3.4原子的能级结构
原子与分子的能级结构
原子与分子的能级结构能级结构是描述原子与分子内部的能量分布情况的一种模型。
它同时也是量子力学的基础概念之一，对于理解物质的性质和相互作用具有重要意义。
一、能级的概念能级，又称能量级，是指原子或分子所具有的能量状态。
在经典物理学中，物理系统的能量是连续分布的，但在量子力学中，能量是离散的，也就是说，原子或分子只能具有某些特定的值。
二、原子的能级结构1. 原子的电子结构在原子内部，电子围绕着原子核运动。
科学家发现，电子的运动状态并不是任意的，而是具有规律性的。
根据量子力学的理论，电子只能占据离散的能级。
2. 能级的分布原子的能级可以分为主量子数、角量子数、磁量子数和自旋量子数等各种量子数。
主量子数决定着能级的大小，角量子数决定着能级的形状，磁量子数和自旋量子数则决定了电子在能级中的具体分布情况。
3. 能级跃迁当原子从一个能级跃迁到另一个能级时，会伴随着能量的辐射或吸收。
这就是光谱现象的产生原因。
根据能级跃迁的不同，可以得到不同的光谱，如吸收光谱、发射光谱和拉曼光谱等。
三、分子的能级结构1. 分子的电子能级与原子类似，分子内的电子也处于能级中。
但与原子不同的是，分子的电子能级结构不仅由核吸引力决定，还受到分子键的影响。
分子中，电子的运动状态和分子的几何构型紧密相关。
2. 分子的振动和转动能级除了电子能级外，分子还包括振动和转动能级。
分子的振动能级来自于分子内原子核的相对位移，而转动能级则与分子的自转和转动模式有关。
不同的分子结构和分子键对能级产生不同的影响。
3. 能级交叉与跃迁在分子能级结构中，不同的能级可以通过各种方式相互交叉和跃迁。
这种交叉和跃迁反映了分子在不同能量状态下的变化，对于理解分子的光学、电学和热学性质具有重要意义。
四、应用与展望对于原子与分子能级结构的深入研究，不仅有助于理解物质的量子力学性质，还可以应用于很多领域。
例如，光谱学、激光技术、催化反应等，都与能级结构密切相关。
此外，在纳米科技和量子计算等新兴领域中，原子与分子能级结构的研究将扮演更为重要的角色。
原子核外电子排布及表示方法1能层、能级及其最多容纳_OK
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3．元素性质递变规律
项目
同周期(从左→右) 同主族(从上→下)
电子层数相同，最外层 原子核外电
电子数逐渐增多， 子排布
1→7(第一周期1→2)
最外层电子数相 同，电子层数递 增
原子半径 逐渐减小(0族除外)
逐渐增大
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项目
同周期(从左→右)
同主族(从上→下)
电子数 2 8
18
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32
… 2n2
4
2．原子轨道
(1)s电子的原子轨道呈球形对称，ns能级上各有1个原子轨道． (2)p电子原子轨道呈纺锤形，np能级各有3个原子轨道，相互
垂直．
(3)nd能级各有5个原子轨道． (4)nf能级有7个原子轨道．
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3．原子核外电子排布原理 (1)能量最低原理：原子的核外电子排布遵循构造原理，使
最高正价＝主族序数， 元素主要 最高正价由＋1→＋7，
非金属最低负价＝主族 化合价 最低负价由－4→－1
序数－8
原子得、 失
电子能力
得电子能力逐渐增强 失电子能力逐渐减弱
得电子能力逐渐减弱 失电子能力逐渐增强
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项目
同周期(从左→右) 同主族(从上→下)
元素的第一电 离能
呈增大的趋势
ds区 ⅠB族、ⅡB族
f区
镧系、锕系
外围电子排布 ns1～2
ns2np1～6 (n－1)d1～9ns1～2
(除钯外) (n－1)d10ns1～2 (n－2)f0～14(n－1)d0～2ns2
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不同元素在硅中的杂质能级
不同元素在硅中的杂质能级1. 引言硅是一种广泛应用于电子器件制造的半导体材料。
纯净的硅晶体具有良好的电学特性，但在实际制备过程中，难免会存在一定的杂质。
这些杂质会对硅晶体的能级结构产生影响，从而改变其电学性质。
本文将探讨不同元素在硅中的杂质能级及其对硅晶体性能的影响。
2. 杂质能级概述杂质能级是指在纯净晶体中加入少量外来原子所产生的能级。
这些能级可以分为浅能级和深能级两类。
•浅能级：位于禁带边缘附近，通常由主族元素引入。
•深能级：位于禁带内部，通常由过渡金属或其他掺杂引入。
不同元素引入硅晶体时，其离子半径和化学性质都会对杂质原子与硅原子之间的相互作用产生影响，从而形成不同的杂质能级结构。
3. 常见元素在硅中的杂质能级3.1 磷（Phosphorus）磷是最常见的硅杂质之一，它通常通过扩散法引入硅晶体中。
磷原子的离子半径较硅原子大，因此它作为五价元素取代了硅晶体中的四价硅原子。
磷在硅中形成浅能级，其能级接近导带底部。
这使得磷掺杂的硅具有N型半导体性质。
3.2 硼（Boron）硼是另一个常见的杂质元素，它通常通过离子注入或扩散法引入硅晶体中。
由于硼原子的离子半径较小，它作为三价元素替代了四价的硅原子。
硼在硅中形成浅能级，其能级接近价带顶部。
这使得含有大量硼杂质的硅具有P型半导体性质。
3.3 铝（Aluminum）铝是一种常用的掺杂剂，用于改变晶体结构和电学性质。
铝可以通过离子注入或扩散法引入硅晶体中，并形成深能级。
铝在禁带内部形成了一个稳定的能级，其能级位置取决于掺杂浓度。
高浓度的铝杂质会导致硅晶体成为N型半导体。
3.4 锗（Germanium）锗是硅的同族元素，因此它与硅具有相似的晶体结构和化学性质。
锗可以通过离子注入或扩散法引入硅晶体中，并形成深能级。
锗在禁带内部形成了一个能级，其能级位置取决于掺杂浓度。
锗掺杂可改变硅晶体的电学性质。
4. 杂质能级对硅晶体性能的影响不同元素在硅中形成的杂质能级会对硅晶体的电学性质产生不同影响。
原子结构
能层: 一 二
三
KL
M
四…… N ……
能级： 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f
3、注意问题
①能层与能级的关系
每一能层的能级从s开始，s,p,d,f……
能层中能级的数量不超过能层的序数
②能量关系 EK﹤EL ﹤ EM ﹤ EN Ens﹤Enp ﹤ End ﹤ Enf Ens﹤E(n+1) s ﹤ E(n+2) s ﹤ E(n+3) s Enp﹤E(n+1)p ﹤ E(n+2)p ﹤ E(n+3)p
能层 K L
M
N
能级 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f
能级 电子 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14
数
能层 2 8 电子
18
32
数 2n2 2n2
2n2
2n2
知识小结
1. 能层： K,L,M,N,O,P,Q,…… 2. 能级： ns,np,nd,nf，……（n代表能层） 3. 能层与能级的关系：
每一能层的能级从s开始 能层中能级的数量不超过能层的序数
1、能层
能层与能级
电子层
能层 一 二 三 四 五 六 七 …… 符号 K L M N O P Q …… 从K至Q ，能层离核越远，能层能量越大
每层最多容纳电子的数量：2n2
2、能级
同一个能层中电子能量相同的电子亚层
2 6 10
14
……ns np nd Nhomakorabeanf……
2、能级
最多容纳电子的数量 s:2 p:6 d:10 f:14
原子结构及其能级跃迁
原子结构及其能级跃迁在我们探索物质世界的奥秘时，原子结构及其能级跃迁是一个极其重要的领域。
这不仅是物理学中的关键概念，也在化学、材料科学等众多学科中有着广泛的应用。
让我们先来了解一下原子的结构。
原子就像是一个小小的“宇宙”，它由位于中心的原子核和围绕原子核运动的电子组成。
原子核非常小，但却集中了原子几乎所有的质量，它由质子和中子构成。
质子带正电荷，中子不带电。
而电子则带负电荷，在原子核外的“轨道”上运动。
但这里说的“轨道”可不是像行星围绕恒星那样有着明确的路径，而是一种概率分布。
电子在原子核外的空间中出现的位置具有不确定性，我们只能通过概率来描述它们可能出现的区域，这就是所谓的“电子云”。
那么，什么是能级跃迁呢？简单来说，电子只能在特定的、分立的能量状态下存在，这些能量状态就被称为能级。
电子在不同的能级之间移动，就叫做能级跃迁。
为什么会发生能级跃迁呢？这是因为原子要保持稳定的状态。
当原子吸收能量时，比如吸收光子，电子就有可能从低能级跃迁到高能级。
相反，当电子从高能级跃迁回低能级时，就会释放出能量，同样可能以光子的形式放出。
能级跃迁的概念对于理解原子的行为和性质至关重要。
比如，在发光现象中，当电子从高能级跃迁回低能级时，释放出的光子能量就决定了光的颜色。
不同的原子，由于其能级结构的不同，发出的光的颜色也各不相同。
这就是为什么我们能够通过光谱分析来确定物质的成分。
再比如，在激光的产生过程中，也涉及到大量原子的能级跃迁。
通过特定的机制，使得大量原子处于高能级，然后在一定条件下同时跃迁回低能级，释放出大量频率、相位相同的光子，从而形成强大的激光束。
在实际应用中，能级跃迁的知识也有着广泛的用途。
在半导体领域，通过控制材料中原子的能级结构，可以制造出各种电子器件，如晶体管、二极管等。
在量子计算中，利用原子的能级跃迁来实现量子比特的操作，为未来的计算技术带来了巨大的潜力。
从更深层次来看，对原子结构和能级跃迁的研究也推动了物理学理论的发展。
原子的能级
原子的能级原子的能级是指原子内部电子所具有的能量状态。
在原子中，电子围绕着原子核运动，其运动状态受到原子核的引力和电子之间的相互作用力的影响。
这些相互作用力使得电子只能存在于特定的能量状态，称为能级。
我们来看看原子的基态能级。
基态能级是指原子中电子所处的最低能量状态。
在基态能级下，电子处于最稳定的状态，距禢核最近，能量最低。
当外部能量作用于原子时，电子可能被激发到更高能级，这时电子会跳跃到更高的轨道上，这些更高的能级称为激发态能级。
原子的激发态能级是指电子被外部能量激发后所处的能量状态。
当原子受到外部能量的作用，电子会吸收能量，从基态能级跃迁到激发态能级。
在激发态能级上，电子处于不稳定状态，会很快返回到基态能级，释放出能量的形式，如光子。
这就是我们常见的原子发射光线的现象。
原子还具有连续和离散的能级。
连续能级是指电子能够具有无限个能量状态，它们之间的能量差是连续变化的。
而离散能级则是指电子只能具有一系列特定的能量状态，这些状态之间的能量差是固定的。
在原子内部，电子所处的能级是离散的，这导致原子在吸收或发射能量时只能发生特定的跃迁。
原子的能级结构对于物质的性质和行为具有重要影响。
不同原子的能级结构不同，导致它们在化学反应和光谱分析中表现出不同的特性。
通过研究原子的能级结构，科学家们可以深入了解物质的内部构成和性质，为材料科学、化学和物理学等领域的发展提供重要的理论基础。
总的来说，原子的能级是描述原子内部电子能量状态的重要概念。
通过对原子能级结构的研究，我们可以更深入地理解原子和物质的性质，为科学技术的发展提供有力支持。
希望本文能够帮助读者更好地理解原子的能级概念，进一步拓展对物质世界的认识。
人教版高中化学选修3课件-原子的诞生能层与能级构造原理
2．基态与激发态原子 (1)基态： 最低 能量状态。处于 最低 能量状态的 原子称为基态原子。 (2)激发态： 较高 能量状态(相对基态而言)。当基态原子 的电子 吸收 能量后，电子会跃迁到 较高能级 ，变成 激发 态 原子。 (3)基态原子、激发态原子相互转化时与能量的关系：基态 原子吸 释收 放能 能量 量激发态原子。
1．重视新、旧知识的密切联系。本章内容跟在初中化学课 程和高中必修 2 中学习的原子结构与元素性质等知识都有密切 的联系，在认识物质世界的层次上呈螺旋式上升。本章的知识 之间有着严密的逻辑关系。例如，在学习元素周期律和元素周 期表时，要以本章的原子结构理论为指导，并紧密地联系以前 学过的有关元素化合物的知识。
解析：各能层中所含有的能级数等于其能层序数，A 项错误； s 能级不管是在哪一能层上最多所容纳的电子数都为 2 个，B 项 错误；每个能层上最多容纳的电子数为 2n2，C 项错误；第一能 层中，只含 1s 能级，第二能层中，只含 2s、2p 两个能级，第三 能层(M 层)中，含有 3s、3p、3d 三个能级，D 项正确。
3.分类依据 根据多电子原子中同一能层电子 能量 的不同，将它们 分成不同能级。 4．能级的表示方法及各能级最多容纳的电子数。
三、构造原理 1．构造原理 随着原子 核电荷数 的递增，绝大多数元素的原子核外 电子的排布将遵循以下排布顺序：1s、2s、2p、3s、3p、4s、 3d 、 4p、5s、 4d 、5p、6s、 4f 、 5d 、6p、7s、……人 们把它称为构造原理。如图：
(4)能级的表示方法：
能层
能级
各能级最多容 纳的电子数
n＝1K
1s
2
n＝2L 2s 2p
26
n＝3M
3.3 3.4氢原子的能级结构
以下能量的光子能被处于基态氢原子吸收 的是（ A C ）
A: 10.2ev B: 9.8ev C: 12.09ev D: 14ev
氢原子光谱的其他线系
紫 外 线 区 红 外 区 还 有 三 个 线 系 赖曼线系
1 1 R 2 2 1 n 1
1 1 R 2 2 3 n 1
n 2， 3,4,
n 4,5,6,
帕邢线系
布喇开系
普丰特线系
1 1 R 2 2 4 n 1 1 1 R 2 2 5 n 1
B．原子B可能辐射出3种频率的光子
C．原子A能够吸收原子B发出 的光子并跃迁到能级E4 D．原子B能够吸收原子A发出 的光子并跃迁到能级E4 图1
E4 E3 E2
E1
观察下面两个光谱。上图是氢原子向外辐射光 的光谱，下图是氢原子吸收白光后散射的光谱。
思考：1、氢原子吸收光子的特点？ 2、氢原子如此偏吃，怎样的光子 才满足氢原子的胃口？
如果是一群氢原子，该群氢原子的核外电子 在某时刻有多种可能轨道．每一个跃迁时只 能发出一种光，多种轨道同时存在，则：
思考：一群处于能级为3级的氢原子能辐 射多少条光谱？ 处于4级的呢？5级呢？n级呢？
2007年高考广东卷2 2．图1所示为氢原子的四个能级，其中E1为基态， 若氢原子 A 处于激发态 E2 ，氢原子 B 处于激发态 E3 ， 则下列说法正确的是 ( B ) A．原子A可能辐射出3种频率的光子
高考试题库
氢原子的胃口： 1）光子的能量为两定态间能级差时能被氢原子 吸收； 2）若光子的能量大于或等于氢原子跃迁到电离 态，将发生光电效应，此时光子也能被氢原子 吸收。
比如：处于基态的氢 原子吸收大于13.6ev 的光子而发生光电效 应，处于第二级的氢 原子吸收大于3.4ev的 光子也会发生光电效 应。
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二、玻尔原子模型 能级
已知氢原子在基态时电子轨道半径r1＝0.53×10－10 m，能量为E1 ＝－13.6eV。静电力常量为k＝9×109N· m2/C2，普朗克常量为h＝ 6.63×10－34 J· s。 求：⑴电子在基态轨道上运动的动能； ⑵氢原子处于第四能级的激发态跃迁到第二能级的激发态时， 辐射的光波的波长是多少？ 2 2 2 2 2 n kn n 2 2 n n n 1
C 6
2 4
二、玻尔原子模型 能级
原子从一个能级跃迁到一个较低的能级时，有可能不发射光子
例如在某种条件下，铬原子的n=2能级上的电子跃迁到n=1能级上时 并不发射光子，而是将相应的能量转交给n=4能级上的电子，使之 能脱离原子，这一现象叫做俄歇效应，以这种方式脱离了原子的电
A 子叫做俄歇电子，已知铬原子的能级公式可简化表示为 E N 2 , n
二、玻尔原子模型 能级
㈠、玻尔原子模型
定态假说 原子只能处于一系列不连续的能量状态中， 这些状态称为定态。 原子不同能量状态跟电子沿不同轨道绕核运 动相对应。因定态不连续，所以电子可能轨 道分布也是不连续的。
玻 尔 模 型
轨道假说
rn= n2 r1
r1＝ 0.53态跃迁到另一定态时,要辐 射（或吸收）一定频率的光子,光子能量 等于两定态的能量差。
二、玻尔原子模型 能级
㈢. 玻尔理论的局限性
玻尔理论能够十分圆满地解释氢光谱并且预言了氢原 子辐射电磁波谱的问题，其成功之处在于引进了量子化的 观点；但是，在解释其它原子光谱时遇到了很大的困难， 因为玻尔理论过多地保留了经典理论。
二、玻尔原子模型 能级
AB C 玻尔原子模型中所做的假设有 A、原子处于定态的能量状态时，虽然电子做加速运动，但并不向 外辐射能量。
B、原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应， 而电子的可能轨道的分布是不连续的。 C、电子从一个轨道跃迁到另一轨道时，辐射（或吸收）一定频率 的光子。
2
D、电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率。
h Em En
e 2 k 2 m(2 ) rn rn
二、玻尔原子模型 能级
氢原子的能级如图所示 ，已知可见光的光子能量范围约为 1.62eV～3.11eV．下列说法错误的是 D A．处于n＝3能级的氢原子可以吸 收任意频率的紫外线，并发生 电离 B．大量氢原子从高能级向n＝3 能级跃迁时，发出的光具有 显著的热效应 C．大量处于 n＝4能级的氢原子 大量 向低能级跃迁时，可能发出 6种不同频率的光 D．大量处于n＝4能级的氢原子 向低能级跃迁时，可能发出 3种不同频率的可见光
v e k m r r
1 e E mv k 2 2r
Ek1＝13.6eV
Ep1＝－27.2eV
e k nr
E1 E1 C 2 h 2 4 2
16hc 4.875 10 7 m 3E1
n ∞
5 4
3 2
0 -0.54 -0.85
E/eV
-1.51
-3.4
E1 En 2 n
( E1 13.6eV )
一个氢原子处于量子数为n的激发态 时，最多可辐射出的光谱线条数为
N n -1
一群氢原子处于量子数为n的激发态 时，可能辐射出的光谱线条数为
n( n 1) 2 N Cn 2
式中n=1，2，3……表示不同能级，A是正的已知常数，上述俄歇
电子的动能是 A．3A/16 B．7A/16 C．11A/16
C
Ek (E 2 E1 ) E4
D．13A/16
二、玻尔原子模型 能级
若原子的某内层电子被电离形成空位，其它层的电子跃迁到该 空位上时，会将多余的能量以电磁辐射的形式释放出来，此电磁辐 射就是原子的特征x射线．内层空位的产生有多种机制，其中的一 种称为内转换，即原子中处于激发态的核跃迁回基态时，将跃迁时 释放的能量交给某一内层电子，使此内层电子电离而形成空位(被 214 电离的电子称为内转换电子)． Po的原子核从某一激发态回到基 态时，可将能量E0=1.416 MeV交给内层电子(如K、L、M层电子， K、L、M标记原子中最靠近核的三个电子层)使其电离．实验测得 从 214 Po 原子的K、L、M层电离出的电子的动能分别为Ek=1.323 MeV、EL=1.399 MeV、EM=1.412 MeV．则可能发射的特征x射线 的能量为 A．0.013 MeV B．0.017 MeV C．0.076 MeV D．0.093 MeV
放出光子
h Em En
高能级
吸收能量
低能级
氢原子的能级满足：
Rhc En - 2 ，n 1,2,3 n
R为里德伯常量，n为能量量子数
E1 En 2 ，E1 -13.6eV n
二、玻尔原子模型 能级
㈡. 能级 1. 原子各个定态对 应的能量是不连续 的，这些能量值叫 做能级。 2. 基态和激发态： 能量最低的状 态（对应n=1）叫 做基态， 其它状态（对 应n=2、3、4……） 叫做激发态。 3. 氢原子的能级图 1 -13.6
K层电子具有的能量
E1 E0 Ek E2 E 0 E L
L层电子具有的能量
＋
M层电子具有的能量
Ｋ Ｌ Ｍ
E3 E0 E M
可辐射的原子特征Ｘ射线有 ３ 种
L K E2 E1 0.076MeV M L E3 E2 0.013MeV M K E3 E1 0.089MeV