energiskillnaden

Energiskillnaden är skillnaden i energi mellan två kvantmekaniska tillstånd eller konfigurationer i ett fysiskt system. Den är ett centralt begrepp inom kvantmekanik, kemi och fast materia och beskriver hur mycket energi som krävs eller ges upp vid en övergång mellan tillstånd.

Den matematiska storheten ΔE definieras som ΔE = E2 − E1, där E2 är högre än E1. När övergången sker uppkommer eller absorberas ett foton med energi ΔE. Fotons frekvens är ν = ΔE/h och våglängd λ = hc/ΔE. Enheter för energi är joule eller elektronvolt.

I atomer och molekyler motsvarar energiskillnaden excitationenergin; i fasta ämnen är motsvarande storhet bandgapet Eg, skillnaden mellan valensbandets övre kant och ledningsbandets nedre kant, vilket avgör vilka våglängder som kan absorberas och materialets elektriska egenskaper. Exempel: övergångar i väte ger ΔE ≈ 13,6 eV mellan n = 1 och n = 2. För kisel är bandgapet cirka 1,12 eV vid rumstemperatur.

Mätningar görs vanligtvis med absorptions- och emissionsspektroskopi samt fotoluminescens; spektra avslöjar energiskillnaden mellan olika tillstånd genom vilka färgade eller optiskt aktiva material färdas eller fungerar.

Betydelse: energiskillnaden påverkar Boltzmann-faktorn exp(−ΔE/kT), vilket styr hur populationer av energinivåer fördelas vid en given temperatur. Den avgör färg, luminescens och gränserna för elektronisk excitation i tekniska enheter som lysdioder och solceller.