Un sistema o partícula de mecánica cuántica que está ligado , es decir, confinado espacialmente, solo puede tomar ciertos valores discretos de energía, llamados niveles de energía . Esto contrasta con las partículas clásicas , que pueden tener cualquier cantidad de energía. El término se usa comúnmente para los niveles de energía de los electrones en átomos , iones o moléculas , que están unidos por el campo eléctrico del núcleo , pero también puede referirse a los niveles de energía de los núcleos o vibraciones .o niveles de energía de rotación en las moléculas. Se dice que el espectro de energía de un sistema con niveles de energía tan discretos está cuantificado .
En química y física atómica , una capa de electrones, o nivel de energía principal, puede considerarse como la órbita de uno o más electrones alrededor del núcleo de un átomo . La capa más cercana al núcleo se llama " capa 1 " (también llamada "capa K"), seguida de la " capa 2 " (o "capa L"), luego la " capa 3 " (o "capa M") , y así sucesivamente, más y más lejos del núcleo. Las capas se corresponden con los principales números cuánticos ( n = 1, 2, 3, 4...
Cada capa puede contener solo un número fijo de electrones: la primera capa puede contener hasta dos electrones, la segunda capa puede contener hasta ocho (2 + 6) electrones, la tercera capa puede contener hasta 18 (2 + 6 + 10 ) y así. La fórmula general es que la n -ésima capa puede, en principio, contener hasta 2 n 2 electrones. [1] Dado que los electrones son eléctricamente atraídos por el núcleo, los electrones de un átomo generalmente ocuparán capas externas solo si las capas más internas ya han sido completamente llenas por otros electrones. Sin embargo, este no es un requisito estricto: los átomos pueden tener dos o incluso tres capas externas incompletas. (Ver regla Madelungpara obtener más detalles). Para obtener una explicación de por qué existen electrones en estas capas, consulte configuración electrónica . [2]
Si la energía potencial se establece en cero a una distancia infinita del núcleo o molécula atómica, la convención habitual, entonces los estados de electrones enlazados tienen energía potencial negativa.
Si un átomo, ion o molécula está en el nivel de energía más bajo posible, se dice que él y sus electrones están en el estado fundamental . Si está en un nivel de energía más alto, se dice que está excitado , o cualquier electrón que tenga una energía más alta que el estado fundamental está excitado . Si más de un estado mecánico cuántico tiene la misma energía, los niveles de energía son "degenerados". Son entonces llamados niveles de energía degenerados .
Los niveles de energía cuantizados resultan del comportamiento ondulatorio de las partículas, lo que da una relación entre la energía de una partícula y su longitud de onda . Para una partícula confinada como un electrón en un átomo , las funciones de onda que tienen energías bien definidas tienen la forma de una onda estacionaria . [3] Los estados que tienen energías bien definidas se llaman estados estacionarios porque son los estados que no cambian en el tiempo. Informalmente, estos estados corresponden a un número entero de longitudes de onda de la función de ondaa lo largo de un camino cerrado (un camino que termina donde comenzó), como una órbita circular alrededor de un átomo, donde el número de longitudes de onda da el tipo de orbital atómico (0 para orbitales s, 1 para orbitales p, etc.) . Ejemplos elementales que muestran matemáticamente cómo se producen los niveles de energía son la partícula en una caja y el oscilador armónico cuántico .