ＬＥＤにも利用されている電子が持っているエネルギー

物質を作っている原子は、プラスの電気を帯びた陽子と電気を帯びていない中性子が作る原子核と、原子核の周りにある電子で作られています。 ここでは、電子の持っているエネルギーの特徴について考えてみましょう。

子供の頃、原子と太陽系が似ていると思っていました。原子の中心にあるのが原子核で、太陽系の中心にあるのが太陽。 原子核の周りを回っているのが電子で、太陽の周りを回っているのが惑星というように。
解りやすくするために原子を太陽系に喩えてみます。

太陽に一番近い所を回っている水星の軌道を、原子ではＫ殻、 金星の軌道を、原子ではＬ殻、 地球の軌道を、 原子ではＭ殻、次はＮ殻、・・・・
というように原子では原子核から近い順にＬからアルファベット順に名前が付けられています。
そして、これらの殻には量子数ｎがついています。
量子数ｎというのは「量」を表す数で、 Ｋ殻はｎ＝１、Ｌ殻はｎ＝２、Ｍ殻は３、Ｎ殻はｎ＝４、・・・
となっていて、１．５とか、２．１という数はとりません。
このように半端の数をとらないという点が重要です。
また、「量子」というものが存在する訳ではありません。考えるのに都合の良いように「量」で区切っているだけです。
現実の電子は惑星のように原子核の周りを回っているのではなく、原子核を包むような雲になっていて、 その雲を電子雲と呼びますが、雲に濃淡はあってもその何処に電子があるとはっきりしている訳ではありません。
しかし、人が観測するときには１点に集まって見えるという不思議な世界です。 元々、電子は粒状で存在して粒では説明できない現象があるから観測していないときは雲状と考えるのか、、、

電子が持っているエネルギーは、原子核と電子の間に働いている静電エネルギーと電子の運動エネルギーの和です。
このエネルギーを考えるときには、静止している自由電子（どの原子にも属していないで自由に移動できる電子）が持っているエネルギーを Ｅ＝０　として基準にします。
電子殻（Ｋ殻、Ｌ殻、Ｍ殻、・・・）に入っている電子が持つエネルギー$E_{n}$は $$E_{n} = - \frac{E}{n^2} $$ で表されます。
ｎは１，２，３，４、・・・という自然数なので、原子核から遠い電子ほど大きなエネルギーを持っています。
それぞれの電子殻に入ることが出来る電子の数Ｎも量子化されて表され、 $$ N = 2n^2 $$ となっています。
Ｋ殻には２個、Ｌ殻には８個、Ｍ殻には18個、・・・となります。

話はそれますが、例えばＭ殻には１８個の電子が入れるのに電子が１０個しかない原子の場合は不安定なので隣に存在する原子の電子を共有したがります。
この働きは原子同士を結合させますが、接着剤に使われたり、物と物とを密着させたときに生じる摩擦の大きさにも関係します。
電子が持つ静電エネルギーは万有引力よりはるかに大きいです。

それから、電子は $$ E_{n} = \frac{E}{n^2} $$ で示される値しか持つことが出来ないので、例えば、Ｋ殻にある電子がよりエネルギー値の大きいＬ殻に移動するとき（励起)には、 Ｌ殻とＫ殻の持つエネルギーの差だけ外部からエネルギーをもらわなければなりません。
光などの電磁波からエネルギーをもらう場合には、電磁波は波長によって持っているエネルギーの大きさが決まっているので、 電子を励起したエネルギーに等しい波長の電磁波が吸収されます。
可視光領域にあったなら吸収された波長（色）が反射されないので、その色の補色がその物質の色として影響を与えます。
逆に例えばＬ殻からエネルギー値の小さいＭ殻に移動するときには、余分なエネルギーを放出します。
自然界では流星の光などに見られますが、人為的に電子を励起させて可視光として放出させると発光ダイオード（ＬＥＤ）などになります。