Энергетический уровень

Эта статья об орбитальных (электронных) энергетических уровнях. Об энергетических уровнях соединений см. в статье "Химический потенциал".

Просто определяется как различные состояния потенциальной энергии для электронов в атоме. Квантово-механическая система может находиться только в определенных состояниях, поэтому возможны только определенные энергетические уровни. Термин "энергетический уровень" чаще всего используется в отношении конфигурации электронов в атомах или молекулах. Другими словами, энергетический спектр может быть квантован (см. непрерывный спектр для более общего случая).

Как и в случае классических потенциалов, потенциальная энергия обычно устанавливается равной нулю на бесконечности, что приводит к отрицательной потенциальной энергии для связанных электронных состояний.

Уровни энергии считаются вырожденными, если один и тот же уровень энергии получается более чем одним квантовомеханическим состоянием. Тогда они называются вырожденными энергетическими уровнями.

В следующих разделах этой статьи приводится обзор наиболее важных факторов, определяющих энергетические уровни атомов и молекул.

Атомы

Внутренние энергетические уровни

Энергетический уровень орбитального состояния

Предположим, что электрон находится на определенной атомной орбитали. Энергия его состояния в основном определяется электростатическим взаимодействием (отрицательного) электрона с (положительным) ядром. Энергетические уровни электрона вокруг ядра даны в виде :

E n = - h c R ∞ Z n 2{\displaystyle2 E_{n}=-hcR_{\infty }{\frac {Z^{2}}{n^{2}}}}\ } {\displaystyle E_{n}=-hcR_{\infty }{\frac {Z^{2}}{n^{2}}}\ },

где R ∞ {\displaystyle R_{\infty }\ }{\displaystyle R_{\infty }\ } - постоянная Ридберга (обычно от 1 эВ до 103 эВ), Z - заряд ядра атома, n {\displaystyle n\ }{\displaystyle n\ } - главное квантовое число, e - заряд электрона, h {\displaystyle h}{\displaystyle h} - постоянная Планка, и c - скорость света.

Уровни Ридберга зависят только от главного квантового числа n {\displaystyle n\ } {\displaystyle n\ }.

Расщепление тонкой структуры

Тонкая структура возникает из-за релятивистских поправок к кинетической энергии, спин-орбитальной связи (электродинамическое взаимодействие между спином и движением электрона и электрическим полем ядра) и члена Дарвина (контактное взаимодействие электронов s-оболочки внутри ядра). Типичная величина10 - 3{\displaystyle 10^{-3}}{\displaystyle 10^{-3}} эВ.

Гиперфиновая структура

Спин-ядерно-спиновая связь (см. гиперфинная структура). Типичная величина10 - 4{\displaystyle 10^{-4}}{\displaystyle 10^{-4}} эВ.

Электростатическое взаимодействие электрона с другими электронами

Если вокруг атома находится более одного электрона, электрон-электронные взаимодействия повышают уровень энергии. Этими взаимодействиями часто пренебрегают, если пространственное перекрытие волновых функций электронов невелико.

Уровни энергии, обусловленные внешними полями

Эффект Зеемана

Энергия взаимодействия равна: U = - μ B {\displaystyle U=-\mu B}{\displaystyle U=-\mu B} при μ = q L / m2 {\displaystyle \mu =qL/2m} {\displaystyle \mu =qL/2m}

Эффект Зеемана с учетом спина

При этом учитывается как магнитный дипольный момент, обусловленный орбитальным угловым моментом, так и магнитный момент, возникающий из-за спина электрона.

Из-за релятивистских эффектов (уравнение Дирака) магнитный момент, возникающий из-за спина электрона, равен μ = - μ B g s {\displaystyle \mu =-\mu _{B}gs}{\displaystyle \mu =-\mu _{B}gs} с g {\displaystyle g}g гиромагнитным фактором (около 2). μ = μ l + g μ s {\displaystyle \mu =\mu _{l}+g\mu _{s}}. {\displaystyle \mu =\mu _{l}+g\mu _{s}}Поэтому энергия взаимодействия получается U B = - μ B = μ B B ( m l + g m s ) {\displaystyle U_{B}=-\mu B=\mu _{B}B(m_{l}+gm_{s})}{\displaystyle U_{B}=-\mu B=\mu _{B}B(m_{l}+gm_{s})}.

Эффект Старка

Взаимодействие с внешним электрическим полем (см. эффект Штарка).

Молекулы

Грубо говоря, молекулярное энергетическое состояние, т.е. собственное состояние молекулярного гамильтониана, представляет собой сумму электронной, колебательной, вращательной, ядерной и трансляционной компонент, таких что:

E = E l e c t r o n i c + 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 c l e r + E t r a n s l a t i o n a l {\displaystyle E=E_{\mathrm {электронный} }+E_{\mathrm {вибрационная} }+E_{\mathrm {вращательное} }+E_{\mathrm {ядерный} }+E_{\mathrm {трансляционный} }\,} {\displaystyle E=E_{\mathrm {electronic} }+E_{\mathrm {vibrational} }+E_{\mathrm {rotational} }+E_{\mathrm {nuclear} }+E_{\mathrm {translational} }\,}

где E e l e c t r o n i c {\displaystyle E_{\mathrm {electronic} }}{\displaystyle E_{\mathrm {electronic} }} является собственным значением электронного молекулярного гамильтониана (значение поверхности потенциальной энергии) при равновесной геометрии молекулы.

Молекулярные энергетические уровни обозначаются символами молекулярных терминов.

Удельные энергии этих компонентов зависят от конкретного энергетического состояния и вещества.

В молекулярной физике и квантовой химии энергетический уровень - это квантованная энергия связанного квантовомеханического состояния.

Кристаллические материалы

Кристаллические материалы часто характеризуются рядом важных энергетических уровней. Наиболее важными из них являются верхняя часть валентной зоны, нижняя часть полосы проводимости, энергия Ферми, вакуумный уровень и уровни энергии любых дефектных состояний в кристаллах.

Похожие страницы

Вопросы и ответы

В: Что такое орбитальные энергетические уровни?


О: Орбитальные энергетические уровни - это различные состояния потенциальной энергии для электронов в атоме, определяемые как энергетический спектр, который может быть квантован.

В: Почему квантово-механическая система может находиться только в определенных состояниях?


О: Квантово-механическая система может находиться только в определенных состояниях, потому что уровни энергии квантованы, то есть возможны только определенные уровни энергии.

В: Что такое вырожденные энергетические уровни?


О: Вырожденные энергетические уровни - это энергетические уровни, которые получаются более чем из одного квантовомеханического состояния.

В: Когда потенциальная энергия устанавливается на ноль?


О: Потенциальная энергия обычно равна нулю на бесконечности.

В: Каково наиболее распространенное использование термина энергетический уровень?


О: Наиболее часто термин энергетический уровень используется в отношении конфигурации электронов в атомах или молекулах.

В: Что определяет энергетические уровни атомов и молекул?


О: Наиболее важные факторы, определяющие энергетические уровни атомов и молекул, обсуждаются в следующих разделах статьи.

В: Существуют ли случаи, когда энергетический спектр не квантован?


О: Да, существуют случаи, когда энергетический спектр не квантован, что называется непрерывным спектром. Однако, в контексте орбитальных уровней энергии, энергетический спектр квантован.

AlegsaOnline.com - 2020 / 2023 - License CC3