Ακτινοβολια των ατομων

Δίπολο είναι ο διαχωρισμός δυο διαφορετικών φορτίων τα οποία βρίσκονται σε κάποια απόσταση μεταξύ τους. Τα δίπολα αυτά (δηλαδή τα δυο διαφορετικά φορτία) μπορεί να είναι:

1) Ηλεκτρικά

2) Μαγνητικά

Τα δίπολα παρατηρούνται στην φύση. Ένα ηλεκτρικό δίπολο που παρατηρείται στην φύση είναι το άτομο του υδρογόνου το οποίο περιλαμβάνει ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Είναι δηλαδή δυο αντίθετα φορτισμένα σωματίδια που απέχουν κάποια απόσταση μεταξύ τους. Το ίδιο συμβαίνει και με τους μαγνήτες. Κάθε μαγνήτης είναι στην πραγματικότητα ένα μαγνητικό δίπολο με τα δυο του άκρα να απέχουν κάποια απόσταση μεταξύ τους και να έχουν δυο αντίθετες ποιητικότητες. 

Διπολική ροπή (μ) ενός διπόλου είναι ένα διανυσματικό μέγεθος που δείχνει τον βαθμό πόλωσης του διπόλου. Έχει κατεύθυνση από τον αρνητικό προς τον θετικό πόλο του διπόλου. Μαθηματικά εκφράζεται ως: 

p=qd 

όπου: 

q είναι το φορτίο του ενός πόλου στο μαγνητικό δίπολο όταν τα φορτία τους είναι ίσα και αντίθετα

d είναι το διάνυσμα της απόστασης από τον αρνητικό πόλο προς τον θετικό πόλο του διπόλου. 

Για την ακτινοβολία των ατόμων έχουν αναπτυχθεί δυο κύριες θεωρίες:

1) Κλασσική θεωρία

2) Κβαντική θεωρία

Η κλασσική θεωρία διατυπώθηκε στα τέλη του 19ου αιώνα. Περιγράφει την δομή του ατόμου ως εξής: Στο κέντρο βρίσκεται ένας βαρύς πυρήνας (δηλαδή ακίνητος) με θετικό φορτίο (πρωτόνια) και συνδεδεμένο με αυτόν μέσω ελατηρίων διαφορετικής σταθεράς μεταξύ τους τα ηλεκτρόνια. Αυτό σημαίνει ότι: 

1) Κάθε ελατήριο θα μπορεί να εκπέμψει μια διαφορετικής συχνότητας ακτινοβολία.

2) Ένα προσπίπτον φωτεινό κύμα θέτει σε ταλάντωση κάποιο ελατήριο που έχει πάνω του ηλεκτρόνιο.

3) Το ελατήριο κρατάει τα ηλεκτρόνια κοντά στον πυρήνα

Τι γίνεται όμως στην περίπτωση του υδρογόνου που περιέχει ένα ηλεκτρόνιο , άρα ένα ελατήριο και άρα μια συχνότητα ταλάντωσης ενώ το φάσμα εκπομπής του δείχνει ότι η ακτινοβολία που εκπέμπει έχει διάφορες συχνότητες; και γιατί κάποιες φορές η ένταση των γραμμών εκπομπής είναι μεγαλύτερη; 

Επειδή δεν δόθηκε μια ξεκάθαρη απάντηση σε αυτό το ερώτημα η κλασσική θεωρία ήταν ανίκανη να περιγράψει την ακτινοβολία των ατόμων. 

Η κβαντική θεωρία θα μπορέσει να εξηγήσει την διαφορετική συχνότητα και διαφορετική ένταση της εκπέμπουσας ακτινοβολίας. Η κβαντική θεωρία περιγράφει την δομή του ατόμου ως εξής:

Στο κέντρο βρίσκεται ο πυρήνας και γύρω από αυτόν σε καμπύλες τροχιές κινούνται τα ηλεκτρόνια. Υπάρχουν διάφορες τροχιές πάνω στις οποίες μπορούν να κινηθούν τα ηλεκτρόνια. Αυτό σημαίνει οτι:

1) Κάθε ηλεκτρόνιο που μεταπίπτει από μια τροχιά μακρινή από τον πυρήνα σε μια κοντινότερη τροχιά σε αυτόν εκπέμπει φωτόνια συγκεκριμένης συχνότητας. Τα φωτόνια αυτά είναι οι φορείς της ακτινοβολίας.

2) Ένα προσπίπτον φωτεινό κύμα (δηλαδή φωτόνια) με ακτινοβολίες διαφορετικής συχνότητας που προσπίπτουν πάνω στο άτομο, δίνουν ενέργεια τέτοια ώστε κάποιο ή κάποια ηλεκτρόνια να αλλάξουν τροχιά από κάποια κοντινότερη σε κάποια μακρινότερη από το κέντρο του ατόμου.

3) Η δύναμη Coulomb κρατάει τα ηλεκτρόνια σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα.

Τις διαφορετικές επιτρεπόμενες τροχιές των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα τις ονομάζουμε ενεργειακές στάθμες. Για να περιγράψουμε συντομότερα τις ενεργειακές στάθμες χρησιμοποιούμε συμβολικά το n δίνοντας του διάφορες τιμές (φυσικούς αριθμούς) αναφερόμενοι στην καμπύλη τροχιά που ανήκει. Για παράδειγμα η κοντινότερη προς το κέντρο καμπύλη τροχιά του ηλεκτρονίου θα έχει n=1 και θα ονομάζεται πρώτη ενεργειακή στάθμη ή θεμελιώδης κατάσταση. 

Άρα έχουμε δημιουργήσει έναν κβαντικό αριθμό n ο οποίος παίρνει τιμές (n=1,2,3...) και περιγράφει την ενεργειακή στάθμη (καμπύλη τροχιά) πάνω στην οποία κινείται κάποιο ηλεκτρόνιο. Η ενέργεια κάθε ενεργειακής στάθμης συμβολίζεται με Εn για n=1,2..

Για κάθε τιμή n υπάρχει μια διαφορετική κυματοσυνάρτηση Ψn(x) που περιγράφει την θέση του σωματιδίου. Η κυματοσυνάρτηση αυτή περιγράφει τις πιθανές θέσεις του ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα σε μια συγκεκριμένη κάθε φορά καμπύλη τροχιά.

Η κβαντική θεωρία περιγράφει την ακτινοβολία των ατόμων πληρέστερα από την κλασσική θεωρία