原子物理学总结.ppt

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1、 粒子散射实验否定了汤姆逊的原子模型，根据实验结果，卢瑟福于1911年提出了原子的核式模型。原子中心有一个极小的原子核，它集中了全部的正电荷和几乎所有的质量，所有电子都分布在它的周围。卢瑟福核式模型卢瑟福散射公式Rutherford公式关于小角散射的问题氢原子光谱氢原子光谱18851885年年年年BalmerBalmer对已观察到的对已观察到的对已观察到的对已观察到的1414条谱线，给出：条谱线，给出：条谱线，给出：条谱线，给出：BalmerBalmer经验公式经验公式经验公式经验公式18961896年，对于氢原子的年，对于氢原子的年，对于氢原子的年，对于氢原子的RydbergRydberg公

2、式公式公式公式莱曼（莱曼（莱曼（莱曼（LymanLyman）系（紫外区）系（紫外区）系（紫外区）系（紫外区）19161916年年年年巴耳末（巴耳末（巴耳末（巴耳末（BalmerBalmer）系（可见光区）系（可见光区）系（可见光区）系（可见光区）18851885年年年年帕邢（帕邢（帕邢（帕邢（PaschenPaschen）系（近红外区）系（近红外区）系（近红外区）系（近红外区）19081908年年年年布喇开（布喇开（布喇开（布喇开（BrackettBrackett）系（红外区）系（红外区）系（红外区）系（红外区）19221922年年年年普丰德（普丰德（普丰德（普丰德（PfundPfund）系（

3、远红外区）系（远红外区）系（远红外区）系（远红外区）19241924年年年年BalmerBalmer公式只是公式只是公式只是公式只是RydbergRydberg公式的一个特例公式的一个特例公式的一个特例公式的一个特例玻尔玻尔氢原子氢原子理论理论1 1原子行星模型的困难原子行星模型的困难原子行星模型的困难原子行星模型的困难 原子稳定性困难原子稳定性困难原子稳定性困难原子稳定性困难电子加速运动辐射电磁波，能量不断损失，电子回转半径电子加速运动辐射电磁波，能量不断损失，电子回转半径电子加速运动辐射电磁波，能量不断损失，电子回转半径电子加速运动辐射电磁波，能量不断损失，电子回转半径不断减小，最后落入核

4、内，原子塌缩。不断减小，最后落入核内，原子塌缩。不断减小，最后落入核内，原子塌缩。不断减小，最后落入核内，原子塌缩。原子的大小不能确定原子的大小不能确定原子的大小不能确定原子的大小不能确定光谱分立性光谱分立性光谱分立性光谱分立性困难困难困难困难电磁波频率等于电子回转频率，发射光谱为连续谱。电磁波频率等于电子回转频率，发射光谱为连续谱。电磁波频率等于电子回转频率，发射光谱为连续谱。电磁波频率等于电子回转频率，发射光谱为连续谱。2 2 2 2玻尔模型（玻尔模型（玻尔模型（玻尔模型（1913191319131913年）年）年）年）背景：能量子和光子假设、核式模型、原子线光谱背景：能量子和光子假设、核

5、式模型、原子线光谱背景：能量子和光子假设、核式模型、原子线光谱背景：能量子和光子假设、核式模型、原子线光谱(1)(1)定态定态定态定态（stationary statestationary state）假假假假设设设设电子只能在一系列分立的轨道上电子只能在一系列分立的轨道上电子只能在一系列分立的轨道上电子只能在一系列分立的轨道上绕核运动，且不辐射电绕核运动，且不辐射电绕核运动，且不辐射电绕核运动，且不辐射电磁波磁波磁波磁波，能量稳定。，能量稳定。，能量稳定。，能量稳定。电子绕核运动频率电子绕核运动频率电子绕核运动频率电子绕核运动频率电子轨道和能量分立（能级）电子轨道和能量分立（能级）电子轨道和

6、能量分立（能级）电子轨道和能量分立（能级）(2)(2)跃迁跃迁跃迁跃迁（transitiontransition）假设假设假设假设原子在不同定态之间跃迁，吸收或发射能量。原子在不同定态之间跃迁，吸收或发射能量。原子在不同定态之间跃迁，吸收或发射能量。原子在不同定态之间跃迁，吸收或发射能量。吸收吸收吸收吸收发射发射发射发射频率规则频率规则频率规则频率规则(3)(3)角动量量子化假设角动量量子化假设角动量量子化假设角动量量子化假设电子定态轨道角动量满足量子化条件：电子定态轨道角动量满足量子化条件：电子定态轨道角动量满足量子化条件：电子定态轨道角动量满足量子化条件：角动量量子化来自电子的波动性角动量

7、量子化来自电子的波动性角动量量子化来自电子的波动性角动量量子化来自电子的波动性首尾位相相同的环波才能稳定存在首尾位相相同的环波才能稳定存在首尾位相相同的环波才能稳定存在首尾位相相同的环波才能稳定存在,否则会由于波的相干叠加而消失否则会由于波的相干叠加而消失否则会由于波的相干叠加而消失否则会由于波的相干叠加而消失可可可可以以以以由由由由此此此此结结结结合合合合行行行行星星星星模模模模型型型型导导导导出出出出诸诸诸诸如如如如轨轨轨轨道道道道半半半半径径径径、能能能能量量量量（能能能能级级级级）、RydbergRydberg常数，等等常数，等等常数，等等常数，等等玻尔半径玻尔半径玻尔半径玻尔半径精细

8、结构常数精细结构常数精细结构常数精细结构常数轨道半径轨道半径轨道半径轨道半径赖曼系赖曼系赖曼系赖曼系巴耳末系巴耳末系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系帕邢系帕邢系电子轨道电子轨道电子轨道电子轨道氢原子的玻尔轨道氢原子的玻尔轨道氢原子的玻尔轨道氢原子的玻尔轨道非相对论近似非相对论近似非相对论近似非相对论近似能量最低能量最低能量最低能量最低:基态基态基态基态（ground stateground state）氢原子的定态能量氢原子的定态能量氢原子的定态能量氢原子的定态能量能量的量子化能量的量子化能量的量子化能量的量子化 激发态激发态激发态激发态（excited excited statestate）能级

9、能级能级能级（energy energy levellevel）一一一一般般般般用用用用能能能能级级级级图图图图表表表表示示示示原原原原子子子子量子化的能量值。量子化的能量值。量子化的能量值。量子化的能量值。在在在在能能能能级级级级图图图图上上上上用用用用一一一一条条条条横横横横线线线线一个能级一个能级一个能级一个能级n n ，自由电子，相应的势能为零，自由电子，相应的势能为零，自由电子，相应的势能为零，自由电子，相应的势能为零 基基基基态态态态的的的的能能能能量量量量为为为为-13.6ev-13.6ev，所所所所以以以以将将将将一一一一个个个个基基基基态态态态电电电电子子子子电电电电离离离离

10、至至至至少少少少需需需需要要要要13.6ev13.6ev的能量（的能量（的能量（的能量（电离能电离能电离能电离能）一一一一个个个个自自自自由由由由电电电电子子子子与与与与原原原原子子子子核核核核 结结结结合合合合为为为为一一一一个个个个基基基基态态态态氢氢氢氢原原原原子子子子时时时时，至至至至少少少少释释释释放放放放13.6ev13.6ev的能量（氢原子的的能量（氢原子的的能量（氢原子的的能量（氢原子的结合能结合能结合能结合能）与与与与RydbergRydberg方程联系起来，可以得到方程联系起来，可以得到方程联系起来，可以得到方程联系起来，可以得到RydbergRydberg常数常数常数常数

11、RydbergRydberg常数常数常数常数弗兰克赫兹实验弗兰克赫兹实验原子内部能量量子化证据原子内部能量量子化证据原子内部能量量子化证据原子内部能量量子化证据除除除除了了了了光光光光谱谱谱谱学学学学方方方方法法法法之之之之外外外外，可可可可否否否否用用用用其其其其它它它它方方方方法法法法证证证证明明明明原原原原子子子子中中中中分分分分立能级的存在立能级的存在立能级的存在立能级的存在？基本思想基本思想基本思想基本思想利用加速利用加速利用加速利用加速电子电子电子电子碰撞碰撞碰撞碰撞原子原子原子原子，使之激发。测量电子所损失，使之激发。测量电子所损失，使之激发。测量电子所损失，使之激发。测量电子所

12、损失的能量，即是原子所吸收的能量的能量，即是原子所吸收的能量的能量，即是原子所吸收的能量的能量，即是原子所吸收的能量弗兰克赫兹实验弗兰克赫兹实验弗兰克赫兹实验弗兰克赫兹实验19141914年，年，年，年，FranckFranck和和和和HertzHertz实验发现原子经电子碰撞后吸收能量实验发现原子经电子碰撞后吸收能量实验发现原子经电子碰撞后吸收能量实验发现原子经电子碰撞后吸收能量的分立性的分立性的分立性的分立性K K：热阴极，发射电子：热阴极，发射电子：热阴极，发射电子：热阴极，发射电子KGKG区区区区：电电电电子子子子加加加加速速速速，与与与与HgHg原子碰撞原子碰撞原子碰撞原子碰撞GAG

13、A区区区区：电电电电子子子子减减减减速速速速，能能能能量量量量大大大大于于于于0.5 0.5 eVeV的的的的电电电电子子子子可可可可克克克克服服服服反向偏压，产生电流反向偏压，产生电流反向偏压，产生电流反向偏压，产生电流光电效应的实验研究装置 爱因斯坦光量子论与光电效应赫兹量子力学引论量子力学引论爱因斯坦对光电效应的解释1905年,爱因斯坦用光量子假设进行了解释（1）电磁辐射由以光速c 运动的局限于空间某一小范围的光量子（光子）组成，每一个光量子的能量 与辐射频率 的关系为 =h（其中h 是普朗克常数）。（2）光量子具有“整体性”，一个光子只能整个地被电子吸收或放出。Albert Einst

14、ein 18791955 1905年用光量子假说解释光电效应 1、散射光中谱线、散射光中谱线 0，0 2、散散射射波波长长的的改改变变量量随随散散射射角角 增增加加而而增增加加。在在同同一一散散射射角角下下 相相同同,与与散散射射物物质和入射光波长无关。质和入射光波长无关。3、散散射射光光中中 0的的谱谱线线强强度度随随 增增加加而而减减弱弱，随随原原子子量量增加而增强；增加而增强；相反。相反。康普顿效应X X射线射线射线射线在石墨上的散射在石墨上的散射波粒二象性德布罗意物质波 1924年，de Broglie将Einstein的光量子概念推广，提出了物质波的概念 所有的粒子都具有波动性 所有

15、的波都具有粒子性Prince Louis-victor de Broglie 1892-1987 波函数的统计解释Born的统计解释微观体系的波粒二象性，可以用统计的观点理解用波的表达式描述粒子的行为波的强度或复振幅，反映的是粒子在时刻t、空间点P处出现、或被发现的几率或几率幅被发现的几率或几率幅复振幅就是几率波幅则经典意义下的描述波动的函数或复振幅就成了量子意义下描述粒子分布几率的函数分布几率的函数波函数这是波动性的物理含义对波函数的要求 在空间各点，波函数是单值、有限、连续的粒子不能湮灭，即总能在空间某处发现该粒子 波函数的归一化条件相对几率，都乘以一个因子后，没有变化所描述的几率波是完全

16、一样的 从几率分布的角度看，一个电子的状态可以表示为=1+2即在每个电子经过狭缝前，无法确定它将通过哪一个狭缝或者说，各有一半的几率通过其中的一个狭缝干涉实际上是电子的两个态之间的干涉态叠加原理干涉项态叠加原理处于势场V中的粒子SchrSchrdingerdinger方程方程定态定态Schrdinger方程方程处于定态的粒子的总能量是不随时间变化的状态的几率密度只取决于(r)，即只和位置坐标有关而与时间有关，这说明粒子出现在空间的几率密度分布不随时间变化坐标表象下力学量的算符坐标表象下力学量的算符角动量算符在直角坐标系中在直角坐标系中如果在坐标表象下，物理量A的算符为力学量的平均值力学量的平均

17、值本征方程、本征函数与本征值本征方程、本征函数与本征值若用一个算符算符作用在函数函数上等于一个数值数值乘以该函数本身，则这个方程称作该算符算符的本征方程，这个数数就是算符算符的本征值本征值。该函数函数称为算符算符的本征函数本征函数。该函数对应的态称为本征态本征态无限深势阱无限深势阱IIIIII定态Schrdinger方程例子阶跃势阶跃势在在II区有一定的几率找到粒子，但是以指数衰减区有一定的几率找到粒子，但是以指数衰减粒子出现的几率只在粒子出现的几率只在x=0附近很小的区域附近很小的区域穿透深度穿透深度(透入距离透入距离)方势垒方势垒粒子从I区经过势垒进入III区，称作势垒贯穿势垒贯穿或隧道效

18、应隧道效应为势垒宽度计算表明测不准关系测不准关系(不确定关系不确定关系)经典粒子：可以同时有确定的经典粒子：可以同时有确定的位置、速度、动量、能量位置、速度、动量、能量波粒二象性：不可能同时具有波粒二象性：不可能同时具有确定的位置和动量。确定的位置和动量。n，l，m是量子数，为本征态的标志是量子数，为本征态的标志单电子原子单电子原子几率密度（电子被发现的几率分布）几率密度（电子被发现的几率分布）原子波函数的宇称原子波函数的宇称原子波函数的宇称原子波函数的宇称空间反演空间反演空间反演空间反演量子力学对一些现象的解释量子力学对一些现象的解释1 1、原子处在定态时不发射电磁波、原子处在定态时不发射电

19、磁波2 2、原子跃迁和叠加态、原子跃迁和叠加态3 3、跃迁的选择定则、跃迁的选择定则轨道磁距轨道磁距电子作轨道运动时，相当于一个有电流流着的闭合电路，具有磁电子作轨道运动时，相当于一个有电流流着的闭合电路，具有磁电子作轨道运动时，相当于一个有电流流着的闭合电路，具有磁电子作轨道运动时，相当于一个有电流流着的闭合电路，具有磁矩矩矩矩（轨道磁距）轨道磁距）轨道磁距）轨道磁距）Zeeman效应效应无磁场逆着磁场方向观察有磁场垂直磁场方向观察当当光光源源放放在在外外磁磁场场中中，其其原原子子所所发发出出的的光光谱谱线线发发生生分分裂裂，原原来的一条谱线分裂为多条，且均为偏振光来的一条谱线分裂为多条，且

20、均为偏振光塞曼效应塞曼效应ZeemanZeemanZeemanZeeman最最最最初初初初发发发发现现现现的的的的现现现现象象象象是是是是：光光光光谱谱谱谱线线线线的的的的分分分分裂裂裂裂是是是是等等等等间间间间隔隔隔隔（波波波波数数数数差差差差相等）的，一条谱线分为三条谱线相等）的，一条谱线分为三条谱线相等）的，一条谱线分为三条谱线相等）的，一条谱线分为三条谱线谱谱谱谱线线线线三三三三分分分分裂裂裂裂的的的的情情情情况况况况称称称称为为为为“正正正正常常常常ZeemanZeemanZeemanZeeman效效效效应应应应”；否否否否则则则则称称称称为为为为“反反反反常常常常ZeemanZee

21、manZeemanZeeman效应效应效应效应”实际结果：实际结果：原原子子中中电电子子除除了了可可以以有有轨轨道道角角动动量量还还可可能能具具有有其其它它的的角角动动量量，且且该该角角动动量量是是电电子子固固有的有的电子自旋电子自旋 Stern-Gerlach实验实验3、自旋磁矩、自旋磁矩2、自旋角动量的、自旋角动量的Z分量分量1、自旋角动量、自旋角动量4、自旋磁矩的、自旋磁矩的Z分量分量电子的自旋电子的自旋19471947年年,库什，库什，反常磁矩反常磁矩自旋不是机械运动，是自旋不是机械运动，是自旋不是机械运动，是自旋不是机械运动，是电子的一种自禀属性电子的一种自禀属性电子的一种自禀属性电

22、子的一种自禀属性。19291929年，狄拉克建立相对论量子力学并给出了相对年，狄拉克建立相对论量子力学并给出了相对论波动方程论波动方程假设电子是半径为：假设电子是半径为：机械运动的角动量：机械运动的角动量：总角动量和原子磁距总角动量和原子磁距总角动量总角动量单电子原子单电子原子的有效总磁矩的有效总磁矩多重态结构多重态结构的原子态的符号表示的原子态的符号表示单电子原子能级及光谱的精细结构单电子跃迁的选择定则氢原子光谱的精细结构超精细结构超精细结构u原子核的自旋 u电四极矩u同位数效应自旋量子数为0或者1/2的原子核，电四极矩为零，电子总角动量为0或1/2的原子，其核外电子在原子核处产生的电场梯度

23、为零，这两种情况都不存在电四极矩引起的超精细结构相互作用同一元素的不同同位素氦原子的能级有以下特点氦原子的能级有以下特点1、两套能级。一套能级是单层的，而另一套有三层结构。与这两套能级相对应的原子多重态称作单态和三重态。在实验观测的光谱中未发现存在三重态和单态之间的跃迁，这说明在两套能级间没有跃迁，只是由每套能级各自的跃迁产生了相应的两套光谱线系 2、基态和第一激发态之间的能量差很大，约为19.8eV，而且氦的电离能是所有元素中最大的，其值为24.58eV 3、三重态的能级总是低于相应的单态的能级。例如4、n=1的原子态不存在三重态 如果氦原子被激发到这两个状态，则通过辐射跃迁到基态的几率是极

24、小的，这两个能级的寿命很长 多电子原子多电子原子波函数仍可以用量子数ni，li，mli等描述，能量由ni，li 决定如果Hamilton方程的解可以解出，就得到0级近似下的解i0通过该波函数可得能量修正Ei1球对称中心力场近似原子中各个电子的状态量子数原子中各个电子的状态量子数n，l合起来就称作电子组态合起来就称作电子组态电子组态电子组态价电子间的相互作用价电子间的相互作用LS耦合两个电子间的自旋轨道相互作用弱得多，可以忽略对于其余的相互作用，可以分不同的情况进行处理采用耦合的方法处理耦合所形成的能级单重态单重态三重态三重态正正常常次次序序正正常常次次序序倒倒转转次次序序洪特洪特(Hund)规

25、则（规则（1925年）年）u从同一电子组态所形成的能级中（1）L相同的能级，S大的能级位置较低；（2）S同的能级中，L大的能级位置较低u对于相同L和S的能级，J不同，能级位置也不同。如果J大的能级位置较高，称作正常次序正常次序 如果J大的能级位置较低，称作倒转次序倒转次序1927年洪特又提出了附加规则年洪特又提出了附加规则对于同一支壳层的同科电子，如果电子数不足或等于满支对于同一支壳层的同科电子，如果电子数不足或等于满支壳层电子数的一半，总角动量子数壳层电子数的一半，总角动量子数J越小能级越低，称为越小能级越低，称为正常次序；如果电子数超过满支壳层电子数的一半，总角正常次序；如果电子数超过满支

26、壳层电子数的一半，总角动量量子数动量量子数J越大能级越低，称为倒转次序。越大能级越低，称为倒转次序。Land间隔定则在多重态中，一对相邻的能级之间的间隔与有关的两个J之中较大的那个值成正比在LS耦合下，自旋轨道相互作用所引起的附加能量为所引起的能级移动为相邻能级间隔jj耦合每一个电子的自旋轨道作用较强每一个电子的自旋角动量与轨道角动量合成为各自电子的总角动量两个电子的总角动量合成原子的总角动量 Pauli不相容原理不相容原理全同粒子：全同粒子：内禀属性完全相同的粒子内禀属性完全相同的粒子全同粒子的交换对称性全同粒子的交换对称性Pauli不相容原理不相容原理如果将任何两个电子相互交换，则原子（系

27、如果将任何两个电子相互交换，则原子（系统）的状态不发生任何变化，这种特性被称统）的状态不发生任何变化，这种特性被称作作全同性原理全同性原理等效电子的原子态1、n，l相同的电子称作等效电子，或同科电子2、等效电子形成原子态时，必须考虑Pauli原理的限制。两个同科电子，可能形成的原子态为两个同科电子，可能形成的原子态为两个同科电子，可能形成的原子态为两个同科电子，可能形成的原子态为L+S=L+S=偶数偶数偶数偶数的状态的状态的状态的状态同科电子原子态的简单规则同科电子原子态的简单规则元素的周期律元素的周期律元素的周期律元素的周期律元元元元素素素素的的的的物物物物理理理理、化化化化学学学学性性性性

28、质质质质随随随随着着着着原原原原子子子子序序序序数数数数的的的的变变变变化化化化呈呈呈呈现现现现出出出出周周周周期期期期性性性性的的的的规律规律规律规律19251925年年年年泡泡泡泡利利利利不不不不相相相相容容容容原原原原理理理理提提提提出出出出后后后后，对对对对元元元元素素素素性性性性质质质质的的的的周周周周期期期期性性性性有有有有了了了了明明明明确确确确的的的的认认认认识识识识：主主主主要要要要来来来来源源源源于于于于原原原原子子子子中中中中电电电电子子子子组组组组态态态态的的的的周周周周期期期期性性性性，而而而而电电电电子子子子组组组组态态态态的的的的周周周周期期期期性性性性和和和和特

29、特特特定定定定壳壳壳壳层层层层上上上上可可可可容容容容纳纳纳纳的的的的电电电电子子子子数数数数有有有有关关关关。周周周周期期期期性性性性是是是是原原原原子子子子结构规律的表现结构规律的表现结构规律的表现结构规律的表现原子的壳层结构原子的壳层结构1s1s2s 2p2s 2p3s 3p 3d3s 3p 3d4s 4p 4d 4f4s 4p 4d 4f5s 5p 5d5s 5p 5d6s 6p6s 6p7s7s经验规律经验规律经验规律经验规律：支壳层能量随它的量子：支壳层能量随它的量子数数(n+ln+l)值的增大而增大；当值的增大而增大；当(n+ln+l)值值相同时，相同时，n n较大的能级较高较大

30、的能级较高外磁场中原子能级的分裂外磁场中原子能级的分裂多电子原子的有效总磁矩多电子原子的有效总磁矩多电子原子的有效总磁矩多电子原子的有效总磁矩LSLS耦合的耦合的耦合的耦合的LandLand因子因子因子因子形式上与单电子一样形式上与单电子一样根据耦合之后所形成的原子态，可以得到根据耦合之后所形成的原子态，可以得到根据耦合之后所形成的原子态，可以得到根据耦合之后所形成的原子态，可以得到g g因子的数值因子的数值因子的数值因子的数值总角动量在磁总角动量在磁总角动量在磁总角动量在磁场方向的分量场方向的分量场方向的分量场方向的分量外磁场中原子能级的分裂外磁场中原子能级的分裂在在在在外外外外磁磁磁磁场场场场中中中中，总总总总角角角角动动动动量量量量的的的的空空空空间间间间取取取取向向向向是是是是量量量量子子子子化化化化的的的的；或或或或者者者者说说说说总总总总角动量在磁场方向的分量是量子化的角动量在磁场方向的分量是量子化的角动量在磁场方向的分量是量子化的角动量在磁场方向的分量是量子化的精品课件精品课件！精品课件精品课件！单电子跃迁的选择定则单电子跃迁的选择定则单电子跃迁的选择定则单电子跃迁的选择定则多电子跃迁的选择定则多电子跃迁的选择定则多电子跃迁的选择定则多电子跃迁的选择定则辐射跃迁的选择定则辐射跃迁的选择定则