淺析原子軌道與能級*

嚴 涵

(南通大學附屬中學 江蘇 南通 226001)

高中《物理·選修3-5》與高中《化學·選修3》中都涉及到原子外層電子軌道與能級知識，在理解這兩個知識點的過程中，兩學科既有擴展、聯(lián)通，又有區(qū)別.兩科授課教師在講述過程中，大多都以本學科特點來給學生闡述.這樣使得學生在學習過程中對于相關知識點就容易混淆不清，從而影響對知識的掌握.下面我們分幾點來逐一理順搞清原子軌道與能級中涉及的相關知識.

1 原子軌道 電子軌道

原子軌道，是原子運動的軌道，還是原子外層電子的運動軌道？從書本中不難發(fā)現(xiàn)，原子軌道實際上就是電子運動軌跡分布情況的簡化描述.那么為什么叫原子軌道，而不稱為電子軌道呢？首先我們可以形象的理解，是核外電子在與原子核的相互作用下繞核運動，電子的運動規(guī)律與軌道特點是由原子核作用所決定，相當于原子給這些電子地方，讓這些電子在“原子的地盤”上運動，因此稱其為原子軌道也就不奇怪了.其次也是因為人類對原子世界認知過程是循序漸進的，原子軌道被習慣性的替代了電子軌道，因此叫什么是次要的，只要理解即可.由此我們可以看到科學的發(fā)展是有階段性和局限性的.

2 電子云 電子軌道

這個問題大家不難理解，因為在微觀世界中，電子運動是量子化的，本身電子的運動只是在一個范圍中概率出現(xiàn)，為了方便理解引入了宏觀世界的軌道，玻爾的軌道理論就能淺顯易懂地讓一般人理解核外電子的運動規(guī)律.其實下面提到的能層、能級的定義也有這個意味在內(nèi)，電子所具有的能量也如軌道一樣，是對電子能量量子化規(guī)律的模型簡化.

3 電子軌道分布與能層關系

在原子世界，除了氫原子和特殊的離子可以為核外單電子結(jié)構外，其他的多電子原子的電子分布遵循著“構造原理”“泡利原理”“洪特規(guī)則”這三大規(guī)律.其實上面的三大分布規(guī)律，還是基于電子擁有的能量特點.在化學中，根據(jù)電子能量的不同，將核外電子所在的軌道分成了不同的能層，并且對于第一、二、三、四、五、六、七……能層，用“K,L,M,N,O,P……”來表示.由于電子的量子化特點，能層對于電子所擁有的能量分布的表示，還是基于一定概率范圍中而言.對于在同一個能層中的電子，其實際擁有的能量還是有一定波動的，因此我們就在大的能層范疇下，引入了能級概念.

4 能層與能級的關系

能層與能級的關系是什么？打個比方，能層是樓房的樓層，那么能級就是這些樓層中的樓梯.能級有時也被稱為電子亞層，從名稱上就不難發(fā)現(xiàn)，能級是被定義在能層的下一級，是不同能層下，電子所擁有能量分布更為細化的表示.在文獻[1]中，作者所總結(jié)的3個基本結(jié)論：

(1)只有在單電子體系(如氫原子)中,才有能級的概念,這時能級與軌道能是一致的;

(2)在多電子原子中,不存在能級的概念,認為軌道能與能級相同的說法是完全錯誤的;

(3)在多電子原子中,軌道能依賴于特定的電子組態(tài),軌道能隨電子組態(tài)變化而變化.

不難發(fā)現(xiàn)其實作者就是把能層與軌道能，能層與能級的概念混淆，從而在下的結(jié)論中出現(xiàn)了錯誤.根據(jù)倪申寬所總結(jié)的結(jié)論，我們可以把他的(1)、(2)兩點修正為：

(1)軌道能是能層與能級的統(tǒng)稱，單電子體系中，電子能量分布還是遵循能層-能級系統(tǒng);

(2)在多電子原子中，電子根據(jù)三大規(guī)律，首先分布在不同的能層中，在不同的能層中，電子處在不同的能級上.

5 逸出功與電離能的關系

在理順能層與能級關系后，我們再來討論物理逸出功與化學中電離能這兩個看似相同卻極其容易混淆的概念.物理中關于電離能的定義：電子克服原子核的束縛,從金屬材料表面逸出所需的最小能量,稱為逸出功.化學中定義電離能：基態(tài)的氣態(tài)原子或氣態(tài)離子失去一個電子所需要的最小能量稱為元素的第一電離能，由+1價氣態(tài)陽離子再失去一個電子形成+2價氣態(tài)陽離子時所需能量稱為元素的第二電離能.對比兩個定義，不難發(fā)現(xiàn)兩個概念對應的實驗材料不同，逸出功是對應金屬材料，而電離能對應的是氣態(tài)原子或離子，雖然逸出功與電離能都是讓實驗材料失去電子過程中獲取能量的表示，但是從實驗材料的特質(zhì)看，在相同元素實驗基礎上，擁有更大能量的氣態(tài)原子或離子明顯比穩(wěn)定的金屬更容易失去電子，那么我們是否就可以得出在相同元素實驗基礎上，逸出功值要比電離能大呢？我們來看表1.

表1 元素逸出功及第一電離能

注：22,74號元素為過渡元素

從表中分析，可以看出同一元素的第一電離能是大于逸出功的.這又是為什么呢？為了搞清這個問題，我們先來理解影響光電效應中逸出功與化學中電離能大小的因素有哪些.

在物理中對于逸出功的表述是：電子克服原子核的束縛,從金屬材料表面逸出所需的最小能量.在高中《物理·選修3-5》第32頁上則說明了，由光電效應所產(chǎn)生的光電子，是因為無規(guī)則熱運動而脫離原子束縛的外層價電子吸收外界能量所形成，因而要讓這樣的電子逸出金屬表面形成光電子，那么只要克服金屬表面的勢壘做功即可.因此影響金屬逸出功的因素除了元素本身性質(zhì)外，還有就是發(fā)生光電效應的金屬表面性質(zhì)共同決定.而對于化學中的電離能，影響其大小的因素是：有效核電荷、原子半徑和原子的電子構型.通過以上的分析可以看出，其實逸出功與電離能都和原子失去電子有關，但是逸出功針對的是已經(jīng)基本脫離原子束縛的外層電子，而電離能則是在原子核力束縛下的穩(wěn)定電子，因此同樣的元素，第一電離能大于逸出功也就沒有什么可奇怪的了！

6 光譜 光電效應 康普頓效應與軌道能級關系

其實研究原子軌道與能級的根本目的，還是為了搞清基于這些知識基礎上，所發(fā)生的光電效應、康普頓效應產(chǎn)生的根本機理.在原子核物理研究中，玻爾理論可以說是基礎，又因為單一電子元素氫使問題變的簡單化，因此在高中物理中以氫原子的能級分析為知識基礎是不難被理解的.在玻爾的原子能級理論中，由于是單一核外電子，因此能層與能級概念就不被明確的區(qū)分，其實在氫光譜研究中所得到的賴曼線系、巴耳末線系、帕邢線系、布喇開線系、蒲芬德線系、漢弗萊線系等系列，都是基于不同的能量區(qū)段所劃分，因此在這些譜系中必然也把原子能層與能級視為統(tǒng)一概念，這點在文獻[1]的總結(jié)中也可看出，但是問題在于隨后的討論并不止局限在單一原子的能級討論，而在光電效應與康普頓效應中，我們所探討的對象又是絕大多數(shù)的多電子原子，這樣就使得我們必須從更細致的角度分析原子核外電子的能量分布才能弄清他們的產(chǎn)生原理.在查閱大量資料過程中，筆者發(fā)現(xiàn)關于光電效應的產(chǎn)生機理，除了教學書本所敘述的自由電子理論外，有文敘述為：是外界光子作用于原子，使原子核在與光子作用中將獲得一部分反沖動量，這樣一來，只有和原子核結(jié)合得最緊密的K層電子發(fā)生光電效應的幾率最大！從這點來說，光電效應所產(chǎn)生的光電子反而是內(nèi)層電子，這豈不是與書本理論相悖！對于康普頓效應一般視為大能量光子(超過電子的束縛能)，與自由電子發(fā)生散射而形成.因此可以看出關于原子物理的理論探究與實驗分析我們還有很多的事情可以去做.

參考文獻

1 倪申寬.軌道能與能級.大學化學,1998(5)

2 戎凱.談逸出功與電離能.中學物理教學參考，2009