標籤:原子物理學原子軌道

由玻爾的理論發展而來的現代量子物理學認為原子的可能狀態是不連續的,因此各狀態對應能量也是不連續的。這些能量值就是能級。

1能層理論

能層(英語:Energy level)理論是一種解釋原子核外電子運動軌道的一種理論。它認為電子只能在特定的、分立的軌道上運動,各個軌道上的電子具有分立的能量,這些能量值即為能級。電子可以在不同的軌道間發生躍遷,電子吸收能量可以從低能級躍遷到高能級或者從高能級躍遷到低能級從而輻射出光子。氫原子的能級可以由它的光譜顯示出來。

2背景

19世紀末20世紀初,人類開始走進微觀世界,物理學家提出了許多關於原子機構的模型,這裡就包括盧瑟福的核式模型。核式模型能很好地解釋實驗現象,因而得到許多人的支持;但是該模型與經典的電磁理論有著深刻的矛盾。
按經典電磁理論(19世紀末以前建立的物理學通常叫做經典物理學),電子繞核轉動具有加速度,加速運動著的電荷(電子)要向周圍空間輻射電磁波,電磁波頻率等於電子繞核旋轉的頻率,隨著不斷地向外輻射能量,原子系統的能量逐漸減少,電子運動的軌道半徑也越來越小,繞核旋轉的頻率連續增大,電子輻射的電磁波頻率也在連續地變化,因而所呈現的光譜應為連續光譜。
由於電子繞核運動時不斷向外輻射電磁波,電子能量不斷減少,電子將沿螺旋形軌跡逐漸接近原子核,最後落於核上,這樣,原子應是一個不穩定系統。
實驗事實:
原子具有高度的穩定性,即使受到外界干擾,也很不易改變原子的屬性;且氫原子所發出的光譜為線狀光譜,與經典電磁理論得出的結論完全不同。

3能層

原子核所處的各種能量狀態。它們直接反映核子間的相互作用以及原子核多體系統的運動規律。對於核能級的性質已有了一定的理解,特別是對低激發能級的性質已有了較好的理解。
能級的標定 原子核能級的性質決定於核子間的相互作用,後者主要包括強相互作用(即核力)及電磁相互作用。在一個多體系統中,粒子間的相互作用所具有的不變性能為這個多體系統提供了好的量子數。由於核力和電磁力都具有轉動不變性及空間反射不變性,所以角動量I和宇稱π都是原子核的好量子數(即守恆量量子數),它們是除能量以外標定能級的最基本的量子數。此外,核力還較好地滿足同位旋空間轉動不變性,但電磁力不具有這種不變性。所以在後者所起的作用不大的情況下,例如在輕核中,同位旋T仍是一個近似的好量子數(見原子核),用它來標定能級是有意義的。
偶偶核能級 偶偶核在能級方面有一些特別簡單的規律,例如所有偶偶核的基態自旋宇稱I都是0,除了幾個雙滿殼核He、O、Ca、Zr、Pb以外,所有偶偶核的第一激發態自旋宇稱都是2。這個簡單規律顯然與原子核內部結構及核子間相互作用有關。
能級寬度 除了穩定核的基態外,所有原子核的能級都具有一定的寬度寗 。這是因為它們可以通過強相互作用發射核子、核子集團或其他強子;通過電磁作用發射 γ光子;或通過弱相互作用發射電子和中微子並衰變到較低的態或鄰近的核的激發態或基態上。由於能級壽命τ與寬度寗有測不準關係的限制:寗τ≥媡,所以一切不穩定的能級都具有一定的寬度寗。寗的變化範圍很大,從幾兆電子伏到遠小於一個電子伏。一般能量越高,能級越密,寬度越大,以致互相重疊,能級就進入連續區。
能級的激發性質 從原子核的衰變、反應性質和核結構理論可判定某一能級的激發性質。典型的激發有兩類:一類是單粒子激發(或單空穴激發),例如在某些奇A核中,奇核子從一個單粒子態躍遷到另一個單粒子態。另一類是集體性質的激發,它是由許多單核子激發的相干疊加而成的激發。
能級的各種激發方式直接反映了原子核結構的特性。理論上的分析可見核殼層模型和綜合模型。
當激發能增加,能級的性質就越來越複雜,能級也越來越密。這時一個有意義的物理量是能級密度ρ(EI),它的物理意義是在激發能E附近單位能量範圍內具有一定I值的能級數。實驗上低能中子(E<100keV)的共振反應能提供較精確的能級密度的數據。對於A揥60的原子核利用(p,p)、(p,α)等反應能獲得一些有關能級密度的知識。此外,利用中子蒸發譜,設法排除直接核反應所產生的中子,也能獲得ρ(EI)的知識。理論上由於在激發能較高時單粒子自由度佔優勢,因此可以利用費密氣體模型近似導出能級密度 ,
式中,g0是在費密面上的單粒子能級密度,E=E-u,是等效激發能,這個公式只能用於能級較密的區域。
原子核能級及其分佈是個極為複雜的問題,它涉及到核多體系統內部的運動規律及新的自由度的出現。隨著能量的升高,不同類型的自由度相繼被激發,連續譜同分立譜還可以重疊(如同位旋相似態),此外,核子激發態及其他重子也可以在核內出現,構成新的能級。這些方面的知識還是很不成熟的。

4新理論

丹麥物理學家尼·玻爾與1913年提出了自己的原子結構假說,認為圍繞原子核運動的電子軌道半徑只能取某些分立的數值,這種現象叫軌道的量子化,不同的軌道對應著不同的狀態,在這些狀態中,儘管電子在做高速運動,但不向外輻射能量,因而這些狀態是穩定的。原子在不同的狀態下有著不同的能量,所以原子的能量也是量子化的。

5知識

①基態
在正常狀態下,原子處於最低能級,電子在離核最近的軌道上運動的定態稱為基態.
②激發態
原子吸收能量后從基態躍遷到較高能級,電子在較遠的軌道上運動的定態稱為激發態.
③一個氫原子處於量子數為n的激發態時,可能輻射出的光譜線條數為:
N=n-1
④一群氫原子處於量子數為n的激發態時,可能輻射出的光譜線條數為:
N=n(n-1)/2
輻射出的光的頻率v由hν=E初-E終 決定,其中h為普朗克常量.
原理
「能級」一詞是從物理學中借用過來的概念,原意是說原子由原子核和核外繞核運轉的電子構成,電子由於具有不同的能量,就按照各自不同的軌道圍繞原子核運轉,即能量不同的電子處於不同的相應等級,這種現象在管理學上同樣存在。能級原理是指在現代管理中,機構、法和人都有能量問題,根據能量的大小可以建立一定的秩序,一定的規範或一定的標準。
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