energietoestand

Energietoestand is de toestand van een fysisch systeem die wordt gekenmerkt door een specifieke hoeveelheid energie. In kwantummechanische systemen komt een energietoestand vaak overeen met een eigentoestand van de Hamiltoniaan, de operator die het totale energie-inhoud van het systeem beschrijft.

In de kwantummechanica geldt dat de Hamiltoniaan H werkt op een toestand |n⟩ en deze een eigenwaarde En heeft, zodat H|n⟩ = En|n⟩. Een systeem kan ook in een superpositie verkeren van meerdere energietoestanden, bijvoorbeeld |Ψ⟩ = ∑n cn|n⟩, waarbij |cn|^2 de kans op meting van energie En aangeeft. De tijdontwikkeling van een energietoestand verloopt via een fasefactor exp(-iEn t/ħ); hierdoor blijven de meetbare probabilistische eigenschappen van een energietoestand in feite tijdonafhankelijk zolang de Hamiltoniaan niet verandert.

Voorbeelden van energietoestanden omvatten atomaire elektronen die discrete energieniveaus hebben, moleculaire vibrational- en rotational energietoestanden, en de bandstructuur van kristallen in solid-state systemen. In thermodynamica en statistische mechanica wordt vaak gesproken over energietoestanden in twee betekenissen: enerzijds de discrete energieniveaus van microstaten, en anderzijds de macromaatstaat met een bepaald totale energie.

Overgangen tussen energietoestanden treden op onder pertuberende invloeden, zoals het opnemen of uitzenden van fotonen (absorptie en emissie) en onderhevig aan selectie-regels. Energietoestanden vormen een fundament van spectroscopie, quantum computing, materiaalkunde en thermodynamica.