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原子物理学总复习 2014年 段正路 第一章原子的基本状况 重点 1 原子的核式结构2 粒子散射实验的意义 1 卢瑟福的原子核式模型 2 粒子的散射实验 粒子被静止核的库仑场散射的角度 由下式决定 原子中的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子中央一个很小的体积内 称为原子核 原子中的电子在核的周围绕核运动 3 卢瑟福公式 被散射到与粒子的初始运动方向成 角的元立体角d 内的相对粒子数为 第二章原子的能级和辐射 重点 1 氢原子光谱的实验规律 2 玻尔的氢原子理论 1 氢原子光谱的一般规律 原子发光具有线状光谱的特征 氢原子光谱的实验规律是 R 里德堡常数 T m 光谱项 m 1 n 2 3 4 赖曼系 紫外 m 2 n 3 4 5 巴尔末系 可见光 m 3 n 4 5 6 帕邢系 红外 m 4 n 5 6 7 布喇开系 远红外 光谱线系 2 玻尔的氢原子理论 三个基本假设 定态假设 电子在符合量子条件的轨道上运动时 原子具有一定能量而不发生辐射 频率规则 电子从能量En的定态跃迁到Em时 原子辐射光子 其频率 角动量量子化条件 P mrv nh 2 n 1 2 3 三个结论 氢原子中电子的轨道半径 氢原子的能级公式 n 1 2 3 n 1 2 3 氢原子光谱 氢原子能级能量与对应光谱项关系式 两个实验 1 夫兰克 赫兹实验物理意义 为原子的量子化能级的存在给出了直接的实验验证 2 史特恩 盖拉赫实验史特恩 盖拉赫实验证实了 1 角动量空间取向量子化 2 电子自旋假设 第三章量子力学基础 光的波粒二象性 微观粒子的二象性 海森堡不确定关系 波函数 的统计解释 波函数模的平方代表某时刻t在空间某点附近单位体积内发现一个粒子的概率 即代表概率密度 第四章碱金属原子和电子自旋 重点 1 碱金属原子光谱的规律和能级2 碱金属原子光谱精细结构的规律3 电子自旋与轨道的相互作用规律 一 基本内容 碱金属原子光谱项 碱金属原子定态的能级 2 碱金属原子光谱规律的解释 多电子原子结构的价电子模型 碱金属原子能级简并解除 能量不仅与n有关 还与l有关 原因 a 原子实极化 b 轨道贯穿 碱金属原子光谱精细结构的规律 主线系 四个线系 碱金属原子光谱精细结构产生的原因 电子自旋 轨道角动量 自旋角动量 自旋 轨道耦合 自旋磁矩与轨道运动产生的磁场相互作用引起的能量修正项是 自旋与轨道角动量耦合 精细结构产生的原因 对于S态电子 l 0 j量子数取唯一值1 2 故为单层 对于p d f 等电子 l 0 j量子数取两个可能值 故为双层 单电子辐射跃迁的选择定则 l 1 j 0 1 原子态符号 重态数 0 1 2 1s 01 1 2 3 2 2s 2p 2p 012 3s3p3d 1 2 3 2 2 32 5 4 4电子自旋同轨道运动的相互作用 第五章多电子原子 重点 1 氦和碱土金属的光谱的一般规律2 两个价电子的角动量耦合规律和原子态3 泡利原理4 多电子原子光谱的一般规律5 跃迁选择定则 1 氦和碱土金属光谱规律 2 电子组态的表示 1 两套光谱线系 两套能级 2 两套能级间不产生跃迁 3 电子组态相同的 三重态能级总低于单一态相应的能级 三重能级结构中 同一值的三个能级 值大的能级低 倒转次序 简记 L S耦合 总角动量 LS耦合下的原子态符号表示 s 0 单重态s 1 三重态 洪特定则 朗德间隔定则 能级排布规则 j j耦合 j j耦合下原子态标记 泡利不相容原理 在一个原子中 不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的状态 完全相同的四个量子数 一 跃迁只能发生在不同宇称的原子态间 辐射跃迁的选择定则 j j耦合跃迁选择定则 L S耦合跃迁选择定则 00除外 或对换 二 看具体的耦合形式 第六章在磁场中的原子 一 基本要求1 理解用有效磁矩代表原子总磁矩的理由2 掌握在LS耦合下原子总磁矩的计算公式3 理解在外磁场中原子能级的分裂4 理解斯特恩 盖拉赫实验的解释5 确切理解塞曼效应 轨道运动 自旋运动 原子的磁矩 电子的轨道磁矩 电子的自旋磁矩 原子核的磁矩 电子的轨道磁矩 电子的自旋磁矩 原子的磁矩 1 单电子原子的磁矩 在LS耦合下原子总磁矩的计算公式 单电子原子总磁矩 有效磁矩 朗德因子 2 多电子原子的磁矩 L S耦合 j j耦合 3 在外磁场中原子能级的分裂 在外磁场中原子能量计算公式 拉莫尔旋进 在外磁场中 原子的能级分裂成个 间隔为 洛伦兹单位 与能量变化 E对应的能级的光谱项变化为 5 塞曼效应 塞曼效应 在足够强的外磁场中 原子光谱的谱线发生分裂 分裂后的每条谱线都是偏振的 正常塞曼效应 在塞曼效应中 如果每条光谱线分裂成三条有规律的谱线 一条波长不变 称为 线偏振光 电矢量平行于外磁场 另外两条的波数与原波数之差都等于一个洛仑兹单位 分列两边 都是 线偏振光 电矢量垂直于外磁场 反常塞曼效应 谱线分裂的条数 间距和偏振情况与正常塞曼效应不完全相同时 塞曼效应的解题思路 应掌握分析塞曼效应 计算 作图的基本方法 基本步骤1 计算原谱线跃迁初 末态的朗德因子g1和g22 列表计算可能的值3 计算分裂后每条谱线与原谱线的频率差 或波数差 洛仑兹单位 画出能级图和能级跃迁图 塞曼跃迁的选择定则 M 0产生 光 M 1产生 光 2 镉6438 47埃的塞曼效应 借助格罗春图计算波数的改变 M210 1 2 M2g2210 1 2 M1g110 1 M2g2 M1g1 000 1 1 1 111 第七章 原子的壳层结构 一 基本要求1 理解元素性质的周期性变化 反映出原子内部结构的规律性 2 掌握原子核外电子排布所遵守的规律 3 掌握原子核外电子的壳层结构 1 元素性质的周期性变化2 原子核外电子排布遵守两条规律 泡利不相容原理和最低能量原理 四个量子数 n l ml ms 不能有两个电子具有完全相同的四个量子数 即原子中的电子是分布在不同状态的 3 原子核外电子的壳层结构 电子壳层 K L M N O P Q对应量子数n 1 2 3 4 5 6 7每个电子壳层能容纳的最多电子数为2n2 次壳层 S P d f 对应量子数l 0 1 2 3 各次壳层能容纳的最多电子数为2 2l 1 了解各个周期原子基态的电子组态 2 确定原子基态光谱项的简易方法 1 由泡利原理和能量最低原理求一定电子组态的最大S 2 求上述情况上的最大L 3 由半数法则确定J 4 按2s 1LJ确定基态原子态 光谱项 第八章X射线 重点 X射线的基本性质X射线的产生机制与X射线相关的原子能级康普顿散射 布拉格方程 1 X射线连续谱发射机制 轫致辐射2 X射线标识谱发射机制 内层电子跃迁 连续谱的短波限 X射线谱由连续谱和标识谱两部分组成 各元素标识谱有相似结构 分为波长最短的K线系 L线系 M线系等 一个实验 康普顿效应 康普顿公式 实验过程 实验结论 物理解释 意义 X射线的吸收谱 朗伯 比耳定律 第九章 原子核 重点 1 原子核的基本性质2 原子核的放射衰变3 原子核反应 二 基本内容 原子核的组成 质子 中子 原子核的质量 所有核子的质量 相当于所有核子结合能的数值 原子核的角动量 原子核的磁矩 原