放电物理3.ppt

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1、气体放电物理地位：等离子体物理的分支研究内容：研究各类气体放电现象的物理过程和规律研究对象：各类宏观放电现象，是电流通过电离气体时表现出来的。研究方法：了解电离气体的宏观现象，研究其中的微观过程，把宏观现象和微观过程联系起来，找到放电发生的机理和规律。放电气体的含义研究气体放电过程，必然会遇到气体原子、分子的结构问题，以及电子、原子与光子的作用。原子、分子的结构服从量子力学规律，是一门复杂的学科。原子物理学提供了一套简明半经验的方法，物理图像清晰。电子、原子与光子相互作用过程是量子力学和电动力学的势力范围。采用经典力学和电磁学的方法处理，以求概念清晰。原子结构模型回顾18581858年，年，P

2、luckerPlucker在放在放电管内发现了阴极射电管内发现了阴极射线线-电子束电子束18971897年，年，ThomsonThomson发发现了电子。现了电子。18961896年，洛伦兹提出年，洛伦兹提出原子中有电子。原子中有电子。19111911年，年，RutherfordRutherford解解释散射试验，提出原释散射试验，提出原子的行星模型。子的行星模型。19131913年，年，BohrBohr提出量提出量子化假设。子化假设。19161916年，年，SommerfeldSommerfeld发展了发展了BohrBohr假说，空假说，空间量子化判据。间量子化判据。19251925年，年，

3、UhlenbeckUhlenbeck提提出了电子自选的假说，出了电子自选的假说，进入量子时代。进入量子时代。同年，同年，PauliPauli提出了不提出了不相容原理。相容原理。Bohr假说电子绕原子核外圆形电子绕原子核外圆形轨道运动轨道运动轨道是量子化的定态轨道是量子化的定态轨道轨道稳定的定态轨道不辐稳定的定态轨道不辐射电磁波射电磁波定态轨道的能量及其分布BohrBohr半径：半径：a=0.053nma=0.053nm电子在电子在n n轨道上轨道上的动能核电势能的动能核电势能之和之和原子的能级基态：能量最低的能级。n=1的能级激发态：其他量子化定态。能量小于零电离态：n=无限大。电子脱离了原子

4、核。电离能级图：表示原子各定态能量的示意图 电离态虽然也是定态，但不再是唯一的，而是能量不量子化的。通常在能级图中不计入这些连续态n 称为主量子数,决定了电子总能量原子的角动量电子的轨道角动量电子的轨道角动量 在有心力场中，质点的角在有心力场中，质点的角动量守恒。量子力学中也动量守恒。量子力学中也是量子化的。是量子化的。根据根据SommerfeldSommerfeld假说，电假说，电子轨道是椭圆的。两个量子轨道是椭圆的。两个量子化条件：作用量量子化。子化条件：作用量量子化。其中一个是角动量量子化，其中一个是角动量量子化，一个是能量量子化一个是能量量子化根据量子力学的结论，不根据量子力学的结论，

5、不但角动量的数值量子化的，但角动量的数值量子化的，角量子数角量子数,l l。方向也是量。方向也是量子化的，子化的，磁量子数磁量子数,mmm=-l,-l+1,l-1,l.共2l+1个值原子能级符号原子的能级能量取决于主量子数。能量相同的园轨原子的能级能量取决于主量子数。能量相同的园轨道有一个，但是还有几个椭圆轨道，能量相同，但道有一个，但是还有几个椭圆轨道，能量相同，但角动量不同。椭圆轨道的角动量小。角动量不同。椭圆轨道的角动量小。这些态就是兼这些态就是兼并态并态其实，精细相互作用的结果，角量子数不同的态，其实，精细相互作用的结果，角量子数不同的态，能量也是不同的，因此原子能级有能量也是不同的，

6、因此原子能级有两个量子数决定，两个量子数决定，即主量子数即主量子数n n和角量子数和角量子数l l。K,L,M,NK,L,M,N表示主量子数表示主量子数n n=1,2,3,4=1,2,3,4的能级的能级S,P,D,FS,P,D,F表示角量子数表示角量子数l l=0,1,2,3=0,1,2,3的能级。的能级。nL nL 称为能级符号称为能级符号,如：如：4S,4D4S,4D等等 电子的磁矩电子绕原子核的运动形成一个环形电流，产生磁矩，电子绕原子核的运动形成一个环形电流，产生磁矩，其大小为其大小为考虑到电子带负电荷，因此磁矩方向与角动量考虑到电子带负电荷，因此磁矩方向与角动量相反，磁矩的分量也有相

7、反，磁矩的分量也有2l+12l+1个量子化值。个量子化值。电子的自旋刚才分析的是电子的轨道运动磁矩刚才分析的是电子的轨道运动磁矩但是单独的电子本身也具有固有磁矩，但是单独的电子本身也具有固有磁矩，电子具有电子具有自旋角动量。自旋角动量。电子磁矩只有两个分量，因此相应的角量子数电子磁矩只有两个分量，因此相应的角量子数s=1/2,s=1/2,称为自旋角动量量子数。称为自旋角动量量子数。相应的角动量相应的角动量S S但是电子自旋磁矩与角动量的比值但是电子自旋磁矩与角动量的比值 比轨道角动量磁矩大一倍。这是实验结果。比轨道角动量磁矩大一倍。这是实验结果。原子的能态原子中电子的状态由4个量子数表示1.主

8、量子数 n 决定能量大小2.角量子数 l 决定角动量的大小3.磁量子数 m 决定角动量的方向4.自旋量子数 s 决定电子自旋状态（两个状态之一）5.原子外的电子轨道S态电子云示意图 原子轨道轮廓图(各类轨道标度不同)原子轨道轮廓图：把轨道波函数的大小轮廓和正负在直角坐标系中表达出来，反映原子轨道空间分布的立体图形（定性），为了解成键时轨道重叠提供了明显的图像，要熟悉这9种原子轨道的形状和、分布的规律。电子的跃迁原子中电子的定态是稳定的，不发生辐射。称为本征态。当电子受到电磁作用时，其状态会变化，由一个本征态变化到另一个本征态，称为跃迁。电子从基态到高能量的束缚态，就是激发。反之，就是退激发。电

9、子从束缚态到连续态，就是电离过程。电子退激发和激发过程分别释放能量和吸收能量。如果释放和吸收的能量形式是电磁波，那么相应的过程就是辐射过程。电子跃迁如果电子跃迁是伴随如果电子跃迁是伴随辐射过程发生的，则辐射过程发生的，则是是辐射跃迁辐射跃迁辐射跃迁吸收光子或辐射跃迁吸收光子或者辐射光子者辐射光子BohrBohr的定态假设：的定态假设：氢的能级和跃迁氢的能级和跃迁氢原子的能级是由主氢原子的能级是由主量子数决定的量子数决定的发生在任意两个主能发生在任意两个主能级之间的跃迁都是辐级之间的跃迁都是辐射跃迁。形成了线系：射跃迁。形成了线系：LymanLyman线系线系 BalmerBalmer线系线系

10、PaschenPaschen线系线系 BracketBracket线系线系辐射过程的选择定则辐射过程是光子消灭和产辐射过程是光子消灭和产生的过程。生的过程。光子的自旋角动量量子数光子的自旋角动量量子数=1=1为了角动量守恒，辐射过为了角动量守恒，辐射过程中，电子的轨道角动量程中，电子的轨道角动量必须相应变化。产生选择必须相应变化。产生选择定则定则如果一个激发态没有满足如果一个激发态没有满足选择定则的辐射路径，那选择定则的辐射路径，那么这个态就是么这个态就是亚稳态亚稳态 元素的电子结构能级有四个量子数表述能级有四个量子数表述泡利不相容原理泡利不相容原理:费米子必须满足，电子是费米子费米子必须满足

11、，电子是费米子原子中电子的排列按照轨道能量高低排列原子中电子的排列按照轨道能量高低排列用符号表示原子中电子的排列用符号表示原子中电子的排列n n 是主量子数，是主量子数，L L 是角动量量子数，是角动量量子数，x x，轨道上的电子数，轨道上的电子数 电子组态电子组态ArAr原子的电子结构原子的电子结构元素的能态表示原子能级的符号：电子组态决定表示原子能级的符号：电子组态决定 最外层电子称为最外层电子称为价电子价电子一个价电子的元素：能态有一个价电子决定一个价电子的元素：能态有一个价电子决定 价电子的四个量子数决定能级的能量高低价电子的四个量子数决定能级的能量高低 谱项符号：谱项符号：一条辐射谱

12、线涉及两个能级，因此一一条辐射谱线涉及两个能级，因此一条谱线涉及两个谱项条谱线涉及两个谱项 电子组态：由n，l表示的电子排布方式。多电子原子核外电子的填充顺序：1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d,7p 过渡元素在周期表中为何延迟出现？3d排在4s之后，4d在5s后，4f,5d在6s后，5f,6d在7s后。电子在原子轨道中的填充顺序，并不是原子轨道能级高低的顺序，填充次序遵循的原则是使原子的总能量保持最低。填充次序表示，随Z增加电子数目增加时，外层电子排布的规律。原子轨道能级的高低随原子序数而改变，同一原子，电子占据的原子轨

13、道变化之后，各电子间的相互作用情况改变，各原子轨道的能级也会发生变化。核外电子组态排布示例：Fe(Z=26)：Fe1s22s22p63s23p63d64s2。常用原子实加价电子层 表示：FeAr3d64s2。表达式中n小的写在前面。单电子原子的光谱项和原子光谱单电子原子的光谱项和原子光谱(1)(1)氢原子光谱项氢原子光谱项 对于对于(2(2p p)1 1组态，组态，l l1 1，m m可可为为1 1，0 0，1 1；s s1/21/2，m ms s可可为为1/21/2，1/21/2。轨轨道角道角动动量矢量矢量模量模长为长为 l l(l+1l+1)1/21/22 21/21/2，在，在z z轴轴

14、上的投影上的投影(m m值值)分分别为别为1 1，0 0，1 1。该该角角动动量矢量分量矢量分别与别与z z轴轴形形成成4545,90,90,135,135 锥锥角角 自旋角自旋角动动量矢量模量矢量模长为长为 s s(s s+1)+1)1/21/2=3=31/21/2/2/2，欲使其欲使其z z轴轴投影投影(m ms s)分分别为别为1/21/2和和1/21/2，只，只需需该该矢量矢量与与z z轴轴分分别别形成形成54.754.7 和和125.3125.3 锥锥角。角。m m1 1的的轨轨道角道角动动量和量和m ms s1/21/2的自旋角的自旋角动动量量叠叠加，形成加，形成m mJ Jm m

15、+m ms s=1+1/2=3/2=1+1/2=3/2的的总总角角动动量矢量矢量，其模量，其模长为长为15151/21/2/2/2，与与z z轴轴呈呈39.239.2 锥锥角角;m m=1=1和和m ms s=1/21/2的的两两矢量加和，矢量加和，应应得得m mJ J=1/2=1/2的的总总角角动动量矢量，其模量矢量，其模长为长为3 31/21/2/2/2，与与z z轴轴形成形成54.754.7 锥锥角。角。ms=1/2zz01/21/254.7ms=1/2ms=1/2（b）zmJ=1/2m=1（d）54.701/21ms1/24539.2011m1m0m1（a）z3/210mJ3/2m1（

16、c）轨道角动量和自旋角动量的取向及矢量加和法（矢量长度以h/2为单位）继续进行m0和1与ms1/2和1/2的矢量加和，共可得mJ3/2，1/2，1/2，1/2，1/2和3/2六个矢量。由mJ3/2,1/2,1/2,3/2可推得J=3/2；由mJ=1/2,1/2可推得J=1/2。单电子原子某一组态的电子，其轨道角动量和自旋角动量的耦合是通过m和ms数值的加和得到所有可能的mJ，进而根据mJ和J的取值关系(mJ1/2,3/2,J)得出J的值。J3/2和J1/2代表两个总角动量矢量，其大小为：不考虑轨道运动和自旋运动相互作用时，(2p)1组态只有一个能级，光谱项为2P(L=1,S=1/2)；由于轨道

17、运动和自旋运动的相互作用，原子能态变为两个能级，光谱支项分别为2P3/2(J=3/2)和2P1/2(J=1/2)；在外加磁场中，这两个能级又分别分裂为4个和2个微观能级。即2P谱项对应着6种微观能态，(2p)1组态对应着6种(32)微观状态。同理可推得H原子(1s)1组态的光谱项为2S(L=0,S=1/2)，光谱支项为：2S1/2 (L=0,S=1/2,J=1/2,mJ=1/2)(2)(2)氢原子氢原子(2(2p p)1 1(1(1s s)1 1跃迁的光谱跃迁的光谱 氢氢原子发射光谱的选率：原子发射光谱的选率：n n任意；任意；L L11；J J0 0，1 1；m mJ J0 0，11无外加磁

18、场外加强磁场低分辨率高分辨率高分辨率mJ2p1s822592P3/22P1/22S1/282259.2782258.91a b cd e f1/2a,bc,de,f3/21/21/21/21/23/21/2H原子2p1s跃迁的能级和谱线 （单位：1）使用低分辨率仪器，2p1s跃迁只出现一条谱线；使用高分辨率光谱仪，可看出上述谱线的精细结构，它是由两条靠得很近的谱线组成；若外加很强的磁场，且用分辨率很高的光谱仪，则可观察到5条谱线（按选率应出现6条谱线，J0与mJ0对应，J1与mJ1 对应，c,d两条线因能级差相同而重叠）；(3)碱金属的原子光谱：碱金属只有一个价电子，其光谱与H原子类似，选率也

19、相同；通常观察到的钠的黄色谱线（D线）即为3p3s跃 迁 产 生 的（1589.5930nm，2588.9963nm)多电子原子的能级多电子原子的能级 组组态态是是原原子子状状态态的的表表示示，而而光谱项是原子能级的表示。光谱项是原子能级的表示。忽忽略略电电子子的的相相互互作作用用时时，原原子子能能级级只只与与主主量量子子数数有有关关，一一个个组组态态只只对对应应一一个个能能级级；由由于于电电子子间间相相互互作作用用，原原子子能能级级分分裂裂为为不不同同的的光光谱谱项项；由由于于轨轨道道自自旋旋相相互互作作用用，同同一一光光谱谱项项分分裂裂为为不不同同的的光光谱谱支支项项；在在外外加加磁磁场场

20、的的作作用用下下，每每一一光光谱谱支支项项右右分分裂裂为为不不同同的微观能态。的微观能态。多电子原子光谱的选率：多电子原子光谱的选率：S S0 0；L L0 0，11；J J0 0，11（J J=0=0J J 0 0除除外外）；m mJ J0 0，11。mJ=0mJ=2 1 0 1 2mJ=2 1 0 1 2mJ=1 0 1mJ=0 a b c d em1 0 1(np)21S1D3P1S01D23P23P13P0 (np)2组态的能级分裂a微观状态（有磁场）；b组态，不考虑电子相互作用（无磁场）；c光谱项，考虑电子的相互作用（无磁场）；d光谱支项，考虑L-S的相互作用（无磁场）；e微观能态（

21、有磁场）氦原子的能级有两个电子，两个价电子有两个电子，两个价电子基态：基态：两个电子在两个电子在1s1s轨道上，轨道上，1s1s2 2，谱项谱项 1 11 1S S0 0激发态：激发态：1s1s1 12s2s1 1,谱项：谱项：2 21 1S S0 0(20.6ev)(20.6ev)，2 23 3S S1 1(19.8ev)(19.8ev)激发态：激发态：1s1s1 12p2p1 1,2,21 1P P1 1,2,23 3P P0,1,20,1,2 其他激发态的组态和谱项其他激发态的组态和谱项 类似类似.谱项有两组，分别谱项有两组，分别自旋自旋s=0s=0和和s=1s=1。氦的能级分为两个系列

22、，分别称为。氦的能级分为两个系列，分别称为仲氦和正氦。仲氦和正氦。亚稳态：亚稳态：2 21 1S S0 0，2 23 3S S1 1，不满足角动量选择定则不满足角动量选择定则能级的寿命能级的寿命：能级参与的跃迁过程决定的，跃迁越频繁，寿命越短。本征寿命：辐射寿命激发态的本征寿命：10-8 s,亚稳态的寿命：理论上很长，实际上由于其他非电磁作用的存在，也有非辐射跃迁发生，但是频率很低，因此寿命长，1ms亚稳态能量高，以此为始的跃迁，需要能量低。电离过程需要能量也低，对电离过程影响很大。激发能和电离能原子从基态到任意激发态的跃迁，需要能量。而且原子从基态到任意激发态的跃迁，需要能量。而且是共振吸收

23、这一能量，这就是激发能。是共振吸收这一能量，这就是激发能。不同能级的激发能不同不同能级的激发能不同 H H原子：原子：13.6ev,3.4ev,1.51ev,13.6ev,3.4ev,1.51ev,10.2ev,12.1ev 10.2ev,12.1ev He He原子原子:24.47ev,4.67ev,3.87ev:24.47ev,4.67ev,3.87ev 19.8ev,20.6ev 19.8ev,20.6ev电离能：是原子发生电离跃迁需要的最小能量。基电离能：是原子发生电离跃迁需要的最小能量。基态到连续态的最小能量态到连续态的最小能量 不同原子的电离能不同，多电子原子有第一电离能，不同原子的电离能不同，多电子原子有第一电离能，第二电离能，等等第二电离能，等等 H:13.6ev,He:24.47ev,O:13.6ev,N:14.54evH:13.6ev,He:24.47ev,O:13.6ev,N:14.54ev原子的激发和电离方式加热：中性粒子的碰撞碰撞：带电粒子的碰撞场能：场致电离和激发波能量：电磁波内能量交换：化学反应能电磁场能量是实现原子激发和电离的最有效能量转移途径作业计算氦的第二电离能计算氢原子的四个线系的谱线波长