5.12 Atom (niveluri de energie discrete, tranziții și constrângeri statistice)

Acasă ／ Capitolul 5: Particule microscopice

I. Sferă și obiective

În această secțiune explicăm pe înțelesul tuturor trei idei cheie:

• Niveluri de energie discrete: de ce electronul din atom „rămâne” doar pe câteva straturi și forme permise, nu la orice energie.
• Tranziții și spectre: cum schimbă electronul stratul, cum „închide contul” de energie sub formă de lumină și de ce liniile spectrale sunt discrete și cu intensități diferite.
• Constrângeri statistice: ce înseamnă „ocupare simplă” și „ocupare dublă”, de ce „două particule nu pot împărți exact aceeași stare”, cum funcționează regula lui Hund și ce imagine materială oferă Teoria Filamentelor de Energie (EFT). După prima mențiune vom folosi doar denumirea completă.

Opțiuni de redactare: fără formule grele; putem folosi analogii (de exemplu „sală de clasă și locuri”, „nor de probabilitate”). Simbolurile n, l, m, ΔE și Δl sunt doar etichete.

II. Rezumat de manual (baza de comparație)

• Nucleul furnizează un potențial Coulomb; electronii ocupă stări cuantice ce respectă condiții de frontieră și simetrie.
• Stările permise sunt etichetate prin numărul cuantic principal n, momentul unghiular orbital l, numărul magnetic m și spinul; s/p/d/f corespund l = 0/1/2/3.
• În același atom se aplică statistica Fermi–Dirac și principiul de excluziune al lui Pauli: o stare poate găzdui cel mult doi electroni cu spin opus.
• Tranzițiile respectă reguli de selecție (tipic Δl = ±1); diferența de energie ΔE se achită în fotoni, rezultând linii discrete; intensitatea derivă din elementul de matrice al tranziției; lărgimea liniei este influențată de lărgirea naturală, efectul Doppler, ciocniri și câmpuri externe.

Pe acest cadru empirico-teoretic validat, Teoria Filamentelor de Energie propune o imagine unificată, materială și intuitivă.

III. Imaginea centrală a Teoriei Filamentelor de Energie: castron tensorial superficial + canale de fază staționară pentru inelele de filament

1. Marea de energie: vidul este privit ca o „mare” cu proprietăți de mediu; „tensionarea” ajustabilă se numește tensor. Tensorul fixează scări locale pentru „limita de propagare”, frânare și ghidaj.
2. Castron tensorial superficial: nucleul „apasă” marea de energie formând un castron aproape izotrop, superficial. De departe apare ca masă și ghidaj; de aproape trasează frontiera geometrică a stărilor staționare ale electronului.
3. Electronul ca inel de filament închis: nu este un punct, ci un filament de energie închis, auto-susținut. Pentru a „dăinui fără să se risipească”, inelul își blochează ritmul de fază în canale de fază staționară sculptate de relieful tensorial din jur.
4. Canal de fază staționară = energie permisă + formă permisă:
   • Canal s: „nor” cu simetrie sferică, de tip brâu-inel.
   • Canal p: trei „nori-ganteră” mutual ortogonali.
   • Canale d/f: geometrie direcțională mai complexă.
5. Intuiție: nivelurile discrete sunt puținele canale în care inelul își poate închide faza și minimiza energia în castronul superficial. Canalele sunt puține → spectru discret.

IV. De ce nivelurile sunt discrete (lectură intuitivă)

• Frontieră + economie: pentru a se susține, inelul își echilibrează ritmul intern cu „tragerea înapoi” a castronului, formând o buclă stabilă. Doar câteva combinații geometrie–ritm reușesc simultan „închis și econom”. Acestea sunt pozițiile discrete n, l, m.
• Forma este aleasă de relief: castronul aproape sferic selectează întâi s; când trebuie purtat moment unghiular, geometria „crește” în p bilobat, apoi în d/f. Forma nu este o etichetă, ci un compromis între relief, fază și cost energetic.
• Ierarhie: canalele exterioare sunt mai largi și mai puțin constrânse, dar mai fragile — de aceea stările foarte excitate (mare n) se ionizează ușor.

V. Constrângeri statistice: simplă, dublă și „fără dublă ocupare aceeași stare”

1. Lectura materială a excluderii (Pauli):
   Dacă două inele în același canal rulează în fază, apar conflicte de forfecare tensorială în câmpul apropiat; costul energetic explodează și structura devine instabilă. Există două ieșiri:
   • Mutarea în alt canal (corespunzător „întâi ocupare simplă”).
   • Cuplare complementară de fază în același canal (corespondent „spini opuși”), astfel încât doi electroni împart același nor fără forfecare distructivă — aceasta este ocuparea dublă.
2. Trei stări de ocupare:
   • Gol: niciun inel în canal.
   • Simplă: un singur inel — de obicei cea mai stabilă.
   • Dublă: două inele complementare de fază împreună — stabilă, dar puțin mai costisitoare energetic decât două simple separate.
3. Regula lui Hund, materializată:
   Într-un triplet degenerat (pₓ/pᵧ/p𝓏), inelele se răspândesc mai întâi ca ocupări simple pe direcții diferite, împărțind forfecarea câmpului apropiat și minimizând energia totală. Abia la nevoie se formează pereche pe o direcție. Astfel, regula „capacitate doi; simplă înainte de dublă” se înrădăcinează în praguri de forfecare și complementaritate de fază.

VI. Tranziții: cum „achită” electronul sub formă de lumină

1. Declanșator: aport extern de energie (încălzire, ciocniri, pompare optică) sau redistribuire internă ridică inelul dintr-un canal jos într-unul înalt; starea înaltă este de scurtă durată și revine, după un timp de viață, la un canal mai econom.
2. Unde se duce energia: schimbarea canalului produce excedent sau deficit care iese/intră ca pachete de perturbație în marea de energie — la scară macro, lumină.
   • Emisie: înalt → jos, pachet în afară (linie de emisie).
   • Absorbție: jos → înalt, pachet înăuntru care potrivește diferența de canal (linie de absorbție).
3. De ce liniile sunt discrete: canalele sunt discrete, deci ΔE ia doar acele „diferențe de canal”, iar frecvențele fotonilor cad în puține trepte permise.
4. Reguli de selecție, intuitiv: transferul cere potrivire de formă și chiraliate, pentru a închide bilanțul de moment unghiular și orientare cu marea de energie:
   • Δl = ±1 poate fi citită drept „un treaptă de răsturnare a formei” pentru echilibru energie–moment–eficiență de cuplare.
   • Modelul Δm apare din geometria cuplării cu domenii externe de orientare (câmpuri, polarizare).
5. Intensități de linie: determinate împreună de „aria de suprapunere de fază” și „bariera de cuplare”: suprapunere mare și barieră mică → oscilator puternic, linie intensă; suprapunere mică și barieră mare → tranziție interzisă/slabă, linie slabă.

VII. Profil de linie și mediu: de ce aceeași linie se poate lărgi, deplasa sau scinda

• Lărgime naturală: timpul de viață finit al stărilor excitate oferă canalului un „geam propriu” — lărgire naturală.
• Mișcare termică (Doppler): mișcarea întregului atom deplasează ușor frecvențele și se adună într-o lărgire gaussiană.
• Ciocniri (lărgire de presiune): „strângeri–relaxări” repetate din vecinătate provoacă „tremur” de fază și lărgesc linia.
• Câmpuri externe (Stark/Zeeman): domeniile de orientare modifică „geometria de margine” a canalului, ridică degenerări și produc despicări/deplasări previzibile.
• Într-o singură propoziție: profilul liniei = geamul propriu al canalului + „jitter–rescalare–despicare” din imersarea canalului în tensorul mediului și în domeniile de orientare.

VIII. De ce „tensorul de mediu mai mare → ritm intern mai lent → frecvență de emisie mai mică”

„Tensor de mediu mai mare” înseamnă că fundalul castronului superficial (potențial gravitațional mai puternic, compresie/densitate mai mare, domenii de orientare puternice) întinde mai tare marea de energie. Distinguem două mărimi:

• Limită de propagare: răspunsul cel mai rapid pe care mediul îl susține.
• Frecvența fazei staționare: ritmul modului legat sub sarcină de mediu.

Nu sunt același lucru. Limita de propagare poate crește, în timp ce modul legat încetinește fiind „tras” de mediu. Teoria Filamentelor de Energie combină trei efecte:

1. Castron mai adânc și mai lat → buclă mai lungă (întârziere geometrică): suprafețele izofază se deplasează spre raze mai mari; pentru același canal, fiecare ciclu parcurge o traiectorie închisă mai lungă.
2. Antrenarea mai multui mediu → inerție efectivă mai mare (încărcare reactivă): cuplarea de câmp apropiat se strânge; fiecare rotire de fază „trage” un strat mai gros de mediu; „masa/încărcarea reactivă” suplimentară încetinește ritmul natural.
3. Recuplarea ecoului → întârziere de fază (nelocală): în tensor mare, perturbațiile rezonează în castron și se recuplează în corp; fiecare ciclu adună „fază de ecou”, iar energia reactivă de stocat/eliberat pe ciclu crește — ritmul scade.

Rezultatul net: frecvențele modurilor legate scad; distanțele dintre niveluri se micșorează (adesea aproape proporțional); ΔE devine mai mică, deci emisia/absorția se mută spre frecvențe mai reduse (mai roșu).

Întrebări frecvente:

• „Un tensor mai mare nu accelerează propagarea?” — Pentru limite de propagare libere, da. Dar modurile legate sunt oscilatoare încărcate de mediu, dominate de geometrie + masă suplimentară + întârziere de ecou, care împreună încetinesc ritmul.
• „Este doar deplasare gravitațională spre roșu?” — În limbajul Teoriei Filamentelor de Energie, potențialul mai puternic ≡ tensor mai mare; „ceasul local” al atomului încetinește prin cele trei efecte; roșirea observată este conformă relativității generale, acum cu mecanism material prin cuplare cu mediul și geometria.

Piste testabile (nivel intuitiv):

• Același nucleu, alt mediu: linii mai roșii lângă fotosfera piticelor albe decât în laborator; în laborator, după scăderea Stark/Zeeman/presiune, rămâne o deplasare netedă spre roșu care crește odată cu presiunea/densitatea/orientarea.
• Izotopi/sisteme analoge: sisteme mai ușor polarizabile (câmp apropiat „mai moale”) arată o cădere mai puternică a frecvenței centrale la același tensor de mediu.

IX. De ce electronul arată ca un nor și pare că „se mișcă haotic”

În Teoria Filamentelor de Energie, electronul este un inel de filament închis, care dăinuie doar în câteva canale de fază staționară sculptate de castronul tensorial al nucleului. „Norul” observat este distribuția de probabilitate a inelului în canalul permis.

Dacă forțăm electronul într-o regiune de poziție foarte îngustă, apar forfecări tensoriale conflictuale în câmpul apropiat; simultan, impulsul (direcție și modul) trebuie să se lărgească pentru a închide bucla — cost energetic ridicat. Soluția stabilă are deci lățime finită, rădăcina materială a „incertitudinii”.

Marea de energie poartă Zgomot de Fundal al Tensorului (TBN) — împingeri fine, continue, în ritmul de fază al inelului — care produc pași de fază fine în canal. După prima mențiune vom folosi doar denumirea completă. Dincolo de marginea canalului faza nu se mai închide; auto-interferența distructivă reduce amplitudinea, lăsând modelul familiar „dens–rar”. Măsurarea localizează temporar electronul (întinde câmpul apropiat), apoi sistemul revine la un model staționar permis. Statistic, pare un nor care „rătăcește” în zona admisă.

X. Pe scurt

• Niveluri discrete: puținele canale de fază staționară unde inelul închide faza și economisește energie în castronul tensorial al nucleului.
• Constrângeri statistice: excluderea apare din forfecări sincron-fazate peste prag; ocuparea dublă se bazează pe complementaritate de fază; tiparul lui Hund „simplă înainte de dublă” minimizează forfecarea totală.
• Tranziții și spectre: schimbarea canalului achită energia ca pachete de perturbație → linii discrete; intensitatea depinde de suprapunerea norilor și de bariera de cuplare.
• Mediu → ritm mai lent → frecvență mai mică: buclă mai lungă/mai adâncă (întârziere geometrică) + inerție suplimentară (încărcare reactivă) + întârziere de ecou (nelocală) coboară frecvențele modurilor legate și strâmtează diferențele de nivel; apare deplasarea spre roșu, coerentă cu observațiile gravitaționale, cu mecanism material concret.

XI. Patru atomi tipici (cu electroni) — schemă

Legendă (stil și convenții):

• Nucleoni: inele roșii = protoni; inele negre = neutroni.
• Tuburi de flux colorate: benzi albastre semitransparente între nucleoni (benzi de legare tensorială peste nucleoni); elipse galbene mici reprezintă gluonii.
• Electroni: inele mici cian distribuite pe straturi electronice discrete (cercuri concentrice cian pal).
• Colț dreapta-jos, chenar alb: simbolul elementului (de exemplu H, He, C, Ar).
• Izotopi: H-1, He-4, C-12, Ar-40; straturile ilustrate după gruparea [2, 8, 18, 32] (de exemplu Ar = [2, 8, 8]).