(הערה: יש המשתמשים במונח החליפי "שווי משקל תרמי").
יש לשים לב כי איכלוס אטומים מתייחס לאוסף של מספר רב של אטומים, שכל אחד מהם נמצא במצב מסוים.
קודם התייחסנו לאיכלוס האלקטרונים ברמות האנרגיה באטום בודד, ואילו עכשיו מתייחסים למספר רב של אטומים, ובודקים אלו מהם נמצאים ברמת היסוד, או ברמה מעוררת.
מחוקי התרמודינמיקה מקבלים כי:
- כל אוסף אטומים הנמצאים בשיווי משקל תרמי בטמפרטורה [T [K מתפלג כך שבכל רמת אנרגיה יש מספר אטומים מסוים.
- את מספר האטומים הנמצאים ברמת אנרגיה מסוימת (Ei) נהוג לסמן ע"י מספר האיכלוס:
Ni = Population Number
של רמה זו.
- הקשר בין מספר האיכלוס לבין רמת האנרגיה המסוימת והטמפרטורה בה נמצא החומר ניתן ע"י משוואת בולצמן:
Ni = const*exp(-Ei/kT)
Ni = מספר האטומים ליחידת נפח ברמה מסוימת (i) = מספר איכלוס.
k = קבוע בולצמן:
k = 1.38*10-23 [Joule/K]
Ei = אנרגיית הרמה i.
const = קבוע פרופורציה. קבוע זה מתבטל (מצטמצם מהמשוואה) כאשר מתייחסים לאיכלוס רמה מסוימת ביחס לאחרת (כפי שניתן לראות בעמוד הבא).
T = טמפרטורה במעלות קלווין [0K] (סולם טמפרטורה המתחיל מהאפס המוחלט).
משוואה זו מראה את תלות מספר האיכלוס (Ni) באנרגיית הרמה (Ei) והטמפרטורה (T).
ממשוואת בולצמן רואים מייד כי:
- ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, מספר האיכלוס גדול יותר.
- ככל שרמת האנרגיה גבוהה יותר, מספר האיכלוס קטן יותר.
