浅析原子轨道与能级*

严 涵

(南通大学附属中学 江苏 南通 226001)

高中《物理·选修3-5》与高中《化学·选修3》中都涉及到原子外层电子轨道与能级知识，在理解这两个知识点的过程中，两学科既有扩展、联通，又有区别.两科授课教师在讲述过程中，大多都以本学科特点来给学生阐述.这样使得学生在学习过程中对于相关知识点就容易混淆不清，从而影响对知识的掌握.下面我们分几点来逐一理顺搞清原子轨道与能级中涉及的相关知识.

1 原子轨道 电子轨道

原子轨道，是原子运动的轨道，还是原子外层电子的运动轨道？从书本中不难发现，原子轨道实际上就是电子运动轨迹分布情况的简化描述.那么为什么叫原子轨道，而不称为电子轨道呢？首先我们可以形象的理解，是核外电子在与原子核的相互作用下绕核运动，电子的运动规律与轨道特点是由原子核作用所决定，相当于原子给这些电子地方，让这些电子在“原子的地盘”上运动，因此称其为原子轨道也就不奇怪了.其次也是因为人类对原子世界认知过程是循序渐进的，原子轨道被习惯性的替代了电子轨道，因此叫什么是次要的，只要理解即可.由此我们可以看到科学的发展是有阶段性和局限性的.

2 电子云 电子轨道

这个问题大家不难理解，因为在微观世界中，电子运动是量子化的，本身电子的运动只是在一个范围中概率出现，为了方便理解引入了宏观世界的轨道，玻尔的轨道理论就能浅显易懂地让一般人理解核外电子的运动规律.其实下面提到的能层、能级的定义也有这个意味在内，电子所具有的能量也如轨道一样，是对电子能量量子化规律的模型简化.

3 电子轨道分布与能层关系

在原子世界，除了氢原子和特殊的离子可以为核外单电子结构外，其他的多电子原子的电子分布遵循着“构造原理”“泡利原理”“洪特规则”这三大规律.其实上面的三大分布规律，还是基于电子拥有的能量特点.在化学中，根据电子能量的不同，将核外电子所在的轨道分成了不同的能层，并且对于第一、二、三、四、五、六、七……能层，用“K,L,M,N,O,P……”来表示.由于电子的量子化特点，能层对于电子所拥有的能量分布的表示，还是基于一定概率范围中而言.对于在同一个能层中的电子，其实际拥有的能量还是有一定波动的，因此我们就在大的能层范畴下，引入了能级概念.

4 能层与能级的关系

能层与能级的关系是什么？打个比方，能层是楼房的楼层，那么能级就是这些楼层中的楼梯.能级有时也被称为电子亚层，从名称上就不难发现，能级是被定义在能层的下一级，是不同能层下，电子所拥有能量分布更为细化的表示.在文献[1]中，作者所总结的3个基本结论：

(1)只有在单电子体系(如氢原子)中,才有能级的概念,这时能级与轨道能是一致的;

(2)在多电子原子中,不存在能级的概念,认为轨道能与能级相同的说法是完全错误的;

(3)在多电子原子中,轨道能依赖于特定的电子组态,轨道能随电子组态变化而变化.

不难发现其实作者就是把能层与轨道能，能层与能级的概念混淆，从而在下的结论中出现了错误.根据倪申宽所总结的结论，我们可以把他的(1)、(2)两点修正为：

(1)轨道能是能层与能级的统称，单电子体系中，电子能量分布还是遵循能层-能级系统;

(2)在多电子原子中，电子根据三大规律，首先分布在不同的能层中，在不同的能层中，电子处在不同的能级上.

5 逸出功与电离能的关系

在理顺能层与能级关系后，我们再来讨论物理逸出功与化学中电离能这两个看似相同却极其容易混淆的概念.物理中关于电离能的定义：电子克服原子核的束缚,从金属材料表面逸出所需的最小能量,称为逸出功.化学中定义电离能：基态的气态原子或气态离子失去一个电子所需要的最小能量称为元素的第一电离能，由+1价气态阳离子再失去一个电子形成+2价气态阳离子时所需能量称为元素的第二电离能.对比两个定义，不难发现两个概念对应的实验材料不同，逸出功是对应金属材料，而电离能对应的是气态原子或离子，虽然逸出功与电离能都是让实验材料失去电子过程中获取能量的表示，但是从实验材料的特质看，在相同元素实验基础上，拥有更大能量的气态原子或离子明显比稳定的金属更容易失去电子，那么我们是否就可以得出在相同元素实验基础上，逸出功值要比电离能大呢？我们来看表1.

表1 元素逸出功及第一电离能

注：22,74号元素为过渡元素

从表中分析，可以看出同一元素的第一电离能是大于逸出功的.这又是为什么呢？为了搞清这个问题，我们先来理解影响光电效应中逸出功与化学中电离能大小的因素有哪些.

在物理中对于逸出功的表述是：电子克服原子核的束缚,从金属材料表面逸出所需的最小能量.在高中《物理·选修3-5》第32页上则说明了，由光电效应所产生的光电子，是因为无规则热运动而脱离原子束缚的外层价电子吸收外界能量所形成，因而要让这样的电子逸出金属表面形成光电子，那么只要克服金属表面的势垒做功即可.因此影响金属逸出功的因素除了元素本身性质外，还有就是发生光电效应的金属表面性质共同决定.而对于化学中的电离能，影响其大小的因素是：有效核电荷、原子半径和原子的电子构型.通过以上的分析可以看出，其实逸出功与电离能都和原子失去电子有关，但是逸出功针对的是已经基本脱离原子束缚的外层电子，而电离能则是在原子核力束缚下的稳定电子，因此同样的元素，第一电离能大于逸出功也就没有什么可奇怪的了！

6 光谱 光电效应 康普顿效应与轨道能级关系

其实研究原子轨道与能级的根本目的，还是为了搞清基于这些知识基础上，所发生的光电效应、康普顿效应产生的根本机理.在原子核物理研究中，玻尔理论可以说是基础，又因为单一电子元素氢使问题变的简单化，因此在高中物理中以氢原子的能级分析为知识基础是不难被理解的.在玻尔的原子能级理论中，由于是单一核外电子，因此能层与能级概念就不被明确的区分，其实在氢光谱研究中所得到的赖曼线系、巴耳末线系、帕邢线系、布喇开线系、蒲芬德线系、汉弗莱线系等系列，都是基于不同的能量区段所划分，因此在这些谱系中必然也把原子能层与能级视为统一概念，这点在文献[1]的总结中也可看出，但是问题在于随后的讨论并不止局限在单一原子的能级讨论，而在光电效应与康普顿效应中，我们所探讨的对象又是绝大多数的多电子原子，这样就使得我们必须从更细致的角度分析原子核外电子的能量分布才能弄清他们的产生原理.在查阅大量资料过程中，笔者发现关于光电效应的产生机理，除了教学书本所叙述的自由电子理论外，有文叙述为：是外界光子作用于原子，使原子核在与光子作用中将获得一部分反冲动量，这样一来，只有和原子核结合得最紧密的K层电子发生光电效应的几率最大！从这点来说，光电效应所产生的光电子反而是内层电子，这岂不是与书本理论相悖！对于康普顿效应一般视为大能量光子(超过电子的束缚能)，与自由电子发生散射而形成.因此可以看出关于原子物理的理论探究与实验分析我们还有很多的事情可以去做.

参考文献

1 倪申宽.轨道能与能级.大学化学,1998(5)

2 戎凯.谈逸出功与电离能.中学物理教学参考，2009