碱金属原子和电子自旋.pptx
2023/2/171第一辅线系与第二辅线系线系限相同一、碱金属原子光谱的实验规律1、碱金属原子光谱具有原子光谱的一般规律性(线状光谱)2、四个谱线系(碱金属原子光谱相似)Li的光谱P116 主线系(也出现在吸收光谱中):第1条,红色 其余 紫外.第一辅线系(漫线系)可见区域 第二辅线系(锐线系)第1条红外 其余可见区域 柏格曼线系(基线系)红外区域第一节 碱金属原子的光谱第1页/共71页2023/2/1724000030000200001000025030040050060070010002000波数（cm-1）波长(nm)主线系第一辅线系第二辅线系柏格曼线系锂的光谱线系第2页/共71页2023/2/173二、碱金属原子的光谱项1、光谱项碱金属：由于存在内层电子，n相同时能量对 l 的简并消除。谱项需用两个量子数 n,l 来描述第3页/共71页2023/2/174n nmmnmnmm=1,2,3；对每个m,n=m+1,m+2,m+3构成谱线系类比H原子光谱每一个线系的每一条光谱线的波数都可表示为两个光谱项之差第4页/共71页2023/2/1752、电子态和原子态用两个量子数表示，n:主量子数，l:轨道角动量量子数nl 表示电子态，当价电子处在：l =0123 4567 电子态:s p d f g h i k（小写）原子态:S P D F G H I K(大写）用 s,p,d,f分别表示电子所处状态的轨道角动量量子数l=0,1,2,3时的量子数亏损锂:钠:第5页/共71页2023/2/176 n ln=2 l=0l=1 2s2pn=3l=0l=1l=2 3s 3p 3dn=4 l=0 l=1 l=2 l=3 4s 4p 4d 4f原子态（用大写字母）:S P D F G H I KnL 表示原子态有没有 2d,3f,4g?为什么?l=0,1,2,.,n-1例：锂的电子态第6页/共71页2023/2/177三、碱金属原子的能级图1、能级公式 对于同一量子数n，l 值越小，能级越低第7页/共71页2023/2/1782、锂原子能级图 电子态 原子态价电子第8页/共71页2023/2/179 电子态 原子态价电子得到如下能级图依次类推第9页/共71页2023/2/1710010000200003000040000cm-1 670.7主线系1869.7610.3812.6一辅系二辅系柏格曼系2p23d33p3s4f4p44d5p5f5d5H 67锂原子能级图2s4s5s第10页/共71页2023/2/1711(1)能量由n,l两个量子数决定。主量子数相同，角量子数不同的，状态不同、能量不同、能级不同(2)n相同时，能级的间隔随角量子数l的增大而减小 l相同时，能级的间隔随主量子数n的增大而减小(3)n很大时，能级与氢的能级很接近，少数光谱线的波数几乎与氢相同；当n很小时,谱线与氢的差别较大 (比氢能级低)说明：第11页/共71页2023/2/1712四、碱金属原子的线系公式1、光谱线的波数第12页/共71页2023/2/1713主线系:n=2.3.4第一辅线系:n=3.4.5.柏格曼系:n=4.5.6.2、线系公式n=3.4.5.第二辅线系:锂的四个线系第13页/共71页2023/2/1714内层电子 电子态 n=1 l=0 1s 2个电子 n=2 l=0 2s 2个电子 l=1 2p 2l+1 简并 6个电子 n=3 l=0 3s (基态)l=1 3p (第一激发态)l=2 3dNa 的情况第14页/共71页2023/2/1715主线系:n=3.4.5第一辅线系:n=3.4.5.柏格曼系:n=4.5.6.n=4.5.6.第二辅线系:钠的四个线系第15页/共71页2023/2/1716 特点规律（以锂为例）主线系:n=2.3.4第二辅线系:n=3.4.5.第一辅线系:n=3.4.5.柏格曼系:n=4.5.6.五、单电子跃迁选择定则 l=+1六、电离能Ei：数值上等于基态能量对Li：第16页/共71页2023/2/1717例 当Li原子从2p2s过渡时，发射的共振线波长为670.8nm，p项的量子修正项为p=0.04。试根据这些数据计算（1）共振电势和电离电势（2）以此共振线为起始线的线系限的波长解：（1）第17页/共71页2023/2/1718（2）第18页/共71页2023/2/1719补充：碱金属电子排布1个能级(状态)只能存在2个电子，1个自旋向上，1个自旋向下Li内层电子n=1 l=0 2个电子 (泡利原理)价电子 电子态 原子态n=2 l=0 2s 2S (基态)l=1 2p 2P (第一激发态)n=3 l=0 3s 3S l=1 3p 3P l=2 3d 3D第19页/共71页2023/2/1720内层电子 电子态 n=1 l=0 1s 2个电子 n=2 l=0 2s 2个电子 l=1 2p 2l+1 简并 6个电子 n=3 l=0 3s (基态)l=1 3p (第一激发态)l=2 3dNa 的情况第20页/共71页2023/2/1721 原子序数Li 3Na 11K 19Rb 37Cs 55Fr 87碱金属电子排布 第七章会讲共同点：电子有规律的组合：有一个完整的结构+多余1个电子第21页/共71页2023/2/1722第二节 原子实的极化和轨道贯穿一、原子实模型1、内层电子与原子核结合的较紧密。而价电子与核结合的很松原子实：可以把内层电子和原子核看作一个整体，称为原子实 锂：原子实=原子核+2电子 钠:原子实=原子核+10电子2、原子的化学性质和光谱都决定于这个价 电子3、锂原子的价电子的轨道4、钠原子的价电子的轨道5、原子实有效电荷数第22页/共71页2023/2/1723 相当于价电子在n很大的轨道上运动。价电子与原子实间的作用很弱。原子实电荷对称分布，正负电荷中心重合在一起，有一个单位的正电荷（+e）.价电子好像处在一个单位正电荷的库仑场中运动。与氢原子模型完全相似。所以n较大时，光谱和能级与氢原子相同6、价电子远离原子实运动-e+e第23页/共71页2023/2/1724二、原子实极化与轨道贯穿1、原子实极化(影响小)价电子产生的电场，使原子实中原子核和电子的中心会发生微小的相对位移。原子实中的电子的中心不在原子核上，形成一个电偶极子。虚线：极化前实线：极化后+-第24页/共71页2023/2/1725同一n值：l小的轨道，此时价电子离原子实较近，极化强，能量降低更多。图不同)l值大的轨道，价电子离原子实较远，E降低小 原子实极化 的作用 极化产生的电偶极子的电场作用于价电子，使它受到除库仑场以外的吸引力，引起原子体系能量的降低。氢原子没有这种现象第25页/共71页2023/2/1726现象：图4.3 锂的s能级比氢能级低很多。除了原子实极化。还有其它影响。2、轨道贯穿(影响大)对于那些轨道角量子数为零的s轨道，接近原子实的那部分轨道可能会穿入原子实。发生轨道贯穿，从而影响能量。第26页/共71页2023/2/1727(2)贯穿轨道：穿入：原子实外边轨道Z*=1 原子实内轨道Z*1电子均匀分布原子核在中心平均有效电荷Z*1(1)极化轨道：不穿入：Z*=1，能级接近氢能级，原子实极化使能级下降。但不是很多。轨道贯穿，能量降低更多轨道有两种：第27页/共71页2023/2/1728有效量子数比氢原子小，相应的能级低贯穿轨道：只能发生在l值小的轨道，l值小，E大（与氢原子比）能级差大，轨道必定是贯穿的，l一定小能级接近氢原子能级，轨道不贯穿，l 较大3、碱金属原子的光谱项：:屏蔽常数，反映内、外层电子对价电子的屏蔽作用第28页/共71页2023/2/1729总结:与氢原子的差别：1、能量由n,l两个量子数决定，主量子数相同，角量子数不同的能量不相同，各能级均低于氢原子相应能级。2、对同一n值，不同 l值得能级，l值较大的能级与氢原子的差别较小。对同一 l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，少数光谱项的波数几乎与氢相同。第29页/共71页2023/2/1730数据来源 电子态34567主线系第二辅线系 第一辅线系 柏格曼系s,l=0p,l=1d,l=2f,l=3Tn*Tn*Tn*Tn*T43484.41.58928581.41.96027419.416280.52.59612559.92.95612202.52.99912186.48474.13.5987017.03.9546862.53.9996855.54.0006854.85186.94.5994472.84.9544389.25.0004381.25.0044387.13499.65.5993094.45.9553046.96.0013031.03046.62535.36.5792268.96.9542239.47.0002238.30.400.050.0010.000n=2氢锂的光谱项值和有效量子数 T单位cm-1第30页/共71页2023/2/17313d极化轨道，4s贯穿轨道钠的4s能级为什么低于3d?第31页/共71页2023/2/1732用高分辨光谱仪作实验发现，主线系和第二辅线系都是双线结构，第一辅线系和柏格曼线系都是三线结构。例：钠 黄光，主线系的第一条线，是由波长为589.0nm和589.6nm的两条分线构成。光谱线的任何分裂都是能级分裂的结果，那么 能级为什么会发生精细分裂呢？第三节 碱金属原子光谱的精细结构一、精细结构：碱金属原子的光谱线是由二条或三条线 所组成第32页/共71页2023/2/1733主线系第二辅线系第一辅线系线 第 第 第 第 系 四 三 二 一限 条 条 条 条碱金属原子三个线系的精细结构示意图第33页/共71页2023/2/1734双线：主线系 随着 v，v，n ，v 0，并入一个线系限二辅线系 v，v 不变 二个线系限结论：三线：第一辅线系 最外两条的间隔同第二辅线系v，v 不变 v n ，v=0 二个线系限第34页/共71页2023/2/1735主线系:第二辅线系:第一辅线系:柏格曼系:s能级是单层的p能级是双层的且当n增大时，双层能级间隔减小。d能级是双层的f能级是双层的同一l值，n增大时，双层能级间隔减小；同一n值，l增大时，双层能级间隔减小。二、定性解释第35页/共71页2023/2/1736三、问题dpx4线？3线双层是4条线。为什么是3条线物理内涵是什么？能级为什么会发生精细分裂呢？两双线之间的跃迁为什么是3条？为什么p,d,f电子态是双层结构，s是单层第36页/共71页2023/2/1737 是量子化的 量子化的。玻尔磁子 空间取向量子化 回顾：共2l+1个奇数，但实验结果是偶数。第37页/共71页2023/2/1738实验发现基态H原子（T=7104K,kT=9.0eV90 j=1/2,90 j=l-1/2,90E0E2E1j=l+1/2j=l-1/2第53页/共71页2023/2/17543、能级间能级差与碱金属精细光谱一节对应，这里给出了理由双层能级间隔E与Z*4成正比，与n3和l(l+1)成反比即随n，l的增加而逐渐减小ZZ*E碱金属分裂大，氢原子分裂小对同一n，lE对同一l，nE减小减小第54页/共71页2023/2/1755例对s能级 不分裂，从两方面考虑(1)只有自旋角动量 一个值，能级单层。(2)虚数，无物理意义，不存在。能级不分裂第55页/共71页2023/2/1756j=7/2j=5/2j=3/2j=1/2j=5/2j=3/2l=3l=2l=1第56页/共71页2023/2/1757四、原子态符号表示（引入自旋后电子状态的描述）原子态是指原子所处的状态，原子的状态可用一组量子数n，l，s，j描述。不同的量子数，反映了原子的不同运动状态。由于自旋轨道相互作用使得简并解除，不同的量子数也反映了不同的能量状态。原子态表示方法:其中轨道角动量量子数L用光谱学符号代替，第57页/共71页2023/2/1758原子态表示方法:能级结构重数总角动量量子数轨道角量子数主量子数n一般不写能级结构重数:2S+1碱金属 Ss1/2 重数=2S+1，双重体系单电子原子:碱金属原子:对S态，能级是单层的，但它属于双重体系，标成注:重数层数实际能级层数 =j 的可能取值个数例:第58页/共71页2023/2/1759nlj价电子的状态符号价电子的状态符号 原子态符号原子态符号 1 01/21s 2 01/22s 11/22p3/22p 3 01/23s 11/23p3/23p 23/23d5/23d例第59页/共71页2023/2/1760考虑精细结构后锂的能级图价电子的主量子数22第60页/共71页2023/2/1761第五节：单电子辐射跃迁的选择定则(1)宇称的初末态相反(2)系统的角动量（包括光子的角动量）要守恒电偶极跃迁：原子由于其正负电荷中心不重合，因而形成一个电偶极子，受到激发时，该偶极子处于激发态，即出现振荡，就可以辐射或吸收电磁波的能量。这种辐射跃迁过程被称为电偶极跃迁。第61页/共71页2023/2/1762例：Na:主线系n=3,4,.n=3,共振双线，波长 589.0nm和589.6nm 第62页/共71页2023/2/1763第二辅线系：第一辅线系：n=4,5,6n=3,4,.第63页/共71页2023/2/17644.6 4.6 氢原子光谱的精细结构氢原子光谱的精细结构1 1 1 1、相对论修正、相对论修正、相对论修正、相对论修正 第64页/共71页2023/2/17652 2 2 2、电子自旋与轨道的相互作用能、电子自旋与轨道的相互作用能、电子自旋与轨道的相互作用能、电子自旋与轨道的相互作用能 3 3 3 3。氢原子精细能级的狄拉克公式。氢原子精细能级的狄拉克公式。氢原子精细能级的狄拉克公式。氢原子精细能级的狄拉克公式 n n 增加，能级裂距减小。增加，能级裂距减小。增加，能级裂距减小。增加，能级裂距减小。不同，不同，不同，不同，j j j j 相同的能级简并相同的能级简并相同的能级简并相同的能级简并。相同，相同，相同，相同，第65页/共71页2023/2/1766未按准确比例画 第66页/共71页2023/2/1767氢原子氢原子氢原子氢原子 线的能级精细结构及跃迁线的能级精细结构及跃迁线的能级精细结构及跃迁线的能级精细结构及跃迁七种跃迁，五条谱线：第67页/共71页2023/2/17684 4 4 4、蓝姆移动蓝姆移动蓝姆移动蓝姆移动1947194719471947年蓝姆和李瑟福用射频波谱学的方法测得年蓝姆和李瑟福用射频波谱学的方法测得年蓝姆和李瑟福用射频波谱学的方法测得年蓝姆和李瑟福用射频波谱学的方法测得2 2 2 22 2 2 2S S S S1/21/21/21/2能级比能级比能级比能级比2 2 2 22 2 2 2P P P P1/21/21/21/2能级高能级高能级高能级高1058Mhz1058Mhz1058Mhz1058Mhz，即，即，即，即E=0.033cmE=0.033cmE=0.033cmE=0.033cm-1-1-1-1=3.3m=3.3m=3.3m=3.3m-1-1-1-1,与狄拉克公式结果显著差别，从而导致了与狄拉克公式结果显著差别，从而导致了与狄拉克公式结果显著差别，从而导致了与狄拉克公式结果显著差别，从而导致了量子电动力学的诞生。这是因为电子除受核的静电作用、磁相互作用以及相量子电动力学的诞生。这是因为电子除受核的静电作用、磁相互作用以及相量子电动力学的诞生。这是因为电子除受核的静电作用、磁相互作用以及相量子电动力学的诞生。这是因为电子除受核的静电作用、磁相互作用以及相对论效应外，还受到因对论效应外，还受到因对论效应外，还受到因对论效应外，还受到因发光而产生的辐射场作用发光而产生的辐射场作用发光而产生的辐射场作用发光而产生的辐射场作用（即与其自身发出的辐射之（即与其自身发出的辐射之（即与其自身发出的辐射之（即与其自身发出的辐射之间的相互作用），因而在计算能级时要进行辐射修正，当计算到微扰的四级间的相互作用），因而在计算能级时要进行辐射修正，当计算到微扰的四级间的相互作用），因而在计算能级时要进行辐射修正，当计算到微扰的四级间的相互作用），因而在计算能级时要进行辐射修正，当计算到微扰的四级效应时，可得到与实验一致的结论。理论指出，辐射场对效应时，可得到与实验一致的结论。理论指出，辐射场对效应时，可得到与实验一致的结论。理论指出，辐射场对效应时，可得到与实验一致的结论。理论指出，辐射场对S S S S能级影响最大。能级影响最大。能级影响最大。能级影响最大。蓝姆移动蓝姆移动蓝姆移动蓝姆移动第68页/共71页2023/2/17691、Na原子的基态为3s，如果Na从4p态向低能级跃迁，在不考虑精细结构的情况下，共可产生几条谱线。2、Na的共振线波长为589.3nm，辅线系的线系限波长为408.6nm，试由上述数据求其电离电势和第一激发电势。3、画出Li原子能级图，并标明主要的谱线系。4、第1题若考虑精细结构，则可产生几条谱线？5、请画出Li原子能级图，考虑精细结构，标出原子态符号。6、试计算原子态2D5/2的下列值(1)ml和mj的可能值。(2)的值补充题：第69页/共71页2023/2/1770思考题1、对碱金属原子来说，什么是价电子？什么是原子实？碱金属原子光谱是如何产生的？在什么条件下谱项、谱系和氢原子类似？2、什么叫光谱的双线结构？碱金属的光谱线是否每一根都由两部分组成？什么叫双重能级？碱金属的能级都是双层的吗？双重能级和光谱的双线结构有什么关系？如何用前者说明后者？3、为什么谱项的S项精细结构总是单层的？试从电子自旋与轨道相互作用的物理概念说明。4、什么叫电子自旋？哪些现象导致电子自旋概念的形成？如何用自旋概念定性解释碱金属原子光谱项的双层性？第70页/共71页2023/2/1771感谢您的观看！第71页/共71页
