原子能級是指原子系統(tǒng)能量量子化的形象化表示。按照量子力學(xué)理論，可計(jì)算出原子系統(tǒng)的能量是量子化的，能量取一系列分立值;能量值取決于一定的量子數(shù)，因此能級用一定的量子數(shù)標(biāo)記。

1、原子軌道

原子軌道，是原子運(yùn)動的軌道，還是原子外層電子的運(yùn)動軌道?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，電子的運(yùn)動規(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，因此稱其為原子軌道

2、原子軌道與能層關(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的，因此我們就在大的能層范疇下，引入了能級概念。

3、能層與原子能級的關(guān)系

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

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

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。

1、電子的運(yùn)動情況

由力學(xué)原理可得電子的總能量E=Ek+Ep=?mv2-Ze2/4πε0r為了研究方便，將能量在極坐標(biāo)系下表示，則有：

由于角動量PΦ=mr2Φ線動量Pr= mr·。由量子化條件：

可得：

滿足關(guān)系：

a、b分別為橢圓的長軸和短軸，只有當(dāng)nΦ= n 時(shí)電子的運(yùn)動軌道才是圓形，對于一個(gè)n值只有一個(gè)圓形軌道，n-1個(gè)橢圓軌道?？赏频靡粋€(gè)能量對應(yīng)n個(gè)軌道，這是由于原子實(shí)的極化和軌道貫穿影響能量。

2、電子的自旋和軌道運(yùn)動相互作用

但即便是主量子數(shù)n和角量子數(shù)nΦ(接下來用表示)都相同，電子運(yùn)動軌道也并不唯一確定。因?yàn)?，電子不僅圍繞原子核運(yùn)動產(chǎn)生軌道角動量pl，同時(shí)又圍繞自身中心旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生自旋角動量ps也就具有了磁性。

那么具有磁性的電子(磁矩μs)在其圍繞原子核運(yùn)動形成的磁場B中附加能量為ΔE=-μsBcosθ，θ為μs和B的夾角。相應(yīng)的角動量：

同理，軌道角動量：

總的角動量：

通過實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明μs=eps/m，可求得附加能量。對于n和l確定時(shí)s取?，j的值等于l+?和l-?。于是附加能量有兩個(gè)值，原來的單層能級劈裂成雙層能級。可見，電子可能的運(yùn)行軌道取決于電子的自旋和軌道運(yùn)動。

1、光子使原子能級躍遷的條件

玻爾的原子模型是以三條基本假設(shè)為基礎(chǔ)，其中頻率假設(shè)認(rèn)為，原子從一個(gè)定態(tài)(設(shè)能量數(shù)值為En1)躍遷到另一定態(tài)(設(shè)能量數(shù)值為En2)時(shí)，它輻射或吸收一定頻率的光子。輻射或吸收光子的能量數(shù)值不是任意的，而是由這兩個(gè)定態(tài)的能級之差決定。即光子的頻率v滿足：

hv=En1-En2

值得指出：光子是一份一份的，光子的能量hv也是一份一份的。每一份光子能量都是不可“分割”的、原子所吸收的光子頻率只有滿足hv=En1-En2時(shí)，才能使原子吸收光子從基態(tài)或較低能級的激發(fā)態(tài)躍遷到較高能級的激發(fā)態(tài)。

這就是說，要用光子使原子受激發(fā)而發(fā)生躍遷，就必須使光子具有的能量hv等于發(fā)生躍遷的兩個(gè)能級的能量差值;光子的能量大于或小于這個(gè)能量差值均不能使原子躍遷。

2、電子使原子能級躍遷的條件

夫克蘭-赫茲實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出:當(dāng)電子速度增大到一定數(shù)值時(shí)，與原子的碰撞是非彈性的。電子把一部分能量傳遞給原子，使原子發(fā)生能級躍遷。當(dāng)然，原子從電子所具有的能量中獲取能量不是任意的，所能獲取的能量值就等于發(fā)生躍遷的原子兩個(gè)能級的能量之差值。

從力學(xué)角度分析。粒子間(如電子與原子、原子與原子等)的碰撞是要滿足力學(xué)上的能量守恒和動量守恒原理的。因此二粒子間的碰撞一般不能把它們的全部動能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部能量的，碰后仍會保留一部分動能以滿足動量守恒關(guān)系。

但當(dāng)電子與靜止的原子碰撞時(shí)，由于電子質(zhì)量很小。有可能差不多使電子的全部動能轉(zhuǎn)變?yōu)樵拥膬?nèi)能。所以從動能的利用來考慮，用電子碰撞來激發(fā)原子比用原子或分子來碰撞更有利。

需要指出:電子與光子不同，光子的能量是一份一份的。而電子的能量不是一份一份的。只要人射電子的能量大于或等于原子兩個(gè)能級的能量之差值(即E=En1-En2)均可使原子發(fā)生能級躍遷。

3、電離——一種特殊的原子能級躍遷

所謂電離，是指電子從基態(tài)激發(fā)到脫離原子。即原子從基態(tài)(n=1)躍遷到最高能級狀態(tài)(n=∞)，也就是電子從離核最近的軌道躍遷到離核最遠(yuǎn)的軌道(脫離原子核)，電離過程所需要的能量稱為電離電勢能。

當(dāng)原子吸收的能量等于電離電勢能時(shí)，原子恰被電離;若吸收的能量大于電離電勢能，原子也能被電離，且電離出的電子具有動能(其動能等于吸收的能量與電離電勢能的差值);若吸收的能量小于電離電勢能，則不會發(fā)生電離現(xiàn)象，將會躍遷到某一較高能級的激發(fā)態(tài)。