淺析原子軌道與能級(jí)*

嚴(yán) 涵

(南通大學(xué)附屬中學(xué) 江蘇 南通 226001)

高中《物理·選修3-5》與高中《化學(xué)·選修3》中都涉及到原子外層電子軌道與能級(jí)知識(shí)，在理解這兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)的過程中，兩學(xué)科既有擴(kuò)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(xué)科特點(diǎn)來給學(xué)生闡述.這樣使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對(duì)于相關(guān)知識(shí)點(diǎn)就容易混淆不清，從而影響對(duì)知識(shí)的掌握.下面我們分幾點(diǎn)來逐一理順搞清原子軌道與能級(jí)中涉及的相關(guān)知識(shí).

1 原子軌道 電子軌道

原子軌道，是原子運(yùn)動(dòng)的軌道，還是原子外層電子的運(yùn)動(dòng)軌道？從書本中不難發(fā)現(xiàn)，原子軌道實(shí)際上就是電子運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道特點(diǎn)是由原子核作用所決定，相當(dāng)于原子給這些電子地方，讓這些電子在“原子的地盤”上運(yùn)動(dòng)，因此稱其為原子軌道也就不奇怪了.其次也是因?yàn)槿祟悓?duì)原子世界認(rèn)知過程是循序漸進(jìn)的，原子軌道被習(xí)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(xué)的發(fā)展是有階段性和局限性的.

2 電子云 電子軌道

這個(gè)問題大家不難理解，因?yàn)樵谖⒂^世界中，電子運(yùn)動(dòng)是量子化的，本身電子的運(yùn)動(dòng)只是在一個(gè)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(yùn)動(dòng)規(guī)律.其實(shí)下面提到的能層、能級(jí)的定義也有這個(gè)意味在內(nèi)，電子所具有的能量也如軌道一樣，是對(duì)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(guān)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(gòu)外，其他的多電子原子的電子分布遵循著“構(gòu)造原理”“泡利原理”“洪特規(guī)則”這三大規(guī)律.其實(shí)上面的三大分布規(guī)律，還是基于電子擁有的能量特點(diǎn).在化學(xué)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(duì)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(diǎn)，能層對(duì)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(duì)于在同一個(gè)能層中的電子，其實(shí)際擁有的能量還是有一定波動(dòng)的，因此我們就在大的能層范疇下，引入了能級(jí)概念.

4 能層與能級(jí)的關(guān)系

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

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

(2)在多電子原子中,不存在能級(jí)的概念,認(rèn)為軌道能與能級(jí)相同的說法是完全錯(cuò)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(shí)作者就是把能層與軌道能，能層與能級(jí)的概念混淆，從而在下的結(jié)論中出現(xiàn)了錯(cuò)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(diǎn)修正為：

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

5 逸出功與電離能的關(guān)系

在理順能層與能級(jí)關(guān)系后，我們?cè)賮碛懻撐锢硪莩龉εc化學(xué)中電離能這兩個(gè)看似相同卻極其容易混淆的概念.物理中關(guān)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(xué)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(gè)電子所需要的最小能量稱為元素的第一電離能，由+1價(jià)氣態(tài)陽離子再失去一個(gè)電子形成+2價(jià)氣態(tài)陽離子時(shí)所需能量稱為元素的第二電離能.對(duì)比兩個(gè)定義，不難發(fā)現(xiàn)兩個(gè)概念對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)材料不同，逸出功是對(duì)應(yīng)金屬材料，而電離能對(duì)應(yīng)的是氣態(tài)原子或離子，雖然逸出功與電離能都是讓實(shí)驗(yàn)材料失去電子過程中獲取能量的表示，但是從實(shí)驗(yàn)材料的特質(zhì)看，在相同元素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)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(hào)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(gè)問題，我們先來理解影響光電效應(yīng)中逸出功與化學(xué)中電離能大小的因素有哪些.

在物理中對(duì)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(yīng)所產(chǎn)生的光電子，是因?yàn)闊o規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而脫離原子束縛的外層價(jià)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(shì)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(yīng)的金屬表面性質(zhì)共同決定.而對(duì)于化學(xué)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(gòu)型.通過以上的分析可以看出，其實(shí)逸出功與電離能都和原子失去電子有關(guān)，但是逸出功針對(duì)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(yīng) 康普頓效應(yīng)與軌道能級(jí)關(guān)系

其實(shí)研究原子軌道與能級(jí)的根本目的，還是為了搞清基于這些知識(shí)基礎(chǔ)上，所發(fā)生的光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)產(chǎn)生的根本機(jī)理.在原子核物理研究中，玻爾理論可以說是基礎(chǔ)，又因?yàn)閱我浑娮釉貧涫箚栴}變的簡單化，因此在高中物理中以氫原子的能級(jí)分析為知識(shí)基礎(chǔ)是不難被理解的.在玻爾的原子能級(jí)理論中，由于是單一核外電子，因此能層與能級(jí)概念就不被明確的區(qū)分，其實(shí)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(jí)視為統(tǒng)一概念，這點(diǎn)在文獻(xiàn)[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(jí)討論，而在光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)中，我們所探討的對(duì)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(xì)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(guān)于光電效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，除了教學(xué)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(dòng)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(yīng)的幾率最大！從這點(diǎn)來說，光電效應(yīng)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(duì)于康普頓效應(yīng)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(guān)于原子物理的理論探究與實(shí)驗(yàn)分析我們還有很多的事情可以去做.

參考文獻(xiàn)

1 倪申寬.軌道能與能級(jí).大學(xué)化學(xué),1998(5)

2 戎凱.談逸出功與電離能.中學(xué)物理教學(xué)參考，2009