Atomien spektrit

Vilkaise miten asia on selitetty jossakin kvanttimekaniikan peruskurssin kirjassa tai esimerkiksi fysikaalisen kemian kurssin alkupuolella.

Minkä tahansa vetyä monimutkaisemman atomin spektri on varsin mutkikas ja siinä näkyy runsaasti erilaisia ilmiöitä. Syynä se, että yksittäisten hiukkasten sijaan spektriin vaikuttaa useiden hiukkasten keskinäisten vuorovaikutusten kvanttimekaaniset ilmiöt.

Jokseenkin kuvaavaa on se, että yksinkertaisin atomi eli "todellinen vetyatomi" tulee mun kvanttimekaniikan alkeisoppikirjassa (Gasiorowicz) käsittelyyn vasta sivun 270 paikkeilla luvussa 17. Sitä ennen on opiskeltu kvanttimekaniikan peruskäsitteet, ratkottu schrödingerin yhtälöä, tutustuttu useamman hiukkasen laskentamenetelmiin ja ajasta riippuvaan häiriöteoriaan.

Elektronin rata varattuna hiukkasena aiheuttaa sähkövirtasilmukan, joka tuottaa mg-kentän joka kytkeytyy kvanttimekaanisesti elektronin spiniin josta tulee spin-orbit - kytkentä joka jakaa energiatasoja ja joiden välisistä etäisyyksistä spektri riippuu. Mukaan tulee Lamb - siirtymä QED - teorian puolelta joka asia ei kuulu alkeiskurssiin.

Tämä siis sellaisessa vedynkaltaisessa atomissa, jossa on tasan yksi elektroni. Jos atomin kohdalla on ulkoista magneettikenttää niin sitten nähdään Zeeman - ilmiön aiheuttamat muutokset spektrissä.

Kun atomissa elektroneja on enemmän kuin yksi niin sitten mennään monimutkaisen puolelle. Elektronit eivät fermioneina voi olla samassa kvanttimekaanisessa tilassa, joka on huomioitava. Heliumatomin alkeiskäsittelyssä jätetään huomioitta erinäinen määrä ilmiöitä jotka kyllä mainitaan mutta joita ei siinä vaiheessa vielä osata laskea. Näitä ovat esimerkiksi elektronin tuottaman mg-kentän vuorovaikutus toisen elektronin kanssa jne.

Sitä monimutkaisemmat atomit ovat tietenkin paljon PALJON hankalampia arvioida (N kappaleen kvanttimekaniikkaa) ja mitä raskaammasta aineesta on kyse sitä enemmän tulee suhteellisuusteorian aiheuttamia korjauksia sisimpien orbitaalien elektronien liikkeeseen.

Mutta joo, perusasiat on elektronien spinin kytkeytyminen niiden omiin ratoihin ja elektronien väliset vuorovaikutukset sekä se, miten sisimmillä orbitaaleilla sijaitsevat elektronit omalla negatiivisella varauksellaan varjostavat atominytimen positiivisen varauksen tuottamaa sähkökenttää, mikä sitten on otettava huomioon elektronien aaltofunktioiden laskemisessa jne.

Jännää on mm. se, että sisimmän orbitaalin elektroni voi sijaita myös atomin ytimen kohdalla. Tiettyjen radioaktiivisten isotooppien kohdalla se mahdollistaa hajoamisen elektronikaappauksen (EC) avulla eli ydin nappaa kohdalleen sattuvan elektronin ja muuttaa yhden protoneistaan neutroniksi. Joka kymmenes ihmiskehon yleisimmän (luonnollisen) radioaktiivisen isotoopin 40K ydin hajoaa tällä mekanismilla.

Elektroni on jossakin tietyssä energiatilassa ja sen on mahdollista siirtyä jollekin toiselle energiatilalle, jos elektroniin vaikuttavat voimat sen sallivat. Kun elektroni siirtyy alemmalle tilalle, niin energiaa vapautuu fotonin muodossa, mikä ilmenee spektrissä.

Tuli mieleen tuosta aloituksesta yksi juttu joka on kummastuttanut itseäni jonkun aikaa. Eli jos atomit voivat lähettää ja vastaanottaa energiaa vain tietyillä aallonpituuksilla, niin miten avaruudessa puna- tai sinisiirtynyt valo voi vuorovaikuttaa kaikkien atomien kanssa siinä missä siirtymätönkin? Onko tosiaan niin että atomit voivat sittenkin vastaanottaa energiaa aivan millä tahansa taajuuksilla, vaikka lähettäminen tapahtuu aina tietyillä?