Elektronenzustände

Elektronenzustände bezeichnet die quantenmechanischen Zustände eines Elektrons in einem Atom, Molekül oder Festkörper. Sie sind Eigenzustände des elektronischen Hamiltonoperators und werden durch Energie, Orbital- und Spinstrukturen charakterisiert.

In Atomen lässt sich der Zustand eines Elektrons in erster Linie durch Quantenzahlen beschreiben. Die Hauptquantenzahl n bestimmt die Schale, die Nebenquantenzahl l (0 = s, 1 = p, 2 = d, 3 = f) gibt den Unterkreis an, m_l ist die magnetische Quantenzahl, und m_s die Spinquantenzahl. Die Energie hängt sich im einfachen Modell primär von n ab, wird durch Elektronenwechselwirkungen in realen Atomen aber weiter aufgespalten. Zustände gruppieren sich in Schalen und Subschalen, z. B. 1s, 2s/2p, 3s/3p/3d. Die Gesamtheit der Eigenschaften eines Zustands wird oft durch Termzeichen zusammengefasst, z. B. ^2S+1L_J, wobei S der Gesamtsinn ist, L der Gesamtorbitalimpuls und J der Gesamtdrehimpuls.

Zur Beschreibung der Besetzung gelten Aufbauprinzip, Pauli-Ausschlussprinzip und Hundsche Regel. Diese Regeln bestimmen die Reihenfolge der Besetzung der Unterebenen und die Orientierung der Spins in den Elektronenzuständen eines Atoms.

Übergänge zwischen Elektronenzuständen erklären Spektren. Elektrische Dipolübergänge folgen Auswahlregeln wie Δl = ±1, Δs = 0 und ΔJ = 0, ±1 (J = 0 zu J' = 0 ist verboten). Die Intensität von Linien hängt von Dipolmomente und Lebensdauern der angeregten Zustände ab.

In Molekülen bestimmen elektronische Zustände die Potentialflächen für Reaktivität und Lichtabsorption. In Festkörpern ergeben sich Elektronenzustände zu Bändern ( Bloch-Wellen), deren Struktur maßgeblich die elektronischen Eigenschaften eines Materials prägt.