Atomska fizika

U redovima su orbite, dok su u kolonama l – podnivoi sa brojem orbitala u svakom od njih. U predzadnjoj koloni je ukupan broj orbitala u svakoj od glavnih orbita. U zadnjoj koloni je maksimalan broj elektrona u svakoj od 7 glavnih orbita u atomu.

Broj orbitala u datoj orbiti se može izračunati iz obrasca:

( 25 )

Jedino što je nejasno u ovoj tabeli jeste upravo zadnja kolona. Po onome što smo do sada uradili jasno je da bi broj orbitala u datoj orbiti morao biti jednak maksimalnom broju elektrona u njoj, s obzirom na Paulijev princip isključenja. To je tako u prve dve orbite, međutim u ostalih 5 viših orbita broj elektrona je manji od broja orbitala.

Razlog je to što više orbite delimično prekrivaju susedne niže orbite, ostavljajući im smanjeni broj orbitala slobodnih za elektrone.

Na kraju, sve mikročestice se mogu podeliti na dve vrste:

1. fermioni – čestice sa polubrojnim spinom, a za koje važi Paulijev princip isključenja. Od čestica koje ste do sada učili tu spadaju: elektroni, protoni i neutroni.

2. bozoni – čestice sa celobrojnim spinom, za koje ne važi Paulijev princip isključenja. Od čestica koje ste do sada učili tu spadaju samo fotoni.

Više o fermionima i bozonima u fizici elementarnih čestica.
Osnovno, pobuđeno i metastabilno stanje elektrona u atomu
Kao što je ranije već rečeno, svaki mikrosistem teži da pređe u stanje sa minimalnom energijom. Zbog toga elektron teži da pređe u najnižu nepopunjenu orbitu, koja tada predstavlja osnovno stanje tog elektrona. Elektron najviše vremena provodi u osnovnom stanju.

Kada se elektron nalazi u osnovnom stanju i apsorbuje foton odgovarajuće energije on tada prelazi u neku od viših orbita, koja predstavlja njegovo pobuđeno stanje. Sam proces prelaska elektrona iz osnovnog u pobuđeno stanje se naziva – pobuđivanje. U pobuđenom stanju elektron provodi izuzetno kratko vreme, koje prosečno iznosi ns . Po isteku ovog vremena elektron se spontano vraća u osnovno stanje emitujući pritom foton čija je energija jednaka energiji fotona koji je na početku izazvao pobuđivanje.

Metastabilna stanja u svom elektronskom omotaču imaju samo atomi nekih elemenata. Jedan od takvih elemenata je hrom ( Cr ). Kod atoma koji imaju metastabilna stanja proces pobuđivanja teče na poseban način. Elektron je u početku u osnovnom stanju. Tada apsorbuje foton odgovarajuće energije i skače u pobuđeno stanje. U pobuđenom stanju elektron provodi vreme od ns. Po isteku ovog vremena elektron se ne vraća odmah spontano u osnovno stanje, već pređe u nešto niže metastabilno stanje, pri čemu niti emituje niti apsorbuje energiju. U metastabilnom stanju elektron provodi prosečno vreme od ms . Po isteku ovog vremena elektron se spontano vraća u osnovno stanje ( sl. 9.) emitujući pritom foton čija je energija jednaka energiji fotona koji je na početku izazvao pobuđivanje.

Dakle, najmanje vremena elektron provodi u pobuđenom stanju ns , a najviše vremena ( praktično neograničeno vreme ) u osnovnom stanju. Metastabilno stanje je po sredini, vreme provedeno u njemu je oko 100 000 puta duže od vremena u pobuđenom stanju:

000.

Stimulisana emisija zračenja je teorijsko Ajnštajnovo otkriće iz 1919. godine. Obično se dešava u atomima koji imaju metastabilna stanja.

Zamislimo da je elektron već u metastabilnom stanju, pošto je prošao kroz malopre opisan proces pobuđivanja. Sada postoje dva načina da se on vrati u osnovno stanje.

Jedan od njih je takođe malopre opisan i predstavlja spontani povratak po isteku vremena . Drugi način predstavlja Ajnštajnovo otkriće. Ako blizu elektrona, dok je još u metastabilnom stanju, prođe foton čija energija je jednaka razlici energija metastabilnog ( pobuđenog ) i osnovnog stanja ( ovaj foton ima energiju jednaku energiji fotona koji je izazvao pobuđivanje elektrona u metastabilno stanje ), tada elektron biva stimulisan da se pre isteka vremena vrati u osnovno stanje, pa postoji jako velika verovatnoća ovakvog njegovog povratka. Pri skoku u osnovno stanje elektron emituje foton čija je energija jednaka energiji fotona koji je na početku izazvao pobuđivanje, ali je jednaka i energiji fotona koji je izazvao, upravo opisanu, stimulisanu emisiju zračenja.

Emitovani foton na kraju procesa je foton stimulisane emisije zračenja.

Foton stimulisane emisije zračenja i foton koji je izazvao njegovu emisiju imaju potpuno jednake osobine. Pored, već rečene, jednake energije ova dva fotona se kreću paralelno u istom smeru i osciluju na potpuno isti način ( u istom pravcu, i u istoj fazi – ukorak ).

Stimulisana emisija zračenja se može desiti i ako je elektron u pobuđenom stanju. Međutim verovatnoća takvog događaja je izuzetno mala, zato što se elektron u pobuđenom stanju zadržava izuzetno kratko vreme. Kako se elektron u metastabilnom stanju zadržava 100 000 puta duže nego u pobuđenom stanju, toliko puta je veća verovatnoća ovog događaja ako je elektron u metastabilnom stanju.

Na stimulisanoj emisiji zračenja se zasniva laserski efekat. Uostalom, LASER je akronim od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ( engl.) – Pojačanje svetlosti stimulisanom emisijom zračenja.




E_f t_p = 10 ns





t_m = 1 ms pobuđeno stanje

metastabilno stanje
E_f




e^-

osnovno stanje
sl. 9.