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        淺析原子軌道與能級(jí)*

        2014-06-27 06:55:36嚴(yán)
        物理通報(bào) 2014年3期
        關(guān)鍵詞:電離能光電效應(yīng)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(guò)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(guò)程中,大多都以本學(xué)科特點(diǎn)來(lái)給學(xué)生闡述.這樣使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)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(lái)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(shū)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(jiǎn)化描述.那么為什么叫原子軌道,而不稱(chēng)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(pán)”上運(yùn)動(dòng),因此稱(chēng)其為原子軌道也就不奇怪了.其次也是因?yàn)槿祟?lèi)對(duì)原子世界認(rèn)知過(guò)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(wèn)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(jiǎn)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(lái)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(chēng)為電子亞層,從名稱(chēng)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(shuō)法是完全錯(cuò)誤的;

        (3)在多電子原子中,軌道能依賴(lài)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(chēng),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?lái)討論物理逸出功與化學(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(chēng)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(chēng)為元素的第一電離能,由+1價(jià)氣態(tài)陽(yáng)離子再失去一個(gè)電子形成+2價(jià)氣態(tài)陽(yáng)離子時(shí)所需能量稱(chēng)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(guò)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(lái)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(guò)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(wèn)題,我們先來(lái)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(yè)上則說(shuō)明了,由光電效應(yīng)所產(chǎn)生的光電子,是因?yàn)闊o(wú)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(guò)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(méi)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(shuō)是基礎(chǔ),又因?yàn)閱我浑娮釉貧涫箚?wèn)題變的簡(jiǎn)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(lài)曼線(xiàn)系、巴耳末線(xiàn)系、帕邢線(xiàn)系、布喇開(kāi)線(xiàn)系、蒲芬德線(xiàn)系、漢弗萊線(xiàn)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(wèn)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(guò)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(shū)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(lái),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(lái)說(shuō),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(shū)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(guò)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

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