原子电离的几个纠结问题（节选）

1. 处于激发态的原子能够被电离吗？

 题目  用3.7eV能量的光子照射处于n=2激发态的氢原子时，则

    A．氢原子吸收该光子后不会被电离

    B．氢原子吸收该光子后被电离，电离后电子的动能为零

    C．氢原子吸收该光子后被电离，电离后电子的动能为0.3eV

    D．氢原子吸收该光子后被电离，电离后电子的动能为2.19eV

解析：光子和原子作用而使原子发生电离时，原子结构被破坏，因而不再遵守有关原子的结构理论。当n＝2时，氢原子的能量E₂=－3.4 eV，所以处于n＝3激发态的氢原子的电离能3.4eV，当该原子吸收具有3.7eV能量的光子后被电离，电离后电子的动能是3.7 eV－3.4 eV=0.3eV，所以选项C正确。

该题是复旦大学2008年优秀高中生文化水平选拔测试试题。问题是处于激发态的原子能够吸收光子能量被电离吗？下面我们讨论这个问题。对于普通光源而言，电子吸收一个光子后过一段时间再吸收一个光子的几率或者吸收两个光子的几率，几乎趋近于零，以致于在实验中观察不到这种现象。下面粗略估算单光子吸收的几率，取普通光源强度的数量级为P=10⁵W/m²，电子线度的数量级取为l=10^－17m（电子显然应该比原子核小得多），则电子面度的数量级为 S= l² = 10^－34m，则一个电子接收到一个光子所需平均时间的数量级为t=5.92×10¹⁰s。

通常情况下几乎所有的原子都处于基态，依据能量最低原理，基态是最稳定的。少数处于激发态的原子极不稳定，其平均寿命一般在10^－8s左右，自发的由激发态迅速回到稳定的基态。对比两个时间，处于激发态的原子吸收光子能量被电离的几率几乎为零，故通常不考虑激发态的原子的电离。另外从光谱分析角度看，产生吸收光谱的气体是低温稀薄气体，即绝大部分原子处于基态，若温度较高则不能产生吸收光谱，可见处于激发态的原子吸收光子的几率较小，能够被电离的几率几乎为零。

目前大学物理教材关于光子与原子的相互作用，一般也只讨论原子处于基态时吸收光子的情形。

2. 氢原子的电离能究竟从何而来？

气体电离有两种方式——光致电离与碰撞电离。其中对于碰撞电离许多教师认为是碰撞中入射实物粒子的动能，转移给了原子核外的电子，使该电子的动能增加，从而脱离原子核的束缚成为自由电子使原子发生电离，其实这种观点是不正确的。

1914年夫兰克（J．Franck）和赫兹（G．HertZ）在实验室用电子碰撞原子的方法，使后者从低能级被激发到高能级，它不但证明原子能级的存在，而且说明了利用碰撞可以使原子被激发，从而跃迁到较高的能级上。后来发现用其他的粒子与原子发生碰撞，也可以使原子被激发。粒子与原子发生碰撞时，如果只有粒子平移能量（即动能）的交换，则原子内部能量不变，这称为“弹性”碰撞，此时原子是不会被激发而跃迁的。当粒子与原子碰撞时，如果原子内部能量发生变化，则粒子的平移能量和原子内部能量有转变，这称为“非弹性”碰撞。在这一过程中原子才有可能被激发，被激发所需要的能量来源于碰撞粒子的平移能量中转化为原子内部能量的部分。能量转化的越多，原子被激发到的能级越高，当原子获得的能量足够多时，原子即有可能发生电离。实物粒子与氢原子的碰撞满足动量守恒定律和能量守恒定律。发生完全非弹性碰撞时，系统损失的动能最大，这个最大值估称为“损失阀限值”，记作 。被氢原子吸收用以电子跃迁的能量只能是这个阀限值的全部或部分，而不是碰前实物粒子动能的全部或部分。当氢原子两能级的能量差值等于或小于这个阀限值时，则跃迁发生；大于这个阀值时，则不发生跃迁。

　　 动能损失阀限值不仅与实物粒子的初动能有关，还与实物粒子的质量有关。对于不同的入射实物粒子，这个阀限值一般是不相同的。

　　（l）电子入射。如果用电子作实物粒子与氢原子碰撞，则因其质量 ，可近似认为系统损失动能的阀限值为 ，所以只要入射电子的初动能大于或等于氢原子两能级的能量差值，氢原子将发生跃迁，反之跃迁则不发生。

　　（2）质子、中子或氢原子入射。用质子、中子或氢原子作实物粒子碰撞处于静止状态的另一氢原子，则因其质量 ，故可得损失动能的阀限值 。因此只有在氢原子两能级的能量差值等于或小于入射氢原子动能的 时，跃迁才发生；反之跃迁不发生。

　　为了增加原子被激发的可能，碰撞中转化的能量越多越好，当粒子与原子发生“完全非弹性”碰撞时，原子被电离的可能性最大。

3. 外层电子更容易被电离吗？

基态的气态原子失去一个电子形成气态一价正离子时所需能量称为元素的第一电离能（E₁）。气态一价正离子失去一个电子形成气态二价正离子时所需能量称为元素的第二电离能（E₂）。第三、四电离能依此类推，并且E₁＜E₂＜E₃…。电离能可以定量的比较气态原子失去电子的难易，电离能越大，原子越难失去电子，其金属性越弱；反之金属性越强。影响电离能大小的因素是：有效核电荷、原子半径和原子的电子构型。电离能与电子层数有一定关系，电子数越多，说明原子半径越大，原子核对最外层电子的吸引力降低，容易电离失去，电离能较低；电离能与最外层电子数也有关，如同一p轨域中的两个电子间存在一定的排斥作用，这种排斥作用有利于电子脱离原子；所以同一p轨域中的配对电子比单个电子更容易被电离。

但在内转换现象中会被电离的却是原子的内层电子。我们知道处于激发态的原子核可以通过发射γ射线跃迁到低激发态或基态，这种现象称为γ衰变或称γ跃迁。但有时原子核从激发态到较低能态的跃迁并不放出光子，而是把能量直接交给核外内层电子，使电子脱离原子，这种现象称为内转换（IC），脱离原子的电子称为内转换电子。内转换电子的动能与壳层电子的电离能之和等于原子核的两能级间的能量差，也等于在两原子核能级间跃迁所辐射出的γ光子的能量。通过内转换方式还可以产生原子的特征X射线。处于激发态的原子核是通过放射γ光子回到基态，还是通过产生内转换电子回到基态，完全决定于核的能级特性。