Orbitaalien täyttyminen

Elektronit sijoittuvat orbitaaleille tietyn järjestyksen mukaisesti. Simppelit tapaukset ovat selviä, mutta jos on uloimpia kuoria ja niissä orbitaaleja täytetään ennen sisäkuorien orbitaaleja ja atomista tulee ioni, niin elektronit poistuvat uloimmalta kuorelta ja uloin kuori häviää. Tällöin elektroneille jää ns. väärä järjestys täyttymisen suhteen… Orbitaalit eivät enää täyty energiaminimiperiaatteen mukaan. Ja jos tämä ioni saa elektroneja lisää, niin sijoittuvatko ne vajaille orbitaaleille (joilla on suurempi energia) vai muodostavatko ne uuden orbitaalin, jossa on mahdollisesti pienempi energia.

Kysymyksessä oli kuviteltu atomi, jossa on tyhjiä orbitaaleja valenssiorbitaaleja alemmalla energialla. Kuvitellaan konkretian takia vaikkapa rautakationi, josta yksi K-kuoren elektroni on poistettu. Tällaisen atomin voi kuin voikin “valmistaa”. Otetaan rautanäyte ja altistetaan tämä röntgensäteilyllä. Raudan K-kuoren ionisaatioraja on mittausten mukaan noin 7,1 keV (kiloelektronivolttia). Kun fotonin energia ylittää tämän kynnysarvon, elektroni irtoaa rauta-atomin K-kuorelta ja atomeiin jää ns. “reikä”. Jos fotonin energia on esimerkiksi 15 keV ja tämä ionisoi rauta-atomin, energian säilyminen vaatii, että irronneen elektronin kineettiseksi energiaksi tulee 7,9 keV. Ionisaatio tapahtuu tehokkaimmin kun fotonin energia on hieman suurempi kuin kynnysarvo.

Atomi jää virittyneeseen tilaan. Sen elektronimiehityksessä on kysymkysessä kuvattu “väärä järjestys”. Yksinkertaisin ja samalla kaikkein tyypillisin relaksoitumistapa on, että jokin L-kuoren elektroneista täyttää reiän ja jättää jälkeensä reiän L-kuorelle. Tämä reikä puolestaan täyttyy korkeaenergisimmillä elektroneilla. Tämä “ketjureaktio” etenee, kunnes reikä on valenssitasolla. Prosessissa vapautuu säteilyä, joka havaitaan niin kutsuttuna röntgensädefluoresenssina. Tämän ilmiön avulla atomien ionisoitumista voidaan myös tutkia kokeellisesti.

Valenssitason reiän voi puolestaan ajatella täyttyvän lopulta metallin johdinelektroneilla tai alunperin irronneilla elektroneilla. Tosin johdinelektronit ovat nimensä mukaisesti liikkuvaista sorttia. Ne irtoavat jo huoneenlämpötilasta ytimien vaikutuspiiristä ja muodostavat eräänlaisen elektronimeren, jonka ominaisuuksia ei liiemmin esimerkiksi lukiokemiassa käsitellä. Atomeista irronneiden elektronien osalta on vielä sanottava, että osa näistä irtoaa koko metallinäytteestä. Tätä kutsutaan valosähköiseksi ilmiöksi.

Yleensä ottaen voidaan sanoa, että i) ei ole sinänsä “vääriä” miehityksiä, on vain perustila ja loput tilat ovat viritystiloja, ii) viritystilat purkautuvat tavalla tai toisella ja vapautuva energia havaitaan lopulta säteilynä, ja iii) purkautuminen tapahtuu elektronitilojen osalta tyypillisesti joissakin pikosekunteissa.

Elias Toivanen
Kemian laitos, Helsingin yliopisto


Jaa:Facebooktwitterpinterestlinkedinmail