En física cuántica , la división del nivel de energía o una división en un nivel de energía de un sistema cuántico ocurre cuando una perturbación cambia el sistema. La perturbación cambia el hamiltoniano correspondiente y el resultado es un cambio en los valores propios ; varios distintos niveles de energía surgen en el lugar de la antigua degenerada (multi estado de nivel). Esto puede ocurrir debido a campos externos , tunelización cuántica entre estados u otros efectos. El término se usa más comúnmente en referencia a la configuración electrónica en átomos o moléculas .
El caso más simple de división de niveles es un sistema cuántico con dos estados cuyo hamiltoniano no perturbado es un operador diagonal : Ĥ 0 = E 0 I , donde I es la matriz identidad 2 × 2 . Estados propios y valores propios (niveles de energía) de un hamiltoniano perturbado
estarán:
- | 0⟩ : el nivel E 0 + ε , y
- | 1⟩ : el nivel E 0 - ε ,
por lo que este valor propio E 0 degenerado se divide en dos siempre que ε ≠ 0 . Sin embargo, si un hamiltoniano perturbado no es diagonal para esta base de estados cuánticos {| 0⟩, | 1⟩} , entonces los estados propios del hamiltoniano son combinaciones lineales de estos dos estados.
Para una implementación física como una partícula de espín ½ cargada en un campo magnético externo , se requiere que el eje z del sistema de coordenadas sea colineal con el campo magnético para obtener un hamiltoniano en la forma anterior (la matriz de Pauli σ 3 corresponde al eje z ). Estos estados base, denominados spin- up y spin-down , son por tanto vectores propios del hamiltoniano perturbado, por lo que esta división de niveles es fácil de demostrar matemática e intuitivamente evidente.
Pero en los casos en los que la elección de la base del estado no está determinada por un sistema de coordenadas, y el hamiltoniano perturbado no es diagonal, una división de niveles puede parecer contraintuitiva, como en los ejemplos de química a continuación.
Ejemplos de
En física atómica :
- El efecto Zeeman : la división de los niveles electrónicos en un átomo debido a un campo magnético externo .
- El efecto Stark : división debido a un campo eléctrico externo .
En química física :
- El efecto Jahn-Teller : división de los niveles electrónicos en una molécula porque romper la simetría reduce la energía cuando los orbitales degenerados están parcialmente llenos.
- La resonancia (química) conduce a la creación de estados de electrones deslocalizados . ( Feynman 1965 , capítulo 10, § 4 )
- La inversión de nitrógeno conduce a la división del nivel en el amoníaco ( Feynman 1965 , capítulo 8, § 6 ) , que se utiliza en un maser de amoniaco . ( Feynman 1965 , capítulo 9 )
Referencias
Feynman, Richard P .; Robert Leighton; Matthew Sands (1965). Las Conferencias Feynman de Física . Volumen III. Massachusetts, Estados Unidos: Addison-Wesley. ISBN 0-201-02118-8. |volume=
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