[科普中国]-能级

发展背景

19世纪末20世纪初2，人类开始走进微观世界，物理学家提出了许多关于原子机构的模型，这里就包括卢瑟福的核式模型。核式模型能很好地解释实验现象，因而得到许多人的支持;但是该模型与经典的电磁理论有着深刻的矛盾。

按经典电磁理论(19世纪末以前建立的物理学通常叫做经典物理学)，电子绕核转动具有加速度，加速运动着的电荷(电子)要向周围空间辐射电磁波，电磁波频率等于电子绕核旋转的频率，随着不断地向外辐射能量，原子系统的能量逐渐减少，电子运动的轨道半径也越来越小，绕核旋转的频率连续增大，电子辐射的电磁波频率也在连续地变化，因而所呈现的光谱应为连续光谱。

由于电子绕核运动时不断向外辐射电磁波，电子能量不断减少，电子将沿螺旋形轨迹逐渐接近原子核，最后落于核上，这样，原子应是一个不稳定系统。

实验事实：

原子具有高度的稳定性，即使受到外界干扰，也很不易改变原子的属性；且氢原子所发出的光谱为线状光谱，与经典电磁理论得出的结论完全不同。

能层理论能层（英语：Energy level）理论是一种解释原子核外电子运动轨道的一种理论。它认为电子只能在特定的、分立的轨道上运动，各个轨道上的电子具有分立的能量，这些能量值即为能级。电子可以在不同的轨道间发生跃迁，电子吸收能量可以从低能级跃迁到高能级或者从高能级跃迁到低能级从而辐射出光子。氢原子的能级可以由它的光谱显示出来3。

能级原子核所处的各种能量状态。它们直接反映核子间的相互作用以及原子核多体系统的运动规律。对于核能级的性质已有了一定的理解，特别是对低激发能级的性质已有了较好的理解4。

能级的标定 原子核能级的性质决定于核子间的相互作用，后者主要包括强相互作用（即核力）及电磁相互作用。在一个多体系统中，粒子间的相互作用所具有的不变性能为这个多体系统提供了好的量子数。由于核力和电磁力都具有转动不变性及空间反射不变性，所以角动量I和宇称π都是原子核的好量子数（即守恒量量子数）,它们是除能量以外标定能级的最基本的量子数。此外，核力还较好地满足同位旋空间转动不变性，但电磁力不具有这种不变性。所以在后者所起的作用不大的情况下,例如在轻核中，同位旋T仍是一个近似的好量子数(见原子核)，用它来标定能级是有意义的。

偶偶****核能级 偶偶核在能级方面有一些特别简单的规律，例如所有偶偶核的基态自旋宇称I都是0，除了几个双满壳核He、O、Ca、Zr、Pb以外,所有偶偶核的第一激发态自旋宇称都是2。这个简单规律显然与原子核内部结构及核子间相互作用有关。

能级宽度 除了稳定核的基态外，所有原子核的能级都具有一定的宽度寗 。这是因为它们可以通过强相互作用发射核子、核子集团或其他强子；通过电磁作用发射 γ光子；或通过弱相互作用发射电子和中微子并衰变到较低的态或邻近的核的激发态或基态上。由于能级寿命τ与宽度寗有测不准关系的限制：寗τ≥媡，所以一切不稳定的能级都具有一定的宽度寗。寗的变化范围很大，从几兆电子伏到远小于一个电子伏。一般能量越高，能级越密，宽度越大，以致互相重叠，能级就进入连续区。

能级的激发性质 从原子核的衰变、反应性质和核结构理论可判定某一能级的激发性质。典型的激发有两类：一类是单粒子激发（或单空穴激发），例如在某些奇A核中,奇核子从一个单粒子态跃迁到另一个单粒子态。另一类是集体性质的激发，它是由许多单核子激发的相干叠加而成的激发。

能级的各种激发方式直接反映了原子核结构的特性。理论上的分析可见核壳层模型和综合模型。

当激发能增加,能级的性质就越来越复杂,能级也越来越密。这时一个有意义的物理量是能级密度ρ(E，I)，它的物理意义是在激发能E附近单位能量范围内具有一定I值的能级数。实验上低能中子(E