| Co je to kvantování?
Kvantování fyzikální veličiny znamená, že tato veličina nemůže nabývat libovolné hodnoty, ale jen jedné z hodnot povolených nějakou podmínkou. V případě fotonu světla s určitou frekvencí je možná jen jedna jediná hodnota daná podmínkou E = h∙f. Je pravda, že frekvence světla kvantována není, takže může nabývat libovolné hodnoty z intervalu od 3,90∙1014 Hz do 7,69∙1014 Hz. Proto v bílém světle najdeme fotony s různou energií. Ve světle jednobarevném (třeba z nějakého laseru) mají všechny fotony jen jednu energii.
Zajímavé také je, že jsou kvantovány energetické stavy elektronu vázaného k atomu. V případě nejjednoduššího atomu, atomu vodíku, má elektron v základním stavu energii ─13,6 eV. To znamená, že pro ionizaci, tj. odtržení tohoto elektronu od protonu tvořícího jádro, je potřeba dodat energii 13,6 eV nebo vyšší. Případný přebytek energie si uvolněný elektron odnese jako svoji kinetickou energii.
Pokud je dodaná energie menší, může elektron krátkodobě přejít do nějakého vyššího (odborně se tomu říká excitovaného) stavu. Tyto energetické stavy jsou kvantovány podmínkou E = ─13,6 eV/n2, kde n je malé celé číslo. Povolené jsou tedy tyto hladiny energie
první (základní) n = 1 E1 = ─13,6/12 = ─13,6 eV
druhá n = 2 E2 = ─13,6/4 = ─3,40 eV
třetí n = 3 E3 = ─13,6/9 = ─1,51 eV
čtvrtá n = 4 E4 = ─13,6/16 = ─0,850 eV
pátá n = 5 E5 = ─13,6/25 = ─0,544 eV
šestá n = 6 E6 = ─13,6/36 = ─0,378 eV
Elektron se na vyšší energetické hladině dlouhodobě neudrží a brzy přeskočí na nějakou nižší. Podívejme se, co se stane, když elektron přeskočí z páté hladiny (E5 = ─0,544 eV) na druhou hladinu (E2 = ─3,40 eV). Energie elektronu se sníží o ΔE = E5 – E2 = ─0,544 – (─3,40) eV = 2,856 eV = 4,575∙10–19 J. Tato energie se z atomu uvolní (vyzáří) ve formě jednoho fotonu světla. Protože E = h∙f a tedy f = E/h, bude mít vyzářený foton frekvenci f = E/h = 4,575∙10-19/6,63∙10-34 = 6,901∙1014 Hz a vlnovou délku λ = c/f = 2,998∙108/6,901∙1014 = 4,344.10–7m = 434 nm. To je vlnová délka odpovídající modrofialovému světlu.
Pokud bychom počítali přechod z 6. hladiny na 2., vyjde, že se uvolní foton fialového světla s vlnovou délkou 410 nm.
Při přechodu ze 4. hladiny na 2., vyjde, že se uvolní foton modrozeleného světla s vlnovou délkou 486 nm. Když elektron spadne ze 3. hladiny na 2., uvolní se foton červeného světla s vlnovou délkou 656 nm.
Všechny přeskoky na první, tedy základní, hladinu uvolňují mnohem více energie, a proto vedou k vyzáření fotonu ultrafialového světla. Naopak přeskoky končící na třetí a vyšších hladinách uvolňují méně energie a to způsobuje, že se vyzáří foton infračerveného světla.
Ve viditelné části spektra záření atomů vodíku pozorujeme právě čtyři oddělené barevné čáry:
|
