原子結構與光譜

能階(energy level)

想象你站在樓梯上,而不是斜坡上。在斜坡上你可以停在任意高度;在樓梯上你只能站在某一級台階上——絕不能停在兩級之間的半空。原子中的電子站的是樓梯,而非斜坡:它只能擁有某些固定的能量,稱為能階,介於其間的任何值都不被允許。

能階是電子在原子中所能擁有的、被允許的、離散的能量值之一。最低的能階是基態;更高的是激發態。電子要從一個能階移動到另一個,只能透過恰好吸收或放出兩者之間的能量差來實現,不多不少——這正是能量為何以固定大小的「包」來交換的原因。

這種量子化是原子光譜、化學成鍵的基礎,也解釋了原子為何穩定、不會螺旋墜入原子核。需要注意的是,台階之間並非等距:越往上爬,能階越擁擠,到了最頂端它們會併入一片連續區,那時電子已完全不再被原子束縛。

在氫原子中,基態位於 −13.6 電子伏特,下一級在 −3.4,再下一級 −1.5,依此類推,越靠近零越擁擠。一個停在 −3.4 的電子要跌到 −13.6,只能放出一個恰好攜帶 10.2 電子伏特能量差的光子——它在氫光譜中表現為一條精確的譜線。

電子站在台階上,而非斜坡上——只有固定的能量被允許。

那些負數只是表示電子是被束縛的:零能量被定在電子恰好逃離原子的那一點,所以任何束縛態都在零以下。

又稱
能量能级能量能階能层能層