原子物理学,褚圣麟第五、七章.ppt

元素周期表 5 1氦及周期系第二族元素的光谱和能级 氦及第二族元素的能级都分成两套 一套是单层的 另一套是三层的 各自形成两套光谱 氦的光谱和能级 1 氦在基态时 两个价电子都处于最低的1s1s态 3 三层能级中无 1s 2的能级 除基态 所有的能级均为一个电子在1s 另一电子激发到其他态形成 氦原子能级图 能级前数字是被激发电子的n值 各能级前的数字是被激发电子的n值 镁原子能级图 5 2具有两个价电子的原子态 1 不同的电子组态 原子实总角动量为零 总磁矩为零 电子组态 原子中的两个价电子可以处在各种状态 形成不同的电子组态 1 组态不同 能量不同 2 能级图中 除基态外 所有的能级都是一个电子留在最低态 另一电子被激发所形成 2 一种电子组态构成的不同原子态 两个电子自旋和轨道四种运动的相互作用 四个量子数 六种相互作用 强于 弱 一般不考虑 六种相互作用强弱不同 在各原子中情况也不同 总轨道角动量 总角动量 每个电子自旋角动量 具有两个价电子的原子 单一态 三重态 例求一个p电子和一个d电子可能形成的电子态 朗德间隔定则 LS耦合能级分裂 同一L值中 不同J值的能级次序取决于和的具体情况 有时也有影响 例求1s2s组态 例求1s2p组态 jj耦合 jj耦合表示每个电子自身的自旋与轨道耦合作用比较强 不同电子之间的耦合作用比较弱 强于 总角动量 每个电子自旋角动量 电子轨道角动量 合成后原子总角动量 jj耦合原子态的表示 例ps电子组态的jj耦合 碳族元素 激发态 基态2p2p3p3p4p4p5p5p6p6p 5 7碳族元素在激发态ps的能级比较 5 3泡利原理与 同科电子 例求氦原子的基态 1s1s LS耦合可能的原子态 为什么实验上观察不到态 2泡利不相容原理的物理意义 1 是微观粒子运动的基本规律之一 2 可以解释原子内部电子分布的状况和元素周期律 3 可以解释电子为什么 喜爱 自旋平行 洪特定则含义之一 泡利不相容原理所反映的这种严格的排斥性的物理本质是什么 至今仍是未完全揭开之谜 LS耦合只能形成态 不存在 3同科电子 n l相同的电子 同科电子形成的原子态比非同科而有相同l值的电子形成的原子态少 LS耦合和jj耦合 例 1s1s组态和1s2s组态不同 1s1s 1s2s 例 两个p电子若n相同和n不同 形成原子态不同 两同科p电子可形成的原子态 在特定方向的分量 在特定方向的分量 同科电子组态的图解法 元素周期表 7 1元素性质的周期变化 原子序数 原子中电子数目 原子核电荷数 排在同一列的元素具有相似的化学性质和相仿的光谱结构 1869年 门捷列夫首先提出元素周期表 按原子量的次序排列 反映元素性质的周期性变化 玻尔是第一个给予周期表物理解释 1916 1918年 把元素按电子组态的周期性排列成表 1925年泡利提出不相容原理后 才比较深刻地理解到 元素的周期性是电子组态周期性的反映 而电子组态的周期性与特定轨道的可容性像联系 7 2原子的电子壳层结构 主量子数n 决定电子能量的主要部分 相同n的电子在同一壳层 电子按能量分成许多壳层 能量相同的电子可视为分布在同一壳层 角量子数l 同一壳层中l 0 1 n 1 不同的l形成次壳层 次壳层l最多电子数 壳层n最多电子数 决定壳层次序的是能量最小原理 电子填充的次序决定于哪个壳层能量最低 7 3原子基态的原子组态 1 每一种原子就核外电子部分说 是周期表中前一位元素的原子加一个电子而成 2 原子的基态是原子能量最低的状态 所有电子均处在各自尽可能低的能量状态中 F Ne Li Be B C N O 问填充2p次壳层三个格子的次序 是先在一个格子里填一个电子 然后再在各格里配上一个自旋反向的另一电子 为什么不先把两个自旋相反的电子填满 再填下一个格子 答 根据量子力学的理论 当两电子以相反的自旋取向挤在同一格中时 就意味着它们的轨道波函数相同 即它们以很大的概率在空间靠近 从而它们的库仑排斥能较大 正 使能级升高 若两电子以相同的自旋取向填充不同的格子 两态的波函数朝不同的方向延伸 电子靠近的概率小 它们之间的排斥能也减小了 能级降低 说明为什么在同一次壳层里 电子尽先以相同的自旋取向分散填充不同格子的缘故 所以 对于给定的电子组态 原子的基态倾向于采取总自旋较大的方式 按照原子序数排列 每一步电子究竟填充哪个态 各元素原子基态的电子组态如何 根据量子力学理论 最重要靠实验来确定 5 4复杂原子光谱的一般规律 1 光谱和能级的位移律 3 三个或三个以上价电子的原子态推导 在LS耦合中 能级结构重数 2S 1 1 三个价电子时 在两电子的结构上再加上一个电子 例二电子的S 0 1 加上一电子s3 1 2 2 任何原子的状态 基态和激发态 可视为它的一次电离离子 一个电子形成 例若一个原子系统由三个电子组成 一个处在s态 另一个处在p态 第三个处在d态 若它们之间的耦合是LS耦合 试写出所有可能的原子态 给出原子态符号 解 根据题意 6 能级次序的规律J 正常次序和倒转次序 3 对jj耦合同样按二电子体系的法则计算 4 对同科电子仍需考虑泡利不相容原理 4 能级高低的洪特定则对三个或三个以上价电子的原子仍成立 5 朗德间隔定则在多电子的原子中同样适用 例原子序数Z 6的碳原子的基态最外层的两个电子是2p2p组态 根据LS耦合可以形成五个可能的原子态 根据洪特定则和朗德间隔定则 画出这些原子态的能级高低次序图 并说明哪个原子态是碳原子的基态 电子组态 两同科p电子形成的原子态 5 5辐射跃迁的普用选择定则 宇称 从原子中电子的空间分布有关的性质来考虑 它的状态可以分为偶性和奇性两类 此性质称宇称 原子中各电子角量子数之和为偶数称偶宇称 为奇数称奇宇称 普用选择定则 1 跃迁只能发生在不同的宇称之间 2 根据耦合类型有如下定则 5 6原子激发和辐射跃迁的一个实例 氦氖激光器 激光产生原理 例锌原子 Z 30 的最外层电子有两个 基态时的组态是4s4s 当其