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基态

基态 [1] 是指在正常状态下,原子处于最低能级,这时电子在离核最近的轨道上运动的这种定态。基态的概念是基于能层原理、能级概念、能量最低原理而来的。为了详细说明基态的概念,词条在简要介绍上述相关的内容的基础上,阐述了基态的概念。

由玻尔的理论发展而来的现代量子物理学认为原子核外电子的可能状态是不连续的,因此各状态对应能量也是不连续的。这些能量值就是能级。

是一种解释原子核外电子运动轨道的一种理论 [2] 。它认为电子只能在特定的、分立的轨道上运动,各个轨道上的电子具有分立的能量,这些能量值即为能级。电子可以在不同的轨道间发生跃迁,电子吸收能量可以从低能级跃迁到高能级或者从高能级跃迁到低能级从而辐射出光子。氢原子的能级可以由它的光谱显示出来。

原子核能级的性质决定于核子间的相互作用,后者主要包括强相互作用(即核力)及电磁相互作用。在一个多体系统中,粒子间的相互作用所具有的不变性能为这个多体系统提供了好的量子数。由于核力和电磁力都具有转动不变性及空间反射不变性,所以角动量I和宇称π都是原子核的好量子数(即守恒量量子数),它们是除能量以外标定能级的最基本的量子数。此外,核力还较好地满足同位旋空间转动不变性,但电磁力不具有这种不变性。所以在后者所起的作用不大的情况下,例如在轻核中,同位旋T仍是一个近似的好量子数(见原子核),用它来标定能级是有意义的。

偶偶核能级 偶偶核在能级方面有一些特别简单的规律,例如所有偶偶核的基态自旋宇称Iπ都是0+,除了几个双满壳核4He、16O、40Ca、90Zr、208Pb以外,所有偶偶核的第一激发态自旋宇称都是2+。这个简单规律显然与原子核内部结构及核子间相互作用有关。

能级宽度 除了稳定核的基态外,所有原子核的能级都具有一定的宽度

能级的激发性质 从原子核的衰变、反应性质和核结构理论可判定某一能级的激发性质。典型的激发有两类:一类是单粒子激发(或单空穴激发),例如在某些奇A核中,奇核子从一个单粒子态跃迁到另一个单粒子态。另一类是集体性质的激发,它是由许多单核子激发的相干叠加而成的激发。

原子各个定态对应的能量是不连续的,这些能量值叫做能级 [3]

①能级公式:En=E1/n2

②半径公式:rn=n2r1

在氢光谱中,n=2,3,4,5,…向n=1跃迁发光形成赖曼线系n=3,4,5,6…向n=2跃迁发光形成巴耳末线系;

n=4,5,6,7…向n=3跃迁发光形成帕邢线系;

n=5,6,7,8……向n=4跃迁发光形成布喇开线系,

其中只有巴耳末线系的前4条谱线落在可见光区域内。

③能量最低的能级叫做基态,其他能级叫做激发态。当电子“远离”原子核,不再受原子核的吸引力的状态叫做电离态,电离态的能级为0。(电子由基态跃迁到电离态时,吸收的能量最大。)

能级的各种激发方式直接反映了原子核结构的特性。理论上的分析可见核壳层模型和综合模型。

当激发能增加,能级的性质就越来越复杂,能级也越来越密。这时一个有意义的物理量是能级密度ρ(EIπ),它的物理意义是在激发能E附近单位能量范围内具有一定Iπ值的能级数。实验上低能中子(E<100keV)的共振反应能提供较精确的能级密度的数据。对于A60的原子核利用(p,p)、(p,α)等反应能获得一些有关能级密度的知识。此外,利用中子蒸发谱,设法排除直接核反应所产生的中子,也能获得ρ(EIπ)的知识。理论上由于在激发能较高时单粒子自由度占优势,因此可以利用费密气体模型近似导出能级密度 :

式中

原子核能级及其分布是个极为复杂的问题,它涉及到核多体系统内部的运动规律及新的自由度的出现。随着能量的升高,不同类型的自由度相继被激发,连续谱同分立谱还可以重叠(如同位旋相似态),此外,核子激发态及其他重子也可以在核内出现,构成新的能级。这些方面的知识还是很不成熟的。

能量是守恒的,如果能量一部分会升高,另一部分则会下降,所谓下降的一部分就是能量降低的一部分,所以说能量为了保持平衡会自动降低,自然变化进行的方向都是使能量降低,因此能量最低的状态比较稳定,这就叫能量最低原理。所谓能量最低就是能势最低,相反对周围的引力最大,也叫引力最高原理。能量以波动形式传播,光也是一种能量波,所以,所以光的速度取决于被照射目标引力的大小。因此,光速是可变的。力也符合能量最低原理,左右一对力可以拉出或挤出能量势垒,从而产生能量,再由能量的平衡运动产生物质(包括暗物质和反物质)。

现代物质结构理论证实,原子的核外电子排布遵循构造原理能使整个原子的能量处于最低状态,简称能量最低原理 [4]

原子轨道能量的高低(也称能级)主要由主量子数n和角量子数l决定。当l相同时,n越大,原子轨道能量E越高,例如E1s<E2s<E3s;E2p<E3p<E4p。当n相同时,l越大,能级也越高,如E3s<E3p<E3d。当n和l都不同时,情况比较复杂,必须同时考虑原子核对电子的吸引及电子之间的相互排斥力。由于其他电子的存在往往减弱了原子核对外层电子的吸引力,从而使多电子原子的能级产生交错现象,如E4s<E3d,E5s<E4d。Pauling根据光谱实验数据以及理论计算结果,提出了多电子原子轨道的近似能级图。用小圆圈代表原子轨道,按能量高低顺序排列起来,将轨道能量相近的放在同一个方框中组成一个能级组,共有7个能级组。电子可按这种能级图从低至高顺序填入。

基态

在正常状态下,原子处于最低能级,这时电子在离核最近的轨道上运动,这种定态叫基态。这是电子的稳定状态 [1]

在绝对零度时,全部粒子都处于能量可能有的最低的状态,也就是全部粒子都处于基态。

激发态

相对基态而言的较高能量状态。处于激发态的原子叫做激发态原子。

基态、激发态的相互转化与能量转化的关系

当基态原子的电子吸收能量后,电子会跃迁到较高能级,变成激发态原子,激发态原子不稳定,又会跃迁回较低能级,并释放出能量,即基态原子激发态原子。例如,基态碳原子的最外层电子排布式为2s22p2,而激发态碳原子的最外层电子排布式为2s12p3(有1个2s能级上的电子跃迁到2p能级上) [1]

说明:

①光(辐射)是电子释放能量的重要形式之一。

②在日常生活中,我们看到的许多可见光,如灯光、霓虹灯光、激光、焰火……都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关

量子力学体系状态发生跳跃式变化的过程 [4] 。原子在光的照射下从高(低)能态跳到低(高)能态发射(吸收)光子的过程就是典型的量子跃迁。即使不受光的照射,处于激发态的原子在真空零场起伏的作用下,也能跃迁到较低能态而发射光子(自发辐射)。除了辐射过程之外,其他散射过程、衰变过程等也都属于量子跃迁。量子跃迁是概率性过程,这是量子规律的根本特征。以原子能级跃迁为例,无法预言某个原子什么时刻发生跃迁,有的原子跃迁可能发生得早,有的原子跃迁可能发生得迟,因此原子处于激发态的寿命不是整齐划一的,但对大量原子来说,激发态的平均寿命是确定的,可以实验测定和理论计算。量子跃迁的速率与体系的相互作用以及跃迁前后的状态有关,并遵从一定的守恒定律。原子能级跃迁所遵从的选择定则就是角动量守恒和宇称守恒的结果。

微观粒子量子状态的变化。包括从高能态到低能态以及从低能态到高能态。当粒子由于受热,碰撞或辐射等方式获得了相当于两个能级之差的激发能量时,他就会从能量较低的基态跃迁到能量较高的激发态,但不稳定,有自发地回到稳定状态的趋势。在释放出相应的能量后,粒子自动地回到原来的状态,这些行为称为跃迁,遵守严格的量子规则。其吸收或发射的能量都是h的整数倍。如果以光的形式表现出来,就造成光谱线的分立性。

光谱:不同元素的原子发生跃迁时会吸收(基态→激发态)或释放(激发态→基态)不同的光,可以用光谱仪摄取各种元素的电子的吸收光谱或发射光谱,总称原子光谱。

光谱分析:在现代化学中,常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素,称为光谱分析。

1.电子云 [5]

(1)概念:现代量子力学指出,不可能像描述宏观运动物体那样,确定一定状态(如1s,2s,2p……)的核外电子在某个时刻处于原子核外空间何处,而只能确定它在原子核外各处出现的概率,由此得到的概率分布图看起来像一片云雾,被形象地称为电子云。

(2)电子云轮廓图的制作:为了描绘电子云的形状,人们通常按如图所示的方式制作电子云的轮廓图。

说明:

①电子云表示电子在核外空间某处出现的几率,不代表电子的运动轨迹。

②一个小黑点不代表一个电子,只是代表电子在此处出现过。

③电子云图中的小黑点的疏密表示电子出现几率的大小。密:几率大;疏:几率小。

2.原子轨道

(1)定义:常把电子出现的概率约为90%的空间圈出来,人们把这种电子云轮廓图称为原子轨道。

(2)原子轨道的类型和形状

①类型:原子轨道可以分为s、p、d、f等类型。

②形状:

a.s轨道为球形对称,故只有一个伸展方向,所以s轨道只有一个,呈球形;

b.p轨道在空间有x、y、z3个伸展方向,所以p轨道有px、py、pz三个轨道,呈纺锤形;

c.d轨道有5个伸展方向(5个轨道);

d.f轨道有7个伸展方向(7个轨道)。

说明:

①p能级的3个原子轨道互相垂直,在同一能层中px、py、pz的能量相同。

②不同能层的同种能级的原子轨道形状相似,只是半径不同,能层序数n越大,电子的能量越大,原子轨道的半径越大。例如,1s、2s、3s轨道均为球形,原子轨道半径:r(1s)<r(2s)<r(3s)。

3.原子轨道的表示式

(1)泡利原理:1个原子轨道最多只能容纳2个电子,而且这2个电子的自旋方向必须相反(用“↑↓”表示)。或者说,在同一个原子轨道中,不可能有2个处于完全相同状态的电子。例如,ns的原子轨道上的电子排布为,不能表示为。

(2)洪特规则:当电子排布在同一能级的不同轨道时,总是优先单独占据一个轨道,而且自旋方向相同。

(3)原子轨道表示式

每个方框代表一个原子轨道,每个箭头代表一个电子。如第二周期元素基态原子的电子排布如图所示。


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