1.3 原子的能级和跃迁
1-1.3原子的基态与激发态、光谱
第3课时能量最低原理、基态与激发态、光谱
一、能量最低原理
原子的电子排布遵循构造原理能使整个原子的能量处于最低状态，简称能量最低原理。
二、基态与激发态
1.基态：处于最低能量的原子叫做基态原子。
例如：Na原子的基态其实就是电子排布为1s22s22p63s1的状态。
2.激发态：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。
例如：如果Na原子的基态的某一能级吸收了能量，就会发生跃迁到更高能量的能级，如Na基态中的2p能级吸收了能量，那么其中的一个电子就有可能跃迁到3s能级，最终形成激发态的1s22s22p53s2
3.基态、激发态相互间转化的能量变化
吸收能量
激发态原子
释放能量，主要形式为光
三、原子光谱
1.定义：不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光，若用光谱仪摄取各种元素的电子的吸收光谱或发射光谱，则可确立某种元素的原子，这些光谱总称原子光谱。
2.分类：发射光谱、吸收光谱
锂、氦、汞的发射光谱锂、氦、汞的吸收光谱特征：发生光谱为暗背景，亮线，线装连续不断
吸收光谱为亮背景，亮线，线装连续不断
注意：烟色反应的原理就是原子从基态变为激发态，再从激发态变成基态时的电子跃迁造成的能量以可见光形式释放的过程，所以是一个物理变化。
3.光谱应用：①光谱分析，利用原子光谱的特征谱线来鉴定元素。
.②解释霓虹灯发光，烟火发光等生活现象。
原子物理中的原子能级与光谱跃迁
原子物理中的原子能级与光谱跃迁原子能级与光谱跃迁是原子物理领域中的重要概念和研究内容。
在本文中，我们将介绍原子能级的概念、原子光谱的特点以及光谱跃迁的机制，以帮助读者更好地理解和掌握这些知识。
一、原子能级的概念与特点原子能级是描述原子内部电子分布状态的离散能量水平。
根据量子力学理论，原子中的电子只能处于一系列离散的能级上，而不能处于这些能级之间的任意能量值。
原子能级之间的能量差称为能级间隔，不同原子具有不同的能级结构。
原子能级的特点是离散性和分层性。
离散性体现在能级只能取特定的能量值，而不能连续变化。
分层性体现在原子能级的排布方式，即能量较低的能级靠近原子核，能量逐渐升高的能级在外层。
二、原子光谱的特点与类型原子光谱是原子在吸收或发射电磁辐射时所呈现的谱线特征。
原子光谱可分为吸收光谱和发射光谱两种类型。
1. 吸收光谱：当原子处于低温状态下，被外界电磁辐射激发时，会吸收特定波长的光，并发生能级跃迁。
这些吸收光谱呈现为连续的谱带或以黑线形式出现在连续谱背景上，称为吸收线或吸收带。
2. 发射光谱：当原子从高能级跃迁到低能级时，会发出辐射波长对应的光子。
这些发射光谱呈现为离散的谱线，在黑背景上呈现出亮线的形式，称为发射线。
三、原子能级跃迁的机制原子能级跃迁是指原子内的电子从一个能级跃迁至另一个能级的过程。
能级跃迁可以分为激发态跃迁和基态跃迁两种类型。
1. 激发态跃迁：当原子受到外界电磁辐射或其他因素激发时，电子从较低能级跃迁至较高能级。
这种跃迁是吸收光谱的基础，对应于吸收线的出现。
2. 基态跃迁：当原子从激发态返回基态时，电子从较高能级跃迁至较低能级，并发出电磁辐射。
这种跃迁是发射光谱的基础，对应于发射线的出现。
原子能级跃迁的机制可以通过量子力学的理论计算和实验观测来研究。
通过精确的能级计算和光谱分析，科学家们能够揭示原子内部电子行为的规律和特点，进而推动量子物理理论的发展。
结语原子能级与光谱跃迁在原子物理领域中具有重要的地位和作用。
原子从高能级跃迁到低能级动能变化
原子从高能级跃迁到低能级动能变化原子能级跃迁：高能级到低能原子能级跃迁是指电子从一个能量较高的能级跃迁到能量较低的能级，从而释放出能量的过程。
原子能级跃迁在许多物理、化学和生物过程中起着关键作用。
动能变化当电子从高能级跃迁到低能级时，会释放出一个光子，光子的能量与两个能级之间的能量差相对应。
根据普朗克方程，光子的能量由频率决定：```E = hf```其中：- E 是光子的能量- h 是普朗克常数- f 是光子的频率跃迁类型原子能级跃迁有几种类型，每种类型都有其独特的特征：自发跃迁：电子自发地从高能级跃迁到低能级，释放出一个光子。
这种跃迁是随机发生的，发生率取决于两个能级之间的能量差。
受激跃迁：当外部能量（如光子或电磁辐射）作用于原子时，电子从低能级激发到高能级。
受激跃迁的发生率与外部能量的强度和频率有关。
辐射跃迁：当处于激发态的电子自发地跃迁到更低的能级时，会释放出一个光子。
这种跃迁的发生率与两个能级之间的能量差有关。
非辐射跃迁：电子从高能级跃迁到低能级时，能量以热量或声子的形式释放，而不是光子。
非辐射跃迁的发生率与两个能级之间的能量差以及周围环境的性质有关。
应用原子能级跃迁在广泛的应用中发挥着重要作用，包括：激光：激光依靠受激辐射跃迁来产生单色、相干、高强度的光。
荧光：当物质吸收能量并将其重新释放为光子时发生荧光，这涉及辐射跃迁。
光谱学：通过分析原子能级跃迁释放或吸收的光的波长，可以获取有关原子结构、成分和性质的信息。
量子计算：原子能级跃迁被用来创建量子比特，这是量子计算的基本单位。
结论原子能级跃迁是电子在不同能量状态之间跃迁的过程，伴随着能量的释放或吸收。
跃迁的类型和发生率取决于两个能级之间的能量差、外加能量的存在以及周围环境。
原子能级跃迁在激光、荧光、光谱学和量子计算等众多应用中发挥着至关重要的作用。
原子结构知识：原子能级上的跃迁
原子结构知识：原子能级上的跃迁原子结构是物质世界的基础，了解原子结构的知识对于理解物质的性质和相互作用至关重要。
在原子结构中，原子能级上的跃迁是一种重要的现象，它可以产生一系列的光谱现象，对于研究物质的性质和相互作用具有重要的意义。
本文将围绕原子能级上的跃迁展开讨论，探讨其在物质科学中的重要性以及相关的理论和实验研究。
1.原子结构基础知识要了解原子能级上的跃迁，首先需要了解原子的基本结构。
在经典物理学的框架下，原子结构可以通过布尔模型来描述，即原子核由质子和中子组成，质子带正电荷，中子是中性的；围绕原子核运动的电子带负电荷，处在不同的能级轨道上。
在量子力学的描述下，原子结构可以用量子力学模型来描述，即原子中的电子存在于一系列离散的能级上，每个能级上存在一定数量的电子，且电子的运动状态由波函数来描述。
2.原子能级与能量在量子力学的描述下，原子中的电子存在于一系列离散的能级上，每个能级对应着一定的能量。
原子中的电子可以在不同的能级之间进行跃迁，从低能级跃迁到高能级会吸收能量，从高能级跃迁到低能级会释放能量。
这种能级之间的跃迁，导致了光谱线的产生，光谱线的位置和强度可以用来研究原子结构和原子间的相互作用。
3.能级跃迁的类型根据跃迁的性质和原子结构的特点，能级跃迁可以分为不同的类型。
例如，电子从一个能级跃迁到另一个能级可分为激发态跃迁和基态跃迁；跃迁的方式有辐射跃迁和非辐射跃迁；跃迁的性质有允许跃迁和禁止跃迁等。
每一种类型的跃迁都有其特定的规律和特征，对于不同类型的跃迁，我们可以通过不同的实验手段来观测和研究。
4.能级跃迁的物理过程在能级跃迁的过程中，电子的运动状态发生了变化，会伴随着能量的吸收或释放。
在跃迁的初态和末态之间，电子的波函数发生变化，伴随着辐射的吸收或释放。
这种物理过程不仅在光谱现象中有所体现，在原子的激光和荧光等现象中也有着重要的应用。
通过对能级跃迁的物理过程的研究，我们可以深入理解原子结构与物质性质之间的关系。
原子结构知识：原子能级上的跃迁
原子结构知识：原子能级上的跃迁一、介绍原子结构和能级1.1原子结构的组成原子是由原子核和围绕在原子核外的电子组成。
原子核由质子和中子组成，质子带正电荷，中子没有电荷。
电子带负电荷，绕着核运动。
1.2能级概念原子中的电子绕核运动，其运动状态不是任意的，而是有一定规律的。
这种状态叫做能级。
原子的能级可根据其能量的不同分为基态、激发态等。
二、原子能级的特性2.1能级的稳定性原子中的能级是稳定的，电子在能级上的运动称为平稳的，每个能级的电子数是固定的，数量一定。
2.2能级的离散性原子能级是离散的，即不是连续的，而是分立的。
每个原子能级都有特定的能量值，而且能量值之间有间隔。
2.3能级的描述原子的能级用量子数来描述，主量子数、角量子数、磁量子数和自旋量子数。
三、原子能级的跃迁3.1能级跃迁的概念当原子从一个能级跃迁到另一个能级时，称为能级跃迁。
能级跃迁可以是电子的一个状态改变，也可以是原子整体的一个状态改变。
3.2吸收和发射能级跃迁主要包括两部分，吸收和发射。
当原子吸收能量时，电子会从低能级跃迁到高能级，这叫做吸收；当电子从高能级跃迁到低能级时，释放出能量，这叫做发射。
3.3能级跃迁的方式能级跃迁主要有自发跃迁、受激跃迁和辐射跃迁三种方式。
自发跃迁是电子自发地从高能级跃迁到低能级，受激跃迁是在外界的作用下引起的跃迁，辐射跃迁是伴随着辐射能量的跃迁。
四、能级跃迁与光谱4.1能级跃迁与光谱原子的能级跃迁和发射或吸收光子之间有密切的关系，所以带来光谱的现象。
能级跃迁和光谱的性质之间有着天然的联系。
4.2光谱的类型光谱主要分为吸收光谱和发射光谱两种。
吸收光谱是原子从低能级跃迁到高能级时吸收的光线产生的光谱，发射光谱是原子从高能级跃迁到低能级时释放的光线产生的光谱。
4.3光谱的应用光谱学是一门研究各种光谱现象的学科，它在天文学、物理学、化学等领域有着广泛的应用。
通过对光谱的观测和分析，可以了解物质的组成、结构和特性。
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。
原子结构 光谱和能级跃迁
原子结构 光谱和能级跃迁1．电子的发现英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子，提出了原子的“枣糕模型”．2．原子的核式结构(1)1909～1911年，英籍物理学家卢瑟福进行了α粒子散射实验，提出了核式结构模型．图1(2)α粒子散射实验的结果：绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞了回来”，如图1所示．(3)原子的核式结构模型：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动．3．氢原子光谱(1)光谱：用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱．(2)光谱分类(3)氢原子光谱的实验规律：巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线，其波长公式1λ＝R (122－1n 2)(n ＝3,4,5，…，R 是里德伯常量，R ＝1.10×107 m －1)．(4)光谱分析：利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分，且灵敏度很高．在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义．4．氢原子的能级结构、能级公式(1)玻尔理论①定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量．②跃迁：电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，会放出能量为hν的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝E m －E n .(h 是普朗克常量，h ＝6.63×10－34 J·s)③轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应．原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的．(2)能级和半径公式：①能级公式：E n＝1n2E1(n＝1,2,3，…)，其中E1为基态能量，其数值为E1＝－13.6 eV.②半径公式：r n＝n2r1(n＝1,2,3，…)，其中r1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r1＝0.53×10－10 m.5．氢原子的能级图能级图如图2所示图2。
原子光谱学与能级跃迁
原子光谱学与能级跃迁光谱学是一门研究物质光谱特性的学科，而原子光谱学则是其重要的分支之一。
原子光谱学主要研究原子在自由态和激发态之间的能级跃迁过程，并通过分析这些能级跃迁所产生的光谱现象，揭示物质的内部结构和性质。
本文将介绍原子光谱学的基本概念、能级跃迁的原理以及其在科学研究和实际应用中的重要性。
一、原子光谱学基本概念原子光谱学研究的对象是原子在特定条件下发射或吸收特定波长的光线所表现出的光谱现象。
在特定条件下，原子可以从基态跃迁到激发态，或者从激发态回到基态，这些能级之间的跃迁是原子发射或吸收特定波长的光线的根本原因。
原子光谱学主要分为发射光谱和吸收光谱两种类型。
发射光谱是指原子从激发态回到基态时所发射出的光谱，吸收光谱则是原子在吸收特定波长的光线时所表现出的光谱。
二、原子能级跃迁的原理原子的能级跃迁是原子光谱学研究的核心。
原子的能级是指原子中电子可能存在的不同能量状态，具有一定的能级差。
原子从低能级跃迁到高能级的过程称为激发，而从高能级跃迁到低能级的过程称为自发辐射。
原子能级的跃迁是由电子的吸收或释放能量引起的。
当原子吸收足够能量时，电子从基态激发到激发态。
而在激发态，电子具有较高的能量，可以通过自发辐射的方式返回到基态。
在此过程中，原子会发射出特定波长的光线，形成特定的光谱线。
原子能级的构成与电子的分布有关。
在原子中，电子存在于不同的轨道和能级上。
每个能级都有固定的能量。
当电子从一个能级跃迁到另一个能级时，它会吸收或释放与两个能级之间的能量差相等的光子。
三、原子光谱学的应用原子光谱学在物理学、化学、天文学等领域具有重要的应用价值。
1. 分析元素成分：通过分析物质的发射光谱，可以确定物质中所含元素的种类和相对含量。
这对于材料的制备和质量控制具有重要意义。
2. 发展光谱学技术：原子光谱学的研究推动了光学仪器和光谱学技术的发展。
例如，光谱仪、光电倍增管等设备的发展使得原子光谱学的实验研究更加精确和扩展。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Ti：Al2O3：660~1180nm
五、玻尔兹曼分布
对于处于热平衡状态的原子系统，其中的 原子将按一定的统计规律分布在各能级上。这 种统计分布称为玻尔兹曼分布。
− Ei
ni ∝ gie kT
n2
=
g2
− E2 −E1
e kT
n1 g1
因 E2
>
E1，所以
n2 g2
<
n1 g1
9某一能级并不一定只对应一个电子态
简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的 数目，用字母g表示
能级示意图
二、分子能级
¾ 电子能级 ¾ 振动能级 ¾ 转动能级
三、辐射跃迁和无辐射跃迁
发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃 迁的现象称为辐射跃迁。
辐射跃迁必须满足辐射跃迁选择定则。
光子的能量： hν = E2 − E1 光子的频率： ν = E2 − E1
h
原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射 或吸收，而是把多余的能量转变为其它形式的能 量，称为无辐射跃迁
四、固体激光材料中的能级及跃迁
¾ 固体激光基质材料
9 玻璃 9 晶体
¾ 激光工作物质——掺杂离子
9稀土离子
Nd3+：1.06μm Er3+：1.54μm
9锕族离子 9过渡金属离子
Cr3+：694.3nm第三节原子的ຫໍສະໝຸດ 级、分布和跃迁一、原子能级
原子是由带正电的原子核及绕核运动的电子组成
电子在原子系统中运动时，可以处在一 系列不同的壳层状态或不同的轨道状态
电子在一系列确定的分立状态运动时， 相应有一系列分立的不连续的能量值
将这些分立的、具有不同能量值的运动状态称 为能级
¾能量最低的状态称为基态
¾能量高于基态的称为激发态 9处于一定电子态的原子对应某个一定的能级