理清原子能級躍遷的幾個問題

原子的能級躍遷問題是歷年高考的熱點(diǎn)問題，也是同學(xué)們在物理學(xué)習(xí)中的一個難點(diǎn)，下面就對這一問題加以講解辨析。

1 原子的能級躍遷實(shí)際是電子在躍遷

原子是一個體系，該體系由原子核和核外電子組成，電子繞核運(yùn)動。原子的能量包括電子的動能、電子和原子核共有的電勢能。就如同地球和它周圍的衛(wèi)星構(gòu)成的體系。不同的是，研究原子這樣小的微觀粒子要用量子力學(xué)的知識，研究地球及其衛(wèi)星的運(yùn)動則用牛頓運(yùn)動定律及萬有引力定律。原子的躍遷指的是圍繞原子核運(yùn)動的電子由一個能級躍遷到另一個能級。

2 原子躍遷過程中原子的總能量、電勢能和電子的動能的變化規(guī)律

設(shè)原子中原子核帶電量為+Ze，核外電子帶電荷量為-e，電子在半徑為r的軌道上繞核作勻速圓周運(yùn)動時，庫侖力提供向心力，則有：

kZe2r2=mv2r，則得v=kZe2mr 

電子繞核運(yùn)動的動能為Ek=12mv2=kZe22r

在原子中，由于原子核與核外電子庫侖引力的作用而具有電勢能，電勢能屬于相互作用的系統(tǒng)——原子。由庫侖力所做的功與電勢能的變化關(guān)系可知：電子繞核運(yùn)動的軌道半徑r減小時，庫侖引力F做正功，原子的電勢能Ep減小；反之，電子繞核運(yùn)動的軌道半徑r增大時，庫侖引力F做負(fù)功，原子的電勢能Ep增大。

通常取r→∞時的電勢能為零，電子在半徑為r的軌道上的電勢能：

Ep=eU=-ekZer=-kZe2r

則該定態(tài)能級能量為：

E=Ek+Ep=kZe22r-kZe2r=-kZe22r

由以上的推導(dǎo)可知：

（1）某定態(tài)時，核外電子的動能Ek總是等于該定態(tài)總能量的絕對值，原子系統(tǒng)的電勢能Ep總是等于該定態(tài)總能量值的兩倍。

（2）電子動能Ek=kZe22r隨軌道半徑r的減小而增大，隨r的增大而減小；系統(tǒng)電勢能Ep=-kZe2r隨軌道半徑r的增大而增大，隨r的減小而減小；原子的總能量E=-kZe22r也隨軌道半徑r的增大而增大，隨r的減小而減小。

（3）某定態(tài)能量E=-kZe22r<0，表明原子核外電子處于束縛狀態(tài)，欲使原子電離，外界必須對系統(tǒng)至少補(bǔ)充的能量為kZe22r，原子的能級越低，需要的電離能就越大。

3 躍遷與電離的區(qū)別

（1）躍遷：根據(jù)玻爾理論，當(dāng)原子從低能級向高能級躍遷時，必須吸收光子才能實(shí)現(xiàn)。相反，當(dāng)原子從高能級向低能級躍遷時，必須輻射光子才能實(shí)現(xiàn)，躍遷時不管是吸收還是輻射光子，其光子的能量都必須等于這兩個能級的能量差。

（2）電離：原子失去電子的過程叫做電離，原子一旦電離，原子結(jié)構(gòu)被破壞，而不再遵守有關(guān)原子結(jié)構(gòu)理論。使原子電離，外界必須對原子做功，提供的能量叫電離能，如基態(tài)氫原子的電離能為13.6eV，只要能量大于或等于13.6eV的光子可以使基態(tài)的氫原子吸收而電離，只不過入射光子的能量越大，原子電離后產(chǎn)生的自由電子的動能就越大，不論原子處于什么狀態(tài)，只要入射光子的能量大于該狀態(tài)的電離所需要的能量就可使之電離。

4 光子、實(shí)物粒子使原子能級躍遷的區(qū)別

當(dāng)用光子（電磁波）作用在原子上，要使原子躍遷必須滿足hν=Em-En=ΔE，如果hν>ΔE或hν<ΔE，原子均不可能躍遷，除非這個光子的能量能使原子的核外電子電離；若用電子等實(shí)物粒子作用在原子上，原子躍遷是通過與實(shí)物粒子碰撞傳遞能量而實(shí)現(xiàn)，即只要入射實(shí)物粒子的能量E≥ΔE，均可使原子能級躍遷。這就是光子、實(shí)物粒子使原子能級躍遷的區(qū)別。當(dāng)入射粒子的動能大于或等于原子在某能級的電離能時，也可以使原子電離。