Waarom valt een aangeslagen elektron terug naar de grondtoestand?

Annelies, 29 jaar
4 september 2008

Ik geef chemie in het 5de jaar ASO. Bij de uitleg over atoom-emissiespectra vertel ik over het feit dat een aangeslagen elektron onstabiel is en hierdoor al snel terugvalt naar een lager energieniveau. Waarom is het elektron in aangeslagen toestand onstabiel? Valt het elektron terug onder invloed van de aantrekkingskracht van de kern of moet ik het ingewikkelder zoeken in de kwantummechanica?

Antwoord

Hallo Annelies,

Dat is inderdaad een uitstekende vraag - en het is wel degelijk een kwantummechanisch probleem. Dat betekent ook dat het stellen van de vraag "waarom" in feite zinloos is. Het terugvallen van een elektron gebeurt op een onvoorspelbare manier voor een individueel elektron - enkel wanneer je statistisch kijkt vind je een regelmaat terug. Het probleem is hetzelfde als radioactief verval. Voor ieder individueel atoom valt ook niet te voorspellen wanneer het vervalt, enkel de statistiek is voorspelbaar. Voor elk individueel elektron is er geen "waarom", alleen collectief en in algemene termen willen ze graag terug naar de toestand met de laagste energie.

Nu, concreet over je aangeslagen toestand. Er zijn verschillende processen die daar spelen. Het aanslaan zelf (absorptie van een foton) gebeurt  in een tijdsbestek van femtoseconden. Vervolgens moet het aangeslagen elektron vervallen naar de laagste vibrationele toestand van het aangeslagen niveau. Dit gebeurt in picoseconden. Eens het netjes stabiel in het laagste vibrationele niveau zit van de aangeslagen toestand heeft het per tijdseenheid simpelweg een bepaalde waarschijnlijkheid om terug te vallen naar de grondtoestand. Dit gebeurt voor fluorescentie typisch op de nanosecondenschaal. (Er is ook een waarschijnlijkheid om een aantal andere dingen te doen - zoals oversteken naar een triplet toestand, of vibrationeel relaxeren, maar die hebben met fluorescentie niets te maken en we zullen het er hier dus niet over hebben). 
Het proces en zijn waarschijnlijkheid zijn niet volledig onafhankelijk van alles. De waarschijnlijkheid voor spontane emissie vertoont vaak een temperatuursafhankelijkheid (er is dus een zekere koppeling met de moleculaire vibraties), en is ook zeer gevoelig aan de omgeving (solvent of kristalomgeving). Al die effecten hebben opnieuw een gemeenschappelijke invloed op de algemene waaschijnlijkheid, maar niet op de voorspelbaarheid van het terugvallen van één bepaald elektron - dat blijft volledig onvoorspelbaar.

Let er ook op dat dit, hoewel ook een soort snelheidsconstante, niet dezelfde situatie is als de snelheidsconstante in een chemische reactie - daar is er eveneens een waarschijnlijkheid dat in een bepaalde molecule de reactie doorgaat, maar daar heeft het te maken met de interne energie van de molecule die hoog genoeg moet zijn om de activatieenergie te overschrijden en de transitietoestand te bereiken. Het onvoorspelbare aan het proces is daar wanneer een beopaalde molecule door toevallige botsingen voldoende energie verzamelt om de barriere te overschrijden. Dat is hier niet zo, er is geen transitietoestand of energiebarriere voor het terugvallen van een aangeslagen elektron, er is enkel maar een bepaalde waarschijnlijkheid dat het gebeurt. Of je nu een hoop atomen samen of een enkel atoom moederziel alleen zet, de waarschijnlijkheid voor het terugvallen van het elektron blijft essentieel hetzelfde. Voor een chemische reactie is dit niet zo.

Het laatste onderwerp is gestimuleerde emissie - je kan een aangeslagen elektron wel door externe factoren overtuigen om terug te keren naar de grondtoestand door er een foton langs te sturen dat de frequentie van het energieverschil met de grondtoestand heeft. Op het moment dat een dergelijk foton passeert neemt de waarschijnlijkheid voor het terugvallen gigantisch toe (maar ze wordt nooit 1, je kan met andere woorden nooit zéker zijn dat je het op dat moment laat terugvallen). Op de koop toe heeft het uitzonden foton dat uit een dergelijk proces resulteert dezelfde richting en polarisatie als het foton waarmee het werd "gekieteld". (Voor spontane emissie is dat niet zo, daar zijn zowel de richting als de polarisatie volledig random) Dat is het werkingsprincipe van een laser- je brengt een heleboel atomen in hun aangeslagen toestand in een buis met twee spiegels, waarvan er eentje voor een bepaald percentage doorlaatbaar is. Op een bepaald moment zal er een aangeslagen elektron spontaan terugvallen naar de grondtoestand, en een foton uitzenden dat toevallig precies loodrecht op de spiegels vliegt. Het wordt dan weerkaatst, en geeft aanleiding via gestimuleerde emissie tot een cascade van meer fotonen met precies dezelfde richting en polarisatie. Een gedeelte van die laserbundel onstnapt door de halfdoorlaatbare spiegel, de rest blijft al weerkaatsend van de ene naar de andere kant van de buis voor gestimuleerde emissie zorgen, en het proces loopt door tot de geexciteerde elektronen op zijn.

Ik hoop dat dat je vraag een beetje beantwoordt,

Reacties op dit antwoord

Er zijn nog geen reacties op deze vraag.

Enkel de vraagsteller en de wetenschapper kunnen reageren op een antwoord.

Beantwoord door

dr. Christophe Vande Velde

chemie, organische chemie, organische synthese, materiaalwetenschappen, organische electronica, kristallografie, x-straaldiffractie, structuur-eigenschapsrelaties, organische zonnecellen

Universiteit Antwerpen
Prinsstraat 13 2000 Antwerpen
http://www.uantwerpen.be

Zoek andere vragen

© 2008-2020
Ik heb een vraag wordt gecoördineerd door het
Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen