Energiataso
Tämä artikkeli käsittelee orbitaalien (elektronien) energiatasoja. Yhdisteiden energiatasoista katso kemiallinen potentiaali.
Määritellään yksinkertaisesti atomin elektronien potentiaalienergian eri tiloiksi. Kvanttimekaaninen järjestelmä voi olla vain tietyissä tiloissa, joten vain tietyt energiatasot ovat mahdollisia. Termiä energiataso käytetään tavallisimmin viittaamaan atomien tai molekyylien elektronikonfiguraatioihin. Toisin sanoen energiaspektri voi olla kvantittunut (ks. yleisemmästä tapauksesta jatkuva spektri).
Kuten klassisissa potentiaaleissa, potentiaalienergia asetetaan yleensä nollaksi äärettömyydessä, mikä johtaa negatiiviseen potentiaalienergiaan sidotuille elektronitiloille.
Energiatasojen sanotaan olevan degeneroituneita, jos sama energiataso saadaan useammalla kuin yhdellä kvanttimekaanisella tilalla. Niitä kutsutaan tällöin degeneroituneiksi energiatasoiksi.
Tämän artikkelin seuraavissa osissa luodaan yleiskatsaus tärkeimpiin tekijöihin, jotka määrittävät atomien ja molekyylien energiatasot.
Atoms
Ominaiset energiatasot
Orbitaalitilan energiataso
Oletetaan, että elektroni on tietyllä atomiorbitaalilla. Sen tilan energia määräytyy pääasiassa (negatiivisen) elektronin ja (positiivisen) ytimen sähköstaattisen vuorovaikutuksen perusteella. Elektronin energiatasot ytimen ympärillä ovat seuraavat :
E n = - h c R ∞ Z n 2{\displaystyle2 E_{n}=-hcR_{\infty }{\frac {Z^{2}}{n^{2}}}}\ } 
,
jossa R ∞ 
on Rydbergin vakio (tyypillisesti 1 eV ja 103 eV välillä), Z on atomin ytimen varaus, n 
on pääkvanttiluku, e on elektronin varaus, h 
on Planckin vakio ja c on valon nopeus.
Rydberg-tasot riippuvat vain pääkvanttiluvusta n {\displaystyle n\ }. .
Hienorakenteen pilkkominen
Hienorakenne syntyy relativistisista liike-energiakorjauksista, spin-orbit-kytkennästä (elektronin spinin ja liikkeen sekä ytimen sähkökentän välinen elektrodynaaminen vuorovaikutus) ja Darwinin termistä (s-kuorielektronien kontaktitermi vuorovaikutuksessa ytimen sisällä). Tyypillinen suuruus10 - 3{\displaystyle 10^{-3}}
eV.
Hyperfiinirakenne
Spin-ydin-spin-kytkentä (ks. hyperfiinirakenne). Tyypillinen suuruus10 - 4{\displaystyle 10^{-4}}
eV.
Elektronin sähköstaattinen vuorovaikutus muiden elektronien kanssa
Jos atomin ympärillä on useampi kuin yksi elektroni, elektroni-elektroni-interaktiot nostavat energiatasoa. Nämä vuorovaikutukset jätetään usein huomiotta, jos elektronien aaltofunktioiden alueellinen päällekkäisyys on pieni.
Ulkoisten kenttien aiheuttamat energiatasot
Zeemanin vaikutus
Vuorovaikutusenergia on: U = - μ B {\displaystyle U=-\mu B}, 
jossa μ = q L / m 2{\displaystyle \mu =qL/2m}. 
Zeeman-ilmiö spin huomioon ottaen
Tällöin otetaan huomioon sekä kiertoradan kulmamomentista johtuva magneettinen dipolimomentti että elektronin spinistä johtuva magneettinen momentti.
Relativistisista vaikutuksista (Diracin yhtälö) johtuen elektronin spinistä aiheutuva magneettinen momentti on μ = - μ B g s {\displaystyle \mu =-\mu _{B}gs}
, jossa g {\displaystyle g}
on gyro-magneettinen kerroin (noin 2). μ = μ l + g μ s {\displaystyle \mu =\mu _{l}+g\mu _{s}}} 
Vuorovaikutusenergiaksi saadaan siis U B = - μ B = μ B B ( m l + g m s ) {\displaystyle U_{B}=-\mu B=\mu _{B}B(m_{l}+gm_{s})}
.
Stark-vaikutus
Vuorovaikutus ulkoisen sähkökentän kanssa (ks. Stark-ilmiö).
Molecules
Karkeasti sanottuna molekyylin energiatila eli molekyylihamiltonin ominaistila on elektronisen, värähtely-, rotaatio-, ydinkomponentin ja translaatiokomponentin summa siten, että:
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 k k l a a r + E t r a n s l a t i o n a l {\displaystyle E=E_{\mathrm {electronic} }+E_{\mathrm {vibrational} }+E_{\mathrm {rotaatio}+E_{\mathrm {rotaatio} }+E_{\mathrm {ydin}+E_{\mathrm {ydin} }+E_{\mathrm {translational} }\,} 
jossa E e l e k t r o n i k {\displaystyle E_{\mathrm {electronic}) }}
on elektronisen molekyylihamiltonin ominaisarvo (potentiaalienergiapinnan arvo) molekyylin tasapainogeometriassa.
Molekyylien energiatasot on merkitty molekyylitermien symboleilla.
Näiden komponenttien ominaisenergiat vaihtelevat energiatilan ja aineen mukaan.
Molekyylifysiikassa ja kvanttikemiassa energiataso on sidotun kvanttimekaanisen tilan kvantittunut energia.
Kiteiset materiaalit
Kiteisille materiaaleille on usein ominaista useita tärkeitä energiatasoja. Tärkeimmät niistä ovat valenssikaistan yläpää, johtokaistan alapää, Fermi-energia, tyhjiötaso ja kiteiden mahdollisten vikatilojen energiatasot.
Aiheeseen liittyvät sivut
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä ovat kiertoradan energiatasot?
V: Orbitaalien energiatasot ovat atomin elektronien potentiaalienergian eri tiloja, jotka määritellään kvantitoitavaksi energiaspektriksi.
K: Miksi kvanttimekaaninen järjestelmä voi olla vain tietyissä tiloissa?
V: Kvanttimekaaninen järjestelmä voi olla vain tietyissä tiloissa, koska energiatasot ovat kvantittuneita eli vain tietyt energiatasot ovat mahdollisia.
K: Mitä ovat degeneroituneet energiatasot?
V: Degeneroituneet energiatasot ovat energiatasoja, jotka saadaan useammasta kuin yhdestä kvanttimekaanisesta tilasta.
K: Milloin potentiaalienergia asetetaan nollaan?
V: Potentiaalienergia asetetaan yleensä nollaksi äärettömyydessä.
K: Mikä on termin energiataso yleisin käyttötapa?
V: Termiä energiataso käytetään yleisimmin atomien tai molekyylien elektronikonfiguraatioihin.
K: Mikä määrittää atomien ja molekyylien energiatasot?
V: Tärkeimpiä tekijöitä, jotka määrittävät atomien ja molekyylien energiatasot, käsitellään artikkelin seuraavissa kohdissa.
K: Onko tapauksia, joissa energiaspektri ei ole kvantittunut?
V: Kyllä, on tapauksia, joissa energiaspektri ei ole kvantittunut, jolloin puhutaan jatkuvasta spektristä. Orbitaalien energiatasojen yhteydessä energiaspektri on kuitenkin kvantittunut.
