Energiatilat

Energitilat ovat kvanttijärjestelmän tiloja, jotka vastaavat Hamiltonin operatorin eigenarvoja ja joilla on määritelty energia. Kun järjestelmä on eristetty ulkoisista vaikutuksista, tilan energia pysyy vakiona ja tilan aikakehitys koostuu ainoastaan vaiheesta. Energitilat muodostavat täydellisen perusjoukon, jolla voidaan esittää järjestelmän yleiset tilat superpositionina.

Esimerkkiin: atomien elektronit asettuvat diskreettikokoisiin energiatiloihin. Energiatason erot määrittävät, millaista fotonia järjestelmä voi absorboida tai emittoida. Esimerkiksi hydridin atomissa energiatilat n=1,2,3,... ovat E_n = -13.6 eV / n^2. Energiapoikkeamat ΔE(ni → nj) vastaavat säteilyn tai fotonin absorptiota, ja nämä erot näkyvät spektreissä.

Siirtymät energiatiloista toisiin tapahtuvat, kun järjestelmä kokee ulkoisen vuorovaikutuksen, kuten sähkömagneettisen säteilyn. Dipolimomentin mahdollistamat siirtymät johtavat emissioon tai absorptioon, ja tällöin syntyy spektrilinjat. Siirtymät noudattavat valitsemis-sääntöjä; esimerkiksi monissa atomisissa järjestelmissä Δl = ±1 on sallittu, mikä rajoittaa mahdollisia siirtymiä.

Populaatio energiatiloissa riippuu ympäristön lämpötilasta. Boltzmannin jakauma määrittelee tilojen todennäköisyydet: p_i ∝ g_i exp(-E_i/k_B T), missä g_i on tilan degeneraatio. Tämä vaikuttaa esimerkiksi litteäisissä spektraalisissa voimakkuuksissa ja lämpötilan aikakausisin vaihteluin.

Sovellukset kattavat spektroskopian, laserteknologian sekä kvanttitietojenkäsittelyn peruskonseptit. Energitilat muodostavat keskeisen käsitteen monissa fysiikan ja kemian osa-alueissa.