Энергетический уровень

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}}}}\ } ,

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

Уровни Ридберга зависят только от главного квантового числа 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}} эВ.

Гиперфиновая структура

Спин-ядерно-спиновая связь (см. гиперфинная структура). Типичная величина10 - 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} при μ = q L / m2 {\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} с g {\displaystyle g} гиромагнитным фактором (около 2). μ = μ l + g μ 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})}.

Эффект Старка

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

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} }\,}

где E e l e c t r o n i c {\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 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.

• Конфигурация электрона
• Вычислительная химия
• Спектроскопия