רמת אנרגיה

תבנית:שכתוב רמת אנרגיה היא מושג פיזיקלי המתאר את המצב האנרגטי שבו נמצאת מערכת תחת השפעה של פוטנציאל, כאשר היא במצב קוונטי קשור. על פי מכניקת הקוונטים, רמות אנרגיה הן בדידות, כלומר מערכת יכולה לקבל מספר סופי ובדיד של רמות אנרגיה, שערכן הוא מספר שלם מוכפל בקבוע פלאנק. הערכים המותרים של האנרגיה נקבעים על ידי הפרמטרים של המערכת (מסה, מטען חשמלי וכדומה) וסוג הפוטנציאל הקושר.

תיאור פורמלי

את המערכת הפיזיקלית יש לייצג באמצעות המילטוניאן, אשר מהווה ייצוג המכיל את כל משוואות התנועה של המערכת והפרמטרים שלה (מסה, מהירות, תנע). בהינתן מערכת פיזיקלית עם המילטוניאן

$\ H={\frac {p^{2}}{2m}}+V(r)$

פותרים את משוואת שרדינגר כדי למצוא את המצבים העצמיים של המערכת ואת ההתפתחות שלהם בזמן. מצב עצמי של משוואת שרדינגר מקיים

$\ H|n\rangle =E_{n}|n\rangle$

כאשר $E_{n}$ היא האנרגיה העצמית של המערכת. פתרונות המערכת מייצגים את רמות האנרגיה הבדידות המותרות במערכת. ההתפתחות של מצב עצמי בזמן נתונה על ידי:

$|\psi (t)\rangle =e^{-iE_{n}t/\hbar }|n\rangle$

דוגמאות למערכות שיש להן רמות אנרגיה בדידות

• בור אינסופי (חלקיק בקופסה)
• אוסצילטור הרמוני קוונטי
• אלקטרון באטום ובפרט אטום המימן
• בגביש רמות האנרגיה בדידות אך צפופות, והן מתוארות על ידי מבנה פסים.

רמות אנרגיה באטומים

ערך מורחב – אורביטל אטומי

על-פי מודל האטום העכשווי, בנוי האטום מגרעין, בו נמצאים הנייטרונים, חסרי מטען חשמלי, והפרוטונים, בעלי מטען חשמלי חיובי, ומסביבו נעים האלקטרונים בעלי מטען חשמלי שלילי ושקול למטען החיובי של הפרוטונים. האלקטרונים נעים באורביטלים מוגדרים הנמצאים ברמות אנרגיה מדורגות. כל רמת אנרגיה מכילה אורביטל אחד או יותר, על פי סדר מסוים בו ככל שהרמה גבוהה יותר כך היא כוללת יותר אורביטלים. כל אורביטל מאכלס עד 2 אלקטרונים.

מס' אטומי	שם היסוד	K	L	M	N	O	P
2	הליום	2
10	ניאון	2	8
18	ארגון	2	8	8
36	קריפטון	2	8	18	8
54	קסנון	2	8	18	18	8
86	רדון	2	8	18	32	18	8

האלקטרונים מסודרים ברמות האנרגיה באופן קבוע, כך שמספר האלקטרונים המקסימלי בכל רמת אנרגיה אינו תלוי בסוג היסוד אליו הוא שייך.

על-פי התאוריה הנוכחית, מבנה אטום של גזים אצילים (הליום, ניאון וכו') הוא הדגם השלם של סידור האלקטרונים ברמות האנרגיה השונות, וזהו המצב אליו שואף כל אטום להגיע.

מספר האלקטרונים בכל רמת אנרגיה בכל אטום של גז אציל במצב נייטרלי ניתן לתאור בטבלה משמאל (K, ‏L וכו' מסמלים את רמות האנרגיה השונות). מספר האלקטרונים המרבי בכל רמת אנרגיה הוא 2n².

כתוצאה מדחייה חשמלית בין האורביטלים השונים בכל רמת אנרגיה, האנרגיה של האורביטלים השונים משתנה ונוצרות לכל רמת אנרגיה (מלבד שתי הראשונות) תת-רמות. כל תת-רמה כוללת קבוצת אורביטלים מאותו סוג, ולכן, מספר תת-הרמות בכל רמה שווה למספר סוגי האורביטלים השונים באותה רמה. כלומר, ככל שהרמה גבוהה יותר, כך היא מכילה יותר תת-רמות.