Energielevel

Der Begriff Energielevel bezeichnet in der Quantenmechanik die diskreten Eigenenergien eines Quantensystems. Gebundene Zustände haben diskrete Spektren, während ungebundene Zustände ein Kontinuum bilden. Die Energielevel ergeben sich aus der Lösung der Schrödinger-Gleichung mit dem jeweiligen Potential des Systems.

In Atomen entstehen Elektronenenergien durch die Lösung des Elektronennachweises in einem Kernpotential. Beim Wasserstoffmodell folgt E_n -13,6 eV/n^2. Die Energielevel besitzen Degenerien, die durch Haupt-, Neben- und Magnetquantenzahlen sowie Spin weiter unterteilt werden. Feinstruktur- und hyperfeine Strukturveränderungen verfeinern die Energiewerte zusätzlich.

Übergänge zwischen Energieleveln erfolgen durch Absorption oder Emission von Photonen; die dabei übertragene Energie entspricht ΔE = hν. Daraus entstehen Spektrallinien, die Rückschlüsse auf das Energiespektrum eines Systems ermöglichen. Auswahlregeln regeln, welche Übergänge zulässig sind, zum Beispiel Dipol-Übergänge mit Δl = ±1.

In Festkörpern erscheinen Energielevel meist als Energiebänder statt als einzelne Diskretionen. Valenz- und Leitungsband, getrennt durch eine Bandlücke, erklären elektrisch leitfähige Eigenschaften von Halbleitern und Metallen unter dem Einfluss der Kristallstruktur. In Molekülen ergeben sich vibro- und rotational angeregte Level; Übergänge innerhalb von Molekülen erzeugen charakteristische Spektren.

Die Population von Energieleveln folgt thermischen Verteilungen (Boltzmann-Verteilung). Messungen von Energieleveln erfolgen durch Spektroskopie, Photonenemission und fotoelektrische Spektroskopie; sie liefern zentrale Informationen über die Struktur und Eigenschaften des Systems.