Energijski nivo
Ta članek govori o orbitalnih (elektronskih) energijskih nivojih. Za energijske nivoje spojin glejte kemijski potencial.
Enostavno opredeljeno kot različna stanja potencialne energije za elektrone v atomu. Kvantnomehanski sistem je lahko le v določenih stanjih, zato so možne le določene energijske ravni. Izraz energijski nivo se najpogosteje uporablja v zvezi s konfiguracijo elektronov v atomih ali molekulah. Z drugimi besedami, energijski spekter je mogoče kvantizirati (za splošnejši primer glej zvezni spekter).
Tako kot pri klasičnih potencialih je potencialna energija pri neskončnosti običajno enaka nič, kar privede do negativne potencialne energije za vezana elektronska stanja.
O degeneriranih energijskih nivojih govorimo, če isti energijski nivo dobimo z več kot enim kvantno mehanskim stanjem. Takrat jih imenujemo degenerirane energijske ravni.
V naslednjih poglavjih tega članka je podan pregled najpomembnejših dejavnikov, ki določajo energijske ravni atomov in molekul.
Atomi
Ravni lastne energije
Energijski nivo orbitalnega stanja
Predpostavimo elektron v dani atomski orbitali. Energijo njegovega stanja določa predvsem elektrostatična interakcija (negativnega) elektrona s (pozitivnim) jedrom. Energijski nivoji elektrona okoli jedra so podani z :
E n = - h c R ∞ Z n 2{\displaystyle2 E_{n}=-hcR_{\infty }{\frac {Z^{2}}{n^{2}}}}\ } 
,
kjer je R ∞ {\displaystyle R_{\infty }\ } 
Rydbergova konstanta (običajno med 1 eV in 103 eV), Z je naboj atomskega jedra, n {\displaystyle n\ }
je glavno kvantno število, e je naboj elektrona, h {\displaystyle h}
je Planckova konstanta, c pa je hitrost svetlobe.
Rydbergovi nivoji so odvisni le od glavnega kvantnega števila n {\displaystyle n\ } .
Delitev fine strukture
Fina struktura nastane zaradi relativističnih popravkov kinetične energije, spinsko orbitalne sklopitve (elektrodinamična interakcija med elektronovim spinom in gibanjem ter električnim poljem jedra) in Darwinovega izraza (kontaktna interakcija elektronov s-oblike znotraj jedra). Tipična velikost10 - 3{\displaystyle 10^{-3}} 
eV.
Hiperfinja struktura
Vezava spin-jedro-spin (glej hiperfines strukturo). Tipična velikost10 - 4{\displaystyle 10^{-4}} 
eV.
Elektrostatična interakcija elektrona z drugimi elektroni
Če je okoli atoma več kot en elektron, interakcije med elektroni dvignejo energijski nivo. Te interakcije se pogosto zanemarijo, če je prostorsko prekrivanje elektronskih valovnih funkcij majhno.
Energijske ravni zaradi zunanjih polj
Zeemanov učinek
Interakcijska energija je: U = - μ B {\displaystyle U=-\mu B}
z μ = q L / m 2{\displaystyle \mu =qL/2m} 
Zeemanov učinek ob upoštevanju spina
Pri tem se upoštevata tako magnetni dipolni moment zaradi orbitalnega kotnega momenta kot tudi magnetni moment, ki izhaja iz elektronskega spina.
Zaradi relativističnih učinkov (Diracova enačba) je magnetni moment, ki izhaja iz elektronskega spina, μ = - μ B g s {\displaystyle \mu =-\mu _{B}gs}
z g {\displaystyle g}
žiro-magnetnim faktorjem (približno 2). μ = μ l + g μ s {\displaystyle \mu =\mu _{l}+g\mu _{s}} 
Zato dobimo interakcijsko energijo U B = - μ B = μ B B ( m l + g m s ) {\displaystyle U_{B}=-\mu B=\mu _{B}B(m_{l}+gm_{s})}
.
Učinek Stark
Interakcija z zunanjim električnim poljem (glej Starkov učinek).
Molekule
V grobem je molekularno energijsko stanje, tj. lastno stanje molekularnega hamiltoniana, vsota elektronske, vibracijske, rotacijske, jedrske in translacijske komponente, in sicer
E = E e l e k t r o n i č n a + E v i b r a t i o n a l n a + E r o t i o n a l n a + E n u k l e a r n a + E t r a n s l a t i o n a l n a {\displaystyle E=E_{\mathrm {electronic} }+E_{\mathrm {vibracijski} }+E_{\mathrm {rotacijski} }+E_{\mathrm {jedrni} }+E_{\mathrm {translacijski} }\,} 
kjer E e l e k t r o n i k {\displaystyle E_{\mathrm {electronic} }}
je lastna vrednost elektronskega molekularnega hamiltoniana (vrednost površine potencialne energije) pri ravnovesni geometriji molekule.
Molekularne energijske ravni so označene s simboli molekulskih izrazov.
Specifične energije teh sestavin se razlikujejo glede na specifično energijsko stanje in snov.
V molekularni fiziki in kvantni kemiji je energijski nivo kvantizirana energija vezanega kvantnomehanskega stanja.
Kristalinični materiali
Za kristalne materiale je pogosto značilno več pomembnih energijskih nivojev. Najpomembnejši so vrh valenčnega pasu, dno prevodnega pasu, Fermijeva energija, raven vakuuma in energijske ravni morebitnih defektnih stanj v kristalih.
Sorodne strani
Vprašanja in odgovori
V: Kaj so orbitalne energijske ravni?
O: Orbitalne energijske ravni so različna stanja potencialne energije za elektrone v atomu, opredeljena kot energijski spekter, ki ga je mogoče kvantizirati.
V: Zakaj je lahko kvantno mehanski sistem le v določenih stanjih?
O: Kvantno mehanski sistem je lahko le v določenih stanjih, ker so energijske ravni kvantizirane, kar pomeni, da so možne le določene energijske ravni.
V: Kaj so degenerirani energijski nivoji?
O: Degenerirane energijske ravni so energijske ravni, ki jih dobimo z več kot enim kvantno mehanskim stanjem.
V: Kdaj je potencialna energija enaka nič?
O: Potencialna energija je običajno enaka nič pri neskončnosti.
V: Katera je najpogostejša uporaba izraza energijski nivo?
O: Najpogostejša uporaba izraza energijski nivo se nanaša na konfiguracijo elektronov v atomih ali molekulah.
V: Kaj določa energijske nivoje atomov in molekul?
O: Najpomembnejši dejavniki, ki določajo energijske ravni atomov in molekul, so obravnavani v naslednjih delih članka.
V: Ali obstajajo primeri, ko energijski spekter ni kvantiziran?
O: Da, obstajajo primeri, ko energijski spekter ni kvantiziran, kar imenujemo zvezni spekter. Vendar pa je v kontekstu orbitalnih energijskih nivojev energijski spekter kvantiziran.
