Energiatase (kvantfüüsika)
See artikkel käsitleb orbitaalide (elektronide) energiatasemeid. Ühendite energiatasemete kohta vt keemiline potentsiaal.
Lihtsalt defineeritud kui aatomi elektronide potentsiaalse energia erinevad olekud. Kvantmehaaniline süsteem võib olla ainult teatud seisundites, nii et ainult teatud energiatasemed on võimalikud. Enamasti kasutatakse terminit energiatase seoses elektronide konfiguratsiooniga aatomites või molekulides. Teisisõnu, energiaspekter võib olla kvantitatiivne (üldisemal juhul vt pidev spekter).
Nagu klassikaliste potentsiaalide puhul, on potentsiaalne energia tavaliselt nulliks seatud lõpmatuseni, mis viib seotud elektronide olekute puhul negatiivse potentsiaalse energia tekkimiseni.
Energiatasemeid nimetatakse degeneratiivseteks, kui sama energiatase saadakse rohkem kui ühest kvantmehaanilisest olekust. Sellisel juhul nimetatakse neid degeneratiivseteks energiatasemeteks.
Käesoleva artikli järgmistes osades antakse ülevaade kõige olulisematest teguritest, mis määravad aatomite ja molekulide energiatasemed.
Aatomid
Omane energiatase
Orbitaalriigi energiatase
Oletame, et elektron on antud aatomi orbitaalis. Selle oleku energia on peamiselt määratud (negatiivse) elektroni ja (positiivse) tuuma elektrostaatilise koostoime kaudu. Elektroni energiatasemed tuuma ümber on antud järgmiselt: :
E n = - h c R ∞ Z n 2{\displaystyle2 E_{n}=-hcR_{\infty }{\frac {Z^{2}}{n^{2}}}}\ } 
,
kus R ∞ {\displaystyle R_\infty }\ 
on Rydbergi konstant (tavaliselt vahemikus 1 eV kuni 103 eV), Z on aatomi tuuma laeng, n {\displaystyle n\ }
on peamine kvantarv, e on elektroni laeng, h {\displaystyle h}
on Plancki konstant ja c on valguse kiirus.
Rydbergi tasemed sõltuvad ainult põhikvantarvust n {\displaystyle n\ }. .
Peenstruktuuri lõhenemine
Peenstruktuur tuleneb relativistlikest kineetilise energia korrektsioonidest, spin-orbiti sidemest (elektroni spinni ja liikumise ning tuuma elektrivälja vaheline elektrodünaamiline vastastikmõju) ja Darwini terminist (s-kujuliste elektronide kontakttermiline vastastikmõju tuuma sees). Tüüpiline suurus10 - 3{\displaystyle 10^{-3}}
eV.
Hüperfiinne struktuur
Spin- tuuma-spin-kohtumine (vt hüperfiinstruktuur). Tüüpiline suurus10 - 4{\displaystyle 10^{-4}}
eV.
Elektroni elektrostaatiline vastastikmõju teiste elektronidega
Kui aatomi ümber on rohkem kui üks elektron, tõstavad elektron-elektron-interaktsioonid energiataset. Neid vastastikmõjusid jäetakse sageli tähelepanuta, kui elektronide lainefunktsioonide ruumiline kattuvus on väike.
Välistest väljadest tingitud energiatasemed
Zeemani efekt
Interaktsioonienergia on: U = - μ B {\displaystyle U=-\mu B} 
koos μ = q L / m 2{\displaystyle \mu =qL/2m} 
Zeemani efekt, mis võtab arvesse spinni
See võtab arvesse nii orbitaalsest nurkmomendist tulenevat magnetilist dipoolmomenti kui ka elektroni spinnist tulenevat magnetilist momenti.
Relativistlike efektide tõttu (Diraci võrrand) on elektroni spinnist tulenev magnetiline moment μ = - μ B g s {\displaystyle \mu =-\mu _{B}gs}
, kusjuures g {\displaystyle g}
on güromagnetiline tegur (umbes 2). μ = μ l + g μ s {\displaystyle \mu =\mu _{l}+g\mu _{s}} 
Vastasmõju energia saab seega 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 mõju
Vastasmõju välise elektriväljaga (vt Starki efekt).
Molekulid
Molekuli energiaseisund, s.t molekulaarse Hamiltiani omastase, on elektroonilise, võnke-, pöörlemis-, tuuma- ja translatsioonikomponendi summa, nii et:
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 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 {vibratsiooniline} + E_{\mathrm {vibratsiooniline} }+E_{\mathrm {rotatsiooniline} + E_{\mathrm {rotatsiooniline} }+E_{\mathrm {nuclear} + E_{\mathrm {nuclear} }+E_{\mathrm {translatsiooniline} }\,} 
kus E e l e k t r o n i k {\displaystyle E_\mathrm {electronic} }}
on molekuli elektroonilise molekulaarhamiltonija omaväärtus (potentsiaalse energiapinna väärtus) molekuli tasakaalugeomeetrias.
Molekulaarsed energiatasemed on tähistatud molekulaarsete terminite sümbolitega.
Nende komponentide erienergiad varieeruvad sõltuvalt konkreetsest energiast ja ainest.
Molekulaarfüüsikas ja kvantkeemias on energiatase seotud kvantmehaanilise oleku kvantitud energia.
Kristallilised materjalid
Kristallilisi materjale iseloomustavad sageli mitmed olulised energiatasemed. Kõige olulisemad neist on valentsusriba ülemine osa, juhtivusriba alumine osa, Fermi energia, vaakumitase ja kristallide võimalike defektide energiatasemed.
Seotud leheküljed
Küsimused ja vastused
K: Mis on orbitaalenergia tasemed?
V: Orbitaalide energiatasemed on aatomi elektronide potentsiaalse energia erinevad olekud, mis on määratletud kvantitatiivselt mõõdetava energiaspektrina.
K: Miks võib kvantmehaaniline süsteem olla ainult teatud seisundites?
V: Kvantmehaaniline süsteem võib olla ainult teatud olekutes, sest energiatasemed on kvantitud, st ainult teatud energiatasemed on võimalikud.
K: Mis on degenereerunud energiatasemed?
V: Degenereerunud energiatasemed on energiatasemed, mida saadakse rohkem kui ühest kvantmehaanilisest olekust.
K: Millal on potentsiaalne energia nulliks?
V: Potentsiaalne energia on tavaliselt nulliks seatud lõpmatuseni.
K: Mis on mõiste energiatase kõige tavalisem kasutusviis?
V: Enamasti kasutatakse terminit energiatase seoses elektronide konfiguratsiooniga aatomites või molekulides.
K: Mis määrab aatomite ja molekulide energiatasemed?
V: Kõige olulisemaid tegureid, mis määravad aatomite ja molekulide energiatasemeid, käsitletakse artikli järgmistes osades.
K: Kas on juhtumeid, kus energiaspekter ei ole kvantitud?
V: Jah, on juhtumeid, kus energiaspekter ei ole kvantitud, mida nimetatakse pidevaks spektriks. Orbitaalide energiatasemete kontekstis on energiaspekter siiski kvantitud.
