原子物理学课件第4-5章

第四章碱金属原子 1碱金属的光谱实验规律 有四个线系 注意其规律 光谱规律 1 注意 n 有效量子数 测得 n2 略小于n2 n2 n2 线系限相同 规律2 每个线系的线系限的波数是另一个线系的第二项值最大的一个 Li光谱跃迁图 H原子 Li原子 主线系 辅I系 辅II系 共振线 5S 碱金属能级图 H原子 锂原子 2原子实的极化与贯穿 一 碱金属结构 原子实 碱金属原子除去1价电子剩下的正离子部分 比较 有效负电荷 二 原子实的极化与贯穿理论 极化 轨道越扁 极化 贯穿越显著 极化 贯穿使Z 增大 Z 1 贯穿 原子实 有效正电荷 结果 原子实 1价电子 价电子使原子实负电中心偏移 价电子轨道穿入原子实 三 碱金属的能级公式 极化贯穿对原子总能的影响 无极化 贯穿 有极化 贯穿 结论 贯穿极化使总能量下降 E与n l有关 E关于l的简并解除 不同轨道 E不同 四 碱金属的波数理论公式及极化贯穿对光谱的影响 无极化贯穿时 有极化贯穿时 与实验完全一致 五 遗留问题 2 碱金属的精细结构 预示了能级有分裂 4 3碱金属原子光谱的精细结构 主线系 二辅系 一辅系 规律 1 主线系两成分间隔随波数增加而减小 4321 2 二辅系双线间隔不变 直至线系限 3 一辅系由三线构成 波数较小的两线间隔减小 谱线精细结构反映了能级情况 p能级为双层能级 s能级为单层能级 所有p能级都是双层 间隔随n的增加而减小 所有d能级都是双层 间隔随n的增加而减小 结论 1 碱金属的s能级是单层 其余能级为双层2 同一L值 双层能级间隔随n的增大而减小3 同一n值 L值越大 双层能级间隔越小 4 3 2 4 作业 P143 1 3 4 补充 画Na能级图答案 1 1 85V 5 38V 3 S 2 23 P 1 84 2760 7 3306 2 7922 9 7141 8 作业 P143 5 补充 画出Na能级图 主线系跃迁 并计算Na共振线5893的光谱波数裂距 考虑自旋 第三节电子的自旋 一 电子的自旋假设 1925年乌楞贝克 假设根据之一 史特恩 盖拉赫实验 应得一束Ag原子 实验结果 两束Ag 则 l 自旋 理论分析 Z 46 1 推断 自旋 自旋假设 近似 自旋磁量子数 ms 1 2 1 2 自旋角量子数 S 因有2S 1 2取向 1 2固有的 量子的结果 乌楞贝克结果 比较 二 自旋对电子总能量的影响 精细结构的研究 自旋与轨道的相互作用 1 以电子为参考系 核绕电子转 在电子处产生 电磁学理论 2 与的相互作用产生的附加能 原子总能量 无自旋 有自旋时的附加能 三 碱金属原子的总角动量 自旋的影响 运动状态用角动量描述 乌楞贝克理论 轨道角动量 自旋角动量 总角动量 量子结论 四 自旋附加能 的定量运算 式中各量 Z e 修正上式 考虑相对论的结果 加修正量1 2 1 r3 平均值 需知电子分布 量子力学结果 a1 r0 当l很大时 统一 碱金属能级公式 精细常数 讨论 E由n l j决定 同轨道nl一定 但j不同 双层能级间隔 则E不同 其中 1 2 结论 原p d f态的一个能级分裂成2个能态 结论 原S态能级不分裂 五 对精细结构的解释 能级分裂 3 精细结构的双线结构 三线解释 三线 双线 Li原子能级的精细结构 考虑自旋 S能级 P能级 D能级 F能级 五 碱金属原子态符号n l j s 2s 1 能级分裂重数2重态 j PjPs相对方向 j大PlPs同向 j小PlPs反向 例 例 第四节单电子辐射跃迁选择定则 一 选择定则 二 例Li原子光谱跃迁 基态Li n 2 4 6氢原子的光谱精细结构和蓝姆移动 1 氢原子能级的精细结构的理论 影响氢原子能量的因素 主要部分 波尔理论 相对论效应 索末菲 自旋与轨道的相互作用 统一的能量公式 能量的主要部分 相对论效应 电子自旋作用 讨论 1 碱金属原子实极和轨道贯穿效应 2 碱金属中相对论效应可以忽略 能量的一般公式 双层结构 讨论 1 氢原子不同L相同j的能级是简并的 碱金属情况相反 2 精细结构部分与成正比 因此碱金属精细结构较氢原子明显 3 精细结构能量变化随n l j的增大而减小 波尔 S能级 P能级 D能级 氢原子能级的精细结构 由选择定则 赖曼系 n至1能级 双线结构 巴耳末系 n至2能级 2 氢原子光谱精细结构的观察 双线结构的波数差理论值与实验值有0 010cm 1的差别 3 蓝姆移动 10 2eV 讨论 1 自发跃起的几率与发射频率的立方成正比 因此 2 蓝姆移动的解释 量子电动力学 主线系 锐线系 漫线系 基线系 实验表明 氦原子的光谱也是由这些线系构成的 与碱金属原子光谱不同的是 氦原子光谱的上述四个线系都出现双份 即两个主线系 两个锐线系等 1 谱线的特点 第五章多电子原子 研究对象 He Be Mg Ca Sr Ba Ra Zn Cd Hg 第II主付族 实验中发现这两套谱线的结构有明显的差异 一套谱线由单线构成 另一套谱线却十分复杂 氦原子的光谱由两套谱线构成 一套是单层的 另一套是三层 这两套能级之间没有相互跃迁 它们各自内部的跃迁便产生了两套独立的光谱 早先人们以为有两种氦 把具有复杂结构的氦称为正氦 而产生单线光谱的称为仲氦 现在认识到只有一种氦 只是能级结构分为两套 第一节两个价电子的原子的原子态 一 两个价电子的原子的结构 原子实 2个价电子 例 二 电子组态 1 电子组态 不同状态的电子的组合 例 依次 强调 单电子跃迁 2 同一种电子组态可构成多个原子态 多能态 多总角动量 二价电子间的六种相互作用 电子组态一定时 多个能态区别于相互作用能的不同 三 L S耦合 形成的原子态 能级 G1 G2 G3 G4 1 L S耦合法 1 G1 S1S2 求总自旋角动量PS 2 G2 l1l2 求总轨道角动量 L取值个数 例 3 L S耦合 求原子的总角动量PJ J取值个数 4 L S时原子态符号 讨论 两个价电子的原子的单重态和三重态 单重态 S 0 结论 对于每一对S L J只有一个取值 所以是单重态 三重态 S 1 结论 每一对S L J有3个取值 3个状态 三重态 2 求一种电子组态L S时形成的原子态及能级 举例 已知 电子组态2p3d L S 单重态S 0 J L 三重态S 1 J L 1 L L 1 2p3d能级图 倒转 正 3 L S耦合确定能级高低的规律 洪特定则 条件 L S耦合 同一电子