原子物理学-第11讲ppt课件

.,1,原子物理学,第十一讲,.,2,已知He原子基态的电子组态为1s1s，当其中一个电子被激发到3d态时：,1）写出激发态的电子组态,2）写出基态与激发态之间存在的其他激发态的电子组态,3）基态的电子组态下对应的原子态,4）画出相应的能级图，画出主线系的跃迁谱线,.,3,但是，我们也发现，有些原子态的细节还不能圆满的解释。如：He原子和Mg的原子的基态的电子组态为1s1s,3s3s，原子态可能为1S0和3S1.,5.3泡利原理与同科电子,我们研究了两个价电子的作用方式，并得出了原子态的形式，可以解释2价电子原子（He、Mg、Ca等）的能级和光谱特点。,实际上只观察到了1S0，从未观察到3S1，说明基态不存在3S1态，为什么？另外，对于精细结构能级的顺序，还不能完全确定,本节我们接着来研究这些问题，并给出关于原子结构的一个重要定律泡利原理。利用此原理，对原子状态的描述就可以更加全面了。,.,4,一、泡利原理,1、内容,同一原子中，不能有两个电子处于完全相同的状态，也就是说，任意两个电子的状态都不完全相同泡利原理。,泡利由原子的特性总结出这一原理，通过量子力学可以从理论上得出这一原理。泡利原理实际上有更广的适用范围，由量子力学可知，费密子体系都要遵循泡利原理，所以，泡利原理也是反映微观体系运动状态的一个普遍规律。,泡利原理给出了对原子可能状态的限制。下面，我们就由泡利原理出发，找出原子实际存在的运动状态。,.,5,确定原子中电子运动状态的量子数共5个：n,l,s,ml,ms,2、理解,描述电子运动状态的量子数,主量子数n：确定原子中电子在核外空间运动轨道的大小和能量的高低。n=1,2,3,一般说来，n大，能量高，轨道半径大,n相同时，l大，能量高，椭圆轨道越扁。,轨道角量子数l:决定电子轨道的形状和角动量的大小，同时也与能量有关,l=0,1,2(n-1).,.,6,自旋量子数s：s=,自旋磁取向量子数ms：ms=,轨道取向量子数ml：ml=0,1l,轨道取向量子数:表示轨道角动量在外场方向的投影,自旋取向量子数:表示自旋角动量在外场方向的投影,.,7,因为对所有电子都是相同的，不能作为区分状态的量子数，因此描述电子运动状态的是四个量子数；如同经典力学中质点的空间坐标,完全确定质点的空间位置一样，一组量子数可以完全确定电子的状态,比如总能量，角动量，轨道的空间取向，自旋的空间取向等物理量都可以由这组量子数确定。,泡利原理要求，在同一原子中，任意两个电子的状态不能完全相同，也就是说对于任何两个电子，反映状态的4个量子数n,l,ml,ms不能完全相同。,.,8,3泡利原理的应用-He原子的基态,He原子基态的电子组态是1s1s，按耦合，可能的原子态有和,一般来说，同一电子组态形成的原子态中，三重态能级低于单态能级，似乎三重态应是氦原子的基态。,1S0,.,9,对于态,两个价电子都处于1s，n,l相同，ml都为0也相同；所以，只能ms不相同，即自旋取向只能相反，那么，总自旋角动量量子数S只能为0，不能为1。所以，He基态只有1S0，没有3S1。,.,10,同科电子由于泡利不相容原理的限制，其电子组态（如npnp）下LS耦合形成的原子态数目要少于非同科电子组态(npnp)的原子态数目。,二、同科电子的原子态（LS耦合）,例如：对于同科电子，左图的态不会出现。,1.同科电子,n、l相同的电子称为同科电子。如两个2p电子，主量子数都为2,角动量量子数都为1。,.,11,.,12,2偶数定则,从非同科电子组态的诸原子态中挑选出L+S为偶数的态就是同科电子组态对应的原子态。该方法称偶数定则。,npnp的原子态：1S0,3S1,1P1,3P2,1,0,1D2,3D3,2,1,L+S为偶数的态,1S0,3P2,1,0,1D2,npnp的原子态1S0,3P2,1,0,1D2,.,13,例1氦原子中两个电子分别激发到2p和3d状态试求原子总角动量量子数L的可能取值和可组成的各原子态。,例2写出LS耦合下电子组态3p3f形成的原子态,例3写出两个同科电子和非同科d电子在LS耦合下形成的原子态,.,14,例4.锌原子基态的组态是4s4s1）请确定锌原子的基态的原子态。2）当其中有一个被激发到5s态，试求出LS耦合情况下激发态的电子组态组成的原子状态。并画出相应的能级图,例5.钠原子基态的组态是3s1）请确定钠原子的基态的原子态。2）当电子被激发到5s态，试求出激发态的原子状态。并画出相应的能级图,.,15,5.4复杂原子光谱的一般规律,前面我们研究了氢原子、碱金属原子、氦原子以及第二族原子的光谱和能级特点，并通过对原子结构和原子中电子运动状态的分析（LS耦合），从理论上解释了光谱和能级的特点。,原子由原子实和价电子组成，原子的运动状态和性质由价电子决定。上述原子的价电子数目不超过2，那么，对于价电子数目大于2的原子，它的特性如何呢？怎样来描述多价电子（2）原子的原子态呢？,本节，我们研究多价电子原子的光谱和能级特点，并对其原子态进行分析，找到描述复杂原子运动状态的一般方法。,.,16,一、光谱和能级的一般规律,1、光谱和能级的位移律,实验发现，具有原子序数Z的中性原子，同具有原子序数Z+1的原子一次电离的离子，具有类似的光谱和能级结构这称为光谱和能级的位移律。,这一规律不难解释，这是由于Z原子和Z+1原子一次离子具有相似的原子结构。Z原子和Z+1原子一次离子的价电子数目相同，电子组态相同，具有相同的原子态，从而具有相似的能级结构；唯一的区别，就是原子实的有效电荷数不同，这只影响能级的位置，不影响能级的形状和结构特点,例如，H和He+的光谱和能级结构相似；Be和B+、C+的光谱和能级也类似。对更多价电子的原子，也有类似的特点。,.,17,2、多重性的交替律,实验发现，按周期表顺序，元素交替的具有偶数或奇数的多重态。,.,18,二、多价电子的原子态,1、LS耦合,（1）重数多重性的交替律,对于多价电子的原子，其原子态也分为LS耦合和jj耦合。,重数决定于S值，为2S+1。原子只有1个价电子时，S=1/2，双重；有2个价电子时，在原有S=1/2基础上，再1/2，S=0,1，为单重或三重；如有3个价电子，相当于在2电子基础上再加1电子，在S=0,1上再1/2，这S=1/2,3/2，为双重或四重；依此类推，可得到多电子原子态的重数，形成交替律,.,19,（2）光谱和能级的位移律,根据位移律，具有原子序数Z的中性原子，同具有原子序数Z+1的原子一次电离的离子，具有类似的光谱和能级。,原子序数为Z的中性原子，可看作是它的一次电离离子加一个电子形成的。而它的一次电离离子的状态与其前一元素（Z-1的中性原子）的状态相似所以，可由前一元素的状态，推断后续元素的状态，按这种方法，可得出各种元素的原子态。,.,20,（3）原子态的推导,可参照二电子体系的法则进行。用原子一次电离的离子的总轨道角量子数Lp代替其中一电子的角量子数，用Lp与新电子的l合成总轨道角动量L；L与S再合成总角动量J。,例如，某原子电离的离子为3P态，加一个d电子，则,形成的原子态为,.,21,（4）能级规律,根据泡利原理，同一原子中n、l相同的电子数目最大为2(2l+1)。对于同科电子（n、l相同，J值不同，即一次壳层）的能级顺序，有如下规律：,洪特定则：LS耦合形成的原子态中，重数（2S+1）最大（S最大）的能级位置最低；重数相同的能级（S相同），L最大的位置最低。,朗德间隔定则：LS耦合形成的一个多重能级结构中，相邻的两能级间隔与相关的二J值中较大的成正比。,当同科电子数满壳层电子占有数一半时，J值最小的能级位置最低，即为正常次序；同科电子数满壳层电子数一半时，J值最大的能级位置最低，为倒转次序。,.,22,5.5辐射跃迁的普适选择定则,一、基本要求,前一章中我们发现，发射和吸收辐射的跃迁，要满足一定的条件。也就是说，不是所有能态之间都可以发生跃迁，只有满足一定条件的状态之间才能发生跃迁这样，就提出了选择定则，符合选择定则的跃迁才能发生。选择定则最初是由光谱的分析总结出来的，而由量子力学可从理论上解释。,通过光谱的分析或量子力学的理论推算，可得到一个关于跃迁的基本原则：跃迁只能发生在不同宇称的状态之间，即原子体系发生跃迁时，其宇称一定改变。可表示为,.,23,二、选择定则,上面的基本原则（宇称改变）是关于电子组态变化的定则，不同状态之间能否跃迁首先要考虑这一条然后再根据耦合的类型，利用选择定则，判断跃迁能否发生。,LS耦合,.,24,氦原子能级跃迁图,.,25,5.6He-Ne激光器,一、He-Ne激光器的基本结构,氦氖激光器管内充以200400Pa的氦和氖的混合气体，氦氖比例7:1。两端加上高电压使气体放电，游离的电子在电场作用下运动，并与处于基态的氦或氖原子碰撞（高能自由电子与基态氦碰撞概率大，与基态氖碰撞概率小）。两端装有非常平坦且精确平行的镀膜玻璃板（反射镜）：一端100%反射，一端99%反射，目的是采用光激励实现氖原子的粒子数反转，产生受激辐射。,在氦氖激光器中，工作物质是氖，辅助物质氦，氦原子是能量的传输者，一方面供给氖原子作初始激发，另一方面作连续补充激发。激光器的输出波长0.6328m，1.15m，3.39三个。,.,26,.,27,二、He-Ne原子的能级,1、能级的基本特点,注意：He1s2s的2能级1S0、3S1与Ne2p55s2p54s的2能级的高度非常接近。,He、Ne原子的能级图,He1s2s的两能级1S0、3S1是亚稳态,.,28,