基態

基態是指在正常狀態下，原子處於最低能級，這時電子在離核最近的軌道上運動的這種定態。基態的概念是基於能層原理、能級概念、能量最低原理而來的。為了詳細說明基態的概念，詞條在簡要介紹上述相關的內容的基礎上，闡述了基態的概念。

基本介紹

• 中文名：基態
• 外文名：ground state
• 概念基礎：能層理論、能量最低原理
• 相關狀態：激發態
• 相關運動：電子躍遷
• 學科：原子物理學

能層理論與能級

由玻爾的理論發展而來的現代量子物理學認為原子核外電子的可能狀態是不連續的，因此各狀態對應能量也是不連續的。這些能量值就是能級。

能層理論

是一種解釋原子核外電子運動軌道的一種理論。它認為電子只能在特定的、分立的軌道上運動，各個軌道上的電子具有分立的能量，這些能量值即為能級。電子可以在不同的軌道間發生躍遷，電子吸收能量可以從低能級躍遷到高能級或者從高能級躍遷到低能級從而輻射出光子。氫原子的能級可以由它的光譜顯示出來。

能級的標定

原子核能級的性質決定於核子間的相互作用，後者主要包括強相互作用（即核力）及電磁相互作用。在一個多體系統中，粒子間的相互作用所具有的不變性能為這個多體系統提供了好的量子數。由於核力和電磁力都具有轉動不變性及空間反射不變性，所以角動量I和宇稱π都是原子核的好量子數（即守恆量量子數）,它們是除能量以外標定能級的最基本的量子數。此外，核力還較好地滿足同位旋空間轉動不變性，但電磁力不具有這種不變性。所以在後者所起的作用不大的情況下,例如在輕核中，同位旋T仍是一個近似的好量子數（見原子核），用它來標定能級是有意義的。

偶偶核能級　偶偶核在能級方面有一些特別簡單的規律，例如所有偶偶核的基態自旋宇稱I^π都是0⁺，除了幾個雙滿殼核⁴He、¹⁶O、⁴⁰Ca、⁹⁰Zr、²⁰⁸Pb以外,所有偶偶核的第一激發態自旋宇稱都是2⁺。這個簡單規律顯然與原子核內部結構及核子間相互作用有關。

能級寬度　除了穩定核的基態外，所有原子核的能級都具有一定的寬度 。這是因為它們可以通過強相互作用發射核子、核子集團或其他強子；通過電磁作用發射 γ光子；或通過弱相互作用發射電子和中微子並衰變到較低的態或鄰近的核的激發態或基態上。由於能級壽命τ與寬度 有測不準關係的限制： ，所以一切不穩定的能級都具有一定的寬度 。 的變化範圍很大，從幾兆電子伏到遠小於一個電子伏。一般能量越高，能級越密，寬度越大，以致互相重疊，能級就進入連續區。

能級的激發性質　從原子核的衰變、反應性質和核結構理論可判定某一能級的激發性質。典型的激發有兩類：一類是單粒子激發（或單空穴激發），例如在某些奇A核中,奇核子從一個單粒子態躍遷到另一個單粒子態。另一類是集體性質的激發，它是由許多單核子激發的相干疊加而成的激發。

氫原子能級

原子各個定態對應的能量是不連續的，這些能量值叫做能級。

①能級公式：E_n=E₁/n²

②半徑公式：r_n=n²·r₁

在氫光譜中，n=2,3,4,5,…向n=1躍遷發光形成賴曼線系n=3,4,5,6…向n=2躍遷發光形成巴耳末線系；

n=4,5,6,7…向n=3躍遷發光形成帕邢線系；

n=5,6,7,8……向n=4躍遷發光形成布喇開線系，

其中只有巴耳末線系的前4條譜線落在可見光區域內。

③能量最低的能級叫做基態，其他能級叫做激發態。當電子“遠離”原子核，不再受原子核的吸引力的狀態叫做電離態，電離態的能級為0。（電子由基態躍遷到電離態時，吸收的能量最大。）

能級的各種激發方式直接反映了原子核結構的特性。理論上的分析可見核殼層模型和綜合模型。

當激發能增加,能級的性質就越來越複雜,能級也越來越密。這時一個有意義的物理量是能級密度ρ(E，I^π)，它的物理意義是在激發能E附近單位能量範圍內具有一定I^π值的能級數。實驗上低能中子（E<100keV）的共振反應能提供較精確的能級密度的數據。對於A揥60的原子核利用(p,p)、(p,α)等反應能獲得一些有關能級密度的知識。此外，利用中子蒸發譜，設法排除直接核反應所產生的中子，也能獲得ρ(E，I^π)的知識。理論上由於在激發能較高時單粒子自由度占優勢，因此可以利用費密氣體模型近似導出能級密度 ：

式中， 是在費密面上的單粒子能級密度，E*=E-u，是等效激發能,這個公式只能用於能級較密的區域。

原子核能級及其分布是個極為複雜的問題，它涉及到核多體系統內部的運動規律及新的自由度的出現。隨著能量的升高，不同類型的自由度相繼被激發，連續譜同分立譜還可以重疊（如同位旋相似態），此外，核子激發態及其他重子也可以在核內出現，構成新的能級。這些方面的知識還是很不成熟的。

能量最低原理

能量是守恆的，如果能量一部分會升高，另一部分則會下降，所謂下降的一部分就是能量降低的一部分，所以說能量為了保持平衡會自動降低，自然變化進行的方向都是使能量降低，因此能量最低的狀態比較穩定，這就叫能量最低原理。所謂能量最低就是能勢最低，相反對周圍的引力最大，也叫引力最高原理。能量以波動形式傳播，光也是一種能量波，所以，所以光的速度取決於被照射目標引力的大小。因此，光速是可變的。力也符合能量最低原理,左右一對力可以拉出或擠出能量勢壘,從而產生能量,再由能量的平衡運動產生物質（包括暗物質和反物質）。

現代物質結構理論證實，原子的核外電子排布遵循構造原理能使整個原子的能量處於最低狀態，簡稱能量最低原理。

原子軌道能量的高低（也稱能級）主要由主量子數n和角量子數l決定。當l相同時，n越大，原子軌道能量E越高，例如E_1s<E_2s<E_3s；E_2p<E_3p<E_4p。當n相同時，l越大，能級也越高，如E_3s<E_3p<E_3d。當n和l都不同時，情況比較複雜，必須同時考慮原子核對電子的吸引及電子之間的相互排斥力。由於其他電子的存在往往減弱了原子核對外層電子的吸引力，從而使多電子原子的能級產生交錯現象，如E_4s<E_3d，E_5s<E_4d。Pauling根據光譜實驗數據以及理論計算結果，提出了多電子原子軌道的近似能級圖。用小圓圈代表原子軌道，按能量高低順序排列起來，將軌道能量相近的放在同一個方框中組成一個能級組，共有7個能級組。電子可按這種能級圖從低至高順序填入。

基態與激發態

基態

在正常狀態下，原子處於最低能級，這時電子在離核最近的軌道上運動，這種定態叫基態。這是電子的穩定狀態。

在絕對零度時，全部粒子都處於能量可能有的最低的狀態，也就是全部粒子都處於基態。

激發態

相對基態而言的較高能量狀態。處於激發態的原子叫做激發態原子。

基態、激發態的相互轉化與能量轉化的關係

當基態原子的電子吸收能量後，電子會躍遷到較高能級，變成激發態原子，激發態原子不穩定，又會躍遷回較低能級，並釋放出能量，即基態原子激發態原子。例如，基態碳原子的最外層電子排布式為2s²2p²，而激發態碳原子的最外層電子排布式為2s¹2p³（有1個2s能級上的電子躍遷到2p能級上）。

說明：

①光（輻射）是電子釋放能量的重要形式之一。

②在日常生活中，我們看到的許多可見光，如燈光、霓虹燈光、雷射、焰火……都與原子核外電子發生躍遷釋放能量有關

電子躍遷

量子力學體系狀態發生跳躍式變化的過程。原子在光的照射下從高（低）能態跳到低（高）能態發射（吸收）光子的過程就是典型的量子躍遷。即使不受光的照射，處於激發態的原子在真空零場起伏的作用下，也能躍遷到較低能態而發射光子（自發輻射）。除了輻射過程之外，其他散射過程、衰變過程等也都屬於量子躍遷。量子躍遷是機率性過程，這是量子規律的根本特徵。以原子能級躍遷為例，無法預言某個原子什麼時刻發生躍遷，有的原子躍遷可能發生得早，有的原子躍遷可能發生得遲，因此原子處於激發態的壽命不是整齊劃一的，但對大量原子來說，激發態的平均壽命是確定的，可以實驗測定和理論計算。量子躍遷的速率與體系的相互作用以及躍遷前後的狀態有關，並遵從一定的守恆定律。原子能級躍遷所遵從的選擇定則就是角動量守恆和宇稱守恆的結果。

微觀粒子量子狀態的變化。包括從高能態到低能態以及從低能態到高能態。當粒子由於受熱，碰撞或輻射等方式獲得了相當於兩個能級之差的激發能量時，他就會從能量較低的基態躍遷到能量較高的激發態，但不穩定，有自發地回到穩定狀態的趨勢。在釋放出相應的能量後，粒子自動地回到原來的狀態，這些行為稱為躍遷，遵守嚴格的量子規則。其吸收或發射的能量都是h的整數倍。如果以光的形式表現出來，就造成光譜線的分立性。

電子云與原子軌道

光譜：不同元素的原子發生躍遷時會吸收（基態→激發態）或釋放（激發態→基態）不同的光，可以用光譜儀攝取各種元素的電子的吸收光譜或發射光譜，總稱原子光譜。

光譜分析：在現代化學中，常利用原子光譜上的特徵譜線來鑑定元素，稱為光譜分析。

1．電子云

電子云

(1)概念：現代量子力學指出，不可能像描述巨觀運動物體那樣，確定一定狀態（如1s,2s,2p……）的核外電子在某個時刻處於原子核外空間何處，而只能確定它在原子核外各處出現的機率，由此得到的機率分布圖看起來像一片雲霧，被形象地稱為電子云。

(2)電子云輪廓圖的製作：為了描繪電子云的形狀，人們通常按如圖所示的方式製作電子云的輪廓圖。

電子云輪廓圖的製作

說明：

①電子云表示電子在核外空間某處出現的幾率，不代表電子的運動軌跡。

②一個小黑點不代表一個電子，只是代表電子在此處出現過。

③電子云圖中的小黑點的疏密表示電子出現幾率的大小。密：幾率大；疏：幾率小。

2．原子軌道

(1)定義：常把電子出現的機率約為90%的空間圈出來，人們把這種電子云輪廓圖稱為原子軌道。

s能級的原子軌道圖

(2)原子軌道的類型和形狀

①類型：原子軌道可以分為s、p、d、f等類型。

②形狀：

a．s軌道為球形對稱，故只有一個伸展方向，所以s軌道只有一個，呈球形；

b．p軌道在空間有x、y、z3個伸展方向，所以p軌道有p_x、p_y、p_z三個軌道，呈紡錘形；

c．d軌道有5個伸展方向（5個軌道）；

d．f軌道有7個伸展方向（7個軌道）。

說明：

①p能級的3個原子軌道互相垂直，在同一能層中p_x、p_y、p_z的能量相同。

②不同能層的同種能級的原子軌道形狀相似，只是半徑不同，能層序數n越大，電子的能量越大，原子軌道的半徑越大。例如，1s、2s、3s軌道均為球形，原子軌道半徑：r(1s)<r(2s)<r(3s)。

3．原子軌道的表示式

(1)泡利原理：1個原子軌道最多只能容納2個電子，而且這2個電子的自旋方向必須相反（用“↑↓”表示）。或者說，在同一個原子軌道中，不可能有2個處於完全相同狀態的電子。例如，ns的原子軌道上的電子排布為，不能表示為。

(2)洪特規則：當電子排布在同一能級的不同軌道時，總是優先單獨占據一個軌道，而且自旋方向相同。

(3)原子軌道表示式

每個方框代表一個原子軌道，每個箭頭代表一個電子。如第二周期元素基態原子的電子排布如圖所示。