Energiniveau
Denne artikel handler om orbital (elektron) energiniveauer. For forbindelsers energiniveauer, se kemisk potentiale.
Enkelt defineret som de forskellige tilstande af potentiel energi for elektroner i et atom. Et kvantemekanisk system kan kun befinde sig i bestemte tilstande, så kun bestemte energiniveauer er mulige. Udtrykket energiniveau anvendes oftest med henvisning til elektronkonfigurationen i atomer eller molekyler. Energispektret kan med andre ord kvantiseres (se kontinuerligt spektrum for det mere generelle tilfælde).
Som med klassiske potentialer er den potentielle energi normalt sat til nul ved uendelighed, hvilket fører til en negativ potentiel energi for bundne elektrontilstande.
Energiniveauer siges at være degenererede, hvis det samme energiniveau opnås af mere end én kvantemekanisk tilstand. De kaldes så degenererede energiniveauer.
De følgende afsnit i denne artikel giver et overblik over de vigtigste faktorer, der bestemmer energiniveauerne for atomer og molekyler.
Atomer
Intrinsiske energiniveauer
Orbitaltilstandens energiniveau
Antag en elektron i en given atomorbital. Dens energi bestemmes hovedsagelig af den (negative) elektrons elektrostatiske vekselvirkning med den (positive) kerne. En elektrons energiniveauer omkring en kerne er givet ved :
E n = - h c R ∞ Z n 2{\displaystyle2 E_{n}=-hcR_{\infty }{\frac {Z^{2}}}{n^{{2}}}}\ } 
,
hvor R ∞ {\displaystyle R_{\infty }\ } 
er Rydberg-konstanten (typisk mellem 1 eV og 103 eV), Z er atomkernens ladning, n {\displaystyle n\ }
er det vigtigste kvantetal, e er elektronens ladning, h {\displaystyle h}
er Plancks konstant, og c er lysets hastighed.
Rydberg-niveauerne afhænger kun af det primære kvantetal n {\displaystyle n\ } .
Opsplitning af fine strukturer
Finstruktur opstår som følge af relativistiske kinetiske energikorrektioner, spin-orbit-kobling (en elektrodynamisk vekselvirkning mellem elektronens spin og bevægelse og kerneens elektriske felt) og Darwin-terminen (kontakttermen mellem s-helelektroner i kernen). Typisk størrelse10 - 3{\displaystyle 10^{-3}}
eV.
Hyperfin struktur
Spin-kerne-spin-kobling (se hyperfin struktur). Typisk størrelse10 - 4{\displaystyle 10^{-4}}
eV.
En elektrons elektrostatiske vekselvirkning med andre elektroner
Hvis der er mere end én elektron omkring et atom, hæver elektron-elektron-interaktioner energiniveauet. Disse vekselvirkninger negligeres ofte, hvis elektronbølgefunktionernes rumlige overlapning er lille.
Energiniveauer som følge af eksterne felter
Zeeman-effekt
Interaktionsenergien er: U = - μ B {\displaystyle U=-\mu B}
med μ = q L / m2 {\displaystyle \mu =qL/2m} 
Zeeman-effekt under hensyntagen til spin
Dette tager hensyn til både det magnetiske dipolmoment, der skyldes banens vinkelmoment, og det magnetiske moment, der stammer fra elektronens spin.
På grund af relativistiske virkninger (Dirac-ligningen) er det magnetiske moment, der stammer fra elektronens spin, μ = - μ B g s {\displaystyle \mu =-\mu _{B}gs}
med g {\displaystyle g}
den gyromagnetiske faktor (ca. 2). μ = μ l + g μ s {\displaystyle \mu =\mu _{l}+g\mu _{s}} 
Vekselvirkningsenergien bliver derfor U B = - μ B = μ B B B ( m l + g m s ) {\displaystyle U_{B}=-\mu B=\mu _{B}B(m_{l}+gm_{s})}
.
Stark effekt
Interaktion med et eksternt elektrisk felt (se Stark-effekt).
Molekyler
Groft sagt er en molekylær energitilstand, dvs. en egentilstand i den molekylære Hamiltonian, summen af en elektronisk, vibrations-, rotations-, kerne- og translationskomponent, således at:
E = E e l e k t r o n i s k + E v i b r a t i o n a l + E r o t a t i o n a l + E n u c k l e a r + E t r a n s l a t i o n a l {\displaystyle E=E_{\mathrm {electronic} }+E_{{\mathrm {vibrationel} }+E_{\mathrm {vibrationel} }+E_{{\mathrm {rotational}} }+E_{{\mathrm {nuclear}} }+E_{{\mathrm {translational} }+E_{\mathrm {translational} }\,} 
hvor E e l e k t r o n i k {\displaystyle E_{\mathrm {elektronisk} }}}
er en egenværdi af den elektroniske molekylære Hamiltonian (værdien af den potentielle energioverflade) ved molekylets ligevægtsgeometri.
De molekylære energiniveauer er mærket med molekylære termsymboler.
Disse komponenters specifikke energier varierer med den specifikke energitilstand og stoffet.
I molekylfysik og kvantekemi er et energiniveau en kvantiseret energi i en bundet kvantemekanisk tilstand.
Krystallinske materialer
Krystallinske materialer er ofte kendetegnet ved en række vigtige energiniveauer. De vigtigste er toppen af valensbåndet, bunden af ledningsbåndet, Fermi-energien, vakuumniveauet og energiniveauerne for eventuelle defekttilstande i krystallerne.
Relaterede sider
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er orbitale energiniveauer?
A: Orbital energiniveauer er forskellige tilstande af potentiel energi for elektroner i et atom, defineret som det energispektrum, der kan kvantificeres.
Spørgsmål: Hvorfor kan et kvantemekanisk system kun være i bestemte tilstande?
Svar: Et kvantemekanisk system kan kun befinde sig i bestemte tilstande, fordi energiniveauerne er kvantiserede, hvilket betyder, at kun bestemte energiniveauer er mulige.
Spørgsmål: Hvad er degenererede energiniveauer?
Svar: Degenererede energiniveauer er energiniveauer, der opnås ved mere end én kvantemekanisk tilstand.
Spørgsmål: Hvornår sættes den potentielle energi til nul?
Svar: Den potentielle energi sættes normalt til nul ved uendelighed.
Spørgsmål: Hvad er den mest almindelige anvendelse af udtrykket energiniveau?
A: Den mest almindelige anvendelse af udtrykket energiniveau er med henvisning til elektronkonfigurationen i atomer eller molekyler.
Sp: Hvad bestemmer energiniveauerne i atomer og molekyler?
Svar: De vigtigste faktorer, der bestemmer energiniveauerne i atomer og molekyler, behandles i de følgende afsnit af artiklen.
Spørgsmål: Er der tilfælde, hvor energispektret ikke er kvantiseret?
A: Ja, der er tilfælde, hvor energispektret ikke er kvantiseret, hvilket kaldes et kontinuert spektrum. I forbindelse med orbitale energiniveauer er energispektret imidlertid kvantiseret.
