Енергетичний рівень

Енергетичний рівень — дозволене значення енергії в квантовій механіці. Сукупність енергетичних рівнів називають енергетичним спектром. Математично енергетичний рівень є власним значенням оператора енергії — гамільтоніана. Кожен енергетичний рівень відповідає одному або кільком стаціонарним станам квантової системи. У випадку, коли таких станів кілька, енергетичний рівень називають виродженим (дублетним, триплетним тощо, в залежності від того, скільки станів мають однакову енергію).

Поняття застосовне до атомів (електронний рівень), молекул (різні рівні, що відповідають коливанням і обертанням — коливальний і обертальний рівень), атомних ядер (внутрішньоядерні енергетичні рівні) тощо.

Енергетичний спектр може бути дискретним або неперервним. Дискретний спектр виникає у разі локалізованих станів. Значення енергії у проміжках між дискретними рівнями не відповідають жодному стаціонарному стану квантової системи, а отже є забороненими.

Прикладом дискретного спектру є атомний спектр, що відповідає можливим переходам між енергетичними рівнями електронів у атомі.

Всі квантові стани з енергетичним рівнем, що перевищує енергію основного стану квантової системи, описують як збуджені стани.

Електронні енергетичні рівні

У сучасному понятті про орбітальну модель атома, електрони в атомі здатні мати лише певні величини енергії, і переходити з одного енергетичного рівня на інший лише стрибком. Різниця між енергетичними рівнями визначає частоту кванта світла, що виділяється або поглинається під час переходу. Кожній парі значень головного квантового числа n і орбітального квантового числа l відповідає певний рівень енергії, яку може мати електрон.

Головні енергетичні рівні атома — це сукупності атомних орбіталей, що мають однакові значення головного квантового числа. Число таких енергетичних рівнів у атомі дорівнює номеру періоду, в якому розташований відповідний хімічний елемент. Наприклад, калій — елемент четвертого періоду, отже, його атом має 4 основних енергетичних рівні (n = 4).

Кожен головний енергетичний рівень в атомі розщеплений на підрівні (s-, p-, d-, f-, g-орбіталі), відповідні змінам орбітального квантового числа. У достатньо сильних магнітних полях можна виявити розщеплення цих підрівнів на окремі стани, відповідні різним значенням магнітного квантового числа.

Внутрішньоядерні енергетичні рівні

Термін з'явився завдяки дослідженню радіоактивності. Радіаційне випромінювання розділяється на три частини: альфа-промені, бета-промені і гамма-промені. Дослідження показали, що альфа-випромінювання складається з ядер гелію-4 (див. альфа-частинка), бета-випромінювання є потоком швидко рухомих електронів, а гамма-промені — це вид електромагнітного випромінювання (фотони). Оскільки енергії переходів між різними електронними рівнями недостатньо для виникнення гамма-променів, стало зрозуміло, що їх джерело потрібно шукати всередині атомного ядра: ядро атома саме може мати різні енергетичні рівні, при переходах між якими й відбувається випромінювання гамма-квантів. Гамма-промені розширили спектр відомих електромагнітних хвиль, і всі хвилі, коротші від 10⁻³ нм, називають гамма-променями.

Джерела

• Федорченко А.М. (1993). Теоретична фізика. Квантова механіка, термодинаміка і статистична фізика. Т.2. Київ: Вища школа. , 415 с.
• Уровни энергии // Физическая энциклопедия. — М. : Большая Российская Энциклопедия, 1998. — Т. 5. — С. 238.
• Рівні енергії [ 18 листопада 2021 у Wayback Machine.] // Енциклопедія фізики і техніки (рос.)
• Глосарій термінів з хімії / уклад. Й. Опейда, О. Швайка ; Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Дон. : Вебер, 2008. — 738 с. — ISBN 978-966-335-206-0.