Niveau d'énergie
Cet article porte sur les niveaux d'énergie orbitale (des électrons). Pour connaître les niveaux d'énergie des composés, voir le potentiel chimique.
Définis simplement comme les différents états d'énergie potentielle des électrons dans un atome. Un système de mécanique quantique ne peut se trouver que dans certains états, de sorte que seuls certains niveaux d'énergie sont possibles. Le terme de niveau d'énergie est le plus souvent utilisé en référence à la configuration des électrons dans les atomes ou les molécules. En d'autres termes, le spectre d'énergie peut être quantifié (voir spectre continu pour le cas le plus général).
Comme pour les potentiels classiques, l'énergie potentielle est généralement fixée à zéro à l'infini, ce qui entraîne une énergie potentielle négative pour les états des électrons liés.
On dit que les niveaux d'énergie sont dégénérés, si le même niveau d'énergie est obtenu par plus d'un état de mécanique quantique. On les appelle alors des niveaux d'énergie dégénérés.
Les sections suivantes de cet article donnent un aperçu des facteurs les plus importants qui déterminent les niveaux d'énergie des atomes et des molécules.
Atomes
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).
Molécules
En gros, un état d'énergie moléculaire, c'est-à-dire un état d'huitième de l'hamiltonien moléculaire, est la somme d'une composante électronique, vibratoire, rotationnelle, nucléaire et translationnelle, telle que :
E = E l e c t r o n i q u e + E v i b r a t i o n a l + E r o t a t i o n a l + E n u c l e a r + E t r a n s l a t i o n a l {\displaystyle E=E_{\mathrm {électronique} }+E_{\mathrm {vibrationnel} }+E_{\mathrm {rotationnel} }+E_{\mathrm {nucléaire} }+E_{\mathrm {translationnel} }\,}
où E e l e c t r o n i c {\displaystyle E_{\mathrm {electronic} }}
est une valeur propre de l'hamiltonien électronique moléculaire (la valeur de la surface d'énergie potentielle) à la géométrie d'équilibre de la molécule.
Les niveaux d'énergie moléculaire sont indiqués par les symboles des termes moléculaires.
Les énergies spécifiques de ces composants varient en fonction de l'état énergétique spécifique et de la substance.
En physique moléculaire et en chimie quantique, un niveau d'énergie est une énergie quantifiée d'un état mécanique quantique lié.
Matériaux cristallins
Les matériaux cristallins sont souvent caractérisés par un certain nombre de niveaux d'énergie importants. Les plus importants sont le haut de la bande de valence, le bas de la bande de conduction, l'énergie de Fermi, le niveau de vide et les niveaux d'énergie de tout état de défaut dans les cristaux.
Pages connexes
- Configuration des électrons
- Chimie computationnelle
- Spectroscopie
Questions et réponses
Q : Que sont les niveaux d'énergie orbitale ?
R : Les niveaux d'énergie orbitale sont différents états d'énergie potentielle pour les électrons dans un atome, définis comme le spectre d'énergie qui peut être quantifié.
Q : Pourquoi un système de mécanique quantique ne peut-il se trouver que dans certains états ?
R : Un système de mécanique quantique ne peut se trouver que dans certains états parce que les niveaux d'énergie sont quantifiés, ce qui signifie que seuls certains niveaux d'énergie sont possibles.
Q : Que sont les niveaux d'énergie dégénérés ?
R : Les niveaux d'énergie dégénérés sont des niveaux d'énergie obtenus par plus d'un état de la mécanique quantique.
Q : Quand l'énergie potentielle est-elle fixée à zéro ?
R : L'énergie potentielle est généralement fixée à zéro à l'infini.
Q : Quelle est l'utilisation la plus courante du terme "niveau d'énergie" ?
R : L'utilisation la plus courante du terme "niveau d'énergie" fait référence à la configuration des électrons dans les atomes ou les molécules.
Q : Qu'est-ce qui détermine les niveaux d'énergie des atomes et des molécules ?
R : Les facteurs les plus importants qui déterminent les niveaux d'énergie des atomes et des molécules sont abordés dans les sections suivantes de l'article.
Q : Existe-t-il des cas où le spectre énergétique n'est pas quantifié ?
R : Oui, il existe des cas où le spectre d'énergie n'est pas quantifié, ce que l'on appelle un spectre continu. Toutefois, dans le contexte des niveaux d'énergie orbitale, le spectre d'énergie est quantifié.
