Záření a radiace atomů

Elektromagnetické záření – vzniká při přechodech elektronů mezi energetickými hladinami v elektronovém obalu atomu. Zahrnuje široké spektrum vlnových délek od gama záření přes rentgenové, ultrafialové a viditelné světlo až po infračervené záření. Energie vyzářeného fotonu odpovídá rozdílu energií mezi počáteční a konečnou hladinou elektronu.

Částicové záření – emitované při procesech v atomovém jádře, typicky při radioaktivních přeměnách. Zahrnuje především:

– Alfa záření (proud jader helia)
– Beta záření (proud elektronů nebo pozitronů)
– Neutronové záření

Zatímco elektromagnetické záření souvisí převážně s procesy v elektronovém obalu, částicové záření je spojeno především s jadernými reakcemi a přeměnami nestabilních izotopů.

Radiace atomů

Toto označení se používá v souvislosti s energetickým vyzařováním (ionizující radiace). Může zahrnovat radioaktivní procesy (např. radium emituje alfa částice) i elektromagnetické záření (např. atomy v excitovaném stavu vyzařují fotony).

Každé elektromagnetické záření z atomu je jeho radiace, ale ne každá radiace atomu je elektromagnetické záření – může to být i částicové záření.

Čím dále je elektron od jádra, tím větší energii má/potřebuje k udržení v dané hladině. Pokud se uvolní místo v nižší hladině (blíže k jádru), elektron se na tuto hladinu přemístí. V nižší hladině již tolik energie nepotřebuje a tak se přebytek uvolní – vyzáří.

Energie se vyzařuje postupně, ale v kvantech – předem stanovených množstvích (balíčcích). Kvantum energie vyzářené při přechodu elektronu z vyšší vrstvy do nižší označujeme jako foton. Foton je druh částice. Naše oko je senzor schopný tyto částice zaznamenat.

Energie se řídí následujícím vztahem:

Kde h je Planckova konstanta a f je frekvence záření. Jelikož je energie jednotlivých vrstev daná, konstanta se také nemění, vidíme, že elektrony z různých vrstev budou vykazovat různé frekvence.

– Energie přechodu je daná rozdílem mezi dvěma hladinami a zůstává stejná.
– Frekvence fotonu se mění podle této energie, protože foton má specifickou frekvenci, která souvisí s jeho energií.

Pokud je přechod mezi vyššími hladinami (větší energetický rozdíl), frekvence fotonu bude vyšší (což odpovídá světlu na modrém nebo ultrafialovém konci spektra), a pokud je přechod mezi nižšími hladinami (menší energetický rozdíl), frekvence bude nižší (což odpovídá světlu na červeném konci spektra).

Tento mechanizmus funguje i obráceně. Pokud elektron přechází do vyšší vrstvy, musí nejprve získat – absorbovat určité množství energie.

Podle vlnové délky (frekvence) dělíme záření:

• Infračervené (IR)
• Světlo
• Ultrafialové (UV)
• Rentgenové (RTG)
• Gama

Kvantování si můžete zjednodušeně představit na principu vyplácení mzdy. Pokud pracujete za 60 Kč/hod, nelze říct, že vám každou minutu přiskočí 1 Kč. Mzda se obvykle vyplácí až za odpracovanou hodinu.

Magický foton

Foton je základní částice elektromagnetického záření a představuje kvantum (malý balíček) energie světla. Zde jsou základní informace o fotonu.

– nemá hmostnost
– nemá náboj
– vždy se pohybuje maximální možnou rychlostí (c = 3.10⁸ m/s)
– je nositelem elektromagnetických vln

Vlnová a částicová povaha

Foton má dvojí povahu – částicovou (jako diskrétní kvantum energie) a vlnovou (jako elektromagnetická vlna). Tento dualismus je základem kvantové mechaniky, což znamená, že foton se může chovat jako částice v některých experimentech (např. fotoelektrický jev), a jako vlna v jiných (např. interference světla).

Pohyb po energetických hladinách

Elektrony sestupují na nižší energetické hladiny kvůli snaze atomu dosáhnout stabilnějšího (energeticky výhodnějšího) stavu. Tento proces je řízen několika fyzikálními principy:

Přirozená tendence k nižší energii (Princip minimální energie)

V přírodě mají systémy tendenci přecházet do stavů s nižší energií, pokud je to možné. Vyšší energetická hladina je méně stabilní, a pokud elektron získal energii (např. absorpcí fotonu nebo srážkou), může být dočasně excitován na vyšší hladinu.

Když se tato energie uvolní, elektron „spadne“ zpět na nižší hladinu a vyzáří ji obvykle ve formě fotonu.

Uvolnění místa na nižších hladinách

Pokud je nižší energetická hladina již obsazená jinými elektrony, elektron nemůže sestoupit (dle Pauliho vylučovacího principu, který říká, že dva elektrony nemohou být ve stejném kvantovém stavu).

Místo se může uvolnit například tak, že jiný elektron je vyražen (např. srážkou) nebo excitován na vyšší hladinu.

Externí faktory ovlivňující sestup elektronu

• Srážky s jinými částicemi (např. s jinými elektrony nebo ionty) mohou přispět k přeskoku elektronů na nižší hladiny.
• Interakce se světlem – pokud elektron absorbuje foton, může být excitován nahoru, ale jakmile se vrací zpět, vyzáří foton o stejné energii.
• Termální efekty – při zahřívání atomy absorbují energii, což vede k excitaci elektronů. Po ochlazení elektrony opět sestoupí na nižší hladiny.

Zjednodušeně řečeno, elektrony klesají na nižší hladiny, protože je to stabilnější stav a protože na těchto hladinách je dostupné volné místo, když se nějakým způsobem uvolní.