energieniveaus

Energieniveaus zijn discrete toestanden waarin een fysisch systeem zich kan bevinden, elk met een specifieke energie. In kwantummechanica is het mogelijk alleen bepaalde energies toestaan voor een onderdeel van een systeem, zoals een elektron in een atoom. Deze discrete energiespiegels worden vaak weergegeven als energiediagrammen waar lijnen de toestanden en de energieverschillen tussen hen aangeven. In warmte en straling spelen de populaties van deze niveaus een sleutelrol, die afhangt van de omgeving en de temperatuur.

In atoomkernen en atomaire elektronen bestaan energieniveaus die bepalen welke toestanden elektronen kunnen innemen. Voor een zuivere, hydrogen-achtig atoom geldt bijvoorbeeld E_n = -13,6 eV / n^2, met n als hoofdniveau. Elektronen kunnen tussen niveaus springen door het opnemen of uitzenden van fotonen, met energie ΔE = hν. Hierdoor ontstaan karakteristieke spectra met lijnen die kenmerkend zijn voor elk element. De kans op een overgang wordt deels bepaald door selectievoorwaarden, zoals veranderingen in kwantumgetallen en parity.

Ook moleculen hebben energieniveaus, verdeeld in vibratie- en rotatieniveaus. In vaste stoffen leiden overlappende elektronorbitals tot bandstructuren: de valentieband en de geleidbaarband, met een bandkloof die de elektrische eigenschappen bepaalt. Materie kan elektrische excitatie leveren of opnemen door verschuivingen tussen bandniveaus, wat leidt tot optische en elektronische verschijnselen zoals lichtabsorptie, luminescentie en geleidbaarheid.

Methoden zoals spectroscopie onderzoeken energieniveaus door transitions en hun intensiteiten. Energieniveaus zijn fundament voor begrip van chemische binding, spectrale kenmerken en de elektronische structuur van atomen, moleculen en vaste stoffen.