原子物理学课件第4-5章

1、第四章 碱金属原子,1 碱金属的光谱实验规律,有四个线系，注意其规律。,光谱规律：1）,注意：n*-有效量子数,测得-n2*略小于n2,n2* = n2 - ,线系限相 同,规律2）每个线系的线系限的波数是另一个线系的第二项值最大的一个,Li 光谱跃迁图,H原子,Li原子,主线系,辅 I系,辅 II系,共振线,5S,碱金属能级图,H原子,锂原子,2 原子实的极化与贯穿,一.碱金属结构,原子实碱金属原子除去 1价电子 剩下的正离子部分。,比较,有效 负电荷,二、原子实的极化与贯穿理论,极化,轨道越扁,极化/贯穿越显著。,极化贯穿使Z*增大。 Z*1,贯穿,原子实,有效 正电荷,结果,原子实+1价

2、电子,-价电子使原子实负电中心偏移,-价电子轨道穿入原子实.,三. 碱金属的能级公式-极化贯穿对原子总能的影响,无极化,贯穿,有极化,贯穿,结论, 贯穿极化使总能量下降。,E与n、l 有关. E关于 l 的简并解除， 不同 轨道, E不同。,四.碱金属的波数理论公式及极化贯穿对光谱的影响,无极化贯穿时,有极化贯穿时,-与实验完全一致,五、遗留问题,2、碱金属的精细结构,-预示了能级有分裂,4.3碱金属原子光谱的精细结构,主线系,二辅系,一辅系,规律：1）主线系两成分间隔随波数增加而减小,4 3 2 1,2）二辅系双线间隔不变，直至线系限,3）一辅系由三线构成，波数较小的两线间隔减小,谱线精细结

3、构反映了能级情况,p能级为双层能级，s能级为单层能级,所有p能级都是双层，间隔随n的增加而减小,所有d能级都是双层，间隔随n的增加而减小,结论： 1）碱金属的s能级是单层，其余能级为双层 2）同一L值，双层能级间隔随n的增大而减小 3）同一n值，L值越大，双层能级间隔越小,4,3,2,4,作业：P143 1; 3; 4; 补充：画Na能级图 答案：11.85V、 5.38V. 3-S = 2.23 、P =1.8 4-2760.7 、3306.2 、 7922.9 、7141.8,作业：P143 5; 补充：画出Na能级图、主线系跃迁，并 计算Na共振线5893的光谱波数裂距 （考虑自旋）,第

4、三节 电子的自旋,一、电子的自旋假设（1925年 乌楞贝克）,假设根据之一：史特恩盖拉赫实验,应得一束Ag原子,实验结果：两束Ag,则：= l+ 自旋,理论分析,( Z = 46+1 ),推 断：自旋,自旋假设,（近似）,自旋磁量子数： ms= +1/2、-1/2 。,自旋角量子数： S,（因有2S+1=2取向）,= 1/2 固有的,量子的结果,乌楞贝克结果,比较,二.自旋对电子总能量的影响精细结构的研究,自旋与轨道的相互作用：,1.以电子为参考系, 核绕电子转,在电子处产生,电磁学理论：,2. 与 的相互作用产生的附加能,原子总能量：,无自旋,有自旋时的附加能,三. 碱金属原子的总角动量 自

5、旋的影响,运动状态用角动量描述,乌楞贝克理论,轨道角动量,自旋角动量,总角动量,量子结论,四、自旋附加能、 的定量运算,式中各量：,Z*e,修正上式,考虑相对论的结果：加修正量1/2。, 1/r3平均值，需知电子分布，量子力学结果。,a1= r0,当 l 很大时：统一,碱金属能级公式,精细常数：,讨论, E由n、l、j 决定, 同轨道 n l 一定, 但 j 不同,双层能级间隔,则E不同.,其中：,（1）,（2）,结论:原p,d,f 态的一个能级分裂成2个能态,结论:原S 态能级不分裂,五、对精细结构的解释能级分裂,（3）精细结构的双线结构、三线解释,三线,双线,Li 原子能级的精细结构-考虑

6、自旋,S能级,P能级,D能级,F能级,五、碱金属原子态符号n，l，j，s,2s+1能级分裂重数 2重态,jPjPs相对方向,j大 Pl Ps同向,j小 Pl Ps反向,例,例,第四节 单电子辐射跃迁选择定则,一、选择定则,二、例Li原子光谱跃迁，基态Li：n=2,4.6氢原子的光谱精细结构和蓝姆移动,1.氢原子能级的精细结构的理论,影响氢原子能量的因素：,主要部分：波尔理论,相对论效应：索末菲,自旋与轨道的相互作用,统一的能量 公式,能量 的主要部分：,相对论效应：,电子自旋作用：,讨论：1）碱金属原子实极和轨道贯穿效应,2）碱金属中相对论效应可以忽略,能量的一般公式：,双层结构,讨论：,1）

7、氢原子不同L相同j的能级是简并的，碱金属情况相反,2）精细结构部分与 成正比，因此碱金属精细结构较氢原子明显,3）精细结构能量变化随n，l，j的增大而减小,波尔,S能级,P能级,D能级,氢原子能级的精细结构,由选择定则,赖曼系：n至1能级,双线结构,巴耳末系：n至2能级,2.氢原子光谱精细结构的观察,双线结构的波数差理论值与实验值有0.010cm1的差别,3.蓝姆移动,10.2eV,讨论： 1）自发跃起的几率与发射频率的立方成正比，因此,2）蓝姆移动的解释：量子电动力学,主线系：,锐线系：,漫线系：,基线系：,实验表明，氦原子的光谱也是由这些线系 构成的，与碱金属原子光谱不同的是：,氦原子光谱

8、的上述四个线系都出现双份， 即两个主线系，两个锐线系等。,1谱线的特点,第五章 多电子原子,研究对象：He、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、 Zn、 Cd、Hg,（第II主付族）,实验中发现这两套谱线的结构有明显的差异， 一套谱线由单线构成，另一套谱线却十分复杂。,氦原子的光谱由两套谱线构成，一套是单层的，另一套是三层，这两套能级之间没有相互跃迁，它们各自内部的跃迁便产生了两套独立的光谱。,早先人们以为有两种氦，把具有复杂结构的氦称为正氦，而产生单线光谱的称为仲氦；,现在认识到只有一种氦，只是能级结构分为两套。,第一节 两个价电子的原子的原子态,一、两个价电子的原子的结构,=原子实+2个价

9、电子,例,二、电子组态,1.电子组态不同状态的电子的组合,例,依次,强调：单电子跃迁,2.同一种电子组态可构成多个原子态多能态多总角动量,二价电子间的 六种相互作用,电子组态一定时，多个能态区别于相互作用能的不同。,三、LS耦合-形成的原子态能级（G1,;G2G3; G4),1、LS耦合法,（1）G1（S1S2）求总自旋角动量PS。,（2）G2（l1 l2）求总轨道角动量,L取值个数：,例,（3）LS耦合求原子的总角动量PJ,J取值个数：,（4）LS时原子态符号 -,讨论,两个价电子的原子的单重态和三重态,单重态（S=0）,结论：对于每一对S、L-J只有一个取值,所以是单重态。,三重态（S=1）,结论：每一对S、L-J有3个取值3个状态三重态,2、求一种电子组态LS时形成的原子态及能级,举例,已知：电子组态2p3d,LS,单重态S=0，J=L,三重态S=1，J=L+1，L，L-1,2p3d能级图,倒转,正,3、LS耦合确定能级高低的规律洪特定则,条件：LS耦合，同一电子组态,L相同，S大的