Kvanttitaso

Kvanttitaso on fysikaalisen järjestelmän mahdollinen energia-arvo, jonka kyseinen järjestelmä voi omistaa kvanttimekaniikan sääntöjen mukaan. Energia on usein kvantisoitua: järjestelmän energia voi olla vain diskreettien arvojen joukossa, ei jatkuva. Kvanttitasoja esiintyy lukuisissa järjestelmissä, kuten atomeissa, molekyyleissä ja nanoteknologiaa hyödyntävissä rakennelmissa.

Kvanttitasojen muodostuminen selittyy ratkaisemalla järjestelmän Hamiltonin operaattori. Osa tiloista on eigentiloja, joilla energia on tarkka arvo E_n. Esimerkiksi atomiin kuuluvan elektronin energiatilat määräytyvät potentiaalin ja kvanttilukujen mukaan. Yksinkertaisessa vetyatomissa energiatasot ovat likimäärin E_n = -13,6 eV / n^2, ja tilat ominaisuuksiltaan määritellään pääkvanttiluvun sekä muiden kvanttilukujen avulla.

Siirtymät kvanttitasojen välillä tapahtuvat fotonien absorptio- tai emission yhteydessä. Energian muutos ΔE vastaa fotonin energianaaria: ΔE = hν. Tämä selittää spektriviivat ja mahdollistaa materiaalien ja kemiallisten yhdisteiden ominaisuuksien tutkimisen. Siirtymille noudatetaan usein valikointasääntöjä, jotka rajoittavat mahdollisia tilansiirtoja.

Kvanttitasot esiintyvät monissa järjestelmissä: elektronien energia-tasot atomeissa, molekyylien vibrational- ja rotationaltasot, kvanttipisteet sekä superkonduktoripohjaiset laitteet, joissa käytetään kvantti-tiloja esimerkiksi qubiteina. Tasojen potilas populaatio riippuu lämpötilasta Boltzmannin jakauman mukaan, mikä vaikuttaa havaittaviin spektraaleihin ja järjestelmän reaktioihin.

Käytännössä kvanttitasot ovat keskeisiä kvanttifysiikan ja teknologian aloja, kuten spektroskopiassa, kvantumkemianteissa ja kvanttitietojenkäsittelyssä.