原子物理学第四章碱金属原子PPT课件

.,1,4.1碱金属原子光谱,引入:碱金属光谱能级结构,中心:碱金属原子光谱规律:四系;三端;两数;一定则.,一.碱金属原子光谱-结构相近,明显分线系,主线系(Principleseries)：红光,紫外E3.0,E1.6第一辅线系(Diffuseseries)：可见光,由轮廓弥散的谱线组成.(漫线系)第二辅线系(Sharpseries)：红外,可见光,由轮廓细锐的谱线组成.(锐线系)基线系(Bergmannseries)：红外,与氢线系类似,E1,从而使能量降低。3.光谱项为：,二、原子实极化、轨道贯穿,改写后：所以n*n,.,14,a非贯穿轨道b贯穿轨道价电子的轨道运动,.,15,.,16,三、量子力学定量处理,远离原子实运动,靠近原子实运动,能量和光谱项,.,17,与氢原子的差别,（1）能量由（n,）两个量子数决定，主量子数相同，角量子数不同的能级不相同。各能级均低于氢原子相应能级。,（2）对同一n值，不同值的能级，值较大的能级与氢原子的差别较小；对同一值，不同n值的能级，n值较大的能级与氢原子的差别较小。,（3）n很大时，能级与氢的很接近，少数光谱线的波数几乎与氢的相同。,.,18,.,19,4.3碱金属原子光谱的精细结构,1.引入:用高分辨率的仪器观察谱线,发现一条二/三条,2.本节中心:谱线精细结构能级分裂,一.实验事实,.,20,主线系:,二辅:,.,21,二.推理解释,Li原子,.,22,主线系:,二辅:,n增加,E下降,.,23,一辅:,左右两成分间隔取决于P能级双层,与二辅线同.右边两成分取决于d能级双层,一辅:,.,24,4.4电子自旋同轨道运动相互作用,1.引入.:为什么单价原子光谱有双线精细结构？,2.本节中心:电子自旋;,原子态:,.,25,4.4电子自旋与轨道运动的相互作用,一、电子自旋,1、电子自旋概念的提出,为了说明碱金属原子光谱的双线结构，和解释斯特恩-革拉赫实验结果，两位不到25岁的荷兰大学生乌仑贝克和古兹米特大胆地提出电子的自旋运动的假设。,按照这一假设，电子除轨道运动外，还存在一种自旋运动，和自旋运动相联系还存在自旋角动量。,.,26,2、电子自旋角动量量子数,3、电子自旋角动量空间取向量子化,.,27,4、电子自旋磁矩,电子轨道运动磁矩:,5、单电子总角动量,对于单电子s1/2,所以：,.,28,1928年，Dirac从量子力学的基本方程出发，很自然地导出了电子自旋的性质，为这个假设提供了理论依据。,在无外场情况下，守恒，大小、方向不变，和绕进动，且保持夹角不变。,.,29,二、自旋-轨道运动相互作用能,1、磁性物体在磁场中运动的附加能量,2、自旋-轨道相互作用能,电子的自旋运动和轨道运动之间通过磁相互作用。,在电子为静止的坐标系上，原子实（Z*e）绕电子旋转，并产生磁场B，并与自旋磁矩作用。,.,30,变换回以核为静止的坐标系，并考虑两坐标系变换的相对论（时间差）效应后，再乘以因子得：,详见：史斌星量子物理附录,的处理：,量子力学方法：按几率分布所得的平均值代替。,.,31,对碱金属原子，,的处理：,.,32,代入整理得：,原子的总能量（不包括相对论修正）：,：能级的精细结构,能量E由三个量子数决定。,对一给定能级，即给定但仍与有关。,.,33,3、碱金属原子能级的分裂,当时，能级不分裂,能级分裂为双层,间隔:,.,34,讨论：,.,35,4、碱金属原子态符号表示,如2p电子，3S电子等，小写符号,电子组态：原子核外电子的排布，如：,NaZ=11基态电子组态:,激发态电子组态:,碱金属原子态符号：,.,36,价电子的主量子数,价电子的轨道角动量，用大写e表示,电子的总角动量。,自旋多重度，表示原子态的多重数。对碱原子S态虽然是单层（重）能级，仍表示为：,例：表示：的原子态，多重度：2,表示：的原子态，多重度：2,表示：的原子态，多重度：2,.,37,Li原子能级图（考虑精细结构）,.,38,4.5单电子跃迁的选择定则,1.引入:能级分裂后,能级间如何跃迁?,2.本节中心:选择定则,选择定则:对单电子跃迁成立,主量子数n的改变不受限制,跃迁有选择性,此选择性既是由光谱线实验测量规律总结,在量子力学中也有理论推导.,下面分线系说明,.,39,主线系:,n,n,m,第二辅线系:,n,m,m,.,40,除四线系外,其它高能级到低能级间符合选择定则的也有跃迁,但几率小.,.,41,例如对于钠：,ms,+1/2,-1/2,碱金属的双线实验也是促使乌仑贝克和古兹米特提出电子自旋假设的根据之一。,3P3/2,3P1/2,（l=0，无自旋轨道耦合，能级不分裂）,.,42,4.6氢原子光谱的精细结构,1.引入:电子自旋对氢原子光谱的影响,2.本节中心:氢能级公式,一.氢原子光谱的精细结构理论:,(1)氢原子能量:,1.能量主要部分:,.,43,2.相对论效应修正部分:,3.电子自旋与轨道相互作用能:,.,44,4.碱金属原子中,原子实极化与轨道贯穿效果,由z-表现,z-随改变而影响E0,5.相对论效应地位:,碱金属原子中,氢原子中,.,45,6.总能量:,(二)讨论:,狄拉克修正,.,46,(二)讨论:,1.氢原子:,不同,j相同,能级相同简并.,2.碱金属原子:,.,47,3.氢原子n=3能级图:,.,48,4.氢原子H能级跃迁图:,.,49,二.氢原子光谱的精细结构实验观察:,七种跃迁,可观察到五条谱线.,实际测量值比0.328小约0.01cm-1,.,50,三.兰姆移动,1947年,原因:电子还受跃迁辐射光子的辐射场作用.,兰姆推动了量子电动力学,量子光学的发展.In1955,LambgotNobelprize.,.,51,小结:,1.一般结构,2.结构结构:,.,52,3.能级简并度:,1).考虑自旋和轨道运动,而忽略二者耦合时,碱金属原子中价电子能量与n,l有关.,共有2l+1个状态.,Enl共有2(2l+1)个状态.,2)加上l,s耦合能后,碱金属原子中价电子能量与n,l,j有关.电子状态要用n,l,s,j,mj表示,Enlj共有2(2j+1)个状态.,.,53,量子数小结,主量子数,角量子数（轨道量子数、副量子数）,l=0,1,2（n1），,的大小,磁量子数,决定的空间取向；,的z分量,n=1,2,3,，,决定能量，,决定角动量的大小，,.,54,自旋角动量也应有,s自旋量子数，,mS自旋磁量子数,.,55,四个量子数小结,电子能量的主体确定的能级角动量的可能取值对总能量有一定影响“轨道”角动量在磁场中可能的取向能级分裂谱线精细结构,主量子数角量子数磁量子数自旋磁量子数,.,56,一、电子自旋角动量和自旋磁矩,每个电子都具有自旋的特性，由于自旋而具有自旋角动量和自旋磁矩，它们是电子本质所固有的，又称固有矩和固有磁矩。,自旋角动量：,外场方向投影：,共2个，,自旋磁矩：,4.4电子自旋和轨道之间的相互作用,.,57,外场方向投影：,共两个偶数,与实验结果相符。,1928年，Dirac从量子力学的基本方程出发，很自然地导出了电子自旋的性质，为这个假设提供了理论依据。,原子的磁矩=电子轨道运动的磁矩+电子自旋运动磁矩+核磁矩。,.,58,电子的运动=轨道运动+自旋运动,二、电子的总角动量,轨道角动量：,自旋角动量：,总角动量：,.,59,时，,例如：当,由于,当,时，,，一个值。,当,时，,，两个值。,.,60,.,61,三、自旋轨道相互作用能,电子由于自旋运动而具有自旋磁矩：,具有磁矩的物体在外磁场中具有磁能：,电子由于轨道运动而具有磁场：,.,62,.,63,是一个变量，用平均值代替：,其中：,代入整理得：,原子的总能量：,.,64,三、碱金属原子能级的分裂,，能级分裂为双层,双层能级的间隔：,.,65,讨论：,，能级不分裂；,，能级分裂为双层。,.,66,如,5单电子辐射跃迁的选择定则,4碱金属原子态符号：,.,67,四、对碱金属光谱精细结构的解释,1主线系：,.,68,2第二辅线系：,3第一辅线系：,4基线系：,.,69,.,70,.,71,.,72,.,73,精品课件！,