負能態

能級是指微觀粒子系統在定態中只能處於一系列不連續的、分立的能量狀態。按這些狀態的能量由低到高加以排列即組成能級。在原子體系中，能級的高低主要由主量子數決定，但在多電子原子中又會出現能級交錯現象（見能級交錯）。在分子軌道理論中，認為原子軌道組成分子軌道，分子軌道也按能量分為若干能級。

以氫原子為例，由狄拉克方程可解出兩個能級，一正一負。位於負能級上的電子處於負能態，其能量為負。

基本介紹

• 中文名：負能態
• 外文名：negative energy state
• 領域：量子力學
• 性質：能量為負
• 相關概念：負能級
• 對偶概念：正能態

概念

微觀粒子系統（如原子、原子核或其它多粒子體系）所取的不連續的定態能量值。可用一些高度按能量大小不同並順序排列的分立線表示，稱做能級圖。能級中最低的狀態為基態，亦稱正常態，為最穩定的狀態，其餘皆為激發態。當幾個能量對應同 一能量值時，稱做能級的簡併。具有相同能量的狀態數稱做這個能級的簡併度（或重數）。由於某種原因原來簡併的能級被分開了，稱做簡併的解除。

對每種原子，都可由狄拉克方程解出兩個能級，一個為正能級，一個為負能級。處於負能級上的電子就稱為處於負能態，其能量為負。

能級的概念

原子的能量是量子化的，當原子處於不同的定態時，具有不同的能量值，其數值的高低象一級一級的階梯一樣，形成分立的序列。這種階梯狀的能量數值，被稱為原子的能級。為形象地描述原子的能量狀態，常以一定高度的一條水平線代表一個能量值，按能量大小排列起來，構成原子的能級圖。附圖是按玻爾理論畫出的氫原子的能級圖。在能級圖中，原子能量的不連續性就表現在原子只能具有水平線所代表的那些能量值，水平線之間的那些能量數值是不為原子所具有的。原子的能量和量子數n由下到上依次增加。一般將位於上面的能級稱為高能級，下面的為低能級。所有可能的能級中最低的那個能級，叫基態能級。基態能級以上的各個較高能級統稱為激發能級。由於把電子處於原子核電場之外時原子的能量定為零，所以電子在核電場內時，原子能量均為負值。有時，幾個狀態可以對應同一個能量值，在能級圖上則對應同一條水平線，這種情況稱為能級的簡併（或退化）。具有相同能量的狀態數，叫做簡併度。原來簡併的能級被分開，稱作簡併的解除。進一步的理論和實驗都表明，原子的能級圖一般是比較複雜的。按玻爾理論作出的氫原子能級圖中的各能級，實際上都是簡併的。當考慮了電子自旋，原子核自旋，以及相對論效應等因素後，這些能級的簡併就被解除，能級圖也將變複雜，相應的光譜線也變複雜。對於每一激發態，能量的取值都有一定的範圍，稱為能級寬度，用△E表示。同時，原子的每一激發態都有一定的壽命τ。根據測不準關係，能級的寬度△E和能級的平均壽命τ成反比關係，即：△E·τ≥ħ/2。若τ～10^-8秒，則△E≥ħ/2τ～10^-27焦耳（J），由於能級具有一定的寬度，原子光譜的譜線也必然具有一定的寬度。因△E很小，能級圖中仍用一條直線表示能級。除原子外，其它微觀體系如分子、原子核及基本粒子等，也可有不同的能量狀態，也常用能級圖表示。

能級的性質

原子核所處的各種能量狀態。它們直接反映核子間的相互作用以及原子核多體系統的運動規律。對於核能級的性質已有了一定的理解，特別是對低激發能級的性質已有了較好的理解。

能級的標定　原子核能級的性質決定於核子間的相互作用，後者主要包括強相互作用（即核力）及電磁相互作用。在一個多體系統中，粒子間的相互作用所具有的不變性能為這個多體系統提供了好的量子數。由於核力和電磁力都具有轉動不變性及空間反射不變性，所以角動量I和宇稱π都是原子核的好量子數（即守恆量量子數）,它們是除能量以外標定能級的最基本的量子數。此外，核力還較好地滿足同位旋空間轉動不變性，但電磁力不具有這種不變性。所以在後者所起的作用不大的情況下，例如在輕核中，同位旋T仍是一個近似的好量子數（見原子核），用它來標定能級是有意義的。

偶偶核能級　偶偶核在能級方面有一些特別簡單的規律，例如所有偶偶核的基態自旋宇稱I^π都是0⁺，除了幾個雙滿殼核⁴He、¹⁶O、⁴⁰Ca、⁹⁰Zr、²⁰⁸Pb以外，所有偶偶核的第一激發態自旋宇稱都是2⁺。這個簡單規律顯然與原子核內部結構及核子間相互作用有關。

能級寬度　除了穩定核的基態外，所有原子核的能級都具有一定的寬度 。這是因為它們可以通過強相互作用發射核子、核子集團或其他強子；通過電磁作用發射 γ光子；或通過弱相互作用發射電子和中微子並衰變到較低的態或鄰近的核的激發態或基態上。由於能級壽命τ與寬度有測不準關係的限制：，所以一切不穩定的能級都具有一定的寬度。的變化範圍很大，從幾兆電子伏到遠小於一個電子伏。一般能量越高，能級越密，寬度越大，以致互相重疊，能級就進入連續區。

能級的激發性質　從原子核的衰變、反應性質和核結構理論可判定某一能級的激發性質。典型的激發有兩類：一類是單粒子激發（或單空穴激發），例如在某些奇A核中，奇核子從一個單粒子態躍遷到另一個單粒子態。另一類是集體性質的激發，它是由許多單核子激發的相干疊加而成的激發。

能級的各種激發方式直接反映了原子核結構的特性。理論上的分析可見核殼層模型和綜合模型。

狄拉克方程

1928年英國物理學家狄拉克提出的方程。利用這個方程研究氫原子能級分布時，考慮有自旋角動量的電子作高速運動時的相對論性效應，給出了氫原子能級的精細結構，與實驗符合得很好。從這個方程還可自動導出電子的自旋量子數應為1/2，以及電子自旋磁矩與自旋角動量之比的朗德g因子為軌道角動量情形時朗德g因子的2倍。電子的這些性質都是過去從分析實驗結果中總結出來的，並沒有理論的來源和解釋。狄拉克方程卻自動地導出這些重要基本性質，是理論上的重大進展。

為了避免克萊因-高登方程中機率不守恆的問題，狄拉克在假設方程關於時間與空間的微分呈一次關係後得出了有名的狄拉克方程。但該方程仍無法避免得出負能量解的問題。但是負能級的解是成立的，根據泡利不相容原理，狄拉克認為所有的負能級都已經被電子占據，所以阻止了正能級電子向負能級躍遷，這就是費米子海，也叫狄拉克之海。根據以上猜想可推出正電子等的存在。

既然實驗已充分驗證了狄拉克方程的正確，人們自然期望利用狄拉克方程預言新的物理現象。按照狄拉克方程給出的結果，電子除了有能量取正值的狀態外，還有能量取負值的狀態，並且所有正能狀態和負能狀態的分布對能量為零的點是完全對稱的。自由電子最低的正能態是一個靜止電子的狀態，其能量值是一個電子的靜止能量，其他的正能態的能量比一個電子的靜止能量要高，並且可以連續地增加到無窮。與此同時，自由電子最高的負能態的能量值是一個電子靜止能量的負值，其他的負能態的能量比這個能量要低，並且可以連續地降低到負無窮。這個結果表明：如果有一個電子處於某個正能狀態，則任意小的外來擾動都有可能促使它跳到某個負能狀態而釋放出能量。同時由於負能狀態的分布包含延伸到負無窮的連續譜，這個釋放能量的躍遷過程可以一直持續不斷地繼續下去，這樣任何一個電子都可以不斷地釋放能量，成為永動機，這在物理上顯然是完全不合理的。所以狄拉克大膽猜測所有的負能態都已經被電子占據，而泡利不相容原理則會阻止正能態的電子向已經被完全占據的負能態躍遷。這個猜想實際上說明了物質被“浸泡”在費米子（如電子）的“海洋”中，也就是狄拉克之海。詳見後文的空穴理論以及相關文獻。