais. Energijos kvanto sąvoka pastūmėjo mokslo vystymąsi.
Elektromagnetinė spinduliuotė sklinda bangų pavidalu, kur energija sklinda. Didesnės bangos periodiškai siūbuoja pačią valtelę. Bangos ilgis yra svarbi jos charakteristika, o dažnis - bangos viršūnių prabėgimas pro fiksuotą tašką per laiko vienetą. Elektromagnetines bangas sudaro elektrinis ir magnetinis laukai, o bangos ilgis, dažnis ir amplitudė yra vienodi.
Šviesos šaltinis, pavyzdžiui, elektros lemputės kaitinimo siūlelis, skleidžia ištisinį šviesos spektrą. Tačiau atomų linijinis spektras susidaro, kai dujos kaitinamos specialiai tam sukonstruotame dujų degiklyje. Kiekvienas elementas turi savitą spektrą, pagal kurį jį galima identifikuoti.
1913 m. Niels'as Bohr'as, panaudojęs Planck'o kvantinę teoriją, sukūrė vandenilio atomo modelį. Pagal jo modelį, elektronai gali suktis aplink branduolį tik tam tikrose orbitose (jų skaičius ribotas), vadinamomis stacionariomis būsenomis. Pereidamas iš vienos orbitos į kitą, elektronas sugeria arba išspinduliuoja šviesos kvantą.
Bohr'o modelis turėjo trūkumų, todėl vėliau atsirado banginė mechanika, kuri apibūdina elektrono dualistinę prigimtį - tiek kaip dalelę, tiek kaip bangą. De Broglie'io lygtis sieja dalelės impulsą su jos bangos ilgiu.
Elektrono banginė būsena atome aprašoma bangine funkcija, kurios sprendiniai yra orbitalės. Orbitalės apibrėžia tikimybę rasti elektroną tam tikroje erdvės dalyje aplink branduolį. Kvantiniai skaičiai (n, l, ml ir ms) apibūdina orbitalės formą, energiją ir orientaciją erdvėje.
Pauli draudimo principas teigia, kad atome negali būti dviejų elektronų, turinčių vienodus keturis kvantinius skaičius. Tai reiškia, kad kiekvienoje orbitalėje gali būti ne daugiau kaip du elektronai, turintys priešingus sukinius.
Hundo taisyklė nurodo, kad elektronai pirmiausia užpildo orbitales pavieniui, o tik po to poruojasi. Tai lemia didesnį stabilumą, nes sumažina elektronų tarpusavio atostūmį.
Elektronų išsidėstymas atomuose vaizduojamas naudojant elektronines konfigūracijas. Pavyzdžiui, anglies (C) atomas, turintis 6 elektronus, turi elektroninę konfigūraciją 1s22s22p2.
Pirmasis elektronų sluoksnis (n=1) turi tik vieną orbitalę - 1s. Pagal Pauli draudimo principą, šioje orbitalėje gali būti ne daugiau kaip du elektronai. Todėl daugiausia elektronų, kurie gali būti pirmajame elektronų sluoksnyje, yra du.
Elementai, turintys užpildytą pirmąjį elektronų sluoksnį, yra helis (He) su elektronine konfigūracija 1s2.
Šis supratimas apie elektronų išsidėstymą yra būtinas norint suprasti chemines elementų savybes ir jų sąveiką, nes valentiniai elektronai (išoriniame sluoksnyje esantys elektronai) lemia elemento cheminį aktyvumą.
Helio atomo schema, rodanti du elektronus pirmajame sluoksnyje.
Apibendrinant, elektronų išsidėstymo atomuose supratimas yra pagrįstas kvantine mechanika, kuri apibrėžia elektronų energijos lygius ir orbitales. Pirmasis elektronų sluoksnis yra ypatingas, nes jame telpa tik du elektronai, o tai lemia helio cheminį inertiškumą.
| Sluoksnis | Orbitalės | Maksimalus elektronų skaičius |
|---|---|---|
| 1 (K) | 1s | 2 |
| 2 (L) | 2s, 2p | 8 |
| 3 (M) | 3s, 3p, 3d | 18 |
Elektronų skaičius sluoksniuose
Lazeris yra įrenginys, kuris generuoja koherentinę šviesą, paremtą savaimine ir priverstine emisija. Priverstinė emisija atsiranda, kai fotonas, sąveikaudamas su sužadintu atomu, sukelia kito fotono emisiją, kuris yra koherentiškas su pirmuoju. Tai leidžia sukurti intensyvų ir kryptingą šviesos spindulį.