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}}}}\ } $E_{n}=-hcR_{\infty }{\frac {Z^{2}}{n^{2}}}\$ ,

kde R ∞ {\displaystyle R_{\infty }\ } $R_{\infty }\$ je Rydbergova konštanta (zvyčajne medzi 1 eV a 10³ eV), Z je náboj jadra atómu, n {\displaystyle n\ } $n\$ je hlavné kvantové číslo, e je náboj elektrónu, h {\displaystyle h} $h$ je Planckova konštanta a c je rýchlosť svetla.

Rydbergove hladiny závisia len od hlavného kvantového čísla n {\displaystyle n\ } $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}} $10^{-3}$ eV.

Hyperjemná štruktúra

Spinovo-jadrovo-spinová väzba (pozri hyperjemná štruktúra). Typická veľkosť10 - 4{\displaystyle 10^{-4}} $10^{-4}$ 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} $U=-\mu B$ s μ = q L / m 2{\displaystyle \mu =qL/2m} $\mu =qL/2m$

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} $\mu =-\mu _{B}gs$ , pričom g {\displaystyle g} je gyromagnetický faktor (približne 2). μ = μ l + g μ s {\displaystyle \mu =\mu _{l}+g\mu _{s}} $\mu =\mu _{l}+g\mu _{s}$ 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})} $U_{B}=-\mu B=\mu _{B}B(m_{l}+gm_{s})$ .

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} }\,} $E=E_{\mathrm {electronic} }+E_{\mathrm {vibrational} }+E_{\mathrm {rotational} }+E_{\mathrm {nuclear} }+E_{\mathrm {translational} }\,$

kde E e l e k t r o n i k a {\displaystyle E_{\mathrm {electronic} }} $E_{\mathrm {electronic} }$ 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.