Un niveau d'énergie quantifié spécifique qu'un système physique, comme un électron, peut occuper.Un état d'énergie est un niveau d'énergie spécifique et quantifié qu'un système physique—tel qu'un électron dans un atome, une molécule ou un réseau cristallin—peut occuper. En mécanique quantique, les systèmes ne présentent pas de gammes d'énergie continues ; ils existent plutôt dans des états discrets, chacun ayant une énergie bien définie. Les transitions entre ces états se produisent lorsque de l'énergie est absorbée ou émise, souvent sous forme de photons. Ce concept est fondamental pour comprendre les spectres atomiques, les liaisons chimiques et les propriétés électroniques des matériaux, y compris les semi-conducteurs et les supraconducteurs.
L'idée d'états d'énergie discrets a été introduite par Niels Bohr en 1913 pour expliquer le spectre de l'hydrogène, en s'appuyant sur l'hypothèse des quanta de Max Planck (1900). La mécanique ondulatoire d'Erwin Schrödinger (1926) a fourni un cadre rigoureux pour calculer ces états.
Les états d'énergie découlent de la nature ondulatoire des particules. Lorsqu'une particule est confinée (par exemple, par un noyau atomique ou un puits de potentiel), sa fonction d'onde doit satisfaire des conditions aux limites, ce qui n'autorise que certaines longueurs d'onde—et donc certaines énergies. L'état d'énergie le plus bas est l'état fondamental ; les états plus élevés sont des états excités. L'espacement entre les états dépend de la taille du système et de la forme du potentiel. Par exemple, dans un atome d'hydrogène, les niveaux d'énergie suivent la formule de Rydberg, tandis que dans un solide, de nombreux états forment des bandes. Les transitions se produisent lorsqu'une perturbation (comme un photon) correspond à la différence d'énergie entre deux états.
Les états d'énergie sous-tendent les lasers (où les électrons sont excités vers des états supérieurs et émettent des photons), les points quantiques (utilisés dans les écrans et l'imagerie biologique) et la résonance magnétique nucléaire (RMN) pour l'imagerie médicale.
Dans un atome d'hydrogène, la différence d'énergie entre les deux premiers états correspond à un photon d'une longueur d'onde d'environ 121,6 nanomètres—dans l'ultraviolet, invisible à l'œil humain.
