Niveaux d'énergie intrinsèque
Niveau d'énergie de l'état orbital
Supposons un électron dans une orbite atomique donnée. L'énergie de son état est principalement déterminée par l'interaction électrostatique de l'électron (négatif) avec le noyau (positif). Les niveaux d'énergie d'un électron autour d'un noyau sont donnés par :
E n = - h c R ∞ Z 2 n 2 {\displaystyle E_{n}=-hcR_{\infty }{\frac {Z^{2}}{n^{2}}}\ }
,
où R ∞ {\displaystyle R_{\infty }\ } 
est la constante de Rydberg (typiquement entre 1 eV et 103 eV), Z est la charge du noyau de l'atome, n {\displaystyle n\ 
} est le nombre quantique principal, e est la charge de l'électron, h {\displaystyle
h} est la constante de Planck, et c est la vitesse de la lumière.
Les niveaux de Rydberg ne dépendent que du nombre quantique principal n [style d'affichage n]. .
Le fractionnement fin de la structure
La structure fine résulte des corrections relativistes de l'énergie cinétique, du couplage spin-orbite (une interaction électrodynamique entre le spin et le mouvement de l'électron et le champ électrique du noyau) et du terme de Darwin (interaction des électrons s-shell à l'intérieur du noyau). Amplitude typique 10 - 3 {\displaystyle 10^{-3}}
eV.
Structure hyperfine
Couplage spin-nucléaire-spin (voir structure hyperfine). Amplitude typique 10 - 4 {\displaystyle 10^{-4}}
eV.
Interaction électrostatique d'un électron avec d'autres électrons
S'il y a plus d'un électron autour de l'atome, les interactions électron-électron augmentent le niveau d'énergie. Ces interactions sont souvent négligées si le chevauchement spatial des fonctions d'onde des électrons est faible.
Niveaux d'énergie dus aux champs externes
L'effet Zeeman
L'énergie d'interaction est : U = - μ B {\displaystyle U=-\mu B}
avec μ = q L / 2 m {\displaystyle \mu =qL/2m}
Prise en compte de l'effet Zeeman
Cela prend en compte à la fois le moment dipolaire magnétique dû au moment angulaire orbital et le moment magnétique résultant du spin de l'électron.
En raison des effets relativistes (équation de Dirac), le moment magnétique résultant du spin de l'électron est μ = - μ B g s {\displaystyle \mu =-\mu _{B}gs}
avec g {\displaystyle g}
le facteur gyro-magnétique (environ 2). μ = μ l + g μ s {\displaystyle \mu =\mu _{l}+g\mu _{s}}
L'énergie d'interaction obtient donc U B = - μ B = μ B B ( m l + g m s ) {\displaystyle U_{B}=-\mu B=\mu _{B}B(m_{l}+gm_{s})}
.
L'effet de surprise
Interaction avec un champ électrique externe (voir effet Stark).
