wy_l原子中的电子

1、第十二章第十二章 原子中的电子原子中的电子(Electrons in Atoms)J. J. 汤姆逊汤姆逊1906年诺贝尔奖获得者年诺贝尔奖获得者汤姆逊原子模型汤姆逊原子模型卢瑟福卢瑟福 1908年诺贝尔奖获得者年诺贝尔奖获得者原子光谱原子光谱玻尔原子模型玻尔原子模型内容内容氢原子中的电子氢原子中的电子氢原子光谱氢原子光谱电子自旋电子自旋多电子原子中电子的排布多电子原子中电子的排布激光激光rreU024orU量子力学结果：量子力学结果：能级能级222041)4( 2nmeEn(n = 1, 2, 3, 主量子数主量子数)12.1 氢原子中的电子氢原子中的电子 (Electron in The

2、Hydrogen Atom)(6 .132eVnn=1基态；基态； n1激发态激发态En(eV)0-13.6-3.40-1.51n En 特点：特点：orUEn物理意义：物理意义： 电子处于束电子处于束缚态！缚态！ En1)，核外，核外仅有一个电子的离子仅有一个电子的离子的能级：的能级：e.g.氢原子氢原子n=1, 电离能为电离能为13.6 eVn=2, 电离能为电离能为3.40 eV)(6 .1322eVnZEn), 3 , 2 , 1(n) 1( , 2 , 1 , 0) 1(nlllL轨道角动量轨道角动量L( l 的取值依赖于的取值依赖于n ) 在空间任一方向在空间任一方向(Z)的分量的

3、分量LlmmLllz, 2, 1, 0( ml 的取值依赖于的取值依赖于l )轨道量子数轨道量子数 or 角角(副副)量子数量子数轨道磁量子数轨道磁量子数 or 磁量子数磁量子数Note:Lz取分立值，意味着取分立值，意味着 只能取空间只能取空间一些特定方向一些特定方向. L角动量的空间量子化角动量的空间量子化e.g.l=2 ml=0, 1, 2Z0 2 - -2 L电子的概率分布电子的概率分布电子云电子云 (P.181183)基态下，电子云径向密度最大处：基态下，电子云径向密度最大处：nmmer0529. 042201玻尔玻尔(N.Bohr)半径半径 玻尔玻尔 1922年玻尔获诺贝尔物理奖。

4、年玻尔获诺贝尔物理奖。玻尔正在讲解玻尔正在讲解他的他的互补原理互补原理玻尔（左）玻尔（左） 海森伯（中）海森伯（中） 泡利（右）在一起泡利（右）在一起哥本哈根学派哥本哈根学派在自然界的戏剧中人在自然界的戏剧中人既是既是“演员演员”又是又是“观众观众”玻玻尔尔和和他他的的孩孩子子们们12.2 氢原子光谱氢原子光谱 (Light Spectrum of The Hydrogen Atom)态间跃迁态间跃迁一系列不同波长的谱线的集合一系列不同波长的谱线的集合h EhElhEElh玻尔频率条件玻尔频率条件谱线系谱线系氢原子能级氢原子能级 频率条件频率条件 谱线频率：谱线频率：)11(22hlnnRc1

5、7320410097. 18mchmeR里德伯里德伯(J.R.Rydberg)常量常量c 光速光速光谱学中，用波数光谱学中，用波数表示谱线位置：表示谱线位置：)11(122hlnnRcnl=1, nh=2,3,4,莱曼莱曼(Lyman)系系(紫外区紫外区)nl=2, nh=3,4,5,巴耳末巴耳末(Balmer)系系(可见光区可见光区)nl=3, nh=4,5,6,帕邢帕邢(paschen)系系(红外区红外区)n=1n=2n=3 Lyman(紫外区紫外区)Balmer(可见光区可见光区)Paschen(红外区红外区)能级图：能级图：光谱：光谱：谱线系相互分离，每一系的谱线在谱线系相互分离，每一

6、系的谱线在短波方向变密短波方向变密.例例12-1设大量氢原子处于设大量氢原子处于n=4的激发态，它的激发态，它们跃迁时发射出一簇光谱线，则这们跃迁时发射出一簇光谱线，则这簇光谱线最多可能有簇光谱线最多可能有 条，其中最条，其中最短的波长是短的波长是 .解：解：可能的跃迁：可能的跃迁：n=4 3, 2, 13 2, 12 1 6条谱线条谱线14maxmaxminEEE14minEEhc192834106 . 1)6 .13()46 .13(100 . 31063. 6)(1075. 98m975()minmax14hchEE解法二解法二)11(122hlnnR)11(122minhlnnR972

7、()思考思考6条谱线各属于什么谱线系条谱线各属于什么谱线系?例例12-2 一个氢原子处于主量子数一个氢原子处于主量子数n=3的状态，则的状态，则该氢原子该氢原子(A)能够吸收也能够发射一个红外光子能够吸收也能够发射一个红外光子(B)不能吸收也不能发射一个红外光子不能吸收也不能发射一个红外光子(C)能够吸收一个红外光子能够吸收一个红外光子(D)能够发射一个红外光子能够发射一个红外光子解：解：n=1n=2n=3发射可见发射可见吸收红外吸收红外发射紫外发射紫外 (C)12.3 电子自旋电子自旋 (Electron Spin)Stern-Gerlach实验实验 (1921年年)ovenSNslitpl

8、ateAgAASNAAB斯特恩正在观测斯特恩正在观测实验照片实验照片分析分析：ML(电子角动量电子角动量)(磁矩磁矩)(2l+1)个值个值(2l+1)个值个值zzML (2l+1)条条纹！条条纹！zzMF 磁力磁力1925年，年，G.E.Uhlenbeck 和和 S.A.Goudsmit解释：解释：电子有自旋运动电子有自旋运动 自旋角动量自旋角动量(只有两种取向只有两种取向) 自旋磁矩自旋磁矩(也只有两种取向也只有两种取向) 两条条纹两条条纹1928年，狄拉克年，狄拉克(P.A.M.Dirac)从理论上导出电子从理论上导出电子具有自旋的结论具有自旋的结论.自旋角动量自旋角动量S量子力学结果：量

9、子力学结果：自旋量子数自旋量子数)() 1(21sssS)(21sszmmS 在空间任一方向在空间任一方向(Z轴轴)的分量：的分量：S自旋磁量子数自旋磁量子数Z+ /2S- /2物理意义：物理意义：电子的自旋角动电子的自旋角动量也是空间量子量也是空间量子化的化的.n主量子数主量子数 (n=1,2,3, )可大体确定电子的能量可大体确定电子的能量l 轨道量子数轨道量子数 (l =0,1,2, , n-1)可确定电子的轨道角动量大小，对电子可确定电子的轨道角动量大小，对电子的能量也稍有影响的能量也稍有影响ml 轨道磁量子数轨道磁量子数 (ml=0, 1, 2, , l )ms自旋磁量子数自旋磁量子

10、数 (ms= 1/2)可确定电子的轨道角动量在空间任一方可确定电子的轨道角动量在空间任一方向向(z)的分量的分量可确定电子的自旋角动量在空间任一方可确定电子的自旋角动量在空间任一方向向(z)的分量的分量 原子中电子的四个量子数原子中电子的四个量子数例例12-3 原子内电子的量子态由原子内电子的量子态由n、l、ml、ms四四个量子数表征，当个量子数表征，当n、l、ml一定时，不一定时，不同量子态数目为同量子态数目为 ；当；当n、l一定时，一定时，不同量子态数目为不同量子态数目为 ；当；当n一定时，一定时，不同量子态数目为不同量子态数目为.解：解：当当n、l 、ml一定时，一定时，ms可取两个不同

11、的值可取两个不同的值. 当当n、l一定时，一定时，ml可取可取2l+1个不同的值个不同的值, 且且对于对于ml的每个值，的每个值，ms可取两个不同的值可取两个不同的值. 2 2(2l+1)当当n一定时，一定时，l 可取可取n个不同的值个不同的值, 且对于且对于l 的的每个值，每个值，ml和和ms共共可取可取2(2l+1)个不同的值个不同的值. 10) 12(2nllnn2) 12(1222n12.4 多电子原子中电子的排布多电子原子中电子的排布 (Arrangement of Electrons in Multielectron Atoms)多电子原子，每个电子多电子原子，每个电子(n , l

12、 , ml , ms), 电子组态？电子组态？两个基本原理两个基本原理泡利泡利(W.Pauli)不相容原理不相容原理在同一原子中不可能有两个电子处在同一原子中不可能有两个电子处于相同的状态于相同的状态.能量最低原理能量最低原理在基态原子中，电子总处于最低可在基态原子中，电子总处于最低可能的能级能的能级.Note:能级高低的判别：能级高低的判别：通常，随着通常，随着 n ，则，则 E ；对同一对同一n，若，若 l ，则，则 E ；对于对于Z18的原子，会有反常的原子，会有反常. 壳层壳层(shell)与次壳层与次壳层(subshell)壳层壳层主量子数主量子数 n相同的所有状态的集合相同的所有状

13、态的集合.主量子数主量子数n 1 2 3 4 5 6 7壳层符号壳层符号 K L M N O P Q可容电子数可容电子数 2 8 18 32 50 72 98角量子数角量子数 l 0 1 2 3 4 5 6次壳层符号次壳层符号 s p d f g h i可容电子数可容电子数 2 6 10 14 18 22 26电子对壳层的填充电子对壳层的填充: 先填先填n较小的壳层，较小的壳层，在同一在同一n中，先填中，先填 l 较小的次壳层，但在不较小的次壳层，但在不同壳层邻接处可能出现同壳层邻接处可能出现“反常反常”(See P.193 197).次壳层次壳层同一壳层中轨道量子数同一壳层中轨道量子数 l

14、相同的状相同的状态的集合态的集合.基态原子核外电子排布基态原子核外电子排布 1s 10lnZen = 1n = 2n = 3LMK(2)(2)32103d3p3s (10)(2)(6)(18)2102p2s (2)(6)(8)nl2n2反常反常钾钾(Z=19)的电子组态：的电子组态：162622433221spspss不是不是13de.g.锂锂(Z=3)的电子组态：的电子组态：211 2s s碳碳(Z=6)的电子组态：的电子组态：2221 2 2s sp氯氯(Z=17)的电子组态：的电子组态：226251 2 2 3 3s sp s p 提出泡利不相容提出泡利不相容原理获得原理获得1945年诺

15、年诺贝尔物理学奖贝尔物理学奖奥地利人奥地利人1900 1958泡利（泡利（ W. Pauli ）12.5 激光激光 (Laser) 受激辐射的光放大受激辐射的光放大(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)世界上第一台激光器世界上第一台激光器红宝石激光器红宝石激光器(T.H.Maiman，1960)激光的特性激光的特性方向性好方向性好发散角发散角 ：10-310-6 rad 强度高强度高强度可达强度可达1017 W/cm2 (氧炔焰氧炔焰103 W/cm2)激光器输出功率：连续可达激光器输出功率：连续可达105W脉冲可达脉

16、冲可达1014W(世界电站总功率世界电站总功率1012 W)单色性好单色性好：10-610-9 nm相干性好相干性好是相干光是相干光.激光的应用激光的应用激光测距：激光测距：月地距离误差月地距离误差10-2m激光加工：激光加工：打孔、切割、焊接、表面处理打孔、切割、焊接、表面处理.激光医疗：激光医疗：激光手术刀，视网膜焊接，角激光手术刀，视网膜焊接，角膜切割，肿瘤诊断膜切割，肿瘤诊断(光动力学方法光动力学方法)，创伤，创伤愈合，针灸、美容等愈合，针灸、美容等.军事：军事：激光制导激光制导, 束能武器束能武器, 激光致盲激光致盲.核技术：核技术：分离同位素分离同位素, 引发核聚变引发核聚变.信息

17、技术：信息技术：光通信，信息存储，全息照相光通信，信息存储，全息照相.神光神光 - -装置的两路激光系统装置的两路激光系统神光神光-装置的八路激光系统装置的八路激光系统2000建成建成 8 光束光束 / 200mm， 6KJ/1倍频，倍频，2.5KJ/3倍频倍频 /1ns1986 建成建成 2光束光束 / 200mm， 1.6KJ /1倍频倍频 （1.06 m) / 1ns 我国的激光核聚变装置我国的激光核聚变装置神光神光-装置的靶室和物理诊断设备装置的靶室和物理诊断设备在靶室内八束激光同时聚向一个产生核在靶室内八束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变聚变反应的小燃料样品上

18、，引发核聚变神光三号神光三号 激光焊接激光焊接高能激光（能产生约高能激光（能产生约5500 oC的高温）的高温）把大块硬质材料焊接在一起把大块硬质材料焊接在一起用激光使脱落的视网膜再复位用激光使脱落的视网膜再复位（目前已是常规的医学手术）（目前已是常规的医学手术）激光的产生激光的产生受激辐射受激辐射光的吸收：光的吸收：h 原子吸收入射光子原子吸收入射光子(h =Eh-El)，从，从低能态低能态(El)跃迁到高能态跃迁到高能态(Eh).EhEl自发辐射自发辐射(spontaneous radiation)：h 处于高能态处于高能态(Eh) 的原子，在没有的原子，在没有外界作用下，自发跃迁到低能态

19、外界作用下，自发跃迁到低能态(El)，并发出一个光子并发出一个光子(h =Eh-El) . EhElh h h 受激辐射受激辐射(stimulated radiation)：处于高能态处于高能态(Eh)的原子，受入射的原子，受入射光子光子(h =Eh-El)的诱导作用，跃迁到低的诱导作用，跃迁到低能态能态(El)， 并发出一个与入射光子的并发出一个与入射光子的频率频率、相位相位、振动方向振动方向和和传播方向传播方向都都完全相同的光子完全相同的光子.EhEl光放大光放大(light amplification)：若有一批原子处于高能态若有一批原子处于高能态(Eh)，则则 在一个入射光子在一个入射

20、光子(h =Eh-El)的作用的作用下下，会通过一系列受激辐射，会通过一系列受激辐射产生不断产生不断倍增的相同的光子倍增的相同的光子.粒子数布居反转粒子数布居反转 在平衡态下，处于不同能态的原子数在平衡态下，处于不同能态的原子数由由Boltzmann分布律分布律确定：确定：kTEeEN/)(kTEElhlheENEN/ )()()(e.g.He-Ne激光器：激光器： =632.8nm33/10)()(kThclheENEN平衡态下：平衡态下： 设法使设法使 N(Eh)N(El)，这种反常状态称，这种反常状态称为为粒子数布居反转粒子数布居反转(population inversion). 能实现

21、粒子数反转的物质，称为能实现粒子数反转的物质，称为激活激活介质介质(active medium)或或工作物质工作物质.激活介质的特点激活介质的特点: 存在寿命较长存在寿命较长(10-3s1s)的激发态的激发态亚稳态亚稳态 (metastable state).e.g.红宝石激光器：红宝石激光器：(三能级系统三能级系统)h 无辐射跃迁无辐射跃迁E3E1E2亚稳态亚稳态抽运抽运CO2激光器：激光器：(四能级系统四能级系统)h 无辐射跃迁无辐射跃迁E3E1E2亚稳态亚稳态E4抽运抽运He-Ne激光器：激光器：(四能级系统四能级系统)碰撞碰撞632.8nmHeNeE3 E1E2E4E2 E3E4 电激发电激发光学谐振腔光学谐振腔(optical cavity)一对平行的反射镜，镜面与激活介质一对平行的反射镜，镜面与激活介质的轴线垂直的轴线垂直.激活介质激活介质全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激励能源激励能源激光输出激光输出维持振荡维持振荡 沿轴向传播的光，可在腔内来回反沿轴向传播的光，可在腔内来回反射，不断放大，而沿其它方向传