（excited state）。在吸收能量后，电子可能会跃迁到一个更高的激发态。]]
能级（）又称-{zh-cn:能阶;zh-tw:能級}-，是描述量子力学体系或处于束缚态的微观粒子（原子、电子、分子等）可能存在的相对稳定状态下，所对应一系列不连续的、分立的且确定的“内在”能量值或状态。这与经典粒子形成对比，后者的能量可以是任意数值。这个术语通常用来指原子、离子或分子中电子的能级，这些电子受原子核电场的束缚，但它也可以指原子核的能级，或者分子中的振动能级与转动能级。具有这种离散能级的体系，其能量谱被称为量子化的。
能级理论则是一种解释原子核外电子运动轨道的理论。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。由于距原子核越远的电子越不受束缚，因此其能级越高，该电子具有越多的电子能量。距离原子核最近的一层叫作“1层”（也称“K层”），接下来是“2层”（或“L层”），然后是“3层”（或“M层”），依次向外延伸。电子层对应着主量子数（n = 1, 2, 3, 4, …），也可以用中的字母来表示（K、L、M、N，…）。
每个电子层所能容纳的电子数是固定的：第一层最多可容纳 2 个电子，第二层最多可容纳8个电子（2 + 6），第三层最多可容纳18个电子（2 + 6 + 10），以此类推。一般的公式是，第n层最多可容纳2n^2个电子。由于电子受到原子核的静电吸引，原子的电子通常只有在更内层的电子已经完全填满后，才会进入外层。不过，这并不是绝对的：原子可能会有两层甚至三层未填满的外层电子。（更多细节见构造原理。）至于为什么电子会分布在这些电子层中，可以参考“电子排布”的解释。
如果按照通常的约定，将距离原子核或分子无限远处的势能设为零，那么处于束缚态的电子就具有负的势能。
如果一个原子、离子或分子处在可能的最低能级上，那么它和其中的电子就被称为处于基态。如果处在更高的能级上，就称为激发态；或者说，任何能量高于基态的电子都是激发电子。若某个能级对应不止一种可测量的量子态，则该能级被称为简并的。
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。能量确定的状态被称为定态，因为它们随时间不会发生变化。通俗地说，这些状态对应于波函数在一条闭合路径（起点和终点相同的路径，比如绕原子核运动的圆轨道）上恰好容纳整数个波长，其中波长的个数决定了原子轨道的类型（s轨道对应0，p轨道对应1，依此类推）。展示能级如何在数学上产生的基本例子包括“无限深方形阱”和“量子谐振子”。
能量态的任意叠加（线性组合）同样也是一种量子态，但这类状态会随时间演化，并不具有确定的能量。对能量的测量会导致波函数塌缩，使体系进入仅由某一个能量态构成的新状态。对一个体系可能能级的测量被称为光谱学。
历史
19世纪末20世纪初，人类开始走进微观世界，物理学家提出许多关于原子机构的模型，这里就包括卢瑟福的核式模型。在多原子分子中，还会涉及不同的振动和转动能级。
大体来说，一个分子的能态（即的本征态）是电子能、振动能、转动能、核能和平动能的总和，即：
E = E_\text{electronic} + E_\text{vibrational} + E_\text{rotational} + E_\text{nuclear} + E_\text{translational}
其中E_{\rm electronic}是的本征值（即势能面的值）在分子平衡构型处的取值。
分子的能级用标记。这些能量分量的具体数值随具体能态和物质而变化。
能级图
分子中原子之间的化学键存在多种类型的能级示意图。
; 示例:、、弗兰克-康登图
能级跃迁
原子和分子中的电子可以通过发射或吸收光子（电磁辐射）而发生能级，这个光子的能量必须恰好等于两个能级之间的能量差。
电子也可以从原子、分子或离子等中被完全移除。将电子从原子中完全移除可以看作是一种电离，本质上是将电子移到主量子数无限大的轨道上，实际上距离原子（或离子）如此之远，以至于对剩余的原子几乎没有影响。对于不同类型的原子，存在第一、第二、第三等等电离能，分别对应从原子（最初处于基态）中依次移除能量最高的第一、第二、第三等等电子。相应地，当电子被添加到带正电的离子或某些原子上时，也可以释放能量，有时以光子能的形式释放。分子还可以发生振动能级或转动能级的跃迁。能级跃迁也可以是非辐射性的，即不涉及光子的发射或吸收。
如果一个原子、离子或分子处于最低能级，则称其及其电子处于基态。如果处于更高能级，则称为激发态，或者说任何能量高于基态的电子都是激发态。这样的物质可以通过吸收光子跃迁到更高能级，前提是光子的能量等于两个能级之间的能量差。反过来，激发态物质可以通过自发发射一个能量等于能级差的光子而跃迁到更低能级。光子的能量等于普朗克常数h与其频率f的乘积，因此光子的能量与频率成正比，或与波长\lambda成反比。这些类型的激发分子也可以发生逆向电子跃迁回到基态，分别表示为σ→σ、π→π和π*→n。
分子中电子的能级跃迁可以与振动跃迁结合，称为。振动跃迁和可以通过转动-振动耦合结合。在中，电子跃迁同时与振动和转动跃迁结合。参与这些跃迁的光子能量可覆盖电磁谱的不同范围，如X射线、紫外、可见光、红外或微波辐射，这取决于跃迁类型。一般来说，电子态之间的能量差最大，振动能级之间的能量差居中，转动能级之间的能量差最小，尽管不同类型的能量差可能存在重叠。平动能级几乎是连续的，可以用经典力学计算为动能。
温度升高会使流体中的原子和分子运动加快，从而增加它们的平动能，并使分子在振动和转动模式上的平均振幅升高（使分子达到更高的内部能级）。这意味着随着温度上升，平动、振动和转动对分子热容量的贡献使分子能够吸收更多热量并保持更高的内能。热传导通常通过分子或原子之间的碰撞实现，将热量相互传递。在更高的温度下，电子也可能被热激发到原子或分子的高能轨道。随后电子跃迁到较低能级时，可以释放光子，从而可能产生带有颜色的光辉。
离原子核较远的电子具有比靠近原子核的电子更高的势能，因此它与原子核的束缚更弱，因为电子的势能为负值，并且与其到原子核的距离成反比。
晶体材料
晶体中存在能带，而不仅仅是离散能级，或者说除了离散能级之外还存在能带。电子可以在未填满的能带中取任意能量。乍一看，这似乎违反了能级离散的要求。然而，如能带理论所示，能带实际上由许多离散能级组成，这些能级彼此间距非常小，以至于难以分辨。在一个能带内，能级的数量大约与晶体中的原子数相当，因此尽管电子实际上受限于这些能量，它们看起来似乎可以取连续的值。晶体中重要的能级包括顶部、底部、费米能级、，以及晶体中任何缺陷态的能级。
参见
*摄动理论 (量子力学)
*原子钟
*计算化学
参考文献
评论 (0)