Energinivå
Den här artikeln handlar om orbitala energinivåer (elektroner). För föreningars energinivåer, se kemisk potential.
Enkelt definierad som de olika potentiella energitillstånden för elektroner i en atom. Ett kvantmekaniskt system kan bara befinna sig i vissa tillstånd, vilket innebär att endast vissa energinivåer är möjliga. Termen energinivå används oftast med hänvisning till elektronkonfigurationen i atomer eller molekyler. Med andra ord kan energispektrumet kvantiseras (se kontinuerligt spektrum för det mer allmänna fallet).
Liksom för klassiska potentialer sätts den potentiella energin vanligtvis till noll vid oändligheten, vilket leder till en negativ potentiell energi för bundna elektroner.
Energinivåer sägs vara degenererade om samma energinivå erhålls av mer än ett kvantmekaniskt tillstånd. De kallas då för degenererade energinivåer.
Följande avsnitt i artikeln ger en översikt över de viktigaste faktorerna som bestämmer energinivåerna hos atomer och molekyler.
Atomer
Inneboende energinivåer
Orbitaltillståndets energinivå
Anta att en elektron befinner sig i en given atomorbital. Energin i dess tillstånd bestäms huvudsakligen av den (negativa) elektronens elektrostatiska växelverkan med den (positiva) kärnan. Energinivåerna för en elektron runt en atomkärna ges av :
E n = - h c R ∞ Z n 2{\displaystyle2 E_{n}=-hcR_{\infty }{\frac {Z^{2}}}{n^{2}}}}\ } 
,
där R ∞ {\displaystyle R_{\infty }\ } 
är Rydbergkonstanten (vanligtvis mellan 1 eV och 103 eV), Z är atomkärnans laddning, n {\displaystyle n\ } 
är det viktigaste kvanttalet, e är elektronens laddning, h {\displaystyle h}
är Plancks konstant och c är ljusets hastighet.
Rydbergnivåerna beror endast på det huvudsakliga kvantantalet n {\displaystyle n\ } .
Uppdelning av finstrukturer
Finstruktur uppstår genom relativistiska kinetiska energikorrigeringar, spin-orbit-koppling (en elektrodynamisk växelverkan mellan elektronens spinn och rörelse och kärnans elektriska fält) och Darwintermen (kontakttermen för växelverkan mellan elektroner med s-hölje inuti kärnan). Typisk storlek10 - 3{\displaystyle 10^{-3}}
eV.
Hyperfin struktur
Spin-kärnspinkoppling (se hyperfinstruktur). Typisk storlek10 - 4{\displaystyle 10^{-4}}
eV.
En elektrons elektrostatiska växelverkan med andra elektroner
Om det finns fler än en elektron runt atomen höjer elektron-elektroninteraktioner energinivån. Dessa växelverkningar försummas ofta om elektronernas vågtal överlappar varandra i rummet.
Energinivåer på grund av yttre fält
Zeeman-effekt
Interaktionsenergin är: U = - μ B {\displaystyle U=-\mu B}
med μ = q L / m2 {\displaystyle \mu =qL/2m} 
Zeemaneffekten med hänsyn till spinn
Detta tar hänsyn till både det magnetiska dipolmomentet på grund av orbitalt vinkelmoment och det magnetiska moment som härrör från elektronens spinn.
På grund av relativistiska effekter (Dirac-ekvationen) är det magnetiska momentet från elektronspinnet μ = - μ B g s {\displaystyle \mu =-\mu _{B}gs}
med g {\displaystyle g}
den gyro-magnetiska faktorn (ungefär 2). μ = μ l + g μ s {\displaystyle \mu =\mu _{l}+g\mu _{s}} 
Interaktionsenergin blir därför 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 ett yttre elektriskt fält (se Stark-effekten).
Molekyler
Grovt sett är ett molekylärt energitillstånd, dvs. ett egentillstånd i den molekylära Hamiltonianen, summan av en elektronisk, vibrations-, rotations-, kärn- och translationskomponent, på så sätt att:
E = E e l e k t r o n i 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 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 {vibration} }+E_{\mathrm {rotations} }+E_{\mathrm {rotations} }+E_{\mathrm {nuclear} }+E_{\mathrm {nuclear} }+E_{\mathrm {translational} }+E_{\mathrm {translational} }\,} 
där E e l e k t r o n i k {\displaystyle E_{\mathrm {electronic} }}
är ett egenvärde av den elektroniska molekylära Hamiltonianen (värdet av den potentiella energiytan) vid molekylens jämviktsgeometri.
De molekylära energinivåerna betecknas med molekylära termsymboler.
Dessa komponenters specifika energier varierar med det specifika energitillståndet och ämnet.
Inom molekylfysik och kvantkemi är en energinivå en kvantiserad energi i ett bundet kvantmekaniskt tillstånd.
Kristallina material
Kristallina material kännetecknas ofta av ett antal viktiga energinivåer. De viktigaste är toppen av valensbandet, botten av ledningsbandet, Fermi-energin, vakuumnivån och energinivåerna för eventuella defekttillstånd i kristallerna.
Relaterade sidor
Frågor och svar
F: Vad är orbitala energinivåer?
S: Orbitala energinivåer är olika tillstånd av potentiell energi för elektroner i en atom, definierat som det energispektrum som kan kvantifieras.
F: Varför kan ett kvantmekaniskt system endast befinna sig i vissa tillstånd?
S: Ett kvantmekaniskt system kan endast befinna sig i vissa tillstånd eftersom energinivåerna är kvantiserade, vilket innebär att endast vissa energinivåer är möjliga.
F: Vad är degenererade energinivåer?
S: Degenererade energinivåer är energinivåer som erhålls av mer än ett kvantmekaniskt tillstånd.
F: När sätts den potentiella energin till noll?
S: Den potentiella energin sätts vanligen till noll vid oändligheten.
F: Vilken är den vanligaste användningen av termen energinivå?
S: Den vanligaste användningen av begreppet energinivå är en hänvisning till elektronkonfigurationen i atomer eller molekyler.
F: Vad bestämmer energinivåerna i atomer och molekyler?
S: De viktigaste faktorerna som bestämmer energinivåerna hos atomer och molekyler diskuteras i följande avsnitt av artikeln.
F: Finns det fall där energispektrumet inte är kvantiserat?
S: Ja, det finns fall där energispektrumet inte är kvantiserat, vilket kallas ett kontinuerligt spektrum. I samband med orbitala energinivåer är emellertid energispektrumet kvantiserat.
