原子物理第四章-PPT课件VIP

.1，2，第4章碱金属原子和电子自旋，4.1碱金属原子光谱，4.2原子实极化和轨道穿透，4.3碱金属原子光谱精细结构，4.4电子自旋和轨道运动相互作用，4.5单电子辐射跃迁选择规则，4.6氢原子光谱精细结构和兰姆位移，3，碱金属原子：锂，钠，钾，铷，铯，铱，铱，原子数：3，11，19，37，55，87，核外电子组态：特征：1，10，10，10，100，100，100，100，100，100，100，100，100，4，(一)原理系列，(二)第一辅助系列或扩散系列，(三)第二辅助系列或锐利系列，(四)伯格曼系列或基线系列(伯格曼系列)。碱金属原子的实验光谱，例如四个系列的锂原子。主线是最亮的线。第一个是红色，其余是紫外，谱线的波数有限，第一个辅助线系统是可见光区，所有碱金属元素的原子光谱具有相似的结构，谱线明显形成几个谱线系统。通常观察到四个线性系统：第一个在红外区，其余的在可见光区。褒曼线性系统是在红外线中。下图显示了锂的谱线系统。碱金属原子实验光谱的规律性。1.里德堡经验公式，氢原子：里德堡发现碱金属原子谱线的波数为：其中，谱线的波数为，r为碱金属原子的里德堡常数。2.有效量子数，量子数亏损，P117，表4.1中锂原子的光谱项值和有效量子数，P118，表4.2中钠原子的光谱项值和有效量子数，由于有效量子数略小于或等于N(个别n*大于N，其他原因)，因此， 在同一线性系统中基本相同，因此，碱金属原子的谱线：量子数亏损， 不同线性系统的值不同，第二个子系统最大，其次是主线系统、第一子系统和伯格曼线系统。8，3。碱金属原子光谱定律，Ridderborg发现碱金属原子的谱线系统满足一定的关系：(1)主线系统的谱线系统极限的波数正好等于第二副谱线系统的第二光谱项值的最大值。(2)第一辅助线系统和第二辅助线系统的线极限的波数相等，正好等于主线系统的第二光谱项值中的最大值。(3)伯格曼线系统的线极限波数正好等于第一辅助线系统的第二光谱项值的最大值。下面列出了锂原子四条谱线的具体公式：主线：第二条辅助线：9，伯格曼线：这四条钠线的公式也是这种形式，除了第一条公式右边第一项的分母中的主量子数(主线、第二条辅助线、第一条辅助线)应改为3，n后主线应等于3，4，且第一条辅助线后的n应等于4，5，思考：代表钾原子四个线性系统的公式应该有什么特征？第一辅助线系统：碱金属原子的能级图和光谱系统，以锂原子为例：能级规则：(1)n相同，l越小，能级越低；(2)l不变，N越小，能级越低；(3)当n较大时，接近氢原子水平。共振线，线系的形成机制：主线系：第二辅助线系：第一辅助线系：伯格曼线系：过渡选择规则：例11:写出碱金属原子na:主线系：第一辅助线系：第二辅助线系：伯格曼线系：溶液：(1)主量子数n=3，用于确定价电子的基态，l=0，1，2，因此，基态为3s，(2)根据碱金属原子的选择规则和里德堡公式，四个线性系统的公式如下：12岁。当n大时，碱金属原子类似于氢原子，当n小时，它不同于氢原子(由于原子现实的存在)，1。原子现实的极化(n一定不同，l也不同)，2。轨道穿透(价电子可以穿透原子现实)，1。的极化原子现实中价电子轨道的穿透效应。当电子接近原子现实(即n很小)而轨道是平的(l很小)时，那些接近原子现实的轨道将穿过原子现实，从而影响能级。轨道外原子现实：Z*(有效电荷量)=1，轨道内原子现实：Z*(有效电荷量)1，平均效应：Z*1，相同n，相同l，例如：锂原子，z=3，原子现实中有2个电子，价电子作用的有效电荷量：Z*=3-2=1，14，从氢原子玻尔理论可知，光谱项可以写成，把Z变成z *，光谱项变成，由于Z*1，因此，n*=(n/Z*)T氢，因为e=-HCT，e-基3p4p，(3)对于相同的n值，双层能级的间隔随着l的增加而减小，例如3p间隔3d，4p4d4f，操作：P143(1，2，3，4)，图c .第一辅助线系统的过渡图，双层3d能级的间隔等于谱线2，3之间的间隔，双层2p能级的间隔等于谱线1，3，练习：考虑精细结构后，请画出钠原子的能级图，并在图上标出主线系统、第二辅助线系统、第一辅助线系统和伯格曼线系统，并与未考虑精细结构的钠原子能级图进行比较。电子自旋和轨道运动之间的相互作用。1925年，荷兰的厄伦贝克和冈姆斯特提出了电子自旋的假说：电子不是点电荷，它除了轨道运动之外，还有某种形式的自旋运动。1。电子自旋的概念被提出，1。电子自旋(electron pin)和Energysplit，假设每个电子都有自旋特征，电子的自旋角动量是，本征矩，相应的自旋磁矩是，本征磁矩，所以，S叫做自旋量子数，它的值是常数，21，2。电子自旋和轨道运动的矢量模型。价电子围绕原子的真实运动被看作是在固定于电子的坐标系中原子围绕电子的真实运动，因此电子感受到了原子产生的磁场的影响。磁场的方向与电子周围原子轨道角动量的方向相同(即电子轨道角动量的方向)。电子在磁场中作自旋运动，它们的自旋取向需要量子化，因为电子自旋角动量是，而电子自旋角动量在“磁场”方向的投影是，即电子自旋平行或反平行于轨道角动量(或磁场)。考虑到电子的自旋，原子中电子的轨道角动量和自旋角动量将耦合形成原子的总角动量。讨论：根据玻尔的理论。23，轨道角动量：自旋角动量：总角动量：根据角动量耦合：根据量子力学理论有：(自旋-轨道耦合)。24，因此，原来的一个能级分裂成两个，如下图所示，2。能级分裂的初步解释。根据电磁理论，磁场中磁性物体的能量是物体的磁矩，是和之间的角度。考虑电子在轨道运动产生的磁场中的自旋磁矩运动，附加能量可以表示为。25，3。电子自旋与轨道相互作用能的计算，(1)、(2)。根据毕奥-萨伐尔定律，由原子实有效核电荷Z*e产生的电流I是：其中是圆周运动频率，V是线速度，R是圆周半径。电流I在电子所在位置产生的磁场大小为：26，so，(3)夹角的计算是由角动量关系导出的。因此，最后，由自旋和轨道之间的相互作用产生的附加能量被获得为。27岁。此外，上述推导是从电子静止的坐标系中导出的表达式。事实上，我们对原子核静止的坐标系很感兴趣。根据相对论的结论，在上述公式中，实际的能量修正也应乘以1/2，即：考虑到r是Z*，n，l的函数，在同一轨道上，r取其平均值连续变化。如果求和(精细结构常数)相加，则。28，可以获得相应的谱项变化，对应于每个例如：当l=1，2，3时，j值和间隔对应于两层能级(P133，图4.12)。30岁。由于原子的实际轨道角动量、自旋角动量和总角动量都为零，所以碱金属原子中只有一个价电子，并且价电子的所有角动量等于整个原子的角动量，因此原子的状态(nlj)由电子的状态表示，符号如下：(P134，表4.3)。4.碱金属原子状态的符号表示。电子状态的符号表示：nl (L=S，P，D，F，)例如：1s、2s、2p、3s、3p、3d、4d、4f、2。原子状态的表示：轨道量子数，用符号S，P，D，F标记，总角动量量子数，1。电子状态的表示(nl)。不管自旋轨道相互作用如何，碱金属原子的状态取决于NL(称为电子态)，当考虑时，取决于nlj(原子态)。1.选择规则，单个电子原子中发射(或吸收)辐射的能级之间的跃迁只能在下列条件下发生：n不受限制。对于几个碱金属原子的线性系统，主要结果是(以锂原子为例):主线系统：第二辅助线系统：32，第一辅助线系统：伯格曼线系统，思维：碱金属原子结构类似于氢原子结构，氢原子是否也具有能级和光谱的精细结构？氢原子光谱的精细结构和兰姆位移，1。氢原子能级的精细结构，氢原子能量=能量的主要部分(动能势能)相对论效应自旋轨道相互作用，都是有效电荷，对于氢原子来说，根据索末菲的推论，后来，海森堡和乔丹是根据量子力学推导出来的，注：由于实验测量的不同，使用了不同的标签。因此，对于有效电荷34，上述公式中的l由各自可用的j表示，注意：对于每个j，有两个l，即l=j 1/2和j-1/2，35，氢原子精细结构能级图：，玻尔能级，s能级，p能级，d能级，f能级，结论：(1)氢原子s能级是单层的，p，d，f等。是双层的；(2)原子的能量与量子数n有关，j，n，j相同，能级相同。(3)考虑精细结构后的能级一般低于玻尔理论。根据氢原子的能级结构和跃迁的选择规则，氢原子光谱的精细结构例1: Reimann系统，激发态能级(n1)基态能级(n=1)跃迁发生，玻尔能级，玻尔理论，考虑到精细结构后，每个都是双线结构。双线间距对应于p能级间距，37，例2: balmer系统，能级(n2)能级(n=2)跃迁产生，玻尔理论：氢原子光谱精细结构的实验观察，迈克尔逊和莫雷最早用干涉仪观察到balmer系统第一线的精细结构，如下图所示，两个峰之间的波长差：休斯顿和谢精确地测量了双线和II2之间的间隔，结果仅为理论的96%。实验值比下表中的理论值小约0.010cm-1。图4.16巴尔末线是第一条线、39、4的精细结构。兰姆普。1947年，威廉吉纳拉姆和雷瑟福德用射频光谱测量了氢原子级精细结构22S1/2，比22P1/2高1058兆赫，即0.033厘米-1(更精确的测量结果是1057.770.10兆赫)。后世称该值比原始理论位置兰姆位移高22S1/2。进一步的理论研究表明(量子电动力学)兰姆运动是由电子和它们发射的光子之间的相互作用以及所谓的真空极化效应引起的。这些效应对S状态有很大的影响，但对其他状态影响很小。兰姆运动实验和电子与电子的反常磁矩实验共同构成了量子电动力学的三大实验支柱。美国著名物理学家、原子光谱“兰姆位移”实验发现者威廉朱奈兰姆于1913年7月12日出生于加利福尼亚州洛杉矶。他于1930年被加州大学伯克利分校录取。他于1934年获得理学学士学位，四年后在奥本海默的指导下学习理论物理，获得哲学博士学位。兰姆崇拜拉比，当时他是哥伦比亚大学辐射实验室的教授，并在1938年毕业后加入了哥伦比亚大学的物理系。从1951年到1956年，林教授接受了加州斯坦福大学的邀请，成为物理学教授。在他任职期间，他发明了微波技术，并进一步研究了从氢原子到氦原子光谱的精细结构。所得结果与美国物理学家普库施教授测量电子磁矩的结果一致。兰姆教授与库施教授分享了1955年诺贝尔物理学奖，以表彰他对光谱精细结构研究的杰出贡献。41，分配：P143(5，6，7)，42，第4章小结，1。碱金属原子光谱的特征和规律。光谱，2。能量等级，43，2。原子的真实极化和轨道穿透。碱金属原子能级的光谱和精细结构。光谱，2。s单层；p、d、f等。有三层。4.(理论解释)自旋和轨道运动之间的相互作用1。旋转概念和旋转特性：44、2。自旋角动量和轨道角动量之间的耦合(磁相互作用)3。自旋和轨道运动之间的相互作用结果。代表能级的单电子原子光谱核能级精细结构跃迁的选择规则。45，LithiumWasDiscovered 1817 ByJohanaugustarfwedsOnButtnotisunTilsomelaterByw .t . brandeansirhumphrydavy . initsmineralf