energinivåerna

Energinivåerna är de diskreta tillstånden som elektroner i bundna system såsom atomer, joner eller molekyler kan befinna sig i. Dessa nivåer uppstår ur kvantmekaniska vågfunktioner och beskriver elektroniska orbitaler samt vibrational- och rotationslägen i molekyler. Övergångar mellan nivåerna är kvantiserade och leds av fotoner när deras energi förändras.

En övergång mellan två nivåer kräver tillförsel eller avlägsnande av energi, oftast i form av en foton där energin E = hν = E2 − E1. Detta ger upphov till absorption eller emission av ljus vid specifika våglängder och därmed karakteristiska spektra.

För väteatomens elektronenerginivåer följer energierna E_n = −13,6 eV / n^2 (n är huvudkvanttal).Övergångar mellan nivåer ger spectral linjer som kallas Lyman, Balmer och Paschen, vilka förekommer i olika delar av spektret.

I fler-elektron-atomer är energinivåerna mer komplexa på grund av elektron–elektron-interaktioner och spin–orbit-samverkan. Energinivåerna märks ofta med term-symboler och beräknas med kvantmekaniska metoder; spektroskopi används för att empiriskt kartlägga dem.

I molekyler finns elektroniska nivåer tillsammans med vibrationala och rotationslägen. Övergångar kan kombineras och ger molekylspektroskopi som används inom kemi och astrofysik.

I fasta material fylls energinivåerna ut i tätt packade band. Valensbandet och ledningsbandet övergår i ett bandgap som styr elektrisk ledning och optiska egenskaper. I metaller kan banden ligga överlappande och ge hög ledningsförmåga.

Populationen av nivåerna följer Boltzmann-fördelning vid termodynamisk jämvikt. Vid rumstemperatur dominerar de lägsta nivåerna men högre nivåer kan befolkas när energi tillförs av värme eller ljus.

Användningar omfattar spektroskopi, laserteknik, fotonik, kvantteknik och materialvetenskap, där kunskap om energinivåer används för att förstå och kontrollera ljus–matter-interaktioner.