原子物理.ppt

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1、l4.14.1 碱金属原子光谱与能级碱金属原子光谱与能级 l主线系，第一辅线系，第二辅线系和柏格曼系主线系，第一辅线系，第二辅线系和柏格曼系 l图图4.1.14.1.1 锂原子的光谱线系锂原子的光谱线系 3/8/20231张延惠 原子物理l与氢光谱的情形类似，里德伯研究出碱金属原子光谱的波数与氢光谱的情形类似，里德伯研究出碱金属原子光谱的波数也可以表达为二项差也可以表达为二项差 l碱金属原子光谱各谱线波数可一般性地表示为碱金属原子光谱各谱线波数可一般性地表示为 l4.4.4.4.1 1l4.4.24.4.2l4.4.34.4.33/8/20232张延惠 原子物理3/8/20233张延惠 原子物

2、理l图图4.1.24.1.2锂原子锂原子能级图能级图 l4.1.44.1.43/8/20234张延惠 原子物理lLiLi 原子各线系波数写为原子各线系波数写为 3/8/20235张延惠 原子物理l钠原子四个线系的波数的表示式为钠原子四个线系的波数的表示式为 3/8/20236张延惠 原子物理l4.2.14.2.1 碱金属原子的价电子模型碱金属原子的价电子模型 3/8/20237张延惠 原子物理l4.2.2 4.2.2 原子实极化和轨道贯穿原子实极化和轨道贯穿l 1.1.原子实的极化原子实的极化l2.2.价电子轨道贯穿价电子轨道贯穿 l图图4.2.3 4.2.3 原原子子实实极极化化示示意意图图

3、 图图4.2.4 4.2.4 价价电电子子的的轨轨道道运运动动3/8/20238张延惠 原子物理l4.2.34.2.3 碱金属原子光谱和能级的形成碱金属原子光谱和能级的形成 3/8/20239张延惠 原子物理l4.2.4 4.2.4 跃迁选择定则跃迁选择定则 l式式(4.2.5)(4.2.5)和和式式(4.2.6)(4.2.6)表表明明，跃跃迁迁过过程程必必须须改改变变原原子子的的宇宇称称状状态态，即即原原先先为为偶偶宇宇称称态态的的原原子子，在在跃跃迁迁后后将将处处于于奇奇宇宇称称态态，反反之之，亦亦然然。两两个个偶偶宇宇称称态态之之间间或或两两个个奇奇宇宇称称态态之之间间都都不不会会发发生

4、跃迁。因此，式生跃迁。因此，式(4.2.5)(4.2.5)相当于宇称选择定则相当于宇称选择定则 l4.2.54.2.5l4.2.64.2.63/8/202310张延惠 原子物理l4.34.3 碱金属原子光谱的精细结构碱金属原子光谱的精细结构 l图图4.3.14.3.1 谱线的精细结构谱线的精细结构 3/8/202311张延惠 原子物理l分析分析S p d fS p d f2 23 34 43/8/202312张延惠 原子物理l4.44.4 史特恩史特恩盖拉赫实验盖拉赫实验 l史史特特恩恩(O OStern)Stern)和和盖盖拉拉赫赫(W WGerlachGerlach)在在19211921年

5、年第第一一次次通通过过实实验验直直接接证证明明了了原原子子在在外外场场中中角角动动量量空空间间取取向向的的量量子子化化现现象象。角角动量的空间取向与原子磁矩的空间取向有着密切的联系。动量的空间取向与原子磁矩的空间取向有着密切的联系。l4.4.14.4.1电子轨道运动的磁矩电子轨道运动的磁矩 l图图4.4.1 4.4.1 电流产生的磁矩电流产生的磁矩 l4.4.14.4.1l4.4.4.4.2 23/8/202313张延惠 原子物理l4.4.34.4.3l为为玻玻尔尔磁磁子子，是是轨轨道道磁磁矩矩的的最最小小单单元元。它它是是原原子子物物理理学学中中一重要常数。一重要常数。l4.4.44.4.4

6、3/8/202314张延惠 原子物理l由于原子具有磁矩，因此，它在外磁场中将受到力矩的作用由于原子具有磁矩，因此，它在外磁场中将受到力矩的作用 l图图4.4.4.4.2 M使使转向转向B B的方向的方向 l4.4.64.4.63/8/202315张延惠 原子物理l4.4.24.4.2 史特恩史特恩-盖拉赫实验盖拉赫实验 l图图4.4.3 4.4.3 史特恩史特恩-盖拉赫实验的仪器示意图盖拉赫实验的仪器示意图3/8/202316张延惠 原子物理NS准直屏准直屏原子炉原子炉磁磁 铁铁3/8/202317张延惠 原子物理3/8/202318张延惠 原子物理史特恩正在观测史特恩正在观测银原子束通过非均

7、匀银原子束通过非均匀磁场时将分裂成两束磁场时将分裂成两束3/8/202319张延惠 原子物理l是是磁磁矩矩与与磁磁场场方方向向的的夹夹角角，zz是是磁磁矩矩在在磁磁场场方方向向的的分分量量。当当900F0，即即力力是是沿沿着着磁磁场场方方向向的的；当当9090，F0F9090，E0E0，故故能能级级较较高高；j j值值较较小小的的(j=1/2j=1/2，9090，E0E0，故故能能级较低，这样构成双层能级。级较低，这样构成双层能级。l4.6.24.6.2 电子自旋与轨道运动的相互作用能电子自旋与轨道运动的相互作用能 l图图4.6.34.6.3电子在轨道电子在轨道运动中如何运动中如何感受磁场的感

8、受磁场的示意图示意图 l4.6.34.6.33/8/202329张延惠 原子物理3/8/202330张延惠 原子物理l按照毕奥按照毕奥萨伐尔定律，电子感受的磁场强度应等萨伐尔定律，电子感受的磁场强度应等于于 l4.6.44.6.4l4.6.54.6.5l4.6.64.6.63/8/202331张延惠 原子物理l把把(4.5.7)(4.5.7)、(4.6.5)(4.6.5)、(4.6.6)(4.6.6)三式代入三式代入(4.6.3)(4.6.3)式，就得式，就得 l4.6.74.6.7l4.6.84.6.8l4.6.94.6.93/8/202332张延惠 原子物理l4.6.104.6.10l4.

9、6.114.6.113/8/202333张延惠 原子物理l讨论：讨论：3/8/202334张延惠 原子物理l4.6.34.6.3碱金属原子态的符号碱金属原子态的符号l表表4.6.14.6.1碱金属原子态的符号碱金属原子态的符号 3/8/202335张延惠 原子物理3/8/202336张延惠 原子物理3/8/202337张延惠 原子物理l例例题题4.6.14.6.1钾钾原原子子的的共共振振线线具具有有双双线线结结构构，波波长长分分别别为为766.4766.4nmnm和和769.9769.9nm.nm.试试计计算算的的相相应应的的双双层层P P能能级级的的间间隔隔，并并估估计电子轨道运动所产生的磁

10、感应强度。计电子轨道运动所产生的磁感应强度。l解：解：l于于电电子子的的轨轨道道运运动动，在在固固定定于于电电子子的的坐坐标标系系中中观观察察，原原子子实实绕绕着着电电子子运运动动，因因而而感感受受到到存存在在一一个个磁磁场场B Bl l。相相对对于于这这个个磁磁场场，电电子子自自旋旋有有两两种种取取向向，它它在在B Bl l方方向向的的分分量量szszB B，故故电电子子自旋和轨道运动的相互作用能自旋和轨道运动的相互作用能 3/8/202338张延惠 原子物理l4.7 4.7 氢原子光谱的精细结构与兰姆移位氢原子光谱的精细结构与兰姆移位l实实验验已已发发现现氢氢原原子子光光谱谱和和碱碱金金属

11、属原原子子光光谱谱类类似似，也也呈呈现现精精细细结结构构。但但由由于于氢氢原原子子不不存存在在轨轨道道贯贯穿穿和和极极化化现现象象，因因而而它它的的自自旋旋轨轨道道耦耦合合能能ElsEls比比碱碱金金属属原原子子小小很很多多，与与其其相相对对论论效效应应导导致致的的附附加加能能ErEr同同数数量量级级。所所以以在在研研究究了了碱碱金金属属原原子子光光谱谱精精细细结结构构之之后后，再来讨论氢原子光谱精细结构的问题。再来讨论氢原子光谱精细结构的问题。3/8/202339张延惠 原子物理3/8/202340张延惠 原子物理3/8/202341张延惠 原子物理(1)(1)当当l=0l=0时时，(4.7

12、.7)(4.7.7)式式中中只只有有一一个个j j值值，故故能能级级只只是是向向下下移移动动而而不不发生分裂，并且随发生分裂，并且随n n的增大，这种移动迅速减小。的增大，这种移动迅速减小。(2)(2)当当l0l0时，时，(4.7.7)(4.7.7)式中每一个式中每一个j j联系着两个联系着两个l l，可见具有相同可见具有相同n n值值及相同及相同j j值，而具有不同值，而具有不同l l值的能值的能级是简并的。例如，级是简并的。例如，2 2 2 2P P 1 12 2与与2 2 2 2S S 1 12 2能量相同；能量相同；3 32 2D D 3 32 2与与3 32 2P P 3 32 2能

13、量亦相同。能量亦相同。这一点与碱金属原子的情况不同。这一点与碱金属原子的情况不同。(3)(3)精细结构能量与精细结构能量与n n3 3成反比，也成反比，也随随j(j(或或l)l)的增加而减小。的增加而减小。3/8/202342张延惠 原子物理l4.7.24.7.2氢原子光氢原子光谱的精细结构谱的精细结构 l图图4.7.24.7.2巴耳末线巴耳末线系第一谱线的能级系第一谱线的能级跃迁图跃迁图 l4.7.34.7.3 兰姆移位兰姆移位 3/8/202343张延惠 原子物理四个量子数小结四个量子数小结名名 称称 取取 值值 物物 理理 意意 义义 电子能量的主体电子能量的主体确定的能级确定的能级 角动量的可角动量的可能取值能取值 对总能量有一定对总能量有一定影响影响主量子数主量子数角量子数角量子数自旋磁量自旋磁量子数子数磁量子磁量子数数谱线精细结构谱线精细结构“轨道轨道”角动量在磁场角动量在磁场中可能的取向中可能的取向 能级分能级分裂裂3/8/202344张延惠 原子物理3/8/202345张延惠 原子物理