第四章碱金属原子和电子自旋课件.ppt

《第四章碱金属原子和电子自旋课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章碱金属原子和电子自旋课件.ppt（47页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第四章碱金属原子和电子自旋第1页，此课件共47页哦图图 锂的光谱线系锂的光谱线系400003000020000100002500300040005000600070001000020000波数波数（cm-1）波长（埃）波长（埃）主主线系系第一第一辅线系系第二第二辅线系系柏格曼系柏格曼系第2页，此课件共47页哦 里德堡研究出碱金属元子的光谱线的波数（波长的倒数）里德堡研究出碱金属元子的光谱线的波数（波长的倒数）也可以表示为二项差，与氢原子光谱的公式相仿：也可以表示为二项差，与氢原子光谱的公式相仿：式中式中 是光谱线的波数；是光谱线的波数；是量子数，是量子数，R是里德堡常是里德堡常数数n*,是线系

2、限的波数是线系限的波数实验计算出来的实验计算出来的n*不是整数。不是整数。第3页，此课件共47页哦第4页，此课件共47页哦L=0,L=0,用用s s表示表示L=1,L=1,用用p p表示表示L=2,L=2,用用d d表示表示L=3,L=3,用用f f表示表示.以此以此类推推第5页，此课件共47页哦锂原子的四个原子的四个线系可公式表系可公式表为:，n=2,3,4，n=3,4,5，n=4,5,62.2.2.2.线线系公式系公式系公式系公式主主线系系:第二第二辅线系：系：第一第一辅线系：系：柏格曼系柏格曼系：，n=3,4,5第一第一项:该线系的系的线系限系限.对其它原子有相似的其它原子有相似的线系表

3、示系表示.第6页，此课件共47页哦3.3.3.3.光光光光谱项谱项公式公式公式公式(氢原子原子:):量子数量子数量子数量子数亏损亏损锂：锂：s=0.4 p=0.05 d=0.001 f=0.000钠：钠：s=1.35 p=0.86 d=0.001 f=0.000碱金属原子的能碱金属原子的能碱金属原子的能碱金属原子的能级级:(氢原子原子:)第7页，此课件共47页哦锂原子能级与氢原子能级对比有 n相同时，锂能级比氢能级低。且L越小，能级差越大。第8页，此课件共47页哦010000200003000040000厘米厘米-12 6707主主线线系系1869761038126一一辅辅系系二二辅辅系系柏柏

4、格格曼曼系系2233334444555545 s=0 p=1 d=2 f=3H 67锂原子能级图锂原子能级图4.4.4.4.能能能能级图级图第9页，此课件共47页哦锂的四个的四个线系系主主 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：钠钠的四个的四个的四个的四个线线系系系系 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：，n=3,4,5，n=3,4,5，n=4,5,6，n=2,3,4，n=4,5，n=3,4，n=4,5，n=3,4第10页，此课件共47页哦Li 3=212+1Na 11=2(12+22)+1K 19

5、=2(12+22+22)+1Rb 37=2(12+22+32+22)+1Cs 55=2(12+22+32+32+22)+1Fr 87=2(12+22+32+42+32+22)+14.2 原子实的极化和轨道贯穿原子实的极化和轨道贯穿第11页，此课件共47页哦4.2 原子实的极化和轨道贯穿原子实的极化和轨道贯穿1 1、价电子与原子实、价电子与原子实共同之共同之共同之共同之处处：最外最外最外最外层层有一个容易脱掉的有一个容易脱掉的有一个容易脱掉的有一个容易脱掉的电电子子子子价价价价电电子子子子 其余其余其余其余电电子和核形成一个子和核形成一个子和核形成一个子和核形成一个紧紧固的固的固的固的团团体体体

6、体原子原子原子原子实实碱金属原子：带一个正电荷的原子实碱金属原子：带一个正电荷的原子实 +一个价电子一个价电子(H(H原子：原子：带一个正电荷的带一个正电荷的原子核原子核+一个电子一个电子 )NaNaNaNa：Z=11 Z=11 Z=11 Z=11 基态电子排布基态电子排布基态电子排布基态电子排布:LiLiLiLi：Z=3 Z=3 Z=3 Z=3 基态电子排布基态电子排布基态电子排布基态电子排布:K K K K：Z=19 Z=19 Z=19 Z=19 基态电子排布基态电子排布基态电子排布基态电子排布:价电子如被激发到能量高状态上，则从能量高状态向下跃迁 时将发射光谱。第12页，此课件共47页哦

7、 非贯穿轨道非贯穿轨道 贯穿轨道贯穿轨道 价电子的轨道运动价电子的轨道运动第13页，此课件共47页哦由于原子实的存在，价电子轨道运动有两种情况是氢原子中所没有的，这就是（1）原子实的极化（2）轨道在原子实中的贯穿第14页，此课件共47页哦 原子实是一个球原子实是一个球形对称的结构，它里形对称的结构，它里边的原子核带有边的原子核带有ZeZe正正电荷和电荷和（Z-1Z-1）e e负负电荷，在原子最外电荷，在原子最外层运动的价电子好层运动的价电子好象是处在一个单位象是处在一个单位正电荷的库仑场中，正电荷的库仑场中，当价电子运动到靠当价电子运动到靠近原子实时，近原子实时，结束目录nextback2.2

8、.原子原子实极化极化第15页，此课件共47页哦 由于价电子的电场作用，原子实中带正电的原由于价电子的电场作用，原子实中带正电的原子核与带负电的电子的中心会发生微小的偏移，子核与带负电的电子的中心会发生微小的偏移，于是负电的中心不再在原子核上，形成一个电偶于是负电的中心不再在原子核上，形成一个电偶极子。极子。这就是原子实的极化。这就是原子实的极化。结束目录nextback极化而成的极化而成的电偶极子的偶极子的电场又作用于价又作用于价电子，使子，使它感受到除它感受到除库仑场以外的另加的吸引力，有效以外的另加的吸引力，有效电荷不再荷不再为一个一个单位的正位的正电荷，荷，这就引起就引起能量的降能量的降

9、低。低。第16页，此课件共47页哦对于同一于同一 n n 值，L 值较小的小的轨道是偏心道是偏心率率较大的大的椭圆轨道，当道，当电子运子运动到一部分到一部分轨道上道上时，由于离原子，由于离原子实很近，所以引起很近，所以引起较强的极化，的极化，对能量的影响大；能量的影响大；对对 L 值较大的轨道来说，是偏心率不大的轨道，值较大的轨道来说，是偏心率不大的轨道，近似为圆形轨道，极化效应弱，所以对能量的影近似为圆形轨道，极化效应弱，所以对能量的影响也小。响也小。第17页，此课件共47页哦3 3、轨道贯穿、轨道贯穿实外实外实外实外 Z Z Z Z*=1=1=1=1 贯穿贯穿贯穿贯穿 Z Z Z Z*1

10、1 1 1 平均：平均：平均：平均：Z Z Z Z*1 1 1 1光谱项：光谱项：光谱项：光谱项：小小小小 贯贯穿几率大穿几率大穿几率大穿几率大 能量低能量低能量低能量低当当当当 很很很很小小小小时时，价价价价电电子子子子的的的的轨轨道道道道扁扁扁扁，价价价价电电子子子子可可可可能能能能穿穿穿穿过过原原原原子子子子实实 轨轨道道道道贯贯穿。穿。穿。穿。第18页，此课件共47页哦综上上，原原子子实极极化化和和价价电子子的的轨道道贯穿穿两两种种效效应，使使得得碱碱金金属属原原子子能能级分分裂裂，且且都都使使 得得 能能 量量 下下 降降；值小小的的能能级，下降下降较明明显。第19页，此课件共47页

11、哦4.量子力学定量处理量子力学定量处理远离原子离原子实运运动靠近原子靠近原子实运运动解薛定解薛定谔方程得能量和光方程得能量和光谱项第20页，此课件共47页哦4.3 4.3 4.3 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碱金属原子光谱的精细结构碱金属原子光谱的精细结构 原子中原子中电子和原子核的子和原子核的库仑作用作用导致了原子内部的粗致了原子内部的粗线条条结构。构。用高分辨光用高分辨光用高分辨光用高分辨光谱仪观谱仪观察察察察发现发现，主，主，主，主线线系和系和系和系和锐线锐线系系系系都是双都是双都是双都是双线结线结构，漫构，漫构，漫构，漫线线系和基系和基系和基系和基线线系都是

12、三系都是三系都是三系都是三线结线结构。构。构。构。1.1.1.1.碱金属光碱金属光碱金属光碱金属光谱谱的精的精的精的精细结细结构构构构实验实验事事事事实实例如例如例如例如钠钠的黄色光的黄色光的黄色光的黄色光谱线谱线，就是它的主，就是它的主，就是它的主，就是它的主线线系的第一条系的第一条系的第一条系的第一条线线，是由波是由波是由波是由波长为长为5890589058905890 和和和和5896589658965896 的两条分的两条分的两条分的两条分线线构成。构成。构成。构成。第21页，此课件共47页哦碱金属原子三个线系的精细结构示意图碱金属原子三个线系的精细结构示意图第22页，此课件共47页哦

13、主线系每条线中的两个成分的间隔随着波数的增加而逐渐缩小，最后二成分并入一个线系限。第二辅线系的各线的成分具有相同的间隔，直到线系限也是这样。第一辅线系的每一条线分裂为三条，最外两条的间隔同第二辅线系各条线中二成分的间隔相等，和主线系第一条线中二成分的间隔相等。第一辅线系每一条线中波数较小的两条成分间隔随波数的增加而缩小，最后这两成分并入一个线系限。第23页，此课件共47页哦推论：p能级是双层的，双层的间隔随n量子数的增加而逐渐缩小。s能级是单层的。d能级、f能级都是双层的，而且双层的间隔也随量子数的增加而缩小。第24页，此课件共47页哦2.2.2.2.实验结实验结果的分析推果的分析推果的分析推

14、果的分析推论论光光谱线的任何分裂都是能的任何分裂都是能级分裂的分裂的结果。果。以以LiLi原子原子为例。例。二二辅系：系：2P-nS 2P-nS 主主线系：系：2S-nP2S-nP一一辅系：系：2P-nD2P-nD推推推推论论：碱金属原子：碱金属原子：碱金属原子：碱金属原子s s s s 能能能能级级是是是是单层单层的，而的，而的，而的，而p,d,fp,d,fp,d,fp,d,f 能能能能级级都是双都是双都是双都是双层层的，的，的，的，对对同一同一同一同一 值值，双，双，双，双层层能能能能级间级间隔随量子数隔随量子数隔随量子数隔随量子数n n n n增大而减小。增大而减小。增大而减小。增大而减

15、小。能级为什么会发能级为什么会发生精细分裂呢？生精细分裂呢？第25页，此课件共47页哦4.4 4.4 电子自旋与子自旋与轨道运道运动的相互作用的相互作用一、一、电子自旋子自旋1 1 1 1、电电子自旋概念的提出子自旋概念的提出子自旋概念的提出子自旋概念的提出为为了了了了说说明碱金属原子光明碱金属原子光明碱金属原子光明碱金属原子光谱谱的双的双的双的双线结线结构，和解构，和解构，和解构，和解释释斯特恩斯特恩斯特恩斯特恩-革拉赫革拉赫革拉赫革拉赫实实验结验结果，两位不到果，两位不到果，两位不到果，两位不到25252525岁岁的荷的荷的荷的荷兰兰大学生大学生大学生大学生乌仑贝乌仑贝克克克克和和和和古古

16、古古兹兹米特米特米特米特大胆地提大胆地提大胆地提大胆地提出出出出电电子的自旋运子的自旋运子的自旋运子的自旋运动动的假的假的假的假设设。“你你们还年年轻，有些荒唐没关系，有些荒唐没关系”（导师埃埃伦菲斯特）菲斯特）按照按照按照按照这这一假一假一假一假设设，电电子除子除子除子除轨轨道运道运道运道运动动外，外，外，外，还还存在一种存在一种存在一种存在一种自旋运自旋运自旋运自旋运动动，和自旋，和自旋，和自旋，和自旋运运运运动动相相相相联联系系系系还还存在存在存在存在自旋角自旋角自旋角自旋角动动量量量量。第26页，此课件共47页哦2 2 2 2、电电子自旋角子自旋角子自旋角子自旋角动动量量子数量量子数量

17、量子数量量子数3 3 3 3、电电子自旋角子自旋角子自旋角子自旋角动动量空量空量空量空间间取向量子化取向量子化取向量子化取向量子化第27页，此课件共47页哦4 4 4 4、电电子自旋磁矩子自旋磁矩子自旋磁矩子自旋磁矩（电电子子子子轨轨道运道运道运道运动动磁矩：磁矩：磁矩：磁矩：）5 5 5 5、单电单电子子子子总总角角角角动动量量量量对对于于于于单电单电子子子子s s s s1/2,1/2,1/2,1/2,所以：所以：所以：所以：第28页，此课件共47页哦19281928年，年，DiracDirac从量子从量子力学的基本方程出力学的基本方程出发，很自然地很自然地导出了出了电子子自旋的性自旋的性

18、质，为这个个假假设提供了理提供了理论依据。依据。在无外在无外在无外在无外场场情况下，情况下，情况下，情况下，守恒，守恒，守恒，守恒，大小、方向不大小、方向不大小、方向不大小、方向不变变，和和和和 绕绕 进动进动，且保持，且保持，且保持，且保持夹夹角不角不角不角不变变。第29页，此课件共47页哦二、自旋二、自旋-轨道运道运动相互作用能相互作用能1 1 1 1、磁性物体在磁、磁性物体在磁、磁性物体在磁、磁性物体在磁场场中运中运中运中运动动的附加能量的附加能量的附加能量的附加能量2 2 2 2、自旋、自旋、自旋、自旋-轨轨道相互作用道相互作用道相互作用道相互作用能能能能电电子的自旋运子的自旋运子的自

19、旋运子的自旋运动动和和和和轨轨道运道运道运道运动动之之之之间间通通通通过过磁相磁相磁相磁相互作用。互作用。互作用。互作用。在在在在电电子子子子为为静止的坐静止的坐静止的坐静止的坐标标系上，原子系上，原子系上，原子系上，原子实实（Z*Z*Z*Z*e e e e）绕电绕电子旋子旋子旋子旋转转，并，并，并，并产产生磁生磁生磁生磁场场B B B B，并与自旋并与自旋并与自旋并与自旋磁矩作用。磁矩作用。磁矩作用。磁矩作用。第30页，此课件共47页哦变换变换变换变换回以核回以核回以核回以核为为为为静止的坐静止的坐静止的坐静止的坐标标标标系，并考系，并考系，并考系，并考虑虑虑虑两坐两坐两坐两坐标标标标系系系

20、系变换变换变换变换的的的的相相相相对对对对论论论论（时间时间时间时间差）效差）效差）效差）效应应应应后，再乘以因子后，再乘以因子后，再乘以因子后，再乘以因子 得：得：得：得：详见详见：史斌星：史斌星：史斌星：史斌星量量量量子物理子物理子物理子物理附附附附录录 的的的的处处理：理：理：理：量子力学方法：按几率分布所得量子力学方法：按几率分布所得量子力学方法：按几率分布所得量子力学方法：按几率分布所得的平均的平均的平均的平均值值 代替。代替。代替。代替。第31页，此课件共47页哦对对碱金属原子，碱金属原子，碱金属原子，碱金属原子，的的的的处处理：理：理：理：第32页，此课件共47页哦代入整理得：代

21、入整理得：代入整理得：代入整理得：原子的原子的原子的原子的总总总总能量能量能量能量（不包括相（不包括相（不包括相（不包括相对论对论对论对论修正）修正）修正）修正）：能：能：能：能级级的精的精的精的精细结细结构构构构能量能量能量能量E E由由由由 三个量子数决定。三个量子数决定。三个量子数决定。三个量子数决定。对对对对一一一一给给给给定定定定 能能能能级级级级，即，即，即，即给给给给定定定定 但但但但 仍与仍与仍与仍与 有关。有关。有关。有关。第33页，此课件共47页哦3 3 3 3、碱金属原子能碱金属原子能碱金属原子能碱金属原子能级级的分裂的分裂的分裂的分裂当当当当 时时，能能能能级级不分裂不

22、分裂不分裂不分裂 当当当当 时时，能能级分裂分裂为双双层,间隔隔:第34页，此课件共47页哦讨论：讨论：1能级由 三个量子数决定，当 时，能级不分裂；当 时，能级分裂为双层。2能级分裂的间隔由 决定当 一定时，大，小，即当 一定时，大，小，即第35页，此课件共47页哦4 4 4 4、碱金属原子碱金属原子碱金属原子碱金属原子态态符号表示符号表示符号表示符号表示 碱金属原子的状碱金属原子的状碱金属原子的状碱金属原子的状态态，可由描述价，可由描述价，可由描述价，可由描述价电电子状子状子状子状态态的量子数描述。的量子数描述。的量子数描述。的量子数描述。电电子子子子态态描述符号：描述符号：描述符号：描述

23、符号：如如如如 2p2p电电子，子，子，子，3S3S电电子等，小写符号子等，小写符号子等，小写符号子等，小写符号电电子子子子组态组态：原子核外：原子核外：原子核外：原子核外电电子的排布，如：子的排布，如：子的排布，如：子的排布，如：Na Z=11 Na Z=11 Na Z=11 Na Z=11 基基基基态电态电子子子子组态组态:激激激激发态电发态电子子子子组态组态:碱金属原子碱金属原子碱金属原子碱金属原子态态符号：符号：符号：符号：第36页，此课件共47页哦价价价价电电子的主量子数子的主量子数子的主量子数子的主量子数价价价价电电子的子的子的子的轨轨道角道角道角道角动动量，用大写量，用大写量，用

24、大写量，用大写 表表表表示示示示 电电子的子的子的子的总总角角角角动动量。量。量。量。自旋多重度，表示原子自旋多重度，表示原子自旋多重度，表示原子自旋多重度，表示原子态态的多重数。的多重数。的多重数。的多重数。对对碱原子碱原子碱原子碱原子S S S S 态虽态虽然是然是然是然是单层单层（重）能（重）能（重）能（重）能级级，仍表示，仍表示，仍表示，仍表示为为：例：例：例：例：表示：表示：表示：表示：的原子的原子的原子的原子态态，多重度：，多重度：，多重度：，多重度：2 2 2 2 表示：表示：表示：表示：的原子的原子的原子的原子态态，多重度：，多重度：，多重度：，多重度：2 2 2 2 表示：表

25、示：表示：表示：的原子的原子的原子的原子态态，多重度：，多重度：，多重度：，多重度：2 2 2 2 第37页，此课件共47页哦LiLiLiLi原子能原子能原子能原子能级图级图（考（考（考（考虑虑精精精精细结细结构）构）构）构）第38页，此课件共47页哦4.5 4.5 单电子子辐射射跃迁迁选择定定则2 2 2 2、碱金属光、碱金属光、碱金属光、碱金属光谱谱的解的解的解的解释释单电单电子子子子辐辐射射射射跃跃迁（吸收或迁（吸收或迁（吸收或迁（吸收或发发射光子）射光子）射光子）射光子）只能在下列条件下只能在下列条件下只能在下列条件下只能在下列条件下发发生生生生:1 1 1 1、选择选择定定定定则则

26、主主线系系2P1/22P3/22S1/2第39页，此课件共47页哦对对Li:Li:Li:Li:对对Na:Na:Na:Na:第40页，此课件共47页哦2P1/22P3/2锐线锐线系系系系（第二（第二（第二（第二辅线辅线系）系）系）系）2S1/2LiLiLiLi 原原原原子子子子 基基基基线线系系系系（柏格曼系）（柏格曼系）（柏格曼系）（柏格曼系）2D3/22D5/22F5/22F2/3 漫漫漫漫线线系系系系（第一（第一（第一（第一辅线辅线系）系）系）系）2P1/22P3/22D3/22D5/2第41页，此课件共47页哦钠原子第42页，此课件共47页哦第43页，此课件共47页哦4.6 4.6 氢原

27、子光原子光谱的精的精细结构构1 1 1 1、相、相、相、相对论对论修正修正修正修正 第44页，此课件共47页哦2 2 2 2、电电子自旋与子自旋与子自旋与子自旋与轨轨道的相互作用能道的相互作用能道的相互作用能道的相互作用能 3 3 3 3。氢氢原子精原子精原子精原子精细细能能能能级级的狄拉克公式的狄拉克公式的狄拉克公式的狄拉克公式 n n 增加，能增加，能增加，能增加，能级级裂距减小。裂距减小。裂距减小。裂距减小。不同，不同，不同，不同，j j j j 相同的能相同的能相同的能相同的能级简级简并并并并。相同，相同，相同，相同，第45页，此课件共47页哦氢氢原子原子原子原子 线线的能的能的能的能

28、级级精精精精细结细结构及构及构及构及跃跃迁迁迁迁七种跃迁，五条谱线：第46页，此课件共47页哦4 4 4 4、蓝蓝蓝蓝姆移姆移姆移姆移动动动动1947194719471947年年年年蓝蓝蓝蓝姆和李瑟福用射姆和李瑟福用射姆和李瑟福用射姆和李瑟福用射频频频频波波波波谱谱谱谱学的方法学的方法学的方法学的方法测测测测得得得得2 2 2 22 2 2 2S S S S1/21/21/21/2能能能能级级级级比比比比2 2 2 22 2 2 2P P P P1/21/21/21/2能能能能级级级级高高高高1058Mhz1058Mhz1058Mhz1058Mhz，即，即，即，即E=0.033cmE=0.03

29、3cmE=0.033cmE=0.033cm-1-1-1-1=3.3m=3.3m=3.3m=3.3m-1-1-1-1,与狄拉克公式与狄拉克公式与狄拉克公式与狄拉克公式结结结结果果果果显显显显著著著著差差差差别别别别，从而，从而，从而，从而导导导导致了量子致了量子致了量子致了量子电动电动电动电动力学的力学的力学的力学的诞诞诞诞生。生。生。生。这这这这是因是因是因是因为电为电为电为电子除受核的子除受核的子除受核的子除受核的静静静静电电电电作用、磁相互作用以及相作用、磁相互作用以及相作用、磁相互作用以及相作用、磁相互作用以及相对论对论对论对论效效效效应应应应外，外，外，外，还还还还受到因受到因受到因受

30、到因发发发发光而光而光而光而产产产产生生生生的的的的辐辐辐辐射射射射场场场场作用作用作用作用（即与其自身（即与其自身（即与其自身（即与其自身发发发发出的出的出的出的辐辐辐辐射之射之射之射之间间间间的相互作用），的相互作用），的相互作用），的相互作用），因而在因而在因而在因而在计计计计算能算能算能算能级时级时级时级时要要要要进进进进行行行行辐辐辐辐射修正，当射修正，当射修正，当射修正，当计计计计算到微算到微算到微算到微扰扰扰扰的四的四的四的四级级级级效效效效应时应时应时应时，可得到与，可得到与，可得到与，可得到与实验实验实验实验一致的一致的一致的一致的结论结论结论结论。理。理。理。理论论论论指出，指出，指出，指出，辐辐辐辐射射射射场对场对场对场对S S S S能能能能级级级级影响最大。影响最大。影响最大。影响最大。蓝蓝姆移姆移姆移姆移动动第47页，此课件共47页哦