רמת אנרגיה

תבנית:שכתוב רמות אנרגיה הן מושג פיזיקלי המתאר את המצב האנרגטי שבו נמצאת מערכת תחת השפעה של פוטנציאל, כאשר היא במצב קוונטי קשור. המושג נכנס לשימוש בעקבות מכניקת הקוונטים שהראתה שכאשר מערכת נמצאת תחת פוטנציאל, היא אינה יכולה לקבל כל ערך שהוא של אנרגיה, אלא רק ערכים מסוימים. הערכים המותרים של האנרגיה נקבעים על ידי הפרמטרים של המערכת (מסה, מטען חשמלי וכדומה) וסוג הפוטנציאל הקושר.

תיאור פורמלי

בהינתן מערכת פיזיקלית עם המילטוניאן

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

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

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

כאשר $E_{n}$ היא האנרגיה העצמית של המערכת. 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 מימן
• בגביש רמות האנרגיה בדידות אך צפופות, והן מתוארות על ידי מבנה פסים.

רמות אנרגיה באטומים

על-פי המודל הקיים בעולם הכימיה, בנוי האטום מגרעין, בו נמצאים הנייטרונים (שמטענם החשמלי מאופס) והפרוטונים (שמטענם החשמלי חיובי). מסביב לגרעין ערוכים האלקטרונים (שמטענם החשמלי שלילי ושקול למטען החיובי של הפרוטונים) ברמות אנרגיה מדורגות. כל רמת אנרגיה מכילה אורביטל (מרחב / מסלול שבו נעים האלקטרונים) אחד או יותר, כאשר כל אחד מהם מאכלס עד 2 אלקטרונים.
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 הבאה (K היא רמת האנרגיה הנמוכה ביותר):

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

המספר המרבי של אלקטרונים בכל רמת אנרגיה הוא 2n². לכל רמת אנרגיה (מלבד שתי הראשונות) קיימות תת-רמות. עבור כל רמה, סידור תת-הרמות הוא 2 אלקטרונים בתת-הרמה הראשונה, ולכל רמה מעליה נוספים 4 אלקטרונים (2,6,10,14).

משמעות תת-רמות האנרגיה היא שעבור תת-רמה לכל האלקטרונים מידה זהה של אנרגיה האגורה בהם.

התרשים הבא מתאר את רמות האנרגיה ותת-רמות האנרגיה, לפי הפרשי האנרגיה ביניהן (ככל שהשורה נמוכה יותר רמת האנרגיה גבוהה יותר). כל זוג נקודות מציין זוג אלקטרונים.

תת-רמה 1   תת-רמה 2      תת-רמה 3               תת-רמה 4 

  1       
K ..
  2
  3  
L ..    
  4 
           5  6  7         
         L .. .. ..
           8  9  10
  11
M .. 
  12
           13 14 15
         M .. .. ..    
           16 17 18
  19                    21 22 23 24 25
M                  .. N .. .. .. .. ..              
  20                    26 27 28 29 30
           31 32 33
         N .. .. ..
           34 35 36
  37                    39 40 41 42 43
N                  .. O .. .. .. .. ..    
  38                    44 45 46 47 48
           49 50 51
         O .. .. ..  
           52 53 54
  55                    71 72 73 74 75     57 58 59 60 61 62 63
N   .. .. .. .. .. O                  .. P .. .. .. .. .. .. .. 
  56                    76 77 78 79 80     64 65 66 67 68 69 70
           81 82 83
         P .. .. ..      
           84 85 86 
  87                                       89 90 91 92 93 94 95          
O   .. .. .. .. .. P                  .. Q .. .. .. .. .. .. ..
  88                                       96 97 98

סדר האלקטרונים באטום כלשהו מתואר על ידי המספרים שבתרשים (לכל זוג אלקטרונים שני מספרים עוקבים:מעליו ומתחתיו). עבור כל מספר אלקטרונים באטום, קיימים כל האלקטרונים שמספריהם נמוכים ממספר זה, ע"פ הסידור המתואר.

בכל אטום מסודרים האלקטרונים כך שהשורות העליונות (בעלות אנרגיה נמוכה) הרלוונטיות לגביו מלאות, ורק השורה התחתונה מבין השורות הרלוונטיות בכל אטום עשויה להיות חסרה. לדוגמה, לאטום פלואור (מס' כימי 9) במצבו הנייטרלי 2 אלקטרונים ברמה K (שורה ראשונה), 2 אלקטרונים בתת-הרמה הראשונה של רמה L (שורה שנייה), ו-5 אלקטרונים בתת-הרמה השנייה של רמה L (שורה שלישית).

בשורה אחרונה שכזו, שבה שתיים או שלוש תת-רמות אנרגיה, סדר המילוי הוא (מימין לשמאל): 2 , 14 , 10. לדוגמה, לאטום זהב (מס' כימי 79) במצבו הנייטרלי, רמות K - N מלאות, 2 אלקטרונים בתת-הרמה הראשונה של P (שורה עשירית), 2 אלקטרונים בתת-הרמה הראשונה של O (שורה שמינית), 6 אלקטרונים בתת-הרמה השנייה של O (שורה תשיעית), ו-9 אלקטרונים בתת-הרמה השלישית של O (שורה עשירית).

כל רמת אנרגיה מורכבת מאורביטלים (מסלולים). אורביטלים אלו יכולים להיות לא תפוסים, או תפוסים על ידי אלקטרון אחד או זוג אלקטרונים, ומספרם נקבע ע"פ מספר זוגות האלקטרונים המקסימלי ברמת אנרגיה זו. בכל רמת אנרגיה בה אין אלקטרונים הממלאים את כל תת-רמות האנרגיה, יתפרסו האלקטרונים על מספר רב ככל הניתן של אורביטלים, עד שישלימו את כל תת-רמות האנרגיה הדרושות על מנת לעבור לרמת האנרגיה הבאה. לדוגמה, באטום גופרית (מס' אטומי 16) במצבו הנייטרלי, רמות K ו-L מלאות כולן על ידי 10 אלקטרונים. על מנת שהאלקטרונים יעברו לרמה N, יש למלא את תת-הרמות הראשונה והשנייה ברמת האנרגיה M. לפיכך, ששת האלקטרונים הנותרים יתפרסו על ארבעת האורביטלים (2,2,1,1)שבשתי תת-רמות האנרגיה הראשונות של M.

ברמת האנרגיה הגבוהה ביותר בכל אטום עד 8 אלקטרונים (אף כי זהו אינו בהכרח מספר האלקטרונים המקסימלי באותה רמה) המסודרים בארבעה אורביטלים לכל היותר. בכתיב כימי נהוג לציין רק את מספר האלקטרונים ברמה זו, על-פי האורביטלים שלהם (כל אלקטרון מסומן בנקודה, כל צד של האטום מציין אורביטל). לדוגמה, אטום מימן יסומן כך:

.
H  

אטום חנקן יסומן כך:

 .
:N.
 . 

• באטום זה זוג אלקטרונים באורביטל אחד, ושלושה אלקטרונים בודדים בשלושה אורביטלים

נטיית האטום להשלמת כל האורביטלים הדרושים עד למעבר לרמת אנרגיה חדשה משמשת כמחולל של תהליכים רבים בין אטומים (רוב הקשרים הכימיים נוצרים בזכות נטייה זו).

אלקטרון מסוגל לעבור בין רמות האנרגיה השונות, וכן לצאת או להיכנס לתחומו של האטום על ידי שינוי במצבו האנרגתי. על מנת שאלקטרון יעבור משורה גבוהה בתרשים לנמוכה (כלומר- מידת האנרגיה האגורה בו תגדל) יש להשקיע אנרגיה. מהתהליך ההפוך משתחררת אנרגיה (מצבו הטבעי של האלקטרון הוא לאגור כמות קטנה ככל הניתן של אנרגיה).

אנרגיה המושקעת בהרחקתו של אלקטרון מהאטום נקראת אנרגיית יינון, והיא גדלה ככל שהאלקטרון ממוקם בשורה גבוהה יותר, עבור מספר זהה של פרוטונים.

ככל שסביב אטום מסוים יותר רמות אנרגיה בהן יש אלקטרונים, כך רדיוסו האטומי גדל.

הטבלה המחזורית של מנדלייב מבוססת ברובה על סידור האלקטרונים ברמות האנרגיה. מחזור בטבלה זו מוגדר על ידי מספר רמות האנרגיה שיש סביב אטום נייטרלי של כל יסוד במחזור.