Emmecânica quântica,nível de energia ounível energético é umestado quântico (de umelétron,átomo oumolécula, por exemplo) cujaenergia está bem definida ao longo do tempo. Desse modo, os níveis energéticos são as funções próprias do operadorhamiltoniano, e suas energias respectivas são seus valores.[1]
As diferentesespectroscopias estudam as transições entre os diferentes níveis deenergia. A espectroscopiainfravermelha, por exemplo, estuda transições entre os níveis energéticos da vibração molecular, aespectroscopiaultravioleta e visível estuda as transiçõeseletrônicas e aespectroscopia Mössbauer se ocupa das transiçõesnucleares.[2]
Naquímica e nafísica atômica, umacamada eletrônica, ou um nível de energia principal, pode ser pensado como uma órbita de elétrons girando ao redor donúcleo doátomo. A camada mais próxima do núcleo é chamada de "camada 1" (também chamada de "camada K"), seguida da" camada 2" (ou "camada L"), depois a "camada 3" (ou "camada M"), e assim por diante, conforme se afasta do núcleo. As camadas correspondem aosnúmeros quânticos principais (n = 1,2,3,4...) ou são nomeadas na ordem alfabética com letras usadas na rotação de raio-x (K, L, M,...).
Se aenergia potencial é considerada zero a uma distância infinita do núcleo do átomo ou da molécula, convenção usual, então os respectivos estados eletrônicos possuem energia potencial negativa.
Se um átomo, íon ou molécula está no menor estado possível de energia, ele e seus elétrons são ditos noestado fundamental. Se ele está em um nível mais alto de energia, é dito excitado, ou quaisquer elétrons que possuem energia maior do que o estado fundamental estão excitados. Se mais de um estado mecânico quântico está com a mesma energia, os níveis de energia estão "degenerados". Eles são então chamados de níveis de energia degenerados.[3]
Estados quantizados de energia resultam de uma relação entre a energia de uma partícula e o seucomprimento de onda. Para uma partícula confinada, como um elétron em um átomo, afunção de onda tem a forma deondas estacionárias. Apenas estados estacionários com energia correspondente a umnúmero inteiro de comprimentos de onda podem existir; para outros estados as ondas interferem destrutivamente, resultando em probabilidade de densidade igual a zero. Exemplos elementares que mostram matematicamente como níveis de energia acontecem são apartícula em uma caixa e ooscilador harmônico quântico. O elétron é umapartícula subatômica fundamental que carrega umacarga elétrica negativa.[3]
A primeira evidência daquantização em átomos foi a observação delinhas espectrais na luz vinda do sol em cerca de 1 800 porJoseph von Fraunhofer eWilliam Hyde Wollaston. A noção de níveis de energia foi proposta em 1913 pelo físico dinamarquêsNiels Bohr naTeoria de Bohr para o átomo. A teoria damecânica quântica moderna, dando a explicação desses níveis de energia em termos daequação de Schrödinger, foi desenvolvida porErwin Schrödinger eWerner Heisenberg em 1926.[3]
Elétrons em átomos e moléculas podem trocar (fazer transição) de níveis de energia ao emitirem ou absorverem umfóton, ouradiação eletromagnética, tal energia deve ser exatamente igual à diferença energética entre os dois níveis. Elétrons podem também ser completamente removidos de umaespécie química, como um átomo, molécula, ou íon. A remoção completa de um elétron de um átomo pode ser uma forma deionização, que é efetivamente mover o elétron para um orbital com umnúmero quântico principal infinito, tão longe de forma a praticamente não ter efeito algum sobre o átomo remanescente (íon). Para vários tipos de átomos, existem a 1ª, 2ª, 3ª energia de ionização e assim por diante, que podem ser fornecidas ao átomo emestado fundamental para remover elétrons do menor ao maior nível de energia. Energia em quantidades opostas também pode ser liberada, muitas vezes em forma de energiafotoelétrica, quando elétrons entram em contato com ións positivamente carregados (ou átomos). Moléculas também podem passar por transições em seus níveis de energia vibracionais e rotacionais. A transição de nível de energia também pode sernão-radioativa, significando que não ocorre a emissão ou absorção de umfóton.
Se um átomo, íon ou molécula está no menor nível de energia possível, ele e seus elétrons são ditos em estado fundamental. Se estão no maior nível de energia, são ditos excitados, ou qualquer elétron possui uma energia maior que o estado fundamental está excitado. Tal espécie pode ser excitada a um nível de energia maior ao absorver um fóton cuja energia é igual a diferença de energia entre dois níveis. Por outro lado, uma espécie pode ir para um nível de energia inferior ao emitir espontaneamente um fóton com energia igual a diferença energética. A energia de um fóton é igual àconstante de Planck (h) vezes a suafrequência (f) e, portanto, édiretamente proporcional à sua frequência, ou inversamente proporcional ao seucomprimento de onda (λ).
onde c,velocidade da luz, é igual a.[3]
