Biofyzika

1.6 Excitace, emise a ionizace, vazebná energie elektronu

Stav atomu odpovídající jeho minimální energii se nazývá základní. Stavům, které mají vyšší energii, říkáme vybuzené, excitované stavy. Do excitovaného stavu se atom dostane absorpcí energie, pohlcením fotonů. Podle rovnice atom absorbuje takovou energii, která odpovídá rozdílu základní a některé vybuzené hladiny. (viz obr. 1.4).
 
bio02.JPG

Obr. 1.4 Schéma: a) excitace, b) emise fluorescenčního záření, c) ionizace


To vysvětluje, proč jsou absorpční spektra plynů čárová. Atom setrvává v excitovaném stavu krátkou dobu (10-8 až 10-5 s). Při přechodu do některé z nižších energetických hladin je vyzářen rozdíl energií ve formě jednoho nebo více fotonů podle toho, uskuteční-li se přechod přímo na základní hladinu nebo po etapách. Např. při přechodu zpět na základní energetickou hladinu při situaci odpovídající obr. 1.5b může být emitován foton.

Při těchto přechodech se elektron může dostat do takové energetické hladiny, ze které je přechod do základního stavu tzv. „zakázán“. V tomto tzv. metastabilním stavu pak může setrvávat podstatně delší dobu. Deexcitace je vždy provázena emisí záření. Relativní šířka spektrální čáry je vnitřní vlastností atomu, přesněji řečeno těch energetických hladin, které se na přechodu zúčastní. Přechody elektronů z vyšších na nižší energetické hladiny jsou podstatou luminiscence.

Energie vazby částice v systému je obecně práce, kterou musí vnější síly vynaložit, aby tuto částici vzdálily ze systému. V tomto smyslu je vazebná energie elektronu v atomu rovna energii, kterou musíme elektronu dodat, abychom jej vzdálili z dosahu působení elektrostatických sil jádra do místa nulové hladiny („nekonečna“), kde tyto síly již nepůsobí. Dříve bylo ukázáno, že celková energie E elektronu nacházejícího se v poli jádra je záporná a největší (nulové) hodnoty nabývá pro  n = ∞.

Energie vazby elektronu v poli jádra je tedy číselně rovna jeho celkové energii. Vazebnou energii nazýváme též výstupní prací nebo ionizačním potenciálem. Je to energie, kterou je nutno dodat na odtržení elektronu z atomu. U atomu s více elektrony existují různé hodnoty ionizačních energií, neboť elektrony mají v různých energetických hladinách různé vazebné energie. Pochopitelně nejmenší vazebnou energii mají valenční elektrony, které jsou ve vnější slupce nejvíce vzdálené od jádra.

Ionizací vzniká z elektricky neutrálního atomu kladný iont, neboť převládá kladný náboj jádra. Ionizací se též zvýší celková energie soustavy jádro-elektrony (ubyla záporná energie vyraženého elektronu). Byl-li vyražen elektron z některé z vnitřních slupek, atom se zbavuje energie postupným zaplňováním nižších energetických hladin elektrony z hladin vyšších při současné emisi energetických rozdílů ve formě fluorescenčního záření.

Elektrony jsou v atomu udržovány přitažlivými silami kladného jádra. Toto silové pole přitahuje také volný elektron, jestliže se nachází v blízkosti atomu. Tento elektron je však současně odpuzován ostatními elektrony obalu atomu.

Změna, která nastane v obalu těžšího atomu po absorpci energie, je závislá na její velikost. Je-li absorbovaná energie malá, řádově eV, dochází k excitaci nebo ionizaci slabě vázaných elektronů. Elektrony vnitřních slupek jsou u těžkých atomů vázány mnohem silněji, jejich vazebné energie pro slupku K jsou řádově až desítky keV a více. Jsou-li excitovány nebo ionizovány elektrony těchto vnitřních slupek těžkých atomů, jsou pak při deexcitaci emitována kvanta záření o energii (vlnové délce) odpovídající rentgenovému záření. Obecně může být excitovaným atomem emitováno záření, jehož vlnové délky přísluší oblastem infračerveného, viditelného, nebo ultrafialového světla i rentgenového záření, podle velikosti rozdílu energetických hladin při deexcitaci.
Předchozí
Následující
Operace
Prohlédnout vše