Zustandsniveau

Zustandsniveau ist ein Begriff aus der Quantenmechanik, der die diskreten Energiezustände eines quantenmechanischen Systems bezeichnet. Jedes Zustandsniveau entspricht einem bestimmten Energiewert, der durch die Eigenwerte des Hamiltonoperators des Systems festgelegt wird. In gebundenen Systemen sind diese Werte quantisiert und bilden ein abzählbares Spektrum; freigegebene oder Streuzustände bilden oft ein Kontinuum.

Die Niveaus lassen sich durch Quantenzahlen oder andere Quantenzustände eindeutig charakterisieren und sind eng verknüpft mit Eigenschaften wie Degeneration, Grundzustand und angeregten Zuständen. Übergänge zwischen Zustandsniveaus ergeben sich durch Absorption oder Emission von Photonen und äußern sich in Spektrallinien, deren Energie dem Unterschied der beteiligten Niveaus entspricht. Auswahlregeln bestimmen, welche Übergänge zulässig sind.

Beispiele für Zustandsniveaus finden sich in verschiedenen Bereichen der Physik: im Wasserstoffatom entsprechen die Niveaus n=1, 2, 3 … den charakteristischen Spektrallinien; in Halbleitern und Nanostrukturen wie Quantenpunkten ergeben sich diskrete Energielevels durch räumliche Begrenzung; in Molekülen treten vibrationale und Rotationsniveaus auf. In Festkörpern kann das Konzept der Zustandsniveaus auch für Defekt- oder Oberflächenzustände verwendet werden.

Messmethoden wie Spektroskopie, Photoelektronenspektroskopie oder Rasterkraft-/Scanning-Tunneling-Spektroskopie liefern Informationen über die Lage und Struktur der Zustandsniveaus. Die Verteilung der Bevölkerung auf verschiedene Niveaus hängt von Temperatur und Umweltbedingungen ab (Boltzmann-Verteilung); niedrigere Niveaus sind bei niedrigen Temperaturen stärker besetzt.

Siehe auch: Energiezustand, Spektrum, Übergangsregel, Quantisierung.