Wie kann sich der Kern eines Atoms in einem angeregten Zustand befinden?

Zuerst sagst du

Es ist einfach, die angeregten Zustände von Elektronen zu visualisieren und zu verstehen, weil sie auf diskreten Energieniveaus existieren, die den Kern umkreisen

Zur Vorbereitung merke ich an, dass Sie sich in der Einführungskursarbeit nie im Detail mit dem Mehrelektronenatom auseinandersetzen. Der Grund liegt in der Komplexität des Problems: Durch die Interelektroneneffekte (Abschirmung usw.) ist es nicht einfach, die Niveaus eines nicht wasserstoffähnlichen Atoms zu beschreiben. Die komplexen Spektren höherer Z-Atome belegen dies.

Später sagst du

[Kerne] existieren nicht auf Energieniveaus, zwischen denen sie übertragen werden können

aber die besten Modelle des Kerns, die wir haben ( Schalenmodelle ) , haben Nukleonen, die diskrete Orbitalzustände im kombinierten Feld aller anderen Nukleonen (und der Mesonen, die als Träger der "langreichweitigen" effektiven starken Kraft wirken ).

Dieses Problem ist immer noch schwieriger als das der nicht wasserstoffähnlichen Atome, weil es keinen schweren, hochgeladenen Kern gibt, um die Grundlandschaft zu bilden, auf der die Spieler tanzen, aber es ist in einigen Fällen rechnerisch handhabbar.

Siehe meine Antwort auf "Was ist ein intuitives Bild der Bewegung von Nukleonen?" für einige experimentelle Daten, die (im Energieraum) die Schalenstruktur der Protonen im Kohlenstoffkern zeigen. In diesem Bild werden Sie jedoch die sehr große Überschneidung zwischen den s- und p-Shell-Verteilungen bemerken. Das ist anders als in Atomorbitalen, weil die Größe der Nukleonen mit der Reichweite der starken Kernkraft vergleichbar ist.

Es ist leicht, sich den Kern als eine einfache Kugel vorzustellen, weil er so klein ist (etwa 100.000 Mal kleiner als ein Atom), aber selbst auf dieser Ebene gibt es eine Struktur. Während eine andere Kraft die Wechselwirkung zwischen Nukleonen (den Teilen eines Kerns) vermittelt, ist sie analog zu den Wechselwirkungen zwischen Kernen und Elektronen, die die Struktur von Atomen hervorrufen. Diese Strukturen sind eine Folge der quantenmechanischen Gesetzmäßigkeiten der Wechselwirkungen zwischen Teilchen und Feldern.

Der Kern eines Atoms wird durch die starke Kernkraft zusammengehalten . Dies ist eine der vier Grundkräfte , zu denen der Elektromagnetismus gehört. Die vielen Zustände eines bestimmten Atoms werden durch elektromagnetische Wechselwirkungen zwischen den Elektronen und dem Kern eines Atoms bestimmt, mit einem Grundzustand, der die niedrigstmögliche Energiekonfiguration des Systems darstellt, und angeregten Zuständen, die ebenfalls zulässig sind, jedoch mit höheren Energiewerten .

Ebenso gibt es viele Kernzustände für eine gegebene Konfiguration von Kernen. Obwohl durch eine andere Grundkraft vermittelt, gibt es immer noch einen Grundzustand, der die niedrigste Energiekonfiguration einer bestimmten Ansammlung von Neutronen und Protonen darstellt, und es gibt auch viele mögliche angeregte Zustände. Diese angeregten Kernzustände folgen im Wesentlichen den gleichen Regeln wie angeregte Atomzustände, außer dass die Form des Potentialterms beim Aufschreiben des Hamilton -Operators anders ist.

Normalerweise ist es, nachdem ein Kern über a zerfallen ist$\alpha$- oder$\beta$- zerfallen, dass es in einem angeregten Zustand belassen wird. Um dies zu sehen, betrachten wir den Zerfall von Co-60 in Ni-60.

Co-60 ist ein instabiler Kern, weil er zu viele Neutronen hat und daher im wahrscheinlichsten Kanal zerfällt, indem er ein Neutron gemäß dem Zerfallsmodus in ein Proton umwandelt

$^{60}$Co$_{27}\rightarrow ^{60}$Ni$_{28} + e^-+\bar{\nu_e}$

oder auf Nukleonenebene

$p\rightarrow n+e^-+\bar{\nu_e}.$

Der Kern von Ni$-60$befindet sich in der neuen Konfiguration von Protonen und Neutronen, die nicht dem niedrigsten Energieniveau entspricht, da das neu entstandene Neutron durch den Zerfall auf einem höheren Energieniveau liegt. Also in diesem Stadium Ni$-60$Ni befindet sich in einem angeregten Zustand$^*-60$

Von diesem Punkt an ist der Kern von Ni$^*_{60}$zerfällt, um seinen niedrigeren Energiezustand zu erreichen. Stellen Sie sich die ähnliche Situation in einem Atom vor, wo ein Elektron aus einer inneren Schale,$E_i$sagen, wird von einem Laserstrahl herausgeschossen. Das verbleibende Atom befindet sich in einem angeregten Zustand, da sich in einer äußeren Hülle ein Elektron befinden kann,$E_o$sagen, und es wird daher auf das gerade evakuierte Energieniveau übergehen.

Also Ni$^*-60$zerfällt in einer Kaskade mit 2$\gamma$Photonenemission, wie in den folgenden Zerfällen gezeigt

$^{60}$Ni$^*_{28}\rightarrow$ $^{60}$Ni$^{\prime*}_{28} + \gamma_1$immer noch ein aufgeregter Zustand,

$^{60}$Ni$^{\prime*}_{28}\rightarrow$ $^{60}$Ni$_{28} + \gamma_2$und dies ist der Grundzustand von Ni-60.

wo$E(\gamma_1)$=1,333 MeV und$E(\gamma_2)$= 1,173 MeV.

Der Kern eines Elements kann nach an in einem angeregten Zustand belassen werden$\alpha$-Partikelemission sowie die Gründe für die$\gamma$-Partikelzerfall sind sehr ähnlich.

Punkt eins:

Die diskreten Energieniveaus für ein Elektron in einem Atom sind auf Randbedingungen der Schrödinger-Gleichung zurückzuführen. Betrachten Sie ein Teilchen in einem eindimensionalen Kasten mit Potential an unendlich gesetzten Grenzen und lösen Sie es! Da das Potential außerhalb der Box unendlich ist, muss die Wellenfunktion außerhalb der Box Null sein. Die Wellenfunktion muss stetig sein, also muss auch die Wellenfunktion an den Rändern Null sein. Aus dieser Randbedingung ergibt sich eine Bedingung für Energien, die das Elektron haben kann. Ich antwortete auf den Ursprung diskreter Energieniveaus. Energieniveaus existieren also nicht von selbst.

Punkt zwei:

Wenn wir die Schrödinger-Gleichung für das Wasserstoffatom lösen, gehen wir zum Schwerpunktrahmen. In diesem Rahmen wandeln sich unsere Kerne und der kinetische Operator der Elektronen in den kinetischen Operator des Massenschwerpunkts und den kinetischen Operator der relativen Bewegung um. Da die Masse der Kerne um 1850 größer ist als die des Elektrons, reduziert sich der kinetische Operator der Relativbewegung auf den des Elektrons. Schließlich haben wir den kinetischen Operator des Massenzentrums und den kinetischen Operator der relativen Bewegung. Wir nehmen an, dass die Gesamtwellenfunktion das Produkt aus Wellenfunktion von Schwerpunkt und Relativbewegung ist. Am Ende erhalten wir ein diskretes Energieniveau für die relative Bewegung, die fast auf die Bewegung des Elektrons zurückzuführen ist, und eine kontinuierliche Energie für den Massenschwerpunkt. Wenn wir nicht die Näherung verwenden würden, dass die Kerne viel schwerer als Elektronen sind, dann wären diese diskreten Niveaus auch die von Kernen. Es gibt eine weitere Wendung des Problems. Die Kerne haben eine innere Struktur. Sie bestehen aus Quarks. Diese dem Elektron ähnlichen Quarks können also ihr eigenes diskretes Energieniveau haben. In den elementaren Lehrbüchern wird die innere Struktur der Kerne jedoch nicht berücksichtigt.

Zusammenfassung:

1. Diskrete Energieniveaus sind auf Randbedingungen der Schrödinger-Gleichung zurückzuführen.

2. Wir trennen die kinetischen Operatoren von Kernen und Elektron in kinetische Operatoren für Massenschwerpunkte und Relativbewegungsoperatoren.

3. Die Masse der Kerne ist viel größer als die des Elektrons. Somit ist die Relativbewegung fast auf das Elektron zurückzuführen.

4. Nun wird die Gleichung in zwei Teile geteilt, Schwerpunkt und Relativbewegung, und wir können davon ausgehen, dass die gesamte Wellenfunktion die Multiplikation der Wellenfunktion der beiden Teile ist.

5. Aus der Lösung des Massenschwerpunkts ergibt sich das kontinuierliche Energieniveau. Die Lösung der relativen Bewegung führt zu einem diskreten Energieniveau.

6. Nuclei hat eine interne Struktur. Sie bestehen aus Quarks. Die Kerne können also ihre eigenen diskreten Ebenen haben, ähnlich wie das Elektron.

Vielleicht ist der folgende Link hilfreich: http://www.pa.msu.edu/~mmoore/Lect28_TwoBodyProb.pdf

Es mag zwar einfach sein, sich Elektronen vorzustellen, die mit einem anderen diskreten Energieniveau auf eine höhere Umlaufbahn "springen", aber die Verwendung dieser Analogie hilft nicht, das Konzept der angeregten Kerne zu verstehen. Stellen Sie sich Elektronen stattdessen als Oszillatoren vor, die auf zufällige Weise um den Kern schwingen. Der Bereich, in dem sie herumschwingen können, ist irgendwie eingeschränkt und kann als Orbital verstanden werden . Jedem dieser Schwingungsmodi (Orbitale) ist eine Energie zugeordnet, genau wie eine Feder, die mit unterschiedlichen Frequenzen schwingt, unterschiedliche Energien hat oder unterschiedliche Schwingungsmodi eines Lautsprechers unterschiedliche Energien haben.

Stellen Sie sich nun vor, dass der Kern eine Ansammlung von Teilchen ist, die zufällig herumschwingen. Sie sind ziemlich gut durch die Kräfte zwischen ihnen eingeschränkt. Angenommen, dem Kern wird zusätzliche Energie zugeführt, die bewirkt, dass die Teilchen im Kern mit höherer Energie schwingen, während sie immer noch aneinander gebunden bleiben. Dies wird in der Schwingungsanalogie als Modus höherer Ordnung bezeichnet. Genauso wie sich die Welleneigenschaften des Elektrons ändern, wenn es Energie erhält oder verliert, oder wie die Erhöhung der Schwingungsfrequenz in einem Masse-Feder-System seine Energie ändert, „erregt“ die zusätzliche Schwingungsenergie, die im Kern herumläuft, es in einen höheren Energiezustand.