Atomun Uyarılması ve İyonlaşması Arasındaki Fark

Atomdaki enerji düzeyleri

Atomdaki elektronlar, her değerde enerjiye sahip olamaz; yalnızca belirli enerji düzeylerinde bulunabilir. En düşük enerji düzeyi temel hâl olarak adlandırılır. Elektron çekirdeğe daha sıkı bağlıyken daha düşük enerjidedir; çekirdekten uzaklaştıkça bulunduğu enerji düzeyi genellikle yükselir. Bu düzeyler arasındaki farklar, elektronun bir düzeyden diğerine geçmesi için alınması veya verilmesi gereken enerji miktarını belirler.

Elektron bir üst düzeye kendiliğinden herhangi bir miktarda çıkamaz. İki düzey arasındaki enerji farkına uygun miktarda enerji alması gerekir. Örneğin bir elektron ikinci düzeyden üçüncü düzeye geçecekse, bu iki düzey arasındaki fark kadar enerji almalıdır. Enerji düzeyleri her element için farklı olduğundan her elementin enerji geçişleri, dolayısıyla soğurduğu ve yaydığı ışığın dalga boyları da kendine özgüdür. Enerji düzeylerini yatay çizgilerle gösteren diyagramlarda en alttaki çizgi temel hâli, üstteki çizgiler ise daha yüksek enerji durumlarını temsil eder.

Enerji alışverişi ve foton ilişkisi

Elektronun enerji düzeyi değiştirmesi, atomla çevresi arasında enerji alışverişi olduğunu gösterir. Atom bir üst düzeye çıkarken enerji alır; daha düşük bir düzeye inerken enerji verir. Bu alışveriş çoğu zaman fotonların soğurulması veya yayılması yoluyla gerçekleşir. Soğurulan ya da yayılan fotonun enerjisi, elektronun başlangıç ve son enerji düzeyleri arasındaki farka eşittir. Fotonun enerjisi E = h·f = h·c/λ bağıntısıyla frekansına ve dalga boyuna bağlıdır; h Planck sabiti (6,63 × 10⁻³⁴ J·s), c ışık hızıdır.

Düzey farkı büyükse daha enerjili bir foton, küçükse daha az enerjili bir foton söz konusu olur. Bu nedenle atomlar ışığın her rengini aynı biçimde soğurmaz veya yaymaz; yalnızca izin verilen geçişlere karşılık gelen enerjiler etkili olur. Örneğin 656 nanometre dalga boyundaki ışığın foton enerjisi yaklaşık 1,89 eV'tur ve hidrojenin üçüncü ile ikinci enerji düzeyleri arasındaki farka (−1,51 eV − (−3,40 eV) = 1,89 eV) eşittir; bu yüzden bu ışık ikinci düzeydeki elektronu üçüncü düzeye çıkarabilir. Işık tayfları ve çizgi spektrumları, bu tür belirli geçişlerin gözlenmesiyle oluşan çizgileri tanımlamak için kullanılır.

Atomun uyarılması

Atomun uyarılması, atomun enerji alması sonucunda bir elektronun daha yüksek, ancak hâlâ atoma bağlı bir enerji düzeyine geçmesidir. Bu sırada elektron atomdan kopmaz; yalnızca daha yüksek enerjili bir durumda bulunur. Atomun bu geçici durumuna uyarılmış hâl denir. Temel hâlde bulunan bir atom, uygun enerjili bir fotonu soğurarak veya başka bir parçacıkla çarpışma sonucunda enerji alarak uyarılabilir.

Uyarılmanın koşulu, enerjinin atoma nasıl aktarıldığına bağlıdır. Foton ile uyarılmada fotonun enerjisi iki izinli düzey arasındaki farka tam olarak eşit olmalıdır; eşit değilse foton soğurulmaz (enerjisi iyonlaşma enerjisini aşan bir foton ise atomu iyonlaştırabilir). Elektron gibi bir parçacıkla çarpışarak uyarılmada ise gelen parçacığın kinetik enerjisinin düzey farkına eşit ya da ondan büyük olması yeterlidir; atom yalnızca geçiş için gereken enerjiyi alır, artan enerji çarpan parçacıkta kalır. Enerji hangi yolla gelirse gelsin düzey farkından küçükse elektron geçiş yapamaz. Örneğin hidrojen atomundaki bir elektron ikinci düzeyde bulunurken uygun enerjili bir foton soğurursa üçüncü düzeye geçebilir. Bu durumda hidrojen atomu uyarılmıştır, fakat elektron hâlâ hidrojen atomunun çekirdeğine bağlıdır.

Uyarılmış hâl kararsızdır; atom bu hâlde çok kısa süre (çoğunlukla 10⁻⁸ s mertebesinde) kalır. Elektron daha düşük bir enerji düzeyine geçerken aradaki enerji farkına eşit enerjide bir foton yayar. Uyarılma, yalnızca elektronun daha yüksek bağlı bir düzeye geçmesini ifade eder; elektronun atomdan ayrılması bu kavramın dışındadır.

Atomun iyonlaşması

Atomun iyonlaşması, elektrona yeterli enerji verilmesi sonucunda elektronun atomdan tamamen kopmasıdır. Bu durumda elektron artık çekirdeğe bağlı değildir ve geride elektron sayısı proton sayısından az olan pozitif yüklü bir iyon kalır. İyonlaşma, elektronun yalnızca daha yüksek bir düzeye çıkmasından farklı olarak, bağlı enerji düzeylerinin dışına çıkmasıdır.

Enerji düzeyleri yükseldikçe aralarındaki farklar küçülür ve düzeyler, elektronun serbest kalacağı bir sınıra yaklaşır. Elektron bu sınırı aşacak kadar enerji alırsa atomdan ayrılır. Enerji, uygun bir fotonun soğurulmasıyla ya da hızlı bir elektron veya başka bir parçacıkla çarpışmayla aktarılabilir. Örneğin temel hâlde bulunan hidrojen atomuna 13,6 eV enerji verilmesi, elektronun atomdan ayrılması için yeterlidir. Daha fazla enerji verilirse kopan elektron, fazladan enerjiyi hareket enerjisi olarak taşır.

İyonlaşmış atom, eksilen elektronu yeniden yakalarsa tekrar nötr hâle gelebilir veya daha düşük derecede iyonlaşmış duruma dönebilir. Elektronun yakalanması sırasında da enerji foton olarak yayılabilir. Hidrojen atomunda tek elektron bulunduğu için atom yalnızca bir kez iyonlaşabilir; elektronunu kaybettikten sonra geriye yalnızca çekirdeği, yani bir proton kalır.

Uyarılma ile iyonlaşma arasındaki fark

Uyarılma ve iyonlaşma arasındaki temel fark, elektronun atomda kalıp kalmamasıdır. Uyarılmada elektron enerji alarak daha yüksek bir enerji düzeyine geçer, fakat atomun çekirdeğine bağlı kalır. İyonlaşmada ise alınan enerji, elektronu bağlı durumdan çıkarır ve elektron atomdan tamamen ayrılır. Bu nedenle uyarılma atomun yükünü değiştirmez, nötr atom nötr kalır; elektron kaybeden atom ise pozitif iyon hâline gelir.

İki sürecin başlangıcı benzerdir: Atom dışarıdan enerji alır ve elektronun enerjisi artar. Ancak enerji miktarı, elektronun yalnızca bir üst düzeye çıkmasına yetiyorsa uyarılma; elektronu bağdan kurtarmaya yetiyorsa iyonlaşma gerçekleşir. Örneğin hidrojen elektronunun ikinci düzeyden üçüncü düzeye geçmesi uyarılmadır. Elektronun yeterli enerji alıp çekirdeğin etkisinden kurtulması ise iyonlaşmadır.

Bir başka ayırt edici nokta, sonraki durumdur. Uyarılmış elektron daha düşük bir enerji düzeyine dönerek foton yayar. İyonlaşmış atomda ise elektron artık atomun bağlı düzeylerinden birinde değildir; atomun yeniden nötrleşmesi için dışarıdan bir elektron yakalaması gerekir. Kısaca, “daha yüksek bağlı düzey” uyarılmayı, “atomdan kopma” ise iyonlaşmayı gösterir.

Uyarılmış atomun daha düşük enerji düzeyine dönmesi

Uyarılmış atom kararsız olduğu için elektron kısa sürede daha düşük bir enerji düzeyine geçer. Bu geçiş sırasında iki düzey arasındaki enerji farkı bir foton olarak yayılır. Elektron doğrudan temel hâle dönebileceği gibi önce ara enerji düzeylerinden geçerek birkaç adımda da dönebilir. Her adımda yayılan fotonun enerjisi, o adımdaki iki düzey arasındaki farka karşılık gelir.

Örneğin elektron üçüncü düzeyden ikinci düzeye inerken bir foton, ardından ikinci düzeyden temel hâle inerken başka enerjide bir foton yayabilir. Bu fotonların enerjileri farklı olduğundan ışıkta farklı çizgiler oluşabilir. Böylece atom, aldığı enerjinin bir bölümünü veya tamamını izin verilen geçişlere karşılık gelen fotonlar biçiminde geri verir.