第5-6章-多电子原子和x射线资料.ppt

5.1氦原子光谱和能级,第五章多电子原子,氦原子及第II族元素双电子系统,铍Be镁Mg钙Ca锶Sr钡Ba镭Ra（原子实+2个价电子）,谱线特点:（1）两套能级:一套由单线构成，另一套由三线构成,分别称为单一态和三重态。（2）两套线系：主辅线系各有两套（定义与碱金属），单态之间跃迁产生一套单线系，三重态能级间跃迁产生复杂的精细结构，单一态与三重态之间无跃迁。（3）基态为（1s1s）,激发态(1s2s)和不能自发回到基态，是氦的两个亚稳态。（4）双激发实验室条件下难以实现，一般只有单激发。如1s2s,1s2p,1s3s,1s3d等,5.2角动量耦合,1.电子组态,同一电子组态可以有多种原子态相对应，能级的高低主要取决于电子组态，n大则能级高。n相同时l大的能级也略高。,2.原子态,（1）L-S耦合,总轨道角动量：,总自旋：,总角动量：,原子态,练习1：写出电子组态1s3d和1s4f相对应的原子态,练习2:双电子组态2p3p,课堂练习:双电子组态3p4d,S,L,课堂练习:双电子组态3p4d,S,L,L,S,练习2:双电子组态2p3p,洪特定则：同一电子组态形成的能级中（1）重数高的能级低。（2）重数相同，L值大的能级低。,朗德间隔定则：相邻能级间隔与相应能级中J值较大的成正比,（2）能级次序和间隔,此外：S,L值相同时（1）正常次序：J值小的能级低（2）反常次序：J值大的能级低,例如：,(2)jj耦合,原子态符号：,例如：2p3p组态有10个原子态,5.3泡利不相容原理,电子在不同轨道上按一定规律排布，形成元素周期表。某一轨道上能够容纳的最多电子数为2n2，为什么？He原子基态电子组态是1s1s，由LS耦合的原子态是和，但在能级图上却没有，为什么？,1925年，奥地利物理学家Pauli提出了不相容原理，回答了上述问题,揭示了微观粒子遵从的一个重要规律。,电子状态的量子数,同科电子：量子数相同的电子,不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的状态(完全相同的四个量子数)。每一个状态只能容纳一个电子。更一般的描述：在费米子（自旋为半整数的粒子）组成的系统中不能有两个或或两个以上粒子处于完全相同的状态。,Pauli原理的应用,所以只能有原子态,(1).He原子的基态电子组态是1s1s,(2).两个同科p电子组成的原子态，见第160页,(3).l壳层所能容纳的最大电子数2(2l+1),5.4跃迁定则,例1：,例2：讨论单电子情况,课堂练习：Mg原子基态电子组态3s3s被激发到3s4s态上，由于自发辐射可以观测到几条谱线？,课堂练习：Mg原子基态电子组态3s3s被激发到3s4s态上，由于自发辐射可以观测到几条谱线？,基态：激发态：,结论：共5条谱线，两个单线分属主线和第二辅线系，一个三重线属第二辅线系。,普通光源-自发辐射,激光光源-受激辐射相干性好，方向性好，脉冲瞬时功率大，亮度极高。,激光(Laser镭射)(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation),5.5HeNe激光器,“通过受激辐射实现光放大”,1.1917年：爱因斯坦提出受激辐射的概念，预言了存在激光的可能性。2.50年代：1951年Maser提出。1958年设计了激光器3.1960年：梅曼(Maiman)制成世界上第一台激光器。Ruby激光出光（休斯实验室）HeNeLaser出光（贝尔实验室）4.我国60年代：1961年长春光机所RubyLaser；1962年HeNeLaser出光；1964年上光所成立。,激光器种类：工作物质固体激光器：红宝石，Nd:YAG，钕玻璃气体激光器：HeNe，CO2，离子激光器液体激光器：染料激光器半导体激光器：如砷化镓GaAs,波段：极紫外（100nm可见光亚毫米(1.22mm),WorkingintheHughesResearchLabs,May17,1960:TedMaimansrubylaser,1粒子数服从玻耳兹曼统计分布：,数量级估计：,E2-E11eV,T103K，,要产生激光必须N2N1，称粒子数反转(populationinversion)。,2自发辐射受激辐射和吸收,自发辐射(spontaneousradiation),h,受激辐射(stimulatedradiation),吸收(absorption),He：基态激发态（亚稳态）,He-Ne激光器的工作原理：,Ne：基态激发态,He-Ne激光器：He是辅助物质，Ne是激活物质。He与Ne之比为51101,必要条件.激励能源（使原子激发）.粒子数反转（有合适的亚稳态能级），除了增加上能级的粒子数外，还要设法减少下能级的粒子数）,与电子碰撞,He被激发(到23S和21S能级)的概率比Ne原子被激发的概率大这两个能级都是亚稳态，很难回到基态；在He的这两个激发态上集聚了较多的原子。,Ne的5S和4S与He的21S和23S的能量几乎相等，两种原子相碰时容易产生能量的“共振转移”。,在碰撞中He把能量传递给Ne而回到基态，而Ne则被激发到5S或4S态。下能级4P，3P的寿命比上能级5S，4S要短得多，形成粒子数的反转。,电子碰撞,碰撞转移,5.6磁场中的原子,原子置于磁场中会发生一些变化，1896年塞曼发现，光源放入磁场中，谱线会发生分裂，称为塞曼效应,1.原子磁矩,电子轨道原子磁矩,电子自旋磁矩,玻尔磁子,电子总磁矩,它不是一个有确定方向的量，但在总角动量的方向的沿线上是确定的，通常称之为总磁矩。,称朗德g因子,对于多电子原子朗德g因子为,例如原子态为若原子态已知可算出原子的磁矩，反之从原子的磁性可以推测原子的状态。,2.外磁矩对原子的作用,原子受磁矩作用的附加能量,角动量沿磁场的投影,附加能量,表明无磁场时的一条能级，因磁场影响要在叠加该能量附加项，能级分裂成2J+1条。,例1.讨论磁场中原子态的分裂情况。,3.塞曼效应,5.6原子壳层结构,（1）元素周期性及壳层结构,将元素按核电荷数的大小排列起来，其物理、化学性质将出现明显的周期性。各元素周期依次为2,8,8,18,18,32,同族元素的性质基本相同。,填充情况,次壳层：主壳层：,（2）原子基态电子组态,理想次序：,实验表明：,（1）同一电子组态，重数高的能级低。S相同，L大的能级低。（2）次壳层不足半满时，J值小的能级低（正常次序）；次壳层超过半满，J值大的能级低（反常次序）（3）两点说明：满壳时两个同科电子的原子态,基态,在1895年以前，由阴极射线管产生的X射线在实验里已经存在了30多年，在射线发现前，不断有人抱怨，放在阴极射线管附近的照相底片模糊或感光。如1879年的克鲁克斯，1890年的古德斯比德等人。1895年11月8日傍晚，伦琴在研究阴极射线管中气体放电实验时，为了避免杂光对实验的影响，他用黑纸将管子包起来，却发现距阴极管一段距离外的一块屏幕发出了荧光，经检查发现,射线来自阴极射线管。令人惊奇的是，当用不透明物质挡住这种射线时，荧光屏仍然发光，而且这种射线能使黑纸包住的照相底片感光。,5.7X射线,(1)X射线的产生十九世纪末，连续三年的三大发现（电子，x射线和放射性）揭开了近代物理学的序幕。1895年，德国Rontgen（伦琴）教授发现X射线（伦琴射线）。,X射线由高速电子打在物体上产生。0.1nm：软X射线。,经过一个多月的研究，他未能搞清这种射线的本质，因此赋予它一个神秘的名字-X射线。1895年，伦琴向德国物理学会递交了题为论新的射线的论文，公布了他夫人的X射线手骨照片，引起了极大的轰动。,1.,2.,(2)X射线谱,（i)连续谱:波长连续变化，与靶材料无关。如轫致辐射：高速电子打到靶上，受靶的作用而突然减速，其一部分动能转化为辐射能放出射线。,(ii)标识谱:波长是分立的，与靶材料有关，成为某种材料的标识，也叫特征谱,标识谱产生的机理是什么？,1913年，英国物理学家莫塞莱(Moseley)对三十几种元素的线状谱进行分析，发现一个规律,满壳层缺少一个电子形成的原子态与该壳层只有一个电子的原子态相同。,镉（Gd，Z=48）原子基态电子组态为,跃迁定则（与单电子情况一样）,（1）K线系,例题：试讨论与谱线有关的跃迁,（2）L线系,（3）M线系,(2)X线状谱的标记标识谱分为K,L,M,等线系，每个系有,等谱线。,问题：n=3n=2有几条x射线谱,X射线能级图,问题：L线n=3n=2有几条x射线谱,（1）俄歇(Auger)电子当内壳层有空穴时，外层电子向内层跃迁发出的能量不产生X射线，而是将另一层电子电离，这样产生的电子称Auger电子。（2）核激发效应内层电子间的跃迁，将能量传给原子核，使原子核跃迁到激发态。,5.8康普顿(Compton)效应(1927诺贝尔奖),Compton发现被散射的X射线波长发生了改变。波长改变的数值与散射角有关,随角度的增加而增大。按照经典理论，光在介质表面反射后其频率不会改