原子物理_总结

1、原子物理学课程总复习第一章第一章 原子的基本状况原子的基本状况一、了解一、了解汤姆逊汤姆逊原子模型原子模型 19031903年英国科学家汤年英国科学家汤姆逊提出姆逊提出 “ “葡萄干葡萄干蛋糕蛋糕”式原子模型或式原子模型或称为称为“西瓜西瓜”模型模型。放射源放射源放射源为放入一小铅盒中的少量放射性元素钋，用来产生粒子。轰击对象金箔为微米级薄片。荧光屏为接受屏，其后有显微镜可观察到发生的现象。荧光屏和显微镜可以围绕金箔在一圆周上运动，从而可以观察到穿过金箔后偏转角度不同的粒子。 大多数散射角很小，约1/8000散射大于90； 极个别的散射角等于180。 结结果果 原子序数为原子序数为Z的原子的中

2、心的原子的中心,有一个带正电荷的核有一个带正电荷的核(原原子核子核),它所带的正电量它所带的正电量Ze ,它的体积极小但质量很大它的体积极小但质量很大,几乎等于整个原子的质量几乎等于整个原子的质量,正常情况下核外有正常情况下核外有Z个电个电子围绕它运动。子围绕它运动。三、原子核式结构模型三、原子核式结构模型卢瑟福模型卢瑟福模型四、四、 库仑散射公式库仑散射公式的的应用应用原子核半径的估算原子核半径的估算五、卢瑟福散射公式及实验验证五、卢瑟福散射公式及实验验证卢瑟福的散射公式卢瑟福的散射公式22224014sin2ZeddMv 卢瑟福散射公式的实验验证卢瑟福散射公式的实验验证 对同一对同一放射放

3、射源（源（EK同），同一靶体（同），同一靶体（Z,t同），有同），有 对同一对同一放射放射源，同一靶材，同一散射角，有源，同一靶材，同一散射角，有 不同不同放射放射源（源（ EK不同），同一靶体，同一散射角，有不同），同一靶体，同一散射角，有 对同一对同一放射放射源；同一散射角，同一源；同一散射角，同一Nt值，不同靶材（值，不同靶材（Z不同），不同）， 有有 222204412sinMvZeNntdndCdnd2sin4tdndCvdnd42Zdnd六、卢瑟福模型的困难六、卢瑟福模型的困难1 1、原子稳定性问题、原子稳定性问题2 2、原子线状光谱问题、原子线状光谱问题第二章第二章 原子的能级和

4、辐射原子的能级和辐射连续光谱线状光谱带状光谱炽热的固体或液体发出，具 有各种波长成分。气态原子发出，只有某些波长，光谱由一条条清晰明亮的线组成。气体分子发出，谱线分段密集，形成一个个带。一、了解光谱类别一、了解光谱类别二、氢原子光谱22=3,4,5,.4nBnn巴耳末公式巴耳末公式令令 , v 称为波数，巴耳末公式可改写为称为波数，巴耳末公式可改写为12222221144112113,4,5,.2HnBnBnRnn巴耳末系巴耳末系, 3 , 2),111(22nnRH, 5 , 4),131(22nnRH, 6 , 5),141(22nnRH, 7 , 6),151(22nnRH1914年 赖

5、曼发现 赖曼系： 1908年 帕邢发现 帕邢系：1922年布喇开发现 布喇开系:1924年普丰特发现 普丰特系:氢原子光谱的其他线系氢原子光谱的波数可以表示为氢原子光谱的波数可以表示为 称光谱项。称光谱项。 是光谱项之差是光谱项之差m=1,n=2、3、4称赖曼系称赖曼系m=2,n =3、4、5称赖曼系称赖曼系m=3,n=4 、5 、6 称帕邢系称帕邢系m=4,n=5、6、7称布喇开系称布喇开系 m=5,n=6 、7 、8 称普丰特系称普丰特系22111,2,3,.;,1,2,3,.HRmmnm nmmm对每一个2( )HRT nn( )( )T mT n氢原子光谱总结：氢原子光谱总结：（1）光

6、谱的线状的。）光谱的线状的。（2）谱线间有一定的关系，谱线构成一个个的）谱线间有一定的关系，谱线构成一个个的谱线系，不同的线系也有共同的光谱项。谱线系，不同的线系也有共同的光谱项。（3）每一谱线的波数都可以表达为二光谱项之）每一谱线的波数都可以表达为二光谱项之差。差。三、玻尔氢原子理论三、玻尔氢原子理论（1）原子稳定结构的困难。原子稳定结构的困难。卢瑟福将行星模型用于原子卢瑟福将行星模型用于原子世界，虽然都受平方反比有心力支配，但电子带世界，虽然都受平方反比有心力支配，但电子带-e电荷，电荷，轨道加速运动会向外辐射电磁能，这样电子将会在轨道加速运动会向外辐射电磁能，这样电子将会在10-9s时时

7、间内连续缩小，落入核内，正负电荷中和，原子宣告崩溃间内连续缩小，落入核内，正负电荷中和，原子宣告崩溃(塌缩塌缩)。原子的半径按照这种理论应该为。原子的半径按照这种理论应该为10-15米，而不是米，而不是10-10米。米。但现实世界原子是稳定的。但现实世界原子是稳定的。（2）原子线状光谱的困难。原子线状光谱的困难。按照经典电动力学，原子所按照经典电动力学，原子所发出来的光的频率等于原子中电子运动的频率。那么如果发出来的光的频率等于原子中电子运动的频率。那么如果电子轨道连续缩小，其运动的频率就会连续增大，那么所电子轨道连续缩小，其运动的频率就会连续增大，那么所发光的频率就是连续变化的，原子的光谱应

8、该是连续光谱。发光的频率就是连续变化的，原子的光谱应该是连续光谱。但实验发现原子光谱的谱线是分隔的。但实验发现原子光谱的谱线是分隔的。经典理论的困难经典理论的困难角动量的量子化=1,2,3,.2hpmvrnn轨道的量子化2202241,2,3,.4n hrnmZe能量的量子化242222021,2,3,.4me ZEnn h （）玻尔的氢原子理论，可陈述为以下三条假设：玻尔的氢原子理论，可陈述为以下三条假设： 1. 定态假设定态假设 2. 辐射的频率法则辐射的频率法则 3. 角动量量子化的假设角动量量子化的假设玻尔理论的成功之处玻尔理论的成功之处（1）应用于氢原子和类氢离子光谱时，理论计）应用

9、于氢原子和类氢离子光谱时，理论计算与实验测量结果符合得很好。算与实验测量结果符合得很好。（2）里德堡常数的理论值与实验值符合极好。）里德堡常数的理论值与实验值符合极好。 若考虑原子核与电子的相对运动之后，可以完全若考虑原子核与电子的相对运动之后，可以完全相同相同（3）原子定态假设至今有效。）原子定态假设至今有效。（4）辐射频率法则是正确的。）辐射频率法则是正确的。玻尔理论三大困难玻尔理论三大困难2hnp3、轨道的概念不正确。2、角动量量子化条件 与现代实验结果不符只是人们的假设，无理论根据。1、只能计算氢原子和类氢离子的光谱线的频率，对于多于一个电子的氦原子。理论完全不适 用，且不能计算谱线的

10、强度。四、玻尔理论的修正和推广1. 类氢离子及其光谱222222222114,113,112,nmRBenmRLinmRHeBeLiHe类氢离子谱线的波数公式类氢离子谱线的波数公式2. 原子核运动对里德堡常数的影响MmRMmchmecheRA1111)4(2)4(232042320423、 索末菲理论, 3 ,2, 1nnhdqpp是广义动量, q是广义坐标, 积分号是对一个周期的积分量子化通则半长轴21aanZ半短轴1abnnZ1,2,3,1,2,3,1,2,0rnnnnnn主量子数角量子数径量子数量子数电子的椭圆轨道理论椭圆轨道的相对大小a1n=1,n=1n=2,n=2n=2 ,n=12a

11、14a16a13a19a1n=3,n=3n=3,n=2n=3,n=1例如 n =1,2,3时，各种可能的轨道形状如下：能能 量量24222202( 4)nm eZEnh 能量的表达式只和主量子数能量的表达式只和主量子数n相关，说明同一主量相关，说明同一主量子数对应的子数对应的n种轨道运动的能量是相同的。这种情种轨道运动的能量是相同的。这种情况称为况称为n重重简并简并。但是后面我们会发现能量的表达。但是后面我们会发现能量的表达式是更加复杂的形式，同一式是更加复杂的形式，同一n的那些状态并不简并。的那些状态并不简并。一个电子轨道的进动椭圆轨道运动时电子的轨道不是闭合的，而是连续的进动。相对论修正2

12、4224)3()4ET n nhcRZRZnnnn（ ，242243( ,)()+.4RhcZRhcZnE n nnnn说明：第一项是玻尔理论的结果，第二项起是相说明：第一项是玻尔理论的结果，第二项起是相对论效应的结果，与对论效应的结果，与 有关。所以有关。所以同一同一n的那些的那些轨道并不是简并的轨道并不是简并的。n索末菲按相对论力学原理推得索末菲按相对论力学原理推得：五、空间取向的量子化与五、空间取向的量子化与 史特恩史特恩盖拉赫实验盖拉赫实验在磁场方向的分量是ppnnhnhnppcoscos22cos轨道空间取向的量子化理论轨道空间取向的量子化理论 空间量子化。空间量子化。种可能，这种现

13、象称为种可能，这种现象称为间的取向有间的取向有种可能，或角动量在空种可能，或角动量在空轨道在空间的取向可有轨道在空间的取向可有个可能值。也就是说，个可能值。也就是说，可取可取对应每一个对应每一个。所以所以 121212, 0 ,1 nnnnnnnnn轨道的方向量子化角动量空间取向的量子化n=+1n =1n=+2n =2n=+3n=30-1+10-1-2+2+10-1-2-3p无磁场有磁场NS银原子史特恩史特恩盖拉赫实验盖拉赫实验2222112211cos22zfLSatmvdBLdBLm dZvm dZv存在问题：理论上预言应分为2n+1束,即 奇数束。实验上是两束，为偶数。为什么？电子的自旋

14、 从实验结果看，对于银原子，S应该有两个取值，即 应有两个取值，也就有说有两个 值。z六、激光原理六、激光原理 原子受到辐射场的作用，如果辐射的频率符合玻尔原子受到辐射场的作用，如果辐射的频率符合玻尔频率条件，原子可以吸收能量而被激发，也可能受激频率条件，原子可以吸收能量而被激发，也可能受激辐射而被激发。如果在辐射而被激发。如果在 ， 情况下，情况下， ，即低能级的原子数多于高能级的原子数。即低能级的原子数多于高能级的原子数。 所以一般在辐射作用下，原子由低能级向高能级跃迁所以一般在辐射作用下，原子由低能级向高能级跃迁的数目多于由高能级向低能级跃迁的原子数，也就是的数目多于由高能级向低能级跃迁

15、的原子数，也就是吸收大于受激辐射，即吸收大于受激辐射，即 。 现在我们要求在能级现在我们要求在能级2 2和能级和能级1 1之间，辐射大于吸收，之间，辐射大于吸收，就必须使，也就是使原子数发生就必须使，也就是使原子数发生反转反转。再加上自发辐。再加上自发辐射足够强的话，就可以自己触发受激发射，成为一个射足够强的话，就可以自己触发受激发射，成为一个强的辐射源，这就是一种强的辐射源，这就是一种激光器激光器。三能级法三能级法实现粒子数反转。实现粒子数反转。12gg1221BB12NN1221dNdN第四章第四章 碱金属原子碱金属原子 各种碱金属原子的光谱，具有类似的结构。各种碱金属原子的光谱，具有类似

16、的结构。通常可观察到四个谱线系。通常可观察到四个谱线系。 主线系主线系； 第一辅线系第一辅线系（又称漫线系又称漫线系）；）； 第二辅线系第二辅线系（又称锐线系又称锐线系）；）； 柏格曼系柏格曼系（又称基线系又称基线系）。）。一、碱金属原子光谱的实验规律一、碱金属原子光谱的实验规律4.1 碱金属原子光谱碱金属原子光谱锂的四个线系锂的四个线系 主主 线线 系：系： 第二辅线系：第二辅线系： 第一辅线系：第一辅线系： 柏格曼系：柏格曼系： 22)()2(pspnnRR2s2psn)n(R)2(R2d2pdn)n(R)2(R2f2dfn)n(R)3 (R，n = 2, 3, 4，n =3,4,5，n

17、=3,4,5， n =4,5,6l钠原子四个线系的波数的表示式为钠原子四个线系的波数的表示式为 22*)(:nRnRT光谱项二、碱金属原子的光谱项碱金属原子的光谱项三、碱金属原子能级三、碱金属原子能级22*n)n(hcRnhcRhcTE010000200003000040000厘米-126707主线系1869761038126一辅系二辅系柏格曼系2233334444555545 s=0 p=1 d=2 f=3H67图 3.2 锂原子能级图 4.2 原子实的极化和轨道贯穿原子实的极化和轨道贯穿一、原子实模型一、原子实模型二、二、原子实极化、原子实极化、轨道贯穿轨道贯穿v原子中原子中由由内层电子内

18、层电子和和原子核原子核构成的构成的完整完整的结构称为的结构称为原子实原子实；原子实外面的那个；原子实外面的那个电子称为电子称为价电子价电子。v锂原子的价电子的轨道：锂原子的价电子的轨道：n 2v钠原子钠原子的价电子的轨道：的价电子的轨道：n 3 一、原子实模型一、原子实模型 1. 原子实极化（形成原子实极化（形成电偶极子电偶极子），使电子又），使电子又受到电偶极子的电场的作用，受到电偶极子的电场的作用，能量降低能量降低。 同一同一n值，值， 越越小，极化越强。小，极化越强。二、二、原子实极化、原子实极化、轨道贯穿轨道贯穿a非贯穿轨道非贯穿轨道 b贯穿轨道贯穿轨道 价电子的轨道运动价电子的轨道运

19、动v2. 轨道贯穿，对于那些偏心率很大的轨道，轨道贯穿，对于那些偏心率很大的轨道， 接接近原子实的那部分还可能穿入原子实发生近原子实的那部分还可能穿入原子实发生轨道贯轨道贯穿穿，这时，这时平均平均有效电荷数有效电荷数 Z*1,从而使能量降低。从而使能量降低。v3. 光谱项为：光谱项为：n*22)(nRZnRT22nRZTEhcT 4.3 碱金属原子光谱的精细结构碱金属原子光谱的精细结构一、精细结构的实验事实一、精细结构的实验事实二、精细结构的定性解释二、精细结构的定性解释碱金属原子三个线系的精细结构示意图主线系主线系第二辅线系第二辅线系第一辅线系第一辅线系线线 第第 第第 第第 第第 系系 四

20、四 三三 二二 一一限限 条条 条条 条条 条条（1）s能级是单层能级是单层 p、d、f等能级都是双层的等能级都是双层的（2）对同一）对同一l，随着随着n的增加，双层能级间隔的增加，双层能级间隔逐渐减小，最后趋于零逐渐减小，最后趋于零由碱金属原子光谱的精细结果，我们可以得由碱金属原子光谱的精细结果，我们可以得到以下一些结论：到以下一些结论：（3）对同一）对同一n，随着随着l 的增加，双层能级间隔的增加，双层能级间隔逐渐减小，如：逐渐减小，如：4f4d闭层占有数之闭层占有数之一半一半 时，以最大时，以最大J的能级为最低，称的能级为最低，称。朗德间隔定则：朗德间隔定则： 朗德还给出能级间隔的定则，

21、在朗德还给出能级间隔的定则，在的某多的某多重态能级结构中，相邻的两能级间隔与相应的较大重态能级结构中，相邻的两能级间隔与相应的较大的的J值成正比。从而值成正比。从而两相邻能级间隔之比等于两两相邻能级间隔之比等于两J值值较大者之比较大者之比。J+1JJ-11E2E11 JEJE 212:(1):EEJJ按照原子的矢量模型，按照原子的矢量模型，称其为称其为 耦合。耦合。1l1s1j2l2s2j1j2jJJJ与与 合成合成 ，最后最后 与与 合成合成 与与 合成合成 ，2 2. . 耦合耦合JJ 合成法则合成法则111lsjPPP(1),)1(,)1(,)1(111111111jjpllPssPjl

22、s1111111120 1112sl, ,(n)jlsl(2)211210212222222lslj)(n,ls222lsjPPP,)(jjP,)(llP,)(ssPjls11122222222221jjJPPP（3）,)J(JPJ12121211jj,j,jjjJ（4）原子态的标记法jj耦合的情况下，原子的状态用量子数j1，j2和J来表示，其方法是12(,)Jjj 1925 1925年，年仅年，年仅2525岁的奥地利物理学家泡利岁的奥地利物理学家泡利（W.W.PauliPauli） 提出了著名的不相容原理：提出了著名的不相容原理：不能有不能有两个电子处在同一状态两个电子处在同一状态。第三节：

23、泡利原理第三节：泡利原理Pauli 原理的描述原理的描述 在一个原子中，不可能有两个或两个以上在一个原子中，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量数的电子具有完全相同的四个量数( , ,)lsn l m mHeHe原子的基态原子的基态 实验观察到：具有原子序数Z的中性原子的光谱和能级，同具有原子序数Z+1的原子一次电离后的离子的光谱和能级结构相似。 例如：H同He+, He同Li+ 理由：它们具有相同的电子组态一、光谱和能级的位移律：一、光谱和能级的位移律：二、二、多重性的交替律多重性的交替律:按周期表顺序的元素，交替的具有偶数或奇数的多重态。第四节第四节 复杂原子的光谱的一般规律复

24、杂原子的光谱的一般规律交替的多重态CuNiCoFeMnCrVTiScCaK2928272625242322212019 单一 单一 单一 单一 单一双重 双重 双重 双重 双重 双重 三重 三重 三重 三重 三重 四重 四重 四重 四重 四重 五重 五重 五重 五重 六重 六重 六重 七重 七重 八重 任何原子的状态，基态和激发态 ，可以看作一次电离离子加上一个电子形成的，而一次电离离子的状态又同周期表顺序前一个元素的状态相似，所以由前一元素的状态可以推断后继元素的状态，可以按照二电子体系推求状态的法则进行。三、三个或三个以上价电子的原子态的推导三、三个或三个以上价电子的原子态的推导2. 能级

25、次序：由一个次壳层满额半数以上的电子（但还没满）构成的能级一般具有倒转次序（J值大的能级低）；小于满额半数的电子构成的能级 一般具有正常次序（J值小的能级低）。1. 洪特定则和朗德间隔定则对多电子原子也适用。四、其他规律四、其他规律偶性态（ =偶数） 奇性态（ =奇数）ilil1. 宇称（或电子组态）跃迁选择定则宇称（或电子组态）跃迁选择定则：跃迁只能发生在不同宇称状态之间，即从偶性宇称到奇性宇称或反之。第五节 辐射跃迁的普用选择定则10100,J,jJP或对换 （0 0除外）除外）3. j-j耦合跃迁选择定则耦合跃迁选择定则:2. L-S耦合跃迁选择定则耦合跃迁选择定则:（ 在两个电子同时

26、受激发时才出现）0L（0 0除外） 10100,J,LS第六章第六章 磁场中的原子磁场中的原子 llpme2轨道磁矩：轨道磁矩：Bllllmehllhllmepme) 1(4) 1(2) 1(22轨道磁矩大小：轨道磁矩大小：B为玻尔磁子为玻尔磁子6.1 原子的磁矩原子的磁矩sspme自旋磁矩：自旋磁矩：Bssmehhssmepme32) 121(212) 1(自旋磁矩大小：自旋磁矩大小： 原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁矩总磁矩。jlsPsPjPl一、单电子原子的总磁矩一、单电子原子的总磁矩单电子原子总磁矩（有效磁矩）单电子原子总磁矩（有效磁

27、矩）jjpmeg2) 1(2) 1() 1() 1(1212222jjsslljjppppgjslj朗德朗德g因子：因子：) 1(2) 1() 1() 1(1JJSSLLJJg)J(J)(JJ)(jj)J(Jggppiii12111)J(J)(jj)(JJ)J(Jgiippp12111 是最后一个电子的是最后一个电子的, 是是(n-1)个电子集体的数值个电子集体的数值 。 iijg ,PpJg ,二、多电子原子的磁矩二、多电子原子的磁矩（1）L-S耦合耦合（2）J-j耦合耦合JJpmeg2多电子原子的磁矩的表达式与单电子的情况相仿多电子原子的磁矩的表达式与单电子的情况相仿一、拉莫尔旋进一、拉莫

28、尔旋进 在外磁场在外磁场B中中,原子总磁矩原子总磁矩 受磁场力矩的作受磁场力矩的作用用, 绕磁场绕磁场B方向连续进动的现象。也即是方向连续进动的现象。也即是 绕绕B方向旋进方向旋进 JJP6.2 外磁场对原子的作用外磁场对原子的作用BPJ JJBPJ J左图中 小于小于90度，度， PJ绕绕B方向旋进，使方向旋进，使B方向的角动量增加，方向的角动量增加，从而使从而使能量增加能量增加。右图中 大于大于90度，度， PJ绕绕B的反方向旋进，的反方向旋进，使使B方向的角动量减方向的角动量减小，从而使小，从而使能量减小能量减小。cosBEJJJJM,1,M称为磁量子数称为磁量子数：共（共（2J+1）个

29、个 JBJP 与与 互补互补BMgBmheMgEB4可推得附加能量为：可推得附加能量为：洛仑兹单位洛仑兹单位：MgLmceBMghcET4BcmmceBL147.04光谱项差光谱项差：上式表明：上式表明：S的取值为的取值为2J+1个，即应为个，即应为2J+1个黑条。个黑条。与史特恩盖拉赫实验结果一致。与史特恩盖拉赫实验结果一致。BMgvLdzdBmS2)(21原子束偏离原方向的横向位移为原子束偏离原方向的横向位移为个共12,.,1,JJJJM6.3 史特恩史特恩-盖拉赫实验结果的再分析盖拉赫实验结果的再分析一、塞曼效应的实验事实一、塞曼效应的实验事实 1896年开始，荷兰物理学家塞曼（年开始，

30、荷兰物理学家塞曼（P. Zeeman)逐逐步发现，当光源放在足够强的磁场中时，所发射的步发现，当光源放在足够强的磁场中时，所发射的每每一条光谱线都分裂成几条一条光谱线都分裂成几条，条数随能级的类别而，条数随能级的类别而不同，分裂后的谱线成分是不同，分裂后的谱线成分是偏振偏振的。人们称这种现的。人们称这种现象为象为塞曼效应塞曼效应。1.塞曼效应塞曼效应原子光谱在外磁场中进一步发生分裂的现象原子光谱在外磁场中进一步发生分裂的现象6.4 塞曼效应塞曼效应正常三重线镉的正常塞曼效应镉的6438埃红色谱线的塞曼效应钠的5896埃和5890埃黄色谱线的塞曼效应加磁场反常花样钠的反常塞曼效应无磁场 单线系的

31、每一条谱线，在垂直磁场方向观察时，单线系的每一条谱线，在垂直磁场方向观察时，每一条谱线分裂为三条，彼此间隔相等，中间一条每一条谱线分裂为三条，彼此间隔相等，中间一条( ) 线波数不变；左右两条线波数不变；左右两条( )波数的改变为波数的改变为L（一一个洛仑兹单位），它们都是个洛仑兹单位），它们都是线偏振线偏振的。的。 线的电矢线的电矢量振动方向平行于磁场；量振动方向平行于磁场； 线的电矢量振动方向垂线的电矢量振动方向垂直于磁场；直于磁场； 当沿磁场方向观察时，中间的当沿磁场方向观察时，中间的 成分看不到，只成分看不到，只能看到两条能看到两条 线，并且它们都是线，并且它们都是圆偏振圆偏振的。的。

32、2.实验规律实验规律（1）正常塞曼效应）正常塞曼效应无磁场无磁场在垂直于在垂直于B方向观方向观察察沿沿 B方方向观察向观察Cd 6438BBB 波数增加波数增加2. 反常塞曼效应反常塞曼效应 双重或多重能级结构的原子光谱，在较弱的磁场双重或多重能级结构的原子光谱，在较弱的磁场中，每一条谱线分裂成多条分线。钠黄线在外磁场中，每一条谱线分裂成多条分线。钠黄线在外磁场中的分裂如下：中的分裂如下：Na黄黄线线58965890 无磁场无磁场在垂直于在垂直于B方向观察方向观察二、塞曼效应的理论解释二、塞曼效应的理论解释2. 分裂后的谱线与原来谱线的波数差（间隔）分裂后的谱线与原来谱线的波数差（间隔）BMg

33、BmheMgEB41. 在外磁场在外磁场B中产生的附加能量中产生的附加能量能级将分裂为能级将分裂为2J1个能级，称个能级，称塞曼能级塞曼能级。JJJM,1,LgMgMmcBegMgM112211224)11(mcBeL4其中洛仑兹单位：其中洛仑兹单位：3. 塞曼跃迁的选择定则塞曼跃迁的选择定则能够能够根据上述理论解释根据上述理论解释塞曼效应的实验事实。塞曼效应的实验事实。1M 产生产生 线。线。0M0J0012MM产生产生 线线(但但 时，时，除外除外)；第七章第七章 原子的壳层结构原子的壳层结构 7.2 7.2 原子的电子壳层结构原子的电子壳层结构原子中电子分布所遵从的基本原理原子中电子分布

34、所遵从的基本原理 1.泡利不相容原理泡利不相容原理 2.能量最低原理能量最低原理具有相同量子数具有相同量子数 n 的电子最多有的电子最多有 个个1022)12(2nlnnlN具有相同量子数具有相同量子数 的电子最多有的电子最多有 个个)12(2lNl1.泡利不相容原理泡利不相容原理 表表 各壳层可以容纳的最多电子数各壳层可以容纳的最多电子数56主量子数主量子数壳层名称壳层名称最多电最多电子数子数 2n2角量子数角量子数次壳层次壳层最多电最多电子数子数 2(2 +1)1 23 4KLMNOP28183250720 0 10 1 2 3 0 1 2 3 4 50 1 20 1 2 3 4s s p

35、s p d s p d fs p d f g hs p d f g 2 2 6 2 6 10 2 6 1014 2 6 101418 2 6 101418 32 2、能量最低原理、能量最低原理 原子在正常状态时，每个电子在不违背泡原子在正常状态时，每个电子在不违背泡利不相容原理的前提下，总是趋向占有最利不相容原理的前提下，总是趋向占有最低能量的状态，以使原子系统的能量具有低能量的状态，以使原子系统的能量具有最小值。最小值。 能量最低原理的补充：能量最低原理的补充：(1)在同一次壳层中（在同一次壳层中（ 相同）的相同）的电子排布时，电子排布时，将首先占据磁量子数将首先占据磁量子数m 不同的状态、

36、且使不同的状态、且使自旋平行。自旋平行。(2)同一次壳层中当电子数为半满、全满、同一次壳层中当电子数为半满、全满、全空时能量最低。全空时能量最低。7.37.3原子基态的电子组态及原子态原子基态的电子组态及原子态slmSmL,SLSLSLJ,.,1,w 第一周期第一周期w 1.H w 2.He原子处于基态时，核外电子的排布情况原子处于基态时，核外电子的排布情况1s11s2第二周期w 3.Li w 4.Bew 5.Bw 6.Cw 7.Nw 8.Ow 9.Fw 10.Ne1s22s11s22s21s22s22p11s2s2p1s22s22p21s22s22p31s22s22p41s22s22p51s

37、22s22p6w 11.Na 1s22p63s1w 12.Mg 1s22p63s2w 13.Al 1s22p63s23p1w 14.Si 1s22p63s23p2w 15.P 1s22p63s23p3w 16.S 1s22p63s23p4w 17.Cl 1s22p63s23p5w 18.Ar 1s22p63s23p6因为3d空着,所以第三周期只有8个元素而不是18个元素第三周期第四周期第四周期 :从从 K 开始填充开始填充4s因为能级交错现象因为能级交错现象,E4sE3dE4p 所以所以K开始了第四个主壳层的填充开始了第四个主壳层的填充,也就开始了第也就开始了第四周期。四周期。 等电子体系光谱

38、的比较研究等电子体系光谱的比较研究等电子体系：核外的电子数相同。等电子体系：核外的电子数相同。如：如：用符号来表示他们：用符号来表示他们：KI, CaII, ScIII, TiIV V,VV V, CrV VI, MnV VII光谱项：光谱项：变换形式：变换形式：65432,MnCrVTiScCaK2222*)(nZRnRZT)(1ZnRT莫塞莱图见书莫塞莱图见书7.3结论：对结论：对KI和和CaII，谱项值谱项值 能量值能量值所以，对所以，对K和和Ca原子，先填充原子，先填充4s次壳层。次壳层。SD2243SD2243 高压电源金属靶电子束高能X 射 线X射线的产生机制射线的产生机制X射线管

39、 8.1 X射线的发现及其波动性电磁波谱电磁波谱2221201918171615141312111098765101010101010101010101010101010101010 波长（波长（cm）频率（频率（Hz）11109876543210123451010101010101010101010101010101010 紫外紫外红外红外X射线射线毫毫米米波波微波微波（电视、雷达）（电视、雷达）短波短波长波长波射射线线可可见见光光原子光谱光学光谱：原子受激发原子受激发, ,价电子价电子跃迁所获得的谱。跃迁所获得的谱。( ( 从红外线从红外线-可见光可见光-紫外线：紫外线： ）cm10106

40、1X射线光谱：轫制辐射轫制辐射或或原子内壳层电子原子内壳层电子跃迁跃迁所获得的谱。所获得的谱。cm101096二、二、X X射线光谱射线光谱 天然晶体可以看作是光栅常数很小的光栅。天然晶体可以看作是光栅常数很小的光栅。由于晶由于晶体的晶格常数也是在体的晶格常数也是在1 1埃的数量级埃的数量级，与与 X 射线波长接射线波长接近，衍射现象明显。近，衍射现象明显。用晶体作为用晶体作为X射线的天然衍射光射线的天然衍射光栅（三维空间光栅），可获得衍射图样栅（三维空间光栅），可获得衍射图样劳厄斑。劳厄斑。1912年劳厄的实验装置，如图：年劳厄的实验装置，如图：BCP铅版铅版天然天然晶体晶体乳胶板乳胶板在乳

41、胶板上形成对称分布的在乳胶板上形成对称分布的若干衍射斑点，称为劳厄斑。若干衍射斑点，称为劳厄斑。劳厄因研究晶体的X射线获1941年诺贝尔物理奖X X射线的衍射射线的衍射X射线入射角掠射角求出相邻晶面距离为 d 的两反射光相长干涉条件层间两反射光的光程差面间点阵散射波的干涉布喇格定律相长干涉得亮点的条件或布喇格条件布喇格定律（条件）布喇格定律（条件）2. 已知， d 可测 X射线光谱分析.1. 已知， 可测 d X射线晶体结构分析.研究晶体结构、材料性质。研究原子结构。* 实际观察X射线衍射的作法：ndsin2 应用：连续谱：加速电压不太高时连续谱：加速电压不太高时, ,X X射线的强度随波长连

42、续变化射线的强度随波长连续变化. .标识谱：加速电压达一定值时标识谱：加速电压达一定值时, ,连续谱上叠加着的某些尖峰构成连续谱上叠加着的某些尖峰构成. .X射线的发射谱 8.2X射线连续谱射线连续谱1. 产生条件: 仅当电子的能量不超过某一限度时, 才只发射连续谱 。 2. 产生机制: 快速电子射到阳极上,受到阳极中原 子核的库仑场作用就会骤然减速;由 此伴随产生的辐射称之为轫致辐射。由于电子速度连续变化，所以产生连续谱。电子离子光子图 轫致辐射它是加速电子全部动能转换成辐射能所对应的波长。它是加速电子全部动能转换成辐射能所对应的波长。连续谱的形状与靶材连续谱的形状与靶材(Z)无关，连续谱有

43、一个最小无关，连续谱有一个最小波长波长minmin ，它仅与加速电压有关：它仅与加速电压有关：nm(kV)1.24minVeVhc 每种元素都有一每种元素都有一 特定的波长的线状光谱特定的波长的线状光谱,即特即特征征X射线谱成为这种元素的标志。射线谱成为这种元素的标志。 1. 产生条件产生条件: 当电子的能量当电子的能量(加速电压加速电压) 超过某一临界超过某一临界 值时值时,除有连续谱外除有连续谱外,还在连续谱的背景还在连续谱的背景 上迭加一些线状谱。上迭加一些线状谱。2. 特特 征征: (1)不同元素的阳极材料发射的线状光谱不同元素的阳极材料发射的线状光谱 有相似结构有相似结构.(2)按原

44、子序数顺序排列时按原子序数顺序排列时, 波长依次变化波长依次变化,不显示周期性变化。不显示周期性变化。(3)K 线系甚至线系甚至L线系的结果与化学成分无关。线系的结果与化学成分无关。 (4)X射线的光子能量很大。射线的光子能量很大。 X射线的特征（标识）谱 3. 产生机制产生机制: 由由X 射线的标识谱的特点，可以断定：射线的标识谱的特点，可以断定： 从阴极发出的高速电子打到阳极上从阴极发出的高速电子打到阳极上,由于电子由于电子能量很高能量很高,它能深入到原子的内层它能深入到原子的内层,将将内壳层电子内壳层电子之之一击出原子之外一击出原子之外,使原子电离使原子电离,并在内壳层出现一个并在内壳层

45、出现一个空穴空穴,当邻近内壳层的电子跃迁到这个空穴时当邻近内壳层的电子跃迁到这个空穴时,就发就发射出波长很短的射出波长很短的 X 射线，由于内壳层能级分立，射线，由于内壳层能级分立，所以产生所以产生X 射线的射线的线状谱线状谱。 原子序数较大的元素，内壳层能级间隔就越大，原子序数较大的元素，内壳层能级间隔就越大，发出的发出的X 射线的光子能量高，波长就短，所以波长射线的光子能量高，波长就短，所以波长依次变化，不具有周期性。依次变化，不具有周期性。K吸收限 电离能(eV) 26.7124.0193.7273.5330.7810.6660.6320.42300.420n l j 1 0 1/22

46、0 1/22 1 1/22 1 3/23 0 1/23 1 1/23 1 3/23 2 3/23 2 5/2基态MLKL吸收限M吸收限Cd的电离态能级X射线的原子能级和能级跃迁图射线的原子能级和能级跃迁图 X射线特征谱的选择定则也与碱金属光谱相同射线特征谱的选择定则也与碱金属光谱相同1, 01;JL 电离能是使某壳层一个电子被电离所需的能量；也电离能是使某壳层一个电子被电离所需的能量；也是该壳层电子的结合能。若用光子电离是该壳层电子的结合能。若用光子电离(共振吸收共振吸收)该该能量又称能量又称吸收限吸收限。 为了描述内层电子向为了描述内层电子向“下下”的跃迁，需将上图倒转。的跃迁，需将上图倒转

47、。电子跃迁后的末态为电子跃迁后的末态为K、L、M时，对应的时，对应的X射线分射线分别称别称K线系，线系，L线系，线系，M线系线系，同一个线系中用，同一个线系中用，表示不同的上能级向同一下能级跃迁的谱线。表示不同的上能级向同一下能级跃迁的谱线。例如从例如从L、M、N层向层向K层跃迁的层跃迁的K线系，依次表示为线系，依次表示为 ， 。在在K线中还有两条线中还有两条K1，K2线对应线对应 2P3/2和和2P1/2向下的跃迁。向下的跃迁。 8.3 康普顿效应康普顿效应一、康普顿效应一、康普顿效应二、康普顿散射公式二、康普顿散射公式 1923年，康普顿在研究年，康普顿在研究X射线经物质的射线经物质的散射

48、实验中发现，散射的散射实验中发现，散射的X光除有原入射光除有原入射波长成分外，还有波长较长的部分，这种波长成分外，还有波长较长的部分，这种现象称为现象称为康普顿效应康普顿效应。一、康普顿效应1、康普顿效应现象、康普顿效应现象。A712605.00钼谱线钼谱线散射物质散射物质石墨石墨2、实验规律、实验规律0009004501350散射光中除有原波长成分散射光中除有原波长成分外外, 还出现了还出现了0 的谱线的谱线.0随随 增加而增加增加而增加; 的强度随的强度随 增加而增加增加而增加. (1)(2) 波长波长 0 轻物质（多数电子处于弱束缚状态轻物质（多数电子处于弱束缚状态 ）弱弱强强重物质（多数电子处于强束缚状态重物质（多数电子处于强束缚状态 ）强强弱弱吴吴有有训