Poziom energetyczny
Ten artykuł jest o orbitalnych (elektronowych) poziomach energetycznych. Poziomy energetyczne związków chemicznych - patrz potencjał chemiczny.
Po prostu zdefiniowane jako różne stany energii potencjalnej dla elektronów w atomie. System mechaniki kwantowej może znajdować się tylko w pewnych stanach, a więc możliwe są tylko pewne poziomy energetyczne. Termin poziom energetyczny jest najczęściej używany w odniesieniu do konfiguracjielektronów w atomach lub molekułach. Innymi słowy, widmo energii może być skwantowane (zobacz widmo ciągłe dla bardziej ogólnego przypadku).
Podobnie jak w przypadku klasycznych potencjałów, energia potencjalna jest zwykle ustawiona na zero w nieskończoności, co prowadzi do ujemnej energii potencjalnej dla stanów związanych elektronów.
Mówi się, że poziomy energetyczne są zdegenerowane, jeśli ten sam poziom energetyczny jest uzyskiwany przez więcej niż jeden stan mechaniki kwantowej. Nazywa się je wtedy zdegenerowanymi poziomami energetycznymi.
W dalszej części artykułu przedstawiono przegląd najważniejszych czynników określających poziomy energetyczne atomów i cząsteczek.
Atomy
Poziomy energii wewnętrznej
Poziom energetyczny stanu orbitalnego
Przyjmijmy, że elektron znajduje się na danym orbitalu atomowym. Energia jego stanu jest głównie określona przez elektrostatyczne oddziaływanie (ujemnego) elektronu z (dodatnim) jądrem. Poziomy energetyczne elektronu wokół jądra są dane przez :
E n = - h c R ∞ Z 2 n 2 {displaystyle E_{n}= hcR_{infty }{frac {Z^{2}}{n^{2}}}}} } } 
,
gdzie R ∞ {displaystyle R_{infty }} 
jest stałą Rydberga (zwykle pomiędzy 1 eV a 103 eV), Z jest ładunkiem jądra atomu, n {displaystyle n} 
jest główną liczbą kwantową, e jest ładunkiem elektronu, h {displaystyle h}
jest stałą Plancka, a c jest prędkością światła.
Poziomy Rydberga zależą tylko od głównej liczby kwantowej n {{displaystyle n}}. .
Podział na drobne struktury
Drobna struktura wynika z relatywistycznych poprawek energii kinetycznej, sprzężenia spinowo-orbitalnego (elektrodynamiczne oddziaływanie pomiędzy spinem i ruchem elektronu a polem elektrycznym jądra) oraz terminu Darwina (kontaktowe oddziaływanie elektronów s-powłokowych wewnątrz jądra). Typowa wielkość 10 - 3 {{displaystyle 10^{-3}} 
eV.
Struktura hiperfinowa
Sprzężenie spin-jądro-spin (patrz struktura nadsubtelna). Typowa wielkość 10 - 4 {{displaystyle 10^{-4}} 
eV.
Elektrostatyczne oddziaływanie elektronu z innymi elektronami
Je¶li wokół atomu znajduje się więcej niż jeden elektron, oddziaływania elektron-elektron podnosz± poziom energetyczny. Oddziaływania te s± często zaniedbywane, je¶li przestrzenne nakładanie się funkcji falowych elektronów jest małe.
Poziomy energetyczne wywołane przez pola zewnętrzne
Efekt Zeemana
Energia oddziaływania wynosi: U = - μ B {przy μ = μ B} 
z μ = q L / 2 m {przy μ =qL/2m}. 
Efekt Zeemana z uwzględnieniem spinu
Uwzględnia to zarówno magnetyczny moment dipolowy wynikający z orbitalnego momentu pędu, jak i moment magnetyczny wynikający ze spinu elektronu.
Ze względu na efekty relatywistyczne (równanie Diraca), moment magnetyczny wynikający ze spinu elektronu wynosi μ = - μ B g s {displaystyle \u =- \u _{B}gs}
, gdzie g {displaystyle g} 
jest współczynnikiem żyromagnetycznym (około 2). μ = μ l + g μ s {displaystyle \u = m l + g m s}. 
Energia oddziaływania dostaje więc U B = - μ B = μ B B ( m l + g m s ) {displaystyle U_{B}=- μ B= μ B(m_{l}+gm_{s})
} } .
Efekt Starka
Oddziaływanie z zewnętrznym polem elektrycznym (patrz efekt Starka).
Molekuły
W przybliżeniu, molekularny stan energetyczny, tj. stan własny hamiltonianu molekularnego, jest sumą składowej elektronowej, wibracyjnej, rotacyjnej, jądrowej i translacyjnej, takiej, że:
E = E e l e k t r o n i c z n y + E w i b r a c y j n y + E r o t a c y j n y + E n u k l e a r + E t r a n s l a c y j n y {displaystyle E=E_{mathrm {elektroniczny} }+E_{mathrm {wibracyjny} }+E_{mathrm {rotacyjny} }+E_{mathrm {jądrowy} }+E_{mathrm {translacyjny} }\,} 
gdzie E e l e k t r o n i c z n a {{elektroniczna} }} 
jest wartością własną elektronowego hamiltonianu molekularnego (wartością powierzchni energii potencjalnej) w geometrii równowagowej cząsteczki.
Molekularne poziomy energetyczne są oznaczane symbolami terminów molekularnych.
Energie właściwe tych składników różnią się w zależności od stanu energetycznego i substancji.
W fizyce molekularnej i chemii kwantowej, poziom energetyczny jest skwantowaną energią związanego stanu mechaniki kwantowej.
Materiały krystaliczne
Materiały krystaliczne często charakteryzują się kilkoma ważnymi poziomami energetycznymi. Najważniejsze z nich to wierzchołek pasma walencyjnego, spód pasma przewodnictwa, energia Fermiego, poziom próżni oraz poziomy energetyczne stanów defektowych w krysztale.
Powiązane strony
Pytania i odpowiedzi
P: Co to są orbitalne poziomy energetyczne?
O: Orbitalne poziomy energetyczne to różne stany energii potencjalnej dla elektronów w atomie, zdefiniowane jako spektrum energii, które można skwantować.
P: Dlaczego układ mechaniki kwantowej może znajdować się tylko w pewnych stanach?
O: Układ mechaniki kwantowej może znajdować się tylko w pewnych stanach, ponieważ poziomy energetyczne są skwantowane, co oznacza, że możliwe są tylko pewne poziomy energetyczne.
P: Co to są zdegenerowane poziomy energetyczne?
O: Zdegenerowane poziomy energetyczne to poziomy energetyczne, które są uzyskiwane przez więcej niż jeden stan mechaniki kwantowej.
P: Kiedy energia potencjalna jest ustawiona na zero?
O: Energia potencjalna jest zazwyczaj równa zeru w nieskończoności.
P: Jakie jest najczęstsze zastosowanie terminu poziom energetyczny?
O: Termin poziom energetyczny najczęściej używany jest w odniesieniu do konfiguracji elektronów w atomach lub cząsteczkach.
P: Co decyduje o poziomach energetycznych atomów i cząsteczek?
O: Najważniejsze czynniki, które określają poziomy energetyczne atomów i cząsteczek, zostały omówione w kolejnych częściach artykułu.
P: Czy istnieją przypadki, w których widmo energii nie jest skwantowane?
O: Tak, istnieją przypadki, w których widmo energii nie jest skwantowane, co określa się mianem widma ciągłego. Jednak w kontekście orbitalnych poziomów energetycznych, widmo energii jest skwantowane.
