Vì sao năng lượng nguyên tử có các mức rời rạc?

• Mức thấp nhất
• Một mức cao hơn
• Electron đang ở một mức
• Khoảng giữa hai mức, không có trạng thái

Bạn sẽ học được gì

• Giải thích mức năng lượng rời rạc nghĩa là gì.
• Mô tả điều xảy ra khi electron nhảy giữa các mức.
• Nêu điều mô hình Bohr giải thích được và điều nó chưa giải thích.

Cần biết trước

Chỉ cần biết nguyên tử có hạt nhân và electron. Không cần công thức.

Mức năng lượng rời rạc nghĩa là gì?

Nghĩa là electron chỉ có thể có một số giá trị năng lượng nhất định. Trang Physics Book của Georgia Tech viết rằng trong mô hình Bohr, electron chỉ tồn tại ở các mức năng lượng rời rạc, tức đã được lượng tử hóa. Trang này so sánh với việc bước lên cầu thang: bạn chỉ đứng được trên bậc, không đứng được ở khoảng giữa hai bậc.

Trong mô hình Bohr, các quỹ đạo được gán những bán kính xác định. Đây là mô hình minh họa cũ, không phải khẳng định electron thật chỉ xuất hiện trên các vòng tròn đó.

• Hạt nhân ở tâm
• Một quỹ đạo được phép
• Vòng nét đứt không được phép trong mô hình Bohr

Điều gì xảy ra khi electron đổi mức?

Electron nhảy từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác khi nhận hoặc mất năng lượng. Trang Georgia Tech nêu hai chiều. Muốn lên mức cao hơn, electron cần được cấp năng lượng. Khi xuống mức thấp hơn, nó giải phóng phần năng lượng chênh lệch dưới dạng một photon.

Trong quá trình phát xạ nguyên tử đang xét, electron chuyển xuống mức thấp hơn và phát ra photon. Năng lượng được lượng tử hóa trong cả hai chiều bằng đúng hiệu năng lượng giữa hai quỹ đạo. Vì chỉ có một số hiệu là khả dĩ, năng lượng chỉ được hấp thụ hoặc phát ra theo từng lượng tử xác định.

• Mức năng lượng cao
• Electron nhảy xuống mức thấp
• Photon phát ra

Vì sao chỉ có những mức đó?

Tính chất sóng của electron và điều kiện bị giữ trong nguyên tử chỉ cho phép những trạng thái năng lượng nhất định. Giáo trình OpenStax về sóng vật chất và lượng tử hóa giải thích điều này bằng mô hình sóng khép kín: sóng phải nối lại khớp với chính nó sau một vòng. Những đoạn sóng tăng cường nhau tạo thành mẫu sóng tồn tại được.

Hãy hình dung một sợi dây uốn thành vòng. Nếu một vòng chứa vừa một số nguyên bước sóng, chỗ cuối nối khớp chỗ đầu. Nếu còn dư một phần bước sóng, chúng không khớp. Chỉ các mẫu khớp mới được phép trong mô hình này. Bước sóng liên hệ với động lượng của electron, nên giới hạn mẫu sóng cũng giới hạn năng lượng; ta nhận các mức rời nhau thay vì một dải liên tục.

OpenStax lưu ý rằng trong mô tả lượng tử hiện đại, quỹ đạo xác định được thay bằng đám mây xác suất. Hình vòng tròn chỉ giúp hiểu điều kiện sóng, không phải đường chạy thật. Trang Georgia Tech cũng phân biệt thành công của mô hình Bohr với các giới hạn của nó: mô hình dự đoán mức năng lượng hydro, nhưng tự nó chưa giải thích vì sao các mức ấy được phép.

• Mẫu sóng nối khớp
• Mẫu sóng không nối khớp

Ví dụ trong đời sống

• Ba mức năng lượng
• Ba bước nhảy xuống, độ dài khác nhau
• Dải phổ tối
• Ba vạch sáng, mỗi vạch ứng với một bước nhảy

Hãy nghĩ tới một máy bán hàng chỉ nhận các đồng xu cố định. Bạn không thể trả một số tiền nằm giữa hai mệnh giá. Mỗi lần bỏ xu, số tiền nhảy từ mức này sang mức khác. Nguyên tử cũng đổi năng lượng theo những bước có sẵn.

Thử tự hỏi: nếu giữa hai bậc cũ có thêm một bậc mới, ánh sáng phát ra khi electron nhảy xuống sẽ có thêm một vạch mới không? Câu hỏi này cho thấy vạch phổ phụ thuộc vào các bậc.

Hiểu lầm thường gặp

Electron không quay quanh hạt nhân như hành tinh quanh Mặt Trời. Mô hình Bohr coi electron có bán kính và động lượng xác định, và trang Georgia Tech ghi rằng điều đó vi phạm nguyên lý bất định.

Mô hình Bohr hữu ích nhưng không đầy đủ. Nó dự đoán các mức năng lượng hydro; mô hình sóng bổ sung cách hiểu vì sao chỉ những trạng thái nhất định được phép.

Trong một chuyển mức nguyên tử, năng lượng photon ứng với hiệu năng lượng của hai mức. Không dùng kết luận này để nói mọi photon trong tự nhiên có cùng một bộ năng lượng cho phép.

Câu hỏi thường gặp

Electron có thể ở giữa hai mức năng lượng không?

Trong mô hình Bohr thì không. Electron chỉ tồn tại ở các mức năng lượng rời rạc, tương tự việc chỉ đứng được trên bậc cầu thang.

Photon được tạo ra như thế nào?

Photon được tạo ra khi một electron chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn. Cần cấp năng lượng để electron đi theo chiều ngược lại.

Mô hình Bohr đã giải thích vì sao có các mức rời rạc chưa?

Chưa trọn vẹn. Bohr giả định các giá trị momen động lượng, và phân tích của ông không nêu lý do cho việc chỉ một số mức được phép.

Tóm tắt

• Electron trong nguyên tử chỉ có các mức năng lượng rời rạc.
• Bước nhảy xuống mức thấp hơn phát ra một photon, và phổ phát xạ gồm các vạch rời.
• Điều kiện sóng khớp chỉ cho phép một số trạng thái; vòng tròn Bohr là mô hình cũ, không phải quỹ đạo thật.