Nível de energia

Este artigo é sobre os níveis de energia orbital (elétron). Para os níveis de energia dos compostos, veja o potencial químico.

Definidos simplesmente como os diferentes estados de energia potencial para elétrons em um átomo. Um sistema mecânico quântico só pode estar em certos estados, de modo que somente certos níveis de energia são possíveis. O termo nível de energia é mais comumente usado em referência à configuração dos elétrons em átomos ou moléculas. Em outras palavras, o espectro de energia pode ser quantificado (ver espectro contínuo para o caso mais geral).

Como no caso dos potenciais clássicos, a energia potencial é normalmente colocada a zero no infinito, levando a uma energia potencial negativa para estados de elétrons ligados.

Diz-se que os níveis de energia são degenerados, se o mesmo nível de energia for obtido por mais de um estado mecânico quântico. São então denominados níveis de energia degenerada.

As seções seguintes deste artigo dão uma visão geral sobre os fatores mais importantes que determinam os níveis de energia dos átomos e moléculas.

Átomos

Níveis de energia intrínsecos

Nível de energia do estado orbital

Assumir um elétron em um determinado orbital atômico. A energia de seu estado é determinada principalmente pela interação eletrostática do elétron (negativo) com o núcleo (positivo). Os níveis de energia de um elétron em torno de um núcleo são dados por :

E n = - h c R ∞ Z 2 n 2 {\i1}=-hcR_{\i1}{\i1}{\i1}{\i1}}- hcR_{\i1}frac {\i}{\i}{\i}{\i1}}{\i1}frac $E_{n}=-hcR_{\infty }{\frac {Z^{2}}{n^{2}}}\$ ,

onde R ∞ {\i1}onde R_estilo R_estilo R_estilo R $R_{\infty }\$ é a constante Rydberg (tipicamente entre 1 eV e ¹⁰³ eV), Z é a carga do núcleo do átomo, n {\i1}estilo N $n\$ é o número quântico principal, e é a carga do elétron, h {\i1}estilo H $h$ é a constante Planck, e c é a velocidade da luz.

Os níveis de Rydberg dependem apenas do número quântico principal n $n\$ .

Fraccionamento de estrutura fina

A estrutura fina surge de correções cinéticas relativistas de energia, acoplamento spin-orbit (uma interação eletrodinâmica entre o spin e o movimento do elétron e o campo elétrico do núcleo) e o termo Darwin (termo de contato interação dos elétrons s-shell dentro do núcleo). magnitude típica 10 - 3 ^{-3}} $10^{-3}$ eV.

Estrutura hiperfina

Acoplamento spin-nuclear-spin (ver estrutura hiperfina). Dimensão típica 10 - 4 ^{-4}} $10^{-4}$ eV.

Interação eletrostática de um elétron com outros elétrons

Se houver mais de um elétron ao redor do átomo, as interações elétron-eletrônico elevam o nível de energia. Essas interações são freqüentemente negligenciadas se a sobreposição espacial das funções de ondas de elétrons for baixa.

Níveis de energia devido a campos externos

Efeito Zeeman

A energia de interação é: U = - μ B {\\i1} $U=-\mu B$ com μ = q L / 2 m {\i} {\i1}displaystyle \i =qL/2m $\mu =qL/2m$

Efeito Zeeman levando em conta a rotação

Isto leva em conta tanto o momento dipolo magnético devido ao momento angular orbital quanto o momento magnético decorrente do giro do elétron.

Devido aos efeitos relativistas (equação de Dirac), o momento magnético decorrente do giro dos elétrons é μ = - μ B g s {\i1}displaystyle {\i} $\mu =-\mu _{B}gs$ com g g {\i} the gyro-magnetic factor (about 2). μ = μ l + g μ s {\i}displaystyle {\i=mu _{\i}+g{\i _{\i}} $\mu =\mu _{l}+g\mu _{s}$ A energia de interação, portanto, recebe U B = - μ B = μ B B B ( m l + g m s ) {\i1}-{B}=-\u B=\mu _{B}B(m_{l}+gm_{s})} $U_{B}=-\mu B=\mu _{B}B(m_{l}+gm_{s})$ .

Efeito Stark

Interação com um campo elétrico externo (ver efeito Stark).

Materiais cristalinos

Grosso modo, um estado de energia molecular, ou seja, um estado eigensta do Hamiltoniano molecular, é a soma de um componente eletrônico, vibracional, rotacional, nuclear e translacional, tal que:

E = E e l e c t r o n i c + E v i b r a ç ã o + E r o t a ç ã o + E n u c l e a r + E t r a n s l a ç ã o E=E_{\mathrm {\mathrm {\i} + E_E_mathrm {vibracional} + E_E_mathrm {\\i1}{\i1}-rotacional + E_E_mathrm {\i1}{\i1}nuclear + E_E_mathrm {\\i1}translacional }\,} $E=E_{\mathrm {electronic} }+E_{\mathrm {vibrational} }+E_{\mathrm {rotational} }+E_{\mathrm {nuclear} }+E_{\mathrm {translational} }\,$

onde E e l e c t r o n i c {\i1}displaystyle E_{\i}mathrm {\i} }}} $E_{\mathrm {electronic} }$ é um valor próprio da molécula molecular eletrônica hamiltoniana (o valor da superfície energética potencial) na geometria de equilíbrio da molécula.

Os níveis de energia molecular são rotulados pelos símbolos do termo molecular.

As energias específicas destes componentes variam com o estado energético específico e a substância.

Em física molecular e química quântica, um nível de energia é uma energia quantizada de um estado mecânico quântico vinculado.

[{
[31417-25732]}]

Os materiais cristalinos são freqüentemente caracterizados por uma série de níveis importantes de energia. Os mais importantes são o topo da banda de valência, a parte inferior da banda de condução, a energia Fermi, o nível de vácuo e os níveis de energia de qualquer estado de defeito nos cristais.

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Perguntas e Respostas

P: O que são níveis de energia orbital?

R: Níveis de energia orbital são diferentes estados de energia potencial para elétrons em um átomo, definidos como o espectro de energia que pode ser quantizado.

P: Por que um sistema mecânico quântico só pode estar em determinados estados?

R: Um sistema mecânico quântico só pode estar em determinados estados porque os níveis de energia são quantizados, o que significa que somente determinados níveis de energia são possíveis.

P: O que são níveis de energia degenerados?

R: Níveis de energia degenerados são níveis de energia obtidos por mais de um estado mecânico quântico.

P: Quando a energia potencial é definida como zero?

R: A energia potencial geralmente é definida como zero no infinito.

P: Qual é o uso mais comum do termo nível de energia?

R: O uso mais comum do termo nível de energia é em referência à configuração eletrônica em átomos ou moléculas.

P: O que determina os níveis de energia de átomos e moléculas?

R: Os fatores mais importantes que determinam os níveis de energia de átomos e moléculas são discutidos nas seções seguintes do artigo.

P: Há casos em que o espectro de energia não é quantizado?

R: Sim, há casos em que o espectro de energia não é quantizado, o que é chamado de espectro contínuo. Entretanto, no contexto dos níveis de energia orbital, o espectro de energia é quantizado.