电子结合能和能级

电子受原子核约束的程度决定了几种能量吸收和发射现象。我们把一个电子的结合能(Eb)定义为电子完全从原子中分离所需要的能量。当能量在我们日常经历的宏观世界中测量时，使用像焦耳和千瓦·小时这样的单位。在微观世界中，电子伏是一个更为方便的能量单位。在页边图2-3中，电子在两个电极之间得到加速。也就是说，电子被负电极排斥而被正电极吸引。电子的动能(“运动的能量”)大小取决于两个电极之间的电位差。1电子伏表示一个电子穿过电势差(即电压)为1V加速而得到的动能。在页边图2-3(b)中，每个电子获得10e V的动能。

电子伏可以转化成其他的能量单位:

1e V=1.6×10-19J=1.6×10-12erg=4.4× 10-26k W·hr

注意:103e V=1ke V，106e V=1Me V。

电子伏可同时表示势能和动能。原子中电子的结合能是势能的一种形式。

原子核对原子内层电子的吸引作用力比对远离原子核的外层电子的作用力强很多。只有当外部能量源提供能量时，电子才可能从一个电子层向另一个离原子核更远的电子层迁跃。结合能是负的(即: 书写时需添加负号)，因为它代表了从原子移走一个电子所必须提供的能量。把一个电子从内层移到外层时，传给原子的能量相当于两层之间结合能的算术差。例如，氢原子K层中每个电子的结合能为-13.5e V，而L层中结合能为-3.4e V。氢原子中一个电子从K层跃迁到L层所需的能量为:( -3.4e V) -( -13.5e V) =10.1e V。

表2-2 选定元素的电子壳层的结合能a

a数据来自: Fine，J.，and Hendee，W.Nucleonics1955;13:56.

原子序数Z高的原子的内层电子在带高正电荷的原子核附近，这些电子受到的原子核的束缚力比氢原子的孤立电子受到的束缚力要大得多。高Z和低Z原子中电子结合能之间的比较如页边图2-4所示。

特定电子层中的所有电子所具有的结合能也不完全相同。特定电子层中电子的结合能之间的差异用轨道、磁场、自旋量子数(l、ml、ms)来描述。这些由量子力学所允许的量子数的组合分别为L层提供三个亚壳层(LⅠ到LⅢ)，为M层提供五个亚壳层(MⅠ到MⅤ)(M亚壳层只有当磁场存在时才出现)(表2-1)。与电子层之间的能量差异相比，亚壳层之间的能量差是很小的。但是，这些差异在放射学中是很重要的，因为它们能够解释X-线管发射谱的某些特性。表2-2给出了选定元素的K、L层电子的结合能的值。