3.3. Kvantnomehanički model atoma

Vidjeli smo da je E. Rutherford elektron smatrao česticom koja se okreće oko atomske jezgre poput planeta u orbiti oko Sunca. Baš kao što planet može orbitirati na bilo kojoj udaljenosti od Sunca, činilo se da bi elektron načelno trebao moći orbitirati oko jezgre na bilo kojoj udaljenosti.

Kad bi to bilo točno, svaki elektron bi trebao moći emitirati i apsorbirati svjetlost svih frekvencija. Ali to se ne događa.

Vidjeli smo da je E. Rutherford elektron smatrao česticom koja se okreće oko atomske jezgre poput planeta u orbiti oko Sunca.

Planet može orbitirati na bilo kojoj udaljenosti od Sunca.

Činilo se da bi elektron načelno trebao moći orbitirati oko jezgre na bilo kojoj udaljenosti.

Kad bi to bilo točno, svaki elektron bi trebao moći emitirati i apsorbirati svjetlost svih frekvencija.

Ali to se ne događa.

Niels Bohr je ponudio objašnjenje da elektron može zaposjesti samo određene orbite oko jezgre. Koristeći ideju valova materije, de Broglie je pokazao da Bohrova orbita postoji tamo gdje pri kruženju elektrona oko jezgre dolazi do konstruktivne interferencije. Val elektrona postaje stojni val. U klasičnoj slici elektron je čestica koja se u nekom trenutku nalazi na nekom mjestu u atomu i giba se nekom brzinom oko jezgre. Ta slika ovdje je napuštena. Opseg osnovne unutarnje orbite elektrona, prema ovoj slici jednak je jednoj valnoj duljini. Druga orbita ima opseg od dvije valne duljine elektrona, treća ima tri i tako dalje.

Pogledajmo animaciju koja prikazuje stojne valove za prvih nekoliko orbita za vodikov atom. 

Orbite u vodikovom atomu nisu jednako razmaknute već im polumjeri rastu s kvadratom rednog broja n.

Niels Bohr je ponudio objašnjenje da elektron može zaposjesti samo određene orbite oko jezgre.

Koristeći ideju valova materije, de Broglie je pokazao da Bohrova orbita postoji tamo gdje pri kruženju elektrona oko jezgre dolazi do konstruktivne interferencije.

Val elektrona postaje stojni val.

U klasičnoj slici elektron je čestica koja se:

• u nekom trenutku nalazi na nekom mjestu u atomu
• giba se nekom brzinom oko jezgre.

Ta slika ovdje je napuštena. 

Prema ovoj slici opseg osnovne unutarnje orbite elektrona jednak je jednoj valnoj duljini.

Druga orbita ima opseg od dvije valne duljine elektrona, treća ima tri i tako dalje.

Pogledajmo animaciju.

Ona prikazuje stojne valove za prvih nekoliko orbita za vodikov atom. 

Orbite u vodikovom atomu nisu jednako razmaknute.

Polumjeri im rastu s kvadratom rednog broja n.

U kvantnomehaničkoj slici točne vrijednosti polumjera gube smisao, ali vrijednosti energija u stacionarnom stanju podudaraju se s vrijednostima dobivenim u Bohrovom modelu.

U kvantnomehaničkoj slici točne vrijednosti polumjera gube smisao.

Vrijednosti energija u stacionarnom stanju podudaraju se s vrijednostima dobivenim u Bohrovom modelu.

Val elektrona je trodimenzionalan, što vodi do slike elektronskog oblaka. To, međutim nije oblak elektrona raspršenog po prostoru, već oblak vjerojatnosti. Naime, u kvantnomehaničkom modelu atoma, koji do sada najbolje objašnjava opažanja o elektronima u atomima, odbačena je zorna predodžba elektrona koji kruže oko jezgre. Svako stanje elektrona karakterizira njegova energija E i valna funkcija Ψ koja opisuje valna svojstva elektrona u atomu. Valna funkcija dobije se rješavanjem jednadžbe koju je postavio Erwin Schrödinger i koja predstavlja osnovnu jednadžbu u kvantnoj fizici. Kvadrat apsolutne vrijednosti valne funkcije nekog stanja elektrona daje vjerojatnost da se elektron u određenom trenutku nađe u određenoj točki prostora. Rješenja Schrödingerove jednadžbe za atome zovu se atomske orbitale (a ne "orbite", što znači putanje ili staze, upravo da bi se odbacila stara intuitivna, ali netočna slika koju su nudili prethodni modeli atoma).

Val elektrona je trodimenzionalan.

To vodi do slike elektronskog oblaka.

To je oblak vjerojatnosti.

Kvantnomehanički model atoma do sada najbolje objašnjava opažanja o elektronima u atomima.

Po njemu je odbačena zorna predodžba elektrona koji kruže oko jezgre.

Svako stanje elektrona opisano kvantnim brojevima karakterizira njegova:

• energija E
• valna funkcija Ψ (opisuje valna svojstva elektrona u atomu).

Valna funkcija Ψ dobije se rješavanjem jednadžbe koju je postavio Erwin Schrödinger.

Ona predstavlja osnovnu jednadžbu u kvantnoj fizici.

Kvadrat apsolutne vrijednosti valne funkcije nekog stanja elektrona daje vjerojatnost da se elektron u određenom trenutku nađe u određenoj točki prostora.

Rješenja Schrödingerove jednadžbe za atome zovu se atomske orbitale (ne "orbite", da bi se odbacila stara intuitivna, ali netočna slika koju su nudili prethodni modeli atoma).

Osim vodika, svi električki neutralni atomi sadrže više od jednog elektrona. Iz rješavanja Schrödingerove jednadžbe proizlaze neka pravila pri opisivanju elektronske raspodjele u atomima (podsjetite se što o elektronskoj konfiguraciji znate iz kemije).

Kvantni brojevi su cijeli ili polucijeli brojevi kojima su obilježene valne funkcije, svojstvene vrijednosti energije i druga svojstva stacionarnih stanja kvantnomehaničkih sustava.

1. Glavni kvantni broj n koji u rješenju Schrödingerove jednadžbe za vodikov atom karakterizira energijsku ljusku, može iznositi n=1,2,3,…

2. Orbitalni kvantni broj l određuje vrijednost kutne količine gibanja elektrona s mogućim vrijednostima l=0,1,…,(n-1) Na primjer, ako je n=1, vrijednost l može biti jedini l=0, ako je n=2, l može poprimiti vrijednosti 0 i 1 i tako dalje.

3. Magnetski kvantni broj m određuje moguće orijentacije kutne količine gibanja u odnosu na os vanjskoga magnetskoga polja s vrijednostima m=-l,-(l-1),…-1,0,1,…l Na primjer, za l=0, m može imati samo vrijednost 0, za l=1, vrijednosti m može iznositi -1, 0 i 1 i tako dalje.

4. Kvantni broj spina     m_s određuje spinsku kutnu količinu gibanja elektrona, a može imati jednu od dvije vrijednosti m_s=-1/2 ili m_s=1/2.

Pri tome svakoj kombinaciji prethodna tri kvantna broja može biti pridružena po jedna vrijednost ½ i – ½ .

Tako elektron u vodikovom atomu u osnovnom stanju (nepobuđenom) ima glavni kvantni broj n=1, l=0, m=0 i m_s= ½ ili m_s=-1/2 .

Svi električki neutralni atomi sadrže više od jednog elektrona (osim vodika), s atomskim brojem Z elementa.

Iz rješavanjaSchrödingerove jednadžbe  proizlaze neka pravila pri opisivanju elektronske raspodjele u atomima (podsjetite se što elektronskoj konfiguraciji znate iz kemije).

Kvantni brojevi su cijeli ili polucijeli brojevi kojima su obilježene valne funkcije.

One su svojstvene vrijednosti energije i druga svojstva stacionarnih stanja kvantnomehaničkih sustava

1. Glavni kvantni broj n koji u rješenju Schrödingerove jednadžbe za vodikov atom karakterizira energijsku ljusku, može iznositi n= 1,2,3,…

    2. Orbitalni kvantni broj l određuje vrijednost kutne količine gibanja elektrona s mogućim vrijednostima l=0,1, …,(n-1).

Na primjer:

• ako je n=1 vrijednost lmože biti jedini l=0
• ako je n=2, l može poprimiti vrijednosti 0 i 1 i tako dalje.

3. Magnetski kvantni broj m određuje moguće orijentacije kutne količine gibanja u odnosu na os vanjskoga magnetskoga polja s vrijednostima m=-l,-(l-1),…-1,0,1,…l                                                                           

 Na primjer:   

• za l=0, m može imati samo vrijednost 0,
• za l=1, vrijednosti m može iznositi -1, 0 i 1 i tako dalje.

4. kvantni broj spina m_s određuje spinsku kutnu količinu gibanja elektrona. Može imati jednu od dvije vrijednosti m_s=-1/2 ili m_s=1/2

Pri tome svakoj kombinaciji prethodna tri kvantna broja može biti pridružena po jedna vrijednost ½ i – ½ .

Tako elektron u vodikovom atomu u osnovnom stanju (nepobuđenom) ima glavni kvantni broj n=1, l=0, m=0 i m_s= ½ ili m_s=-1/2 .

Iako bismo mogli pomisliti da će u nepobuđenom stanju pri vrlo niskim temperaturama svi elektroni i u višeelektronskim atomima zauzeti najniže stanje, pokazalo se da je to nemoguće. Kada je atom s više elektrona u svom osnovnom stanju, nisu svi elektroni u n=1 ljusci jer se pokoravaju načelu koje je otkrio austrijski fizičar Wolfgang Pauli  , poznatom kao Paulijevo načelo isključenja.

Pokazalo se nemoguće da u nepobuđenom stanju pri vrlo niskim temperaturama svi elektroni i u višeelektronskim atomima zauzmu najniže stanje.

Kada je atom s više elektrona u svom osnovnom stanju, nisu svi elektroni u n=1 ljusci.

To je zato jer se pokoravaju načelu koje je otkrio austrijski fizičar Wolfgang Pauli .

To je Paulijevo načelo isključenja.

Drugim riječima, stanja dvaju elektrona u istom atomu ne mogu biti opisana istim vrijednostima kvantnih brojeva.

Stanja dvaju elektrona u istom atomu ne mogu biti opisana istim vrijednostima kvantnih brojeva.

Kao što možemo vidjeti iz slike, u višeelektronskom atomu, energija stanja elektrona dana je glavnim i orbitalnim kvantnim brojem. Energija se povećava povećanjem broja n uz neke iznimke.

Kažemo da se svi elektroni s istom vrijednošću n nalaze u istoj ljusci. Elektroni s n=1 su u jednoj ljusci (koja se ponekad naziva i K ljuska), elektroni s n=2 nalaze se u drugoj ljusci (ljuska L), oni s n=3 su u trećoj ljusci (M ljuska) i tako dalje. Oni elektroni s jednakim vrijednostima za n i l nalaze se u istoj podljusci. Ljuska n=1 sastoji se od jedne podljuske, n=2 ljuska ima dvije podljuske, jednu s l=0 i jednu s l=1. Slično tome n=3 ljuska ima tri podljuske, l=0, l=1 i l=2. Za l=0 koristi se i naziv s podljuska, za l=1 p podljuska, za l=2 koristi se d podljuska, za l=3 f podljuska, g podljuska za l=4, h podljuska za l=5.

U vodikovom atomu blizu sobne temperature elektron provodi većinu svog vremena u osnovnom stanju u n=1 ljusci. Slično, kad atom sadrži više od jednog elektrona i blizu je sobne temperature, elektroni su većinu svog vremena u najnižim mogućim razinama energije. Najniže energetsko stanje atoma naziva se osnovnim stanjem.

Pogledajmo kako će biti raspoređeni elektroni za pet elemenata sa najmanjim brojem elektrona u osnovnom stanju: vodik (1 elektron), helij (2 elektrona), litij (3 elektrona), berilij (4 elektrona) i bor (5 elektrona).

U višeelektronskom atomu energija stanja elektrona dana je glavnim i orbitalnim kvantnim brojem.

Energija se povećava povećanjem broja n uz neke iznimke.

Svi elektroni s istom vrijednošću n nalaze se u istoj ljusci:

• elektroni s n=1  su u jednoj ljusci (koja se ponekad naziva i K ljuska)
• elektroni s n=2 nalaze se u drugoj ljusci (ljuska L)
• elektroni s n=3 su u trećoj ljusci (M ljuska) i tako dalje.

Oni elektroni s jednakim (=) vrijednostima za n i l nalaze se u istoj podljusci.

Ljuska n=1 sastoji se od jedne podljuske, n=2 ljuska ima dvije podljuske, jednu s l=0 i jednu s l=1.

Slično tome n 3 ljuska ima tri podljuske, l=0, l= 1 i l=2.

• za l=0 koristi se i naziv s podljuska
• za l=1 p podljuska
• za l=2 d podljuska
• za l=3 f podljuska
• za l=4 g podljuska
• za l=5 h podljuska.

U vodikovom atomu blizu sobne temperature elektron provodi većinu svog vremena u osnovnom stanju u n=1 ljusci.

Slično, kad atom sadrži više od jednog elektrona i blizu je sobne temperature, elektroni su većinu svog vremena u najnižim mogućim razinama energije.

Najniže energetsko stanje atoma naziva se osnovnim stanjem.

Pogledajmo kako će biti raspoređeni elektroni za pet elemenata sa najmanjim brojem elektrona u osnovnom stanju:

• vodik (1 elektron)
• helij (2 elektrona)
• litij (3 elektrona)
• berilij (4 elektrona)
• bor (5 elektrona).

Atom vodika ima jedan elektron, a njegovo osnovno stanje bit će opisano kvantnim brojevima n=1, l=0, m=0, m_s će moći poprimiti vrijednost ½ ili -½.

Dva helijeva elektrona će u osnovnom stanju biti opisana s ista prva tri kvantna broja, ali će m_s za jednoga poprimiti vrijednost ½, a za drugoga -1/2.

Stanje prva dva elektrona litija opisano je istim kvantnim brojevima kao elektroni helijevog atoma, a treći dobiva sljedeći po redu n=2, l=0, m=0, m_s= ½ ili -1/2, berilijev četvrti elektron poprima stanje m_s suprotnog predznaka od onoga kojeg ima treći. Prva četiri elektrona borovog atoma opisana su istim kvantnim brojevima kao berilijevi elektroni, a peti zauzima sljedeću podljusku l=1.

Atom vodika ima jedan elektron.

Njegovo osnovno stanje bit će opisano kvantnim brojevima n=1, l=0, m=0.

m_s će moći poprimiti vrijednost ½ ili – ½.

Dva helijeva elektrona će u osnovnom stanju biti opisana s ista prva tri kvantna broja.

m_s za jednoga će poprimiti vrijednost 1/2, a za drugoga -1/2.

Stanje prva dva elektrona litija opisano je istim kvantnim brojevima kao elektroni helijevog atoma.

Treći dobiva sljedeći po redu n=2, l=0, m=0, m_s= ½ ili -1/2.

Berilijev četvrti elektron poprima stanje m_s suprotnog predznaka od onoga kojeg ima treći.

Prva četiri elektrona borovog atoma opisana su istim kvantnim brojevima kao berilijevi elektroni.

Peti zauzima sljedeću podljusku l=1.

Za zapis elektronske konfiguracije pojedinog atoma koristimo skraćeni oblik pogodan za istovremeni prikaz glavnog kvantnog broj n, kvantnog broja l i broja elektrona u podljusci. Primjer ovog zapisa prikazuje slika:

Za zapis elektronske konfiguracije pojedinog atoma koristimo skraćeni oblik pogodan za istovremeni prikaz:

• glavnog kvantnog broj n
• kvantnog broja l
• broja elektrona u podljusci. 

Primjeri ovog zapisa prikazuje slika:

Na slici je prikazan zapis koji možemo interpretirati da u L ljusci (n=2), p podljusci (l=1) atom ima 5 elektrona.

Zapišimo elektronsku konfiguraciju osnovnog stanja za 5 atoma iz prethodnog primjera:

Vodik - ima jedan elektron u prvoj K ljusci: 1s¹

Helij - njegova dva elektrona raspoređena su na sljedeći način 1s²

Litij - dva elektrona u K ljusci s podljusci te jedan u L ljusci s podljusci: 1s²2s¹

Berilij - 4 elektrona 1s²2s²

Bor - 5 elektrona 1s²2s²2p¹

Primjer:

Na slici je prikazan zapis koji možemo interpretirati da u L ljusci (n=2), p podljusci (l=1) atom ima 5 elektrona.

Zapišimo elektronsku konfiguraciju osnovnog stanja za 5 atoma iz prethodnog primjera:

Vodik - ima jedan elektron u prvoj K ljusci: 1s¹

Helij - njegova dva elektrona raspoređena su na sljedeći način 1s²

Litij - dva elektrona u K ljusci s podljusci te jedan u L ljusci s podljusci: 1s²2s¹

Berilij - 4 elektrona 1s²2s²

Bor - 5 elektrona 1s²2s²2p¹

Primjer:

Za ukupan broj elektrona u podljusci moramo uzeti u obzir i kvantni broj m.

U podljusci s, l=0, m može poprimiti samo vrijednost 0, pa uz dvije moguće vrijednosti m_s, u njoj mogu biti samo 2 elektrona, jedan sa m_s=1/2 te jedan sa m_s= -1/2.

Podljuska p, l=1 dopušta vrijednosti m=1, 0, -1, pa s dva elektrona za svaku od tih vrijednosti dobijemo ukupan broj 6 elektrona u podljusci p.

Na sličan način možemo dobiti vrijednosti za ostale podljuske.

Promotrimo sliku:

Za ukupan broj elektrona u podljusci moramo uzeti u obzir i kvantni broj m.

U podljusci s, l=0, m može poprimiti samo vrijednost 0.

Uz dvije moguće vrijednosti m_s, u njoj mogu biti samo 2 elektrona jedan sa m_s=1/2 te jedan sa m_s= -1/2.

Podljuska p, l=1 dopušta vrijednosti m=1, 0,-1.

Dva elektrona za svaku od tih vrijednosti dobijemo ukupan broj 6 elektrona u podljusci p.

Na sličan način možemo dobiti vrijednosti za ostale podljuske.

Promotrimo sliku:

Zbog kombinacija mogućih brojeva l,m,m_s dobijemo da broj elektrona za neku vrijednost kvantnog broja l iznosi 2(2l+1).

Zbog kombinacija mogućih brojeva l,m,m_s dobijemo da broj elektrona za neku vrijednost kvantnog broja l iznosi 2(2l+1).

Nazivi K, L, M… ljuska te s, p, d… podljuska za vrijednosti kvantnog broja n i l poznati su vam iz kemije. Ovo nije slučajno. Tablicu periodnog sustava elemenata prvi je objavio Dmitrij Ivanovič Mendeljejev   1869. godine. On je ujedno prvi uvidio puni smisao tog otkrića, ostavljajući u tablici prazna mjesta za elemente koji će se tek otkriti. Mendeljejev je složio elemente po rastućim atomskim masama, pri čemu su se u periodičnim razmacima nalazili elementi sličnih kemijskih svojstava. Taj poredak je, uz nekoliko iznimki, istovjetan današnjem. Na slici je prikazan periodni sustav elemenata koji vam je poznat iz kemije (slika iz DOS-a Kemija 4). Prisjetite se što ste o elektronskom omotaču atoma učili iz kemije. Što možete, na osnovu mjesta u periodnom sustavu elemenata, reći o elektronskoj konfiguraciji atoma pojedinog elementa?

Nazivi:

• K, L, M... -ljuska,
• s, p ,d,… -podljuska za vrijednosti kvantnog broja n i l poznati su vam iz kemije.

Ovo nije slučajno.

Tablicu periodnog sustava elemenata prvi je objavio Dmitrij Ivanovič Mendeljejev 1869. godine.

On je ujedno prvi uvidio puni smisao tog otkrića.

Ostavio je u tablici prazna mjesta za elemente koji će se tek otkriti.

Mendeljejev je složio elemente po rastućim atomskim masama.

Pri tome su se u periodičnim razmacima nalazili elementi sličnih kemijskih svojstava.

Taj poredak je, uz nekoliko iznimki, istovjetan današnjem.

U ovoj jedinici smo vidjeli da se slična kemijska svojstva unutar grupe mogu objasniti na osnovu konfiguracija vanjskih elektrona elemenata u grupi. Na taj način, kvantna mehanika i Paulijev princip isključenja nude objašnjenje za kemijsko ponašanje atoma.

Slična kemijska svojstva unutar grupe mogu se objasniti na osnovu konfiguracija vanjskih elektrona elemenata u grupi.

Na taj način, kvantna mehanika i Paulijev princip isključenja nude objašnjenje za kemijsko ponašanje atoma.

Od 1960. godine, kada je proradio prvi laser, primjena lasera proširila se na sva područja ljudskih djelatnosti: industriju, medicinu, dentalnu medicinu,  telekomunikacije, energetiku, obradu materijala, vojnu industriju, informacijske tehnologije te mnoge druge. Svakodnevni život nezamisliv je bez uporabe lasera.

U medicini laseri omogućuju zahvate koji su bili nezamislivi prije njihova otkrića. Laserom je omogućen zahvat na mjestima koja su za skalpel bila posve nedostupna. Tako su, primjerice, moguće operacije u unutašnjosti oka. Velik broj ljudi je, zahvaljujući laserskim zahvatima, sačuvalo vid. Pomoću laserskih pečata učvršćena im je napukla mrežnica.

Od 1960. godine je proradio prvi laser.

Od tada primjena lasera proširila se na sva područja ljudskih djelatnosti:

• industriju,
• medicinu, dentalnu medicinu, 
• telekomunikacije,
• energetiku,
• obradu materijala,
• vojnu industriju,
• informacijske tehnologije te mnoge druge.

Svakodnevni život nezamisliv je bez uporabe lasera.

U medicini laseri omogućuju zahvate koji su bili nezamislivi prije njihova otkrića.

Laserom je omogućen zahvat na mjestima koja su za skalpel bila posve nedostupna.

Primjerice, moguće su operacije u unutašnjosti oka.

Velik broj ljudi je, zahvaljujući laserskim zahvatima, sačuvalo vid.

Pomoću laserskih pečata učvršćena im je napukla mrežnica.

Laser je uređaj koji proizvodi koherentnu svjetlost. Fotoni su međusobno u fazi. Laserska svjetlost je monokromatska. Svojstvo laserske svjetlosti je i izrazita usmjerenost.

Većina izvora svjetlosti oko nas je nekoherentna. Na primjer: halogena žarulja emitira svjetlost u svim smjerovima, intezitet te svjetlosti jako opada s udaljenošću. Ovakva svjetlost nema pravilne razlike u fazi valova od kojih se sastoji.

Laser je uređaj koji proizvodi koherentnu svjetlost.

Fotoni su međusobno u fazi.

Laserska svjetlost je monokromatska.

Svojstvo laserske svjetlosti je i izrazita usmjerenost.

Većina izvora svjetlosti oko nas je nekoherentna.

Na primjer:

• halogena žarulja emitira svjetlost u svim smjerovima,
• intezitet te svjetlosti jako opada s udaljenošću,
• ovakva svjetlost nema pravilne razlike u fazi valova od kojih se sastoji.

Izvedenica "laser" skraćenica je proizašla od engleskih riječi "Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation", što u prijevodu znači pojačanje svjetlosti stimuliranom emisijom zračenja.

Albert Einstein je 1917. godine u svom radu "On the Quantum Theory of Radiation" jednostavnim izvodom dobio matematički izraz kojim opisuje raspodjelu zračenja apsolutnog crnog tijela. Pri tome je pretpostavio da postoji stimulirana emisija. To je mnogo godina kasnije iskorišteno za otkriće masera, prethodnika lasera, i samog lasera. Maser je uređaj koji radi na jednakom načelu kao i laser, ali u drugom frekvencijskom području. Maser je izvor mikrovalova, dok je laser izvor elektromagnetskih valova u infracrvenom i vidljivom dijelu elektromagnetskog spektra.

Prvi maser u vidljivom dijelu spektra, napravio je 1960. godine Theodore  H. Maiman i nazvao ga laser. Maiman je pomoću bljeskalice pobuđivao kristal rubina i dobio crvenu lasersku svjetlost valne duljine od 694 nm. Od tada do danas otkriveni su mnogobrojni laserski sustavi. Iste godine pojavili su se i prvi laseri s helijem i neonom.
 

Izvedenica "laser" skraćenica je proizašla od engleskih riječi "Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation",.

To u prijevodu znači pojačanje svjetlosti stimuliranom emisijom zračenja.

Albert Einstein je 1917. godine u svom radu "On the Quantum Theory of Radiation" jednostavnim izvodom dobio matematički izraz.

Njime opisuje raspodjelu zračenja apsolutnog crnog tijela.

Pri tome je pretpostavio da postoji stimulirana emisija.

To je mnogo godina kasnije iskorišteno za otkriće masera, prethodnika lasera, i samog lasera.

Maser je uređaj koji radi na jednakom načelu kao i laser, ali u drugom frekvencijskom području.

Maser je izvor mikrovalova.

Laser izvor elektromagnetskih valova u infracrvenom i vidljivom dijelu elektromagnetskog spektra.

Prvi maser u vidljivom dijelu spektra, napravio je 1960. godine Theodore  H. Maiman.

Nazvao ga je laser.

Maiman je pomoću bljeskalice pobuđivao kristal rubina.

Dobio je crvenu lasersku svjetlost valne duljine od 694 nm.

Od tada do danas otkriveni su mnogobrojni laserski sustavi.

Iste godine pojavili su se i prvi laseri s helijem i neonom.
 

Pogledajte sljedeću animaciju. Prikazan je atom u osnovnom energijskom stanju. Što se događa kada apsorbira foton?

Pogledajte sljedeću animaciju.

Prikazan je atom u osnovnom energijskom stanju.

Što se događa kada apsorbira foton?

Koliko dugo atom ostaje u pobuđenom stanju? Pogledajte nastavak animacije.

Koliko dugo atom ostaje u pobuđenom stanju?

Pogledajte nastavak animacije.

Stimulirana emisija

Neka se atom nalazi u pobuđenom stanju E₂. Ako foton energije upravo jednak razlici energije E₂ – E₁ pogodi atom, taj foton može prouzročiti brži prijelaz u osnovno stanje od uobičajenog. Pritom atom emitira još jedan foton. Ovu pojavu nazivamo stimulirana emisija.

Stimulirana emisija

Neka se atom nalazi u pobuđenom stanju E₂.

Ako foton energije upravo jednak razlici energije E₂ – E₁ pogodi atom, taj foton može prouzročiti brži prijelaz u osnovno stanje od uobičajenog.

Pritom atom emitira još jedan foton.

Ovu pojavu nazivamo stimulirana emisija.

Dobiven je još jedan foton jednake frekvencije koju ima i foton koji je nastao pri prijelazu iz višeg u niže energijsko stanje. Nastala su, dakle dva fotona, jednakih faza i koja se gibaju u istom smjeru. Na ovaj način nastaje koherentna svjetlost u laserima.

Uobičajeno je da se većina atoma nalazi u osnovnom stanju, tako većina upadnih fotona biva apsorbirano.

Da bi se pomoću stimulirane emisije dobila koherentna svjetlost, moraju biti ispunjena dva uvjeta:

1. Nastanak inverzije naseljenosti, što znači da se više atoma nalazi u višim energijskim stanjima no što je atoma u nižim energijskim stanjima. U ovom slučaju prevladava emisija nad apsorpcijom fotona.
2. Više energijsko stanje mora biti metastabilno stanje. Kod procesa stimulirane emisije pretpostavlja se da postoji još jedno, osim već razmatranih energijskih stanja, a to je metastabilno stanje. U metastabilnim stanjima atomi ostaju puno dulje od uobičajenih 10^-8 sekundi, tako da su prijelazi u osnovna stanja posljedica stimulirane emisije. Vjerojatnost spontane emisije u ovom slučaju je vrlo mala.
   Napomena: Eksperimentalna je činjenica da se pobuđeni atom može naći u metastabilnom stanju i tada su mogući samo takozvani zabranjeni prijelazi. Oni nisu posve isključeni, samo je vjerojatnost da se dogodi zabranjeni prijelaz vrlo mala u odnosu na dozvoljene prijelaze.  

Dobiven je još jedan foton jednake frekvencije koju ima i foton koji je nastao pri prijelazu iz višeg u niže energijsko stanje.

Nastala su, dakle dva fotona:

• jednakih faza
• koja se gibaju u istom smjeru.

Na ovaj način nastaje koherentna svjetlost u laserima.

Uobičajeno je da se većina atoma nalazi u osnovnom stanju.

Tako većina upadnih fotona biva apsorbirano.

Da bi se pomoću stimulirane emisije dobila koherentna svjetlost, moraju biti ispunjena dva uvjeta:

 1.  Nastanak inverzije naseljenosti.

To znači da se više atoma nalazi u višim energijskim stanjima no što je atoma u nižim energijskim stanjima. U ovom slučaju prevladava emisija nad apsorpcijom fotona.

2. Više energijsko stanje mora biti metastabilno stanje.

Kod procesa stimulirane emisije pretpostavlja se da postoji još jedno, osim već razmatranih energijskih stanja.

To je metastabilno stanje.

U metastabilnim stanjima atomi ostaju puno dulje od uobičajenih 10^-8 sekundi.

Tako su prijelazi u osnovna stanja posljedica stimulirane emisije.

Vjerojatnost spontane emisije u ovom slučaju je vrlo mala.

Napomena:

Eksperimentalna je činjenica da se pobuđeni atom može naći u metastabilnom stanju.

Tada su mogući samo takozvani zabranjeni prijelazi.

Oni nisu posve isključeni.

Samo je vjerojatnost da se dogodi zabranjeni prijelaz vrlo mala u odnosu na dozvoljene prijelaze.  

Pogledajte iduću simulaciju.

Prikazan je sustav atoma koji se početno nalaze u osnovnom stanju (E₁, označeno crvenom bojom).

Atomi se obasjavaju fotonima energije $$hf=E_2-E_1$$.

Pogledajte iduću simulaciju.

Prikazan je sustav atoma koji se početno nalaze u osnovnom stanju (E₁, označeno crvenom bojom).

Atomi se obasjavaju fotonima energije $$hf=E_2-E_1$$.

Sredstvo u kojem dolazi do stimulirane emisije fotona zovemo aktivno sredstvo. Aktivno sredstvo mora imati atome koji se mogu pobuditi na odgovarajuće razine više energije kako bi bilo moguće ostvariti stanje inverzije naseljenosti. Kao aktivno sredstvo koriste se čvrste tvari, tekućine, plinovi i plazma.

Da bi se povećala laserska emisija, na krajeve aktivnog sredstva se postavljaju dva paralelna zrcala, jedno prema drugom okrenuta, od kojih je jedno zrcalo djelomično propusno.

Lasersko zračenje se nakon niza refleksija na zrcalima pojačava i izlazi kroz djelomično propusno zrcalo.

Na slici je shematski prikaz lasera i stimulirane emisije.

Sredstvo u kojem dolazi do stimulirane emisije fotona zovemo aktivno sredstvo.

Aktivno sredstvo mora imati atome koji se mogu pobuditi na odgovarajuće razine više energije kako bi bilo moguće ostvariti stanje inverzije naseljenosti.

Kao aktivno sredstvo koriste se čvrste tvari, tekućine, plinovi i plazma.

Da bi se povećala laserska emisija:

• na krajeve aktivnog sredstva se postavljaju dva paralelna zrcala
• zrcala su jedno prema drugom okrenuta
• od kojih je jedno zrcalo djelomično propusno.

Lasersko zračenje se nakon niza refleksija na zrcalima pojačava.

Izlazi kroz djelomično propusno zrcalo.

Na slici je shematski prikaz lasera i stimulirane emisije.

Stimulirana emisija se mora pobuditi izvana jer atomi teže stanju najniže energije.

Načini dovođenja energije:

• optičko pumpanje - energija se dovodi putem elektromagnetskog zračenja koje aktivni medij (čvrsta tvar ili tekućina) apsorbira
• električno polje - ostvaruje se pomoću istosmjernog visokonaponskog izvora kad je aktivna tvar plin
• električna struja - primjenjuje se kad je aktivna tvar poluvodič.

Stimulirana emisija se mora pobuditi izvana jer atomi teže stanju najniže energije.

Načini dovođenja energije:

• optičko pumpanje - energija se dovodi putem elektromagnetskog zračenja koje aktivni medij (čvrsta tvar ili tekućina) apsorbira
• električno polje - ostvaruje se pomoću istosmjernog visokonaponskog izvora kad je aktivna tvar plin
• električna struja - primjenjuje se kad je aktivna tvar poluvodič.

Postoje različite vrste lasera. Neke vrste lasera:

• plinski laseri - primjer: helij-neonski laser, argonski, CO₂-laser
• laser sa čvrstom aktivnom tvari (primjer rubinski laser)
• poluvodički laseri
• kemijski laseri - laserska emisija se dobiva nekom kemijskom reakcijom
• pulsni laseri - daju isprekidane svjetlosne pulseve
• laseri s organskim bojama.

Postoje različite vrste lasera.

Neke vrste lasera:

• plinski laseri - primjer: helij-neonski laser, argonski, CO₂-laser
• laser sa čvrstom aktivnom tvari (primjer rubinski laser)
• poluvodički laseri
• kemijski laseri - laserska emisija se dobiva nekom kemijskom reakcijom
• pulsni laseri - daju isprekidane svjetlosne pulseve
• laseri s organskim bojama.

U kvantnomehaničkom modelu atoma odbačena je zorna predodžba elektrona koji kruže oko jezgre.

Stanja elektrona karakterizira njihova energija E i valna funkcija Ψ koja opisuje valna svojstva elektrona u atomu. Valne funkcije su rješenja Schrödingerove jednadžbe.

Stanja elektrona opisana su sa četiri kvantna broja: glavni kvantni broj, orbitalni kvantni broj, magnetski kvantni broj i spinski kvantni broj.

Elektroni podliježu Paulijevom načelu isključenja koje nalaže da dva elektrona ne mogu zaposjesti isto kvantno stanje u jednom atomu.

U kvantnomehaničkom modelu atoma odbačena je zorna predodžba elektrona koji kruže oko jezgre.

Stanja elektrona karakterizira njihova energija E i valna funkcija Ψ.

Ona opisuje valna svojstva elektrona u atomu.

Valne funkcije su rješenja Schrödingerove jednadžbe.

Stanja elektrona opisana su sa četiri kvantna broja: glavni kvantni broj, orbitalni kvantni broj, magnetski kvantni broj i spinski kvantni broj.

Elektroni podliježu Paulijevom načelu isključenja.

Ono nalaže da dva elektrona ne mogu zaposjesti isto kvantno stanje u jednom atomu.