Energieabstand

Energieabstand bezeichnet in der Physik die Differenz zwischen zwei angrenzenden Energieniveaus eines Quantensystems. Er wird oft mit ΔE bezeichnet und hat in der Regel die Maßeinheit Elektronvolt (eV) oder Joule. Das Energieabstand bestimmt, welche Übergänge energetisch möglich sind, und lässt sich über Photonenabsorption oder -emission nachweisen, da ΔE = h f gilt.

In atomaren oder molekularen Systemen, beispielsweise dem Wasserstoffatom, nimmt der Abstand zwischen den Energieniveaus mit zunehmender Niveaulage ab und spiegelt sich in Spektrallinien wider (Lyman-, Balmer-Reihe). Die Spacings lassen sich theoretisch aus dem Hamiltonoperator ableiten, empirisch aber auch spectroskopisch bestimmen.

In Festkörpern bezeichnet der Begriff häufig den Bandabstand, die sogenannte Bandlücke Eg, die Energie, die der höchste besetzte Valenzband und der niedrigste unbesetzte Leitungsband räumen müssen. Ist Eg groß, wirkt das Material als elektrischer Isolator; ist es klein oder verschoben (durch Temperatur, Dotierung oder Druck), verhält es sich als Halbleiter oder Metall. Typische Eg-Werte reichen von Bruchteilen eines Elektronvolt bis zu mehreren Elektronvolt; Silizium hat circa 1,1 eV, Diamant etwa 5,5 eV.

Messung und Relevanz: Energieabstände bestimmen Spektren, Lichtabsorption, Photolumineszenz und die elektronische Leitfähigkeit. Technisch relevant sind beispielsweise Bandgap-Engineering durch Streckung oder Quantisierung in Nanostrukturen, wodurch die optischen Eigenschaften gezielt angepasst werden können.

Das Konzept hängt vom Kontext ab: Im Detail spricht man von Spacing der Energieniveaus, bei Festkörpern vom Bandabstand oder der Bandlücke.