能級

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簡介

約翰·道爾頓認為，原子是物質中包含的最小的微觀粒子。約翰·道爾頓沒有研究固體中的微觀粒子。相反，他主要研究氣體粒子。儘管 J.J. 湯姆孫解釋了原子的中性性質，但他無法解釋原子中原子核的概念。1909 年，歐內斯特·盧瑟福提出了新的核能理論。

歐內斯特·盧瑟福，一位英國物理學家，參與了使用α粒子的放射性探針對原子的研究。盧瑟福的原子模型由尼爾斯·玻爾修改。尼爾斯·玻爾修改了原子的穩定性和氫原子的線光譜，這是由盧瑟福解釋的。他是第一個提供原子體系的充分概念解釋以解釋氫原子線光譜的人。

什麼是能級？

原子的能級或軌道或殼層被定義為恆定的圓形路徑，原子中的電子在這些路徑上圍繞原子核運動。如果你取一個原子，電子圍繞原子核旋轉。但是，電子不能選擇它們圍繞自身的軌道。這些電子被一些特定的能量所環繞。每個軌道都包含不同的能級。電子在幾個殼層或穩定的能級上圍繞原子核執行。電子在從一個能級跳到另一個能級時會發射能量或吸收能量。這種能量表現為光子。

圖 1. 原子的能級

量子數

原子中每個電子的身份都基於它的四個量子數。量子數就像門牌號。

例如，如果我們標記任何位置，我們首先寫下國家、省份、城市，最後我們會提到門牌號。類似地，我們可以表示原子中電子的位置。表示原子軌道和電子在原子內部排列和分佈的數字稱為量子數。

玻爾原子模型

電子由於庫侖靜電吸引而繞原子核執行。用於保持電子在軌道上運動的向心力由這種庫侖力提供。原子中的電子分散在原子核周圍的不同路徑上；電子在沿著這些路徑移動時不會輻射電磁能量。因此，允許的各個軌道是穩定的。在這種穩定軌道中電子的角動量是量子化的。這意味著它的值是$\mathrm{\frac{h}{2\pi}}$的整數倍。它可以寫成$\mathrm{l=nħ}$。這裡 ħ 是普朗克常數$\mathrm{\frac{h}{2\pi}}$的簡寫形式，n 是量子數。此條件是量子化條件。電子和一些粒子具有雙重性質。並且電子軌道的周長必須是德布羅意波長的整數倍。

$$\mathrm{2\pi r=n\lambda }$$

這裡 n=1,2,3,......

從德布羅意波長方程$\mathrm{\lambda =\frac{h}{mv}}$ 這裡 'h' 是普朗克常數。

$$\mathrm{\therefore\:2\pi r=n(\frac{h}{mv})}$$

$$\mathrm{mv r=n(\frac{h}{2\pi})}$$

當任何質量為 m 和速度為 υ 的粒子以半徑為 r 的圓周運動時，其角動量的數值為

$$\mathrm{l=r(mv)}$$

$$\mathrm{mvr=l=n ħ}$$

軌道的能量不是恆定的，而是具有單獨的值。這些單獨的值稱為能量的量子化。當電子吸收或發射光子時，它會跳到另一個軌道。在此過程中，會產生能量。此能量等於兩個軌道之間的能量。

$$\mathrm{\Delta E=E_{final}-E_{initial}=h v=h\frac{c}{\lambda}}$$

c- 光速；$\mathrm{\lambda}$ - 輻射的波長；ν - 輻射的頻率。原子的能量變化決定了發射輻射的頻率。軌道運動的頻率不影響能量變化。

玻爾對能級的解釋

• 原子的能級或軌道或殼層被定義為恆定的圓形路徑，原子中的電子在這些路徑上圍繞原子核運動。

• 電子在其軌道上不會獲得或損失能量。每個軌道都有一個固定的能級，玻爾稱它們為能態或能級。

• 當電子移動到更高或更低的能級時，它將吸收或發射能量。

• 1、2、3、4 是賦予產生能量的軌道的名稱。它們也分別稱為 K、L、M 和 N 殼層。這些數字稱為主量子數 (n)。

• 最靠近原子核的 K 殼層 (n=1) 能量最低。較高的能級分別命名為 L、M 和 N。隨著距原子核距離的增加，軌道的能量也隨之增加。

• 每個能級 (n) 最多可以容納的電子數為$\mathrm{2n^{2}}$。當電子從較低能級躍遷到較高能級時，會吸收能量。當電子從較高能級躍遷到較低能級時，會釋放能量。

結論

原子的能級或軌道或殼層被定義為恆定的圓形路徑，原子中的電子在這些路徑上圍繞原子核運動。表示原子軌道和電子在原子內部排列和分佈的數字稱為量子數。每個軌道都包含不同的能級。軌道的能量不是恆定的，而是具有單獨的值。軌道的單獨值稱為能量的量子化。電子在其軌道上不會獲得或損失能量。每個軌道都有一個固定的能級，玻爾稱它們為能態或能級。

常見問題

Q1. 氫原子和氘原子有什麼區別？

答：氫原子和氘原子的區別在於，氫原子沒有中子，但它包含電子和質子，而氘原子包含一個質子、一箇中子和一個電子。

Q2. 什麼是氘原子？

答：H.C. 烏雷和他的團隊於 1931 年發現，即使是（主要的）微弱的譜線也會伴隨著氫光譜線在較短波長處出現。由於同位素位移效應（或同位素漂移），相同元素的同位素會發射略微不同的光譜線。這些微弱譜線的出現證實了氫原子中存在同位素。這被稱為氘。

Q3. 什麼是化合價？

答：元素的化合價是該元素與另一種元素結合的能力程度。它等於參與化學反應的電子數。具有 1、2、3、4 等價電子的元素的化合價為 1、2、3、4。如果元素的價電子為 5、6、7，則其化合價為 3、2、1。這意味著分別需要 3、2、1 個電子才能獲得實現原子穩定所需的 8 個電子。如果原子的外殼充滿電子，則原子的化合價為零。

Q4. 解釋盧瑟福的原子理論

答：原子的大部分是空的。原子核是原子中心高度帶正電的區域。與原子核相比，原子的尺寸非常大。電子圍繞原子核執行的圓形路徑稱為軌道。原子通常是中性的。即原子中的質子和電子數相等。盧瑟福的原子結構對應於太陽系。

Q5. 什麼是玻爾-貝里規則？

答：電子圍繞原子核在稱為軌道的圓形路徑上運動。電子共享以填充每個軌道稱為電子共享。原子中這些軌道中電子的共享填充在一定條件下進行。這些定律稱為玻爾和貝里的電子結構規則。