Elektronenzuständen

Elektronenzustände sind die quantenmechanischen Zustände der Elektronen eines Atoms oder Moleküls. Sie definieren die Energie, die räumliche Verteilung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit und den Spin der Elektronen und ergeben sich aus der Lösung der Schrödinger-Gleichung für das System. In Atomen lässt sich ein Zustand durch die Quantenzahlen n (Hauptquantenzahl), l (Orbitaldrehimpuls), m_l (magnetische Quantenzahl) und m_s (Spinquantenzahl) beschreiben. In Molekülen werden Elektronen in Molekülorbitalen verteilt, die sich aus den Atomorbitalen durch eine Linearkombination bilden (LCAO).

Grund- und angeregte Zustände unterscheiden sich durch die Besetzung der Orbitale. Das Aufbauprinzip, die Hundsche Regel und das Pauli-Verbot bestimmen die Elektronenkonfiguration im Grundzustand. Durch energetische Anregungen und Wechselwirkungen entstehen angeregte Zustände, deren Energieabstände Spektrallinien erzeugen. Die Feinstruktur geht zusätzlich auf Spin-Bahn-Kopplung zurück und teilt Zustände weiter in energetisch eng beieinanderliegende Linien auf.

Bei Atomen werden elektronische Zustände häufig durch Termsymbole beschrieben, die dem Spinquantumzahl S, dem Bahndrehimpuls L und dem Gesamtdrehimpuls J entsprechen (im Russell-Saunders-Kopplungssystem: 2S+1L_J). In Molekülen verwendet man Bezeichnungen wie X^1Σ_g^+, A^3Π_u usw. für Diatomzustände; diese geben Orientierung über Symmetrie, Spinmultiplet und Paritätszeichen.

Elektronenzustände bestimmen chemische Eigenschaften und das Reaktionsverhalten sowie Lichtabsorption und -emission. Elektronische Übergänge durch Licht ermöglichen Zustandswechsel; grobe Auswahlregeln verlangen meist ΔS = 0 und bestimmte Parität/ΔL-Regeln. Die Übergänge erklären UV/Vis-Absorption, Fluoreszenz und Phosphoreszenz. Experimentell lassen sich Elektronenzustände mit Spektroskopie bestimmen, z. B. UV-Vis-Spektroskopie oder Photoelektronenspektroskopie.