Define-se nível de energia como sendo um estado quântico cuja energia está bem definida ao longo do tempo.
Em química, associam-se os níveis de energia a orbitais para relacionar a distribuição espacial dos eletrões.
Foi Neils Bohr, em 1913, com base na teoria quântica formulada por Max Planck, que propôs que os eletrões giravam em órbitas estacionárias denominadas por níveis de energia, em torno do núcleo atómico. Hoje sabe-se que não se tratam de órbitas estacionárias, mas sim orbitais atómicas.
Nestes níveis de energia, os eletrões não emitem nem absorvem energia, apenas podem receber energia na forma de luz ou calor e passarem para níveis de energia mais externos e ao retomarem, emitem essa mesma quantidade de energia. Deste modo, segundo a teoria quântica, a energia envolvida na transição de um nível para outro é quantizada.
Para os átomos conhecidos, os eletrões ocupam sete níveis de energia, representados por K, L, M, N, O, P e Q e identificados através de números quânticos denominados principais, que são 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7, respetivamente.
O nível mais baixo de energia é denominado por estado fundamental. Os níveis que apresentam, sucessivamente, mais energia do que o estado fundamental são chamados de estados excitados e são designados, segundo a ordem de afastamento a partir do núcleo, como primeiro estado excitado, segundo estado excitado, terceiro estado excitado e por aí adiante.
Os eletrões pertencentes a um átomo podem transitar entre os níveis de energia permitidos pela mecânica quântica absorvendo ou emitindo exatamente a diferença de energia que existe entre esses níveis.
Supondo que um eletrão ocupa um certo nível de energia, entre aqueles que são permitidos pela mecânica quântica, em torno do núcleo de um determinado átomo, então se por algum processo, por exemplo, por aquecimento, transmite-se energia para esse átomo. Essa energia incidente, seja qual for a sua origem, é formada por fotões com vários comprimentos de onda. Quando esta energia externa incide sobre o eletrão, este absorve um dos seus fotões incidentes desde que a energia desse fotão corresponda à diferença de energia entre um dos possíveis níveis atómicos e o nível onde o eletrão se encontra. Ao absorver esta energia, o eletrão passa para um nível de energia mais afastado que corresponde à sua nova energia total. Deste modo, a diferença de energia entre os níveis corresponde a um comprimento de onda específico da radiação incidente. Neste novo nível de energia, o eletrão está num estado excitado. No entanto, todos os eletrões que estão em estados excitados querem retomar a um nível de energia mais baixo. Para isto, o eletrão emite um fotão, que transporta esse excesso de energia, e este retorna para um nível de energia correspondente a uma excitação menor. A este processo dá-se o nome de desexcitação.
Níveis de Energia do Átomo de Hidrogénio
O hidrogénio é o elemento químico que existe em maior quantidade no Universo. As estrelas, na sua maior parte, são formadas por hidrogénio. Este átomo é o mais simples de todos os átomos, pois apresenta apenas um eletrão que gira em torno do seu núcleo, que também só possui uma única partícula, ou seja, um protão.
Como já referido, a excitação e a desexcitação de um eletrão, ao absorver um fotão com uma determinada energia, o eletrão passará para um nível mais energético, ou seja, mais afastado do núcleo. Neste estado excitado o eletrão pode emitir um fotão e passar para um nível de menor energia, isto é, um nível mais próximo do núcleo. Estes processos dão origem às chamadas séries do hidrogénio, que mostram as possíveis transições que o eletrão do átomo de hidrogénio pode fazer.
Estas transições do eletrão dão origem as seguintes séries:
- Série de Lyman: Ocorre uma transição do eletrão de qualquer nível excitado para o nível 1 (estado fundamental);
- Série de Balmer: Ocorre uma transição do eletrão de qualquer nível excitado para o nível 2;
- Série de Paschen: Ocorre uma transição do eletrão de qualquer nível excitado para o nível 3;
- Série de Brackett: Ocorre uma transição do eletrão de qualquer nível excitado para o nível 4;
- Série de Pfund: Ocorre uma transição do eletrão de qualquer nível excitado para o nível 5.
References:
- Dampier, William e Dampier, Margaret, “Cosmology, Atomic Theory, Evolution: Classic Readings in the Literature of Science”, 2013.
- Heilbron, J.L., “Historical Studies in the Theory of Atomic Structure”, Arno Press, New York, 1981.
