理清原子能級躍遷的幾個問題

原子的能級躍遷問題是歷年高考的熱點問題，也是同學們在物理學習中的一個難點，下面就對這一問題加以講解辨析。

1 原子的能級躍遷實際是電子在躍遷

原子是一個體系，該體系由原子核和核外電子組成，電子繞核運動。原子的能量包括電子的動能、電子和原子核共有的電勢能。就如同地球和它周圍的衛星構成的體系。不同的是，研究原子這樣小的微觀粒子要用量子力學的知識，研究地球及其衛星的運動則用牛頓運動定律及萬有引力定律。原子的躍遷指的是圍繞原子核運動的電子由一個能級躍遷到另一個能級。

2 原子躍遷過程中原子的總能量、電勢能和電子的動能的變化規律

設原子中原子核帶電量為+Ze，核外電子帶電荷量為-e，電子在半徑為r的軌道上繞核作勻速圓周運動時，庫侖力提供向心力，則有：

kZe2r2=mv2r，則得v=kZe2mr 

電子繞核運動的動能為Ek=12mv2=kZe22r

在原子中，由于原子核與核外電子庫侖引力的作用而具有電勢能，電勢能屬于相互作用的系統——原子。由庫侖力所做的功與電勢能的變化關系可知：電子繞核運動的軌道半徑r減小時，庫侖引力F做正功，原子的電勢能Ep減小；反之，電子繞核運動的軌道半徑r增大時，庫侖引力F做負功，原子的電勢能Ep增大。

通常取r→∞時的電勢能為零，電子在半徑為r的軌道上的電勢能：

Ep=eU=-ekZer=-kZe2r

則該定態能級能量為：

E=Ek+Ep=kZe22r-kZe2r=-kZe22r

由以上的推導可知：

（1）某定態時，核外電子的動能Ek總是等于該定態總能量的絕對值，原子系統的電勢能Ep總是等于該定態總能量值的兩倍。

（2）電子動能Ek=kZe22r隨軌道半徑r的減小而增大，隨r的增大而減小；系統電勢能Ep=-kZe2r隨軌道半徑r的增大而增大，隨r的減小而減小；原子的總能量E=-kZe22r也隨軌道半徑r的增大而增大，隨r的減小而減小。

（3）某定態能量E=-kZe22r<0，表明原子核外電子處于束縛狀態，欲使原子電離，外界必須對系統至少補充的能量為kZe22r，原子的能級越低，需要的電離能就越大。

3 躍遷與電離的區別

（1）躍遷：根據玻爾理論，當原子從低能級向高能級躍遷時，必須吸收光子才能實現。相反，當原子從高能級向低能級躍遷時，必須輻射光子才能實現，躍遷時不管是吸收還是輻射光子，其光子的能量都必須等于這兩個能級的能量差。

（2）電離：原子失去電子的過程叫做電離，原子一旦電離，原子結構被破壞，而不再遵守有關原子結構理論。使原子電離，外界必須對原子做功，提供的能量叫電離能，如基態氫原子的電離能為13.6eV，只要能量大于或等于13.6eV的光子可以使基態的氫原子吸收而電離，只不過入射光子的能量越大，原子電離后產生的自由電子的動能就越大，不論原子處于什么狀態，只要入射光子的能量大于該狀態的電離所需要的能量就可使之電離。

4 光子、實物粒子使原子能級躍遷的區別

當用光子（電磁波）作用在原子上，要使原子躍遷必須滿足hν=Em-En=ΔE，如果hν>ΔE或hν<ΔE，原子均不可能躍遷，除非這個光子的能量能使原子的核外電子電離；若用電子等實物粒子作用在原子上，原子躍遷是通過與實物粒子碰撞傳遞能量而實現，即只要入射實物粒子的能量E≥ΔE，均可使原子能級躍遷。這就是光子、實物粒子使原子能級躍遷的區別。當入射粒子的動能大于或等于原子在某能級的電離能時，也可以使原子電離。