电子能量与光量子的关系及原子结构

1.量子数

原子中电子的运动状态由n、l、m、m_s四个量子数来确定。

（1）主量子数nn=1，2，3，4，5，6，7，表示各个电子壳层，这些壳层分别命名为K、L、M、N、O、P、Q壳层。它大体上决定原子中电子的能量。

（2）副（角）量子数ll=0，1，2，…，n－1，分别称为s、p、d、f、g支壳层。它决定轨道动量矩（电子绕核运动的角动量的大小）。一般而言，处于同一主量子数n而不同副量子数l状态中的电子，其能量稍有不同。

（3）磁量子数mm=0，±1，±2，…，±l，它决定轨道动量矩在外磁场方向上的分量，即决定电子的取向。（4）自旋磁量子数m_s，只有两个值。它决定电子自旋动量矩在外磁场方向上的分量，即决定电子的自旋方向。

2.量子

在微观领域中，某些物理量的变化是以最小的单位间隔、跳跃式进行的，而不是连续的，这个最小的单位叫做量子。一个物理量如果有最小的单元且不可连续地分割，我们就说这个物理量是量子化的，并把最小的单元称为量子。如辐射能量就是一份一份的，每一份都有一个物质承担者——光量子。

3.泡里不相容原理

在原子系统内，不可能有两个或两个以上的电子具有相同的状态，亦即不可能具有相同的4个量子数。当主量子数n给定时，副量子数l的可能值为0，1，2，…，n－1，共n个。当副量子数l给定时，磁量子数m的可能值为－l，－l＋1，…，0，…，l共2l＋1个。当主量子数n、副量子数l、磁量子数m都给定时，自旋磁量子数m_s取1／2和－1／2两个可能值。所以，具有同一n值的电子个数最多为2n²个。

4.能量最小原理

原子中每个电子都有优先占据能量最低的空能级的趋势。能级的能量主要取决于主量子数n，n越小，该能级的能量也越低。所以离原子核最近的壳层，一般首先被电子占据。

5.电离能

气态电中性基态原子失去一个电子转化为气态基态正离子所需要的最低能量叫做第一电离能（I₁），气态一价正离子再去掉一个电子成为二价正离子所需的能量，称为第二电离能（I₂），第三、第四等电离能可以类推。电离能中第一电离能I₁最小，也最重要。电离能是原子或离子在气态时活泼性的量度，电离能越小越活泼，元素金属性越强。“气态”、“电中性”、“失去一个电子”等都是保证“最低能量”的条件。

6.能级

能级也就是能量等级，一个壳层一个能级。原子构造是以壳层形式按一定规律分布的。原子中心是一个带正电荷的核，核外存在着一系列不连续的、由电子运动轨道构成的壳层，电子只能在壳层里绕核转动。在稳定状态，每个壳层里运动的电子具有一定的能量状态，所以每个壳层相当于一个能级。

7.价电子

未填满电子的最外壳层中的电子数，决定这一元素的化学性质，这些电子称为价电子。一个原子外壳层电子有几个，就称它为几价。原子和原子的结合主要靠外壳层的互相交合及价电子运动的变化。

8.价级(www.xing528.com)

价电子所处的基态能级叫做价级。

图3-1 激发能级

9.激发能级

价电子经激发后，可以跃迁到价级以上的空能级中去，这些空能级称为激发能级。激发能级示意图如图3-1所示。

激发能级也同样分裂成为能带，激发能带中没有电子称为空带。但价电子经激发后，有可能跃迁到空带中而参与导电，所以空带也称为导带或自由带。

10.共有化运动

由于原子之间的距离很小，不同原子的内外各电子壳层之间就有一定程度的交叠，相邻原子最外壳层的交叠最多，内壳层交叠较少。电子壳层的这种交叠，使得电子不再完全局限于某一个原子上，而可以由一个原子转移到相邻的原子上去。所以，电子将可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共有化运动。

11.能带

能带是能级分裂的结果。由于电子的共有化运动，当N个原子相接近形成晶体时，原来单个原子中每个能级分裂成N个与原来能级很接近的新能级，这N个新能级具有一定的能量范围，称之为能带。

12.导带E_C

能带中没有电子，是空的，称之为导带。

13.价带E_V

价电子共有化运动形成一个能带，使其处于价级分裂后的这些能级上，这样的能带叫做价带。价带的宽度约有几个电子伏特（eV）。如果价带中所有的能级都按泡里不相容原理填满了电子，则称为满带。

14.禁带（带隙）E_g

在两个相邻的能带（价带和导带）之间，可能有一个不被允许的能量间隔（此间不存在能级），这个间隔称为禁带E_g。