Energetická úroveň
Tento článok je o orbitálnych (elektrónových) energetických hladinách. Energetické hladiny zlúčenín nájdete v časti chemický potenciál.
Zjednodušene definované ako rôzne stavy potenciálnej energie elektrónov v atóme. Kvantovomechanický systém sa môže nachádzať len v určitých stavoch, takže sú možné len určité energetické hladiny. Pojem energetická hladina sa najčastejšie používa v súvislosti s konfiguráciou elektrónov v atómoch alebo molekulách. Inými slovami, energetické spektrum možno kvantovať (všeobecnejší prípad nájdete v časti spojité spektrum).
Podobne ako pri klasických potenciáloch je potenciálna energia zvyčajne nastavená na nulu v nekonečne, čo vedie k zápornej potenciálnej energii pre viazané elektrónové stavy.
O energetických hladinách sa hovorí, že sú degenerované, ak rovnakú energetickú hladinu získa viac ako jeden kvantovo mechanický stav. Potom sa nazývajú degenerované energetické hladiny.
V nasledujúcich častiach tohto článku nájdete prehľad najdôležitejších faktorov, ktoré určujú energetické hladiny atómov a molekúl.
Atómy
Úrovne vnútornej energie
Energetická hladina orbitálneho stavu
Predpokladajte, že v danom atómovom orbitále je elektrón. Energia jeho stavu je určená najmä elektrostatickou interakciou (záporného) elektrónu s (kladným) jadrom. Energetické hladiny elektrónu v okolí jadra sú dané vzťahom :
E n = - h c R ∞ Z n 2{\displaystyle2 E_{n}=-hcR_{\infty }{\frac {Z^{2}}{n^{2}}}}\ } ,
kde R ∞ {\displaystyle R_{\infty }\ } je Rydbergova konštanta (zvyčajne medzi 1 eV a 103 eV), Z je náboj jadra atómu, n {\displaystyle n\ } je hlavné kvantové číslo, e je náboj elektrónu, h {\displaystyle h} je Planckova konštanta a c je rýchlosť svetla.
Rydbergove hladiny závisia len od hlavného kvantového čísla n {\displaystyle n\ } .
Rozdelenie jemnej štruktúry
Jemná štruktúra vyplýva z relativistických korekcií kinetickej energie, spin-orbitálnej väzby (elektrodynamická interakcia medzi spinom a pohybom elektrónu a elektrickým poľom jadra) a Darwinovho člena (kontaktný člen interakcie elektrónov s-obalu vnútri jadra). Typická veľkosť10 - 3{\displaystyle 10^{-3}} eV.
Hyperjemná štruktúra
Spinovo-jadrovo-spinová väzba (pozri hyperjemná štruktúra). Typická veľkosť10 - 4{\displaystyle 10^{-4}} eV.
Elektrostatická interakcia elektrónu s inými elektrónmi
Ak je okolo atómu viac ako jeden elektrón, interakcie elektrón-elektrón zvyšujú energetickú hladinu. Tieto interakcie sa často zanedbávajú, ak je priestorové prekrytie vlnových funkcií elektrónov nízke.
Energetické úrovne spôsobené vonkajšími poľami
Zeemanov efekt
Energia interakcie je: U = - μ B {\displaystyle U=-\mu B} s μ = q L / m 2{\displaystyle \mu =qL/2m}
Zeemanov efekt zohľadňujúci spin
Zohľadňuje magnetický dipólový moment spôsobený orbitálnym uhlovým momentom a magnetický moment vznikajúci pri spine elektrónu.
V dôsledku relativistických efektov (Diracova rovnica) je magnetický moment vyplývajúci zo spinu elektrónu μ = - μ B g s {\displaystyle \mu =-\mu _{B}gs}, pričom g {\displaystyle g} je gyromagnetický faktor (približne 2). μ = μ l + g μ s {\displaystyle \mu =\mu _{l}+g\mu _{s}} Interakčná energia teda dostáva 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 effect
Interakcia s vonkajším elektrickým poľom (pozri Starkov efekt).
Molekuly
Zhruba povedané, molekulový energetický stav, t. j. vlastný stav molekulového hamiltoniánu, je súčtom elektronickej, vibračnej, rotačnej, jadrovej a translačnej zložky, a to tak, že:
E = E e l e k t r o n i c k é + E v i b r a t i o n á l n e + E r o t a t i o n á l n e + E n u k l e á r n e + E t r a n s l a t i o n á l n e {\displaystyle E=E_{\mathrm {electronic} }+E_{\mathrm {vibračný} }+E_{\mathrm {rotačný} }+E_{\mathrm {jadrový} }+E_{\mathrm {translačný} }\,}
kde E e l e k t r o n i k a {\displaystyle E_{\mathrm {electronic} }} je vlastná hodnota elektronického molekulového hamiltoniánu (hodnota povrchu potenciálnej energie) pri rovnovážnej geometrii molekuly.
Molekulové energetické hladiny sú označené symbolmi molekulových termov.
Špecifické energie týchto zložiek sa líšia v závislosti od konkrétneho energetického stavu a látky.
V molekulovej fyzike a kvantovej chémii je energetická hladina kvantovaná energia viazaného kvantovo-mechanického stavu.
Kryštalické materiály
Kryštalické materiály sa často vyznačujú viacerými dôležitými energetickými hladinami. Najdôležitejšie sú horná časť valenčného pásma, dolná časť vodivostného pásma, Fermiho energia, vákuová hladina a energetické hladiny všetkých defektných stavov v kryštáloch.
Súvisiace stránky
Otázky a odpovede
Otázka: Čo sú to orbitálne energetické hladiny?
Odpoveď: Orbitálne energetické hladiny sú rôzne stavy potenciálnej energie pre elektróny v atóme, definované ako energetické spektrum, ktoré možno kvantovať.
Otázka: Prečo sa kvantovo mechanický systém môže nachádzať len v určitých stavoch?
Odpoveď: Kvantovo mechanický systém môže byť len v určitých stavoch, pretože energetické hladiny sú kvantované, čo znamená, že sú možné len určité energetické hladiny.
Otázka: Čo sú degenerované energetické hladiny?
Odpoveď: Degenerované energetické hladiny sú energetické hladiny, ktoré sa získavajú viac ako jedným kvantovo mechanickým stavom.
Otázka: Kedy je potenciálna energia nastavená na nulu?
Odpoveď: Potenciálna energia sa zvyčajne nastavuje na nulu v nekonečne.
Otázka: Aké je najčastejšie použitie termínu energetická hladina?
Odpoveď: Najčastejšie sa pojem energetická hladina používa v súvislosti s elektrónovou konfiguráciou v atómoch alebo molekulách.
Otázka: Čo určuje energetické hladiny atómov a molekúl?
Odpoveď: Najdôležitejšie faktory, ktoré určujú energetické hladiny atómov a molekúl, sú uvedené v nasledujúcich častiach článku.
Otázka: Existujú prípady, keď energetické spektrum nie je kvantované?
Odpoveď: Áno, existujú prípady, keď energetické spektrum nie je kvantované, čo sa označuje ako spojité spektrum. V kontexte orbitálnych energetických hladín je však energetické spektrum kvantované.