原子物理学第5章多电子原子资料优秀PPT.ppt

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1、教材教材:原子物理学原子物理学,杨福家杨福家,高教社高教社,2008,2008第四版第四版Manufacture:Zhu Qiao ZhongZhu Qiao Zhong多电子原子多电子原子第五章第五章More electronic AtomicMore electronic Atomic Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong 之前我们介绍了单电子原之前我们介绍了单电子原子和碱金属原子的光谱及其子和碱金属原子的光谱及其规律规律,同时对形成光谱的能同时对形成光谱的能级作了探讨级作了探讨.对于碱金属原对于碱金属原子来说子来说,价电

2、子起了重要的价电子起了重要的作用作用,它几乎在演它几乎在演“独角戏独角戏”.多电子原子中多电子原子中,电子不仅电子不仅受原子核的作用受原子核的作用,还要受其还要受其它电子的作用它电子的作用,因此相当于因此相当于众多演员共演一台戏众多演员共演一台戏.这时这时原子的能级和光谱如何原子的能级和光谱如何?这正是本章要探讨的问题这正是本章要探讨的问题.2第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong单单电子近似法电子近似法单粒子近似法单粒子近似法:将电子所受到的其它电子和原子核的库仑作用将电子所受到的其它电子和原子核的库

3、仑作用折合为一个等效的单电子势折合为一个等效的单电子势.(中心力场中心力场)在多电子原子体系中在多电子原子体系中,电子间的库仑相互作用很难处理电子间的库仑相互作用很难处理.在分在分析时析时,通常接受单电子近似法通常接受单电子近似法(模型模型).单原子体系单原子体系:原子实原子实+1个价电子个价电子 双原子体系双原子体系:原子实原子实+2个价电子个价电子3第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong1868.8.18,在太阳日珥光谱在太阳日珥光谱中中 视察到黄色视察到黄色D3线线,从而发觉从而发觉了氦了氦.30

4、年后在地球矿物中找到年后在地球矿物中找到.D3线是三重态第一辅线系第线是三重态第一辅线系第一条线一条线.用高辨别仪器可知黄色用高辨别仪器可知黄色D3线的三成分线的三成分.5-1氦光谱和能级氦光谱和能级原子光谱是原子在两能级间跃迁产生的原子光谱是原子在两能级间跃迁产生的.由氦光谱可推想氦能由氦光谱可推想氦能级分为两套级分为两套:单态的仲氦和三重态的正氦单态的仲氦和三重态的正氦.元素周期表其次族元素周期表其次族(碱土金属碱土金属)元素元素Be、Mg、Ca、Sr、Ba的光谱都与氦有相同的线系结构的光谱都与氦有相同的线系结构.由此可知能级和光谱的形成都由此可知能级和光谱的形成都是是2个价电子各种相互作

5、用引起的个价电子各种相互作用引起的.原子实原子实+2+2个价电子个价电子4第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong氦原子的能级和谱线氦原子的能级和谱线n654321E/eV28.5820.5519.77黄色黄色D3D3线线单态单态(仲氦仲氦)三重态三重态(正氦正氦)59.16nm(Ne)单态处于远紫外区单态处于远紫外区单态处于远紫外区单态处于远紫外区,三重态处于紫外区三重态处于紫外区三重态处于紫外区三重态处于紫外区 可见区可见区可见区可见区红外区红外区红外区红外区1）明显地分成两套彼此独立的线系;2）基态

6、与第一激发态间能量相差很大;3）存在几个亚稳态,表明某种选择规则限制了这些态以自发辐射的形式发生衰变;4）在三层结构那套能级中不存在1s.1s3S1能级.说明说明:此图末完全按比例作此图末完全按比例作5第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong氦原子的能级和谱线氦原子的能级和谱线6第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong5-25-2电子组态和原子态电子组态和原子态1.1.电子组态电子组态:原子中两个价电子状态的组合原子

7、中两个价电子状态的组合描述一个电子状态的四个量子数描述一个电子状态的四个量子数:考虑电子的自旋考虑电子的自旋-轨道相互作用轨道相互作用,ml、ms不再有确定值不再有确定值,则描述则描述电子状态的量子数为电子状态的量子数为:由于轨道运动的能量只取决于量子数由于轨道运动的能量只取决于量子数n 和和l,所以常用所以常用n ln l 来标来标记电子状态记电子状态.例如例如:基态氢原子基态氢原子,电子处于电子处于n=1,l=0的状态的状态,记为记为1s;基态氦原子基态氦原子,两个电子都处于两个电子都处于1s 态态,记为记为1s1s 或或1s 2;若一个原子有若一个原子有3个电子个电子,其中两个处在其中两

8、个处在n=2,l=0 的状态的状态,另一个另一个处在处在n=2,l=1 的状态的状态,则电子组态为则电子组态为2s22p.7第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong在给定的电子组态中在给定的电子组态中,各电子的轨道角动量大小确定各电子的轨道角动量大小确定,但其轨道但其轨道角动量和自旋角动量的角动量和自旋角动量的方向不确定方向不确定方向不确定方向不确定.因此每因此每一个电子组态可耦合一个电子组态可耦合一个电子组态可耦合一个电子组态可耦合成若干原子态成若干原子态成若干原子态成若干原子态.如镁原子第一激发态的电

9、子组态是如镁原子第一激发态的电子组态是 3s3p,可以形可以形成成3P2,1,0和和1P1四种原子态四种原子态.同一个原子的不同电子组态同一个原子的不同电子组态,有不同的能量有不同的能量,有时能量差别很有时能量差别很大大.若主量子数若主量子数n有变更有变更,能量差异会很显著能量差异会很显著.如氦原子第一激发如氦原子第一激发态电子组态是态电子组态是1s2s,与基态与基态1s1s的能量相差很大的能量相差很大,有有19.77eV,这是这是由于一个电子的主量子数增加引起的由于一个电子的主量子数增加引起的.8第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufactu

10、re:Zhu Qiao Zhong例例:处于基态的氦原子处于基态的氦原子n=1,电子组态为电子组态为1s1s或或1s2.但对应于不同但对应于不同的的n和和l,它可能的状态有多个它可能的状态有多个.详见下图示详见下图示.9第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong 两个价电子都有轨道运动和自旋运动两个价电子都有轨道运动和自旋运动,这四种运动都会产生磁这四种运动都会产生磁场场,从而对其它运动发生影响从而对其它运动发生影响.两个价电子间可有两个价电子间可有6 6种耦合方式种耦合方式:2.2.两个价电子间的相互作用

11、两个价电子间的相互作用6种耦合的强弱不等种耦合的强弱不等,一般状况一般状况下下G5、G6较弱较弱,可不考虑可不考虑.10第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong 3.LS3.LS耦合的原子态耦合的原子态LS耦合耦合:G1、G2较较G3、G4 强得多时强得多时.主要的耦合作用发主要的耦合作用发生在不同电子之间生在不同电子之间.LS耦合对于较轻元素的低耦合对于较轻元素的低激发态成立激发态成立,适用性较广适用性较广.L-S耦合的矢量图耦合的矢量图L1L2LS2S1SJ11第五章多电子原子：泡利原理Manufac

12、ture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong12第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong结论结论结论结论:具有两个价电子的原子都有单态和三重态的能级结构具有两个价电子的原子都有单态和三重态的能级结构具有两个价电子的原子都有单态和三重态的能级结构具有两个价电子的原子都有单态和三重态的能级结构.13第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong例例:原子有两个价电子原子有两个价电子

13、,其角动量状态分别为其角动量状态分别为用用L-S耦合确定其原子态耦合确定其原子态.解解:总自旋量子数总自旋量子数S0,1;L1,2,3.当当S0时时,JL1,2,3,原子态为原子态为当当S1,L1时时,原子态为原子态为当当S1,L2时时,原子态为原子态为当当S1,L3时时,原子态为原子态为共有共有12种可能的种可能的原子态原子态:14第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong4.jj耦合组成的原子态耦合组成的原子态jj耦合耦合:G3、G4较较G5、G6强得多时强得多时.jj 耦合较少见耦合较少见,只在较重只

14、在较重元素的激发态中出现元素的激发态中出现.j-j耦合的矢量图耦合的矢量图l1s1j1l2s2j2J15第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong16第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhongl1s1j1l2s2j2J第第i个电子的总角动量为个电子的总角动量为:总量子数：总量子数：jj耦合组成的原子态耦合组成的原子态:例例:pd电子组态形成的也是电子组态形成的也是12种可种可能的原子态能的原子态:17第五章多电子原子：泡

15、利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong对于多电子耦合的状况可记为对于多电子耦合的状况可记为:结论结论结论结论1 1）同一电子态）同一电子态,LS,LS耦合或耦合或jjjj耦合形成的原子态的数耦合形成的原子态的数目相等目相等.即原子态的数目完全由电子的组态确定即原子态的数目完全由电子的组态确定.2 2）两个电子组合耦合后的状态总是分为两类）两个电子组合耦合后的状态总是分为两类:对应对应于自旋平行的三重态和对应于自旋反平行的单态于自旋平行的三重态和对应于自旋反平行的单态.18第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Z

16、hu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong5.两个角动量耦合的一般法则两个角动量耦合的一般法则以轨道角动量为例以轨道角动量为例.若若l1l2,则则L共有共有(2l2+1)个取值个取值.由此可知由此可知,对于对于2个电子个电子,有几个可能的轨道总角动量有几个可能的轨道总角动量.L的取值为什么会是这样的呢的取值为什么会是这样的呢?以一个简洁的例子加以说明以一个简洁的例子加以说明.19第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong例例:两个电子的角动量量子数为两个电子的角动量量子数

17、为:因角动量相加只要将其投影值相加即可因角动量相加只要将其投影值相加即可,所以所以ml1的的3个取值依个取值依次同次同ml2的的3个取值相加个取值相加,其结果如下图示其结果如下图示.由此图知由此图知,l 的取值的确是的取值的确是20第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong6.电子组态变动的跃迁选择定则电子组态变动的跃迁选择定则电子在不同状态间的跃迁必需遵循确定的选择定则电子在不同状态间的跃迁必需遵循确定的选择定则.依据电子波函数的表示式依据电子波函数的表示式,量子态的宇称是由电子的轨道量子量子态的宇称是由

18、电子的轨道量子数数l确定的确定的,对于多电子体系对于多电子体系,量子态的宇称是由各电子的轨道量量子态的宇称是由各电子的轨道量子数之和子数之和li确定的确定的.l li i 为偶为偶(奇奇)数时原子具有偶数时原子具有偶(奇奇)宇称宇称.辐射跃迁只能辐射跃迁只能在不同的宇称态之间发生在不同的宇称态之间发生.即即:偶宇称态偶宇称态偶宇称态偶宇称态 奇宇称态奇宇称态奇宇称态奇宇称态但计算但计算li较困难较困难,所以在实际操作中用此法进行判定很麻烦所以在实际操作中用此法进行判定很麻烦.在实际应用中在实际应用中,通常依据选择定则进行推断通常依据选择定则进行推断.21第五章多电子原子：泡利原理Manufac

19、ture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao ZhongLSLS耦合的选择定则耦合的选择定则jjjj耦合的选择定则耦合的选择定则耦合的选择定则耦合的选择定则试验中视察到的放射谱和吸试验中视察到的放射谱和吸取谱取谱,一般都遵从今选择定则一般都遵从今选择定则.在量子力学中在量子力学中,波函数经过空间反演后波函数经过空间反演后宇称守恒定律宇称守恒定律:孤立体系的宇称不会从偶性变为奇性孤立体系的宇称不会从偶性变为奇性,或作相反的变更或作相反的变更.22第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao

20、 Zhong选择规则确定原子的能谱选择规则确定原子的能谱.氦的两个价电子的原子态有单态氦的两个价电子的原子态有单态(S=0)和三重态和三重态(S=1)两类两类,选择定则选择定则S=0要求两类能级之间不要求两类能级之间不能发生跃迁能发生跃迁,因而产生两套谱线系因而产生两套谱线系.产生单重线的叫仲氦产生单重线的叫仲氦产生单重线的叫仲氦产生单重线的叫仲氦,产生多重线的叫正氦产生多重线的叫正氦产生多重线的叫正氦产生多重线的叫正氦.仲氦是两电子自旋取向相反仲氦是两电子自旋取向相反仲氦是两电子自旋取向相反仲氦是两电子自旋取向相反(S=0)(S=0)的氦原子的氦原子的氦原子的氦原子.正氦是两电子自旋取向相同

21、正氦是两电子自旋取向相同正氦是两电子自旋取向相同正氦是两电子自旋取向相同(S=1)(S=1)的氦原子的氦原子的氦原子的氦原子.氦原子之间可通过相互碰撞来交换能量氦原子之间可通过相互碰撞来交换能量,不必听从选择规则不必听从选择规则,故正常的氦气是正氦与仲氦的混合故正常的氦气是正氦与仲氦的混合.对氦光谱的进一步探讨对氦光谱的进一步探讨23第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong5-3 泡利不相容原理泡利不相容原理1.历史回顾历史回顾为为什么每一什么每一轨轨道上只能放有限数目道上只能放有限数目电电子子?玻玻尔尔

22、:“只有当只有当电电子和子和谐时谐时,才可能接受具有才可能接受具有相同量子数的相同量子数的电电子子”,否否则则就就“厌恶厌恶接受接受”.泡利泡利,(1900-1958),美籍奥美籍奥地利人地利人,获获1945年度诺奖年度诺奖泡利于泡利于1921年涉足原子内电子的填充问题年涉足原子内电子的填充问题.1925年提出不相容原理年提出不相容原理,使玻尔对元素周期使玻尔对元素周期系的说明有了坚固基础系的说明有了坚固基础.1940年泡利又证明白不相容原理对自旋为半整数的粒子而言年泡利又证明白不相容原理对自旋为半整数的粒子而言,是相对论性波动方程的必定结果是相对论性波动方程的必定结果.泡利是索末菲的学生泡利

23、是索末菲的学生,后师从玻尔作博士后的探讨后师从玻尔作博士后的探讨.在科学界因在科学界因勇于提出尖锐指责勇于提出尖锐指责,被称为被称为“上帝的鞭子上帝的鞭子”.24第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong 1924年提出宇称概念年提出宇称概念,大量大量试验证试验证明宇称守恒定律正确明宇称守恒定律正确.其本其本质质是物理是物理规规律的空律的空间间反反演不演不变变性性(表明世界是左右表明世界是左右对对称的称的,左右左右对对称的称的过过程都同程都同样样能能发发生生,不能不能说说那种更那种更优优先先)1950年前后

24、年前后,试验试验中中发觉发觉了所了所谓谓的奇异粒子的奇异粒子K+,K0,K-,K,+,0,-,0,+奇异粒子的特点是奇异粒子的特点是:协协同同产产生生(通通过过强强相互作用相互作用),非非协协同衰同衰变变(通通过过弱相互作用弱相互作用);奇异粒奇异粒子子产产生生时时特特别别快速快速,而衰而衰变过变过程却很程却很缓缓慢慢.由此引出宇称不守恒的由此引出宇称不守恒的问题问题.1956年年,奇异粒子奇异粒子-问题问题中中发觉发觉宇称守恒有宇称守恒有问题问题.二者的二者的质质量、量、电电荷、自旋、半衰荷、自旋、半衰期等都完全相同期等都完全相同.杨杨振宁振宁,李政道李政道经细经细致的分析探致的分析探讨讨,

25、提出了弱相互作用提出了弱相互作用过过程中宇称不守程中宇称不守恒的假恒的假说说,并指出可通并指出可通过试验过试验予以予以检验检验.宇称不守恒的提出是宇称不守恒的提出是对传统观对传统观念的挑念的挑战战,曾受到很多人的反曾受到很多人的反对对,泡利是其中一位泡利是其中一位.泡利泡利治学治学严谨严谨,擅擅长发觉长发觉科学理科学理论论中的中的问题问题.但他不信任弱作用下宇称会不守恒但他不信任弱作用下宇称会不守恒,1957年初他年初他给别给别人写信道人写信道“我不信任上帝会在弱作用中偏向左手我不信任上帝会在弱作用中偏向左手,我敢打一笔很大的我敢打一笔很大的赌赌注注”.1957年年,吴健雄等做了吴健雄等做了这

26、这一一试验试验（60Co的的衰衰变试验变试验）,证证明白上述假明白上述假说说.杨杨振宁、李政道同振宁、李政道同获获1957年年诺贝诺贝尔尔物理学物理学奖奖.1957年吴健雄的年吴健雄的试验结试验结果公布后果公布后,泡利泡利说说：幸：幸亏亏没有人同我打没有人同我打赌赌,否否则则我就破我就破产产了了,现现在我只是在我只是损损失了一点荣誉失了一点荣誉,不不过过没关系没关系,我的荣誉已我的荣誉已经够经够多了多了.泡利泡利.轶事一则轶事一则25第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong在一个原子中不行能有两个或两个以

27、上的电子具有在一个原子中不行能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数（完全相同的四个量子数（n n、l l、mlml、msms）,即原子中的即原子中的每一个状态只能容纳一个电子每一个状态只能容纳一个电子.2.泡利不相容原理泡利不相容原理更一般的表述更一般的表述:在费米子在费米子(自旋为自旋为/2/2的奇数倍的微粒的奇数倍的微粒.如电子、质子、中子如电子、质子、中子)组成的系统中组成的系统中,不能有两个或更不能有两个或更多的粒子处于完全相同的状态多的粒子处于完全相同的状态.泡利不相容原理是微观粒子运动的基本规律之一泡利不相容原理是微观粒子运动的基本规律之一.利用它可说明原子内部的电子分布

28、状况和元素周期律利用它可说明原子内部的电子分布状况和元素周期律.这种严格排斥性的物理本质是什么这种严格排斥性的物理本质是什么?至今仍是个谜至今仍是个谜.26第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong3.泡利不相容原理的应用泡利不相容原理的应用1）氦原子的基态）氦原子的基态按按LS耦合规则耦合规则,氦的基态应有氦的基态应有1S0和和3S1 两个态两个态,但事实上只但事实上只有有1S0(基态基态).这是因为两个电子的这是因为两个电子的n、l、ml 相同相同,但但ms 必定不必定不能相同之故能相同之故,不行能出现

29、三重态不行能出现三重态3S1.*两两电电子子为为何何“宠爱宠爱”自旋平行自旋平行?对对于同科于同科电电子子,n,l相同相同,电电子取平行自旋子取平行自旋时时ms相同相同,据泡利原理据泡利原理,ml必定不同必定不同,即空即空间间取向不同取向不同.这这是因是因为电为电子相互排斥子相互排斥,相距越相距越远远势势能越低能越低,体系越体系越稳稳定定 对对于非同科于非同科电电子子,由于泡利原理由于泡利原理,三重三重态态(S=1)的两个的两个电电子不能子不能靠靠拢拢,相互排斥小相互排斥小,体系体系稳稳定定27第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture

30、:Zhu Qiao Zhong2）原子的大小）原子的大小玻尔曾认为原子的半径随玻尔曾认为原子的半径随Z Z的增大而减小的增大而减小(Z(Z增大增大,核外电子受核外电子受到的引力增大导致离核的距离减小到的引力增大导致离核的距离减小).).但这是错误的但这是错误的.据泡利原理据泡利原理,虽然第一层的轨道半径小了虽然第一层的轨道半径小了,但轨道层数增加了但轨道层数增加了,原原子的大小随子的大小随Z的变更甚微的变更甚微.所以原子的大小几乎都一样所以原子的大小几乎都一样.28第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong

31、3）加热不能使金属内层电子获得能量）加热不能使金属内层电子获得能量要使金属底层电子得到能量而激发特别困难要使金属底层电子得到能量而激发特别困难,因为它旁边的能因为它旁边的能态已被占满态已被占满.而加热而加热1万万才能给电子约才能给电子约1eV的能量的能量,但事实上加但事实上加热到几百热到几百时时,金属的晶格点阵就被破坏而熔解了金属的晶格点阵就被破坏而熔解了.所以金属中所以金属中除最外层电子能从加热中得到少许能量外除最外层电子能从加热中得到少许能量外,其余能量均被核吸取其余能量均被核吸取了了.对金属加热过程中对金属加热过程中,核与核外电子得到的能量不匀整核与核外电子得到的能量不匀整,几乎全几乎全

32、由原子核得到由原子核得到.为什么？为什么？4）原子核内独立核子运动）原子核内独立核子运动按泡利原理按泡利原理,密度甚高的原子核内密度甚高的原子核内,基态旁边的状态均被占满基态旁边的状态均被占满,核子之间没有相互碰撞核子之间没有相互碰撞,表现为独立的运动表现为独立的运动.29第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong5)核子内的有色夸克核子内的有色夸克基本粒子中约基本粒子中约95%的粒子为强子的粒子为强子,强子强子的性质较有规律的性质较有规律,这说明强子的内部结构这说明强子的内部结构有相像之处有相像之处.在海

33、森堡的核子同位旋概念、坂田昌一在海森堡的核子同位旋概念、坂田昌一的强子内部对称性模型基础上的强子内部对称性模型基础上,美国的盖美国的盖尔曼和以色利的奈曼于尔曼和以色利的奈曼于1961提出对强子进提出对强子进行分类的八重法行分类的八重法.M.盖尔曼盖尔曼,美（美（1929-）“夸夸克之父克之父”,获获1969年度诺奖年度诺奖据其理论预言的重子据其理论预言的重子_于于1964年被试验所证明年被试验所证明.盖尔曼进一步提出夸克模型盖尔曼进一步提出夸克模型:用具有确定对称性的上夸克用具有确定对称性的上夸克(u)、下夸克下夸克(d)和奇异夸克和奇异夸克(s)替换了坂田模型中的三种粒子替换了坂田模型中的三

34、种粒子.30第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong说明说明:下面下面3 3种种夸克为反粒子夸克为反粒子具有相同性质的粒子具有相同性质的粒子具有相同性质的粒子具有相同性质的粒子必定成批出现必定成批出现必定成批出现必定成批出现依据已知的粒子性质可以依据已知的粒子性质可以依据已知的粒子性质可以依据已知的粒子性质可以预见尚未发觉的其它粒子预见尚未发觉的其它粒子预见尚未发觉的其它粒子预见尚未发觉的其它粒子.夸克模型成功地说明很多事实夸克模型成功地说明很多事实,把曾经很困难的问题简洁化了把曾经很困难的问题简洁化了.

35、夸克是自旋为夸克是自旋为/2的费米子的费米子,设这三个夸克均处于基态设这三个夸克均处于基态,当两个当两个夸克的自旋方向确定后夸克的自旋方向确定后,第三个夸克的取向必与前两个中的一个第三个夸克的取向必与前两个中的一个相同相同,这明显违反了泡利原理这明显违反了泡利原理.但这种危机并未发生但这种危机并未发生,这是因为基这是因为基于夸克有适当的全同粒子的对称性于夸克有适当的全同粒子的对称性,人们以红、绿、蓝三种颜色人们以红、绿、蓝三种颜色作为描写夸克量子状态的量子数（即三维自由度）作为描写夸克量子状态的量子数（即三维自由度）,解决了这一解决了这一问题问题,并由此生发了描述强相互作用的量子色动力学并由此

36、生发了描述强相互作用的量子色动力学.31第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong 同科电子同科电子:n和和l两个量子数相同的电子两个量子数相同的电子.通常可表示为通常可表示为nlm,m是是同科电子的个数同科电子的个数.例如例如:例如例如:而而 在经典物理学中在经典物理学中,两个粒子简洁区分两个粒子简洁区分,而在量子物理学中是办而在量子物理学中是办不到的不到的.全同电子不行能加以标记区分全同电子不行能加以标记区分,这是经典物理与量子物这是经典物理与量子物理的原则区分之一理的原则区分之一.分析听从泡利原理的电

37、子态的方法分析听从泡利原理的电子态的方法:斯莱特图解法斯莱特图解法(此略此略)由于受泡利原理的限制由于受泡利原理的限制,同科电子形成的原子态要少得多同科电子形成的原子态要少得多.这是这是因为一些可能的角动量状态因泡利不相容原理而被去除了因为一些可能的角动量状态因泡利不相容原理而被去除了.同科电子同科电子:n 和和 l 相同的电子相同的电子32第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong5-4He-Ne 激光器原理激光器原理 1917年年,爱因斯坦提出受激发光概念爱因斯坦提出受激发光概念,但到但到1955年才第

38、一次年才第一次实现微波受激放射实现微波受激放射,于于1960年第一次实现光的受激放射（第一年第一次实现光的受激放射（第一台台He-Ne 激光器原理诞生于激光器原理诞生于1960年）年）.自发发射自发发射自发吸收自发吸收受激发射受激发射当外来光子的能量恰好与两能级能量差相等时当外来光子的能量恰好与两能级能量差相等时,处于高能态的处于高能态的原子可能受其刺激而向低能级跃迁原子可能受其刺激而向低能级跃迁,同时放射出一个与外来光子同时放射出一个与外来光子完全相同的光子完全相同的光子.（频率、能量、相位、方向、偏振等）（频率、能量、相位、方向、偏振等）33第五章多电子原子：泡利原理Manufacture

39、:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong粒子数反转：粒子数反转：粒子数反转：粒子数反转：若能实现使激发态的原子数多于基态的原子数若能实现使激发态的原子数多于基态的原子数,则此时原子体系所处的状态不是统计平衡态则此时原子体系所处的状态不是统计平衡态.这种情形称为粒子这种情形称为粒子数反转或反转分布数反转或反转分布.光放大：光放大：光放大：光放大：只要有大量受激原子存在就会引起连锁反应只要有大量受激原子存在就会引起连锁反应,从而获从而获得频率、相位和方向完全相同的强光子流得频率、相位和方向完全相同的强光子流,所以少量入射光能激所以少量入射光能激发出大量的光

40、辐射发出大量的光辐射,表现为光放大表现为光放大,这种受激辐射光的放大即激这种受激辐射光的放大即激光光.获得激光的条件：获得激光的条件：获得激光的条件：获得激光的条件：1 1）有大量的处于某激发态的原子；）有大量的处于某激发态的原子；）有大量的处于某激发态的原子；）有大量的处于某激发态的原子；2 2）使连锁反应能充分进行）使连锁反应能充分进行）使连锁反应能充分进行）使连锁反应能充分进行.34第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong激光器一般由三个部分组成激光器一般由三个部分组成激励系激励系统统工作物工作物质

41、质光光谐谐振腔振腔激光激光输输出出激光器结构示意图激光器结构示意图（1）发光物质）发光物质:能实现粒子数反转的工作物质能实现粒子数反转的工作物质.（2）激励系统）激励系统:将各种能量转换为激光能量将各种能量转换为激光能量.通过强光照射工作通过强光照射工作物质而实现粒子数反转的方法称为光泵法物质而实现粒子数反转的方法称为光泵法.例如红宝石激光器是例如红宝石激光器是利用大功率的闪光灯照射红宝石而实现粒子数反转利用大功率的闪光灯照射红宝石而实现粒子数反转.造成产生激造成产生激光的条件光的条件;（3）光谐振腔）光谐振腔:最简洁的光学共最简洁的光学共振腔是由放置在氦氖激光器两端振腔是由放置在氦氖激光器两

42、端的两个相互平行的反射镜组成的两个相互平行的反射镜组成.一个反射率接近一个反射率接近100,即完全反即完全反射射.另一个反射率约为另一个反射率约为98,激光激光就是从后一个反射镜射出的就是从后一个反射镜射出的.35第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong左：第一台氦氖激光器左：第一台氦氖激光器下：梅曼下：梅曼Maiman（美）和第一台红（美）和第一台红宝石激光器（宝石激光器（694.3nm，1960.7）36第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufactur

43、e:Zhu Qiao ZhongHe-Ne激光器原理示意图激光器原理示意图E1E2基态基态激发态激发态HeHeE1E3基态基态亚稳态亚稳态NeNeE2自发辐射自发辐射光泵光泵光泵光泵632.8nm慢慢慢慢快快快快非稳态非稳态h h 碰撞交换碰撞交换碰撞交换碰撞交换(共振共振共振共振)37第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao ZhongHe-Ne激光器原理激光器原理（原子激发和辐射跃迁的实例）（原子激发和辐射跃迁的实例）（原子激发和辐射跃迁的实例）（原子激发和辐射跃迁的实例）E/eV212019181716.HeN

44、e(20.61eV)(20.66eV)微小的能微小的能量差由量差由He原子的热原子的热运动补偿运动补偿此跃迁寿命较长此跃迁寿命较长632.8nm632.8nm激光（红）激光（红）激光（红）激光（红）红外线红外线红外线红外线此跃迁寿命较短此跃迁寿命较短连锁反应：连锁反应：连锁反应：连锁反应：光辐射在光辐射在激光管中的多次反射激光管中的多次反射使每一个光子均有机使每一个光子均有机会与受激态的会与受激态的Ne原子原子作用作用,使其发生受激辐使其发生受激辐射放出同样的光子射放出同样的光子.He-Ne激光器连续激光器连续输出功率可达输出功率可达1W,寿命为寿命为1万万h.用气体放用气体放电电的方式的方式

45、,通通过过与与电电子的非子的非弹弹性碰撞性碰撞,使使He原子激原子激发发到两个到两个亚稳态亚稳态.处处于于亚稳态亚稳态1s2s1S0的的He原子与原子与处处于基于基态态的的Ne原子通原子通过过碰撞将能量碰撞将能量传递给传递给后者后者,使它被激使它被激发发到到与与He能能级级接近的接近的亚稳态亚稳态2p55s.处处于于亚稳态亚稳态的的Ne原原子数超子数超过过其其较较低能低能级级的原子数的原子数,形成粒子数反形成粒子数反转转,从而从而产产生生强强辐辐射射.38第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao ZhongHe-Ne

46、 激光器结构示意图激光器结构示意图全反射镜全反射镜全反射镜全反射镜(100%(100%反射反射反射反射)部分反射镜部分反射镜部分反射镜部分反射镜 (98%(98%反射反射反射反射)阳极阳极阳极阳极阴极阴极阴极阴极放电管放电管放电管放电管布儒斯特窗布儒斯特窗布儒斯特窗布儒斯特窗（石英片）（石英片）（石英片）（石英片）布儒斯特窗布儒斯特窗布儒斯特窗布儒斯特窗（石英片）（石英片）（石英片）（石英片）激光激光激光激光工作气体工作气体工作气体工作气体He-Ne激光器的阳极一般用钨棒制成激光器的阳极一般用钨棒制成,阴极一般用电子放射率阴极一般用电子放射率高的铝合金制成高的铝合金制成.一般将阴极做成圆筒状一

47、般将阴极做成圆筒状.39第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong激光的特点激光的特点1 1、高定向性：（一般为、高定向性：（一般为、高定向性：（一般为、高定向性：（一般为10-510-510-810-8球面度）球面度）球面度）球面度）2 2、高单色性、高单色性、高单色性、高单色性 单色性的表征量单色性的表征量单色性的表征量单色性的表征量 /可高达可高达可高达可高达1010101010131013；而较好的单色光；而较好的单色光；而较好的单色光；而较好的单色光源的单色性量值只有源的单色性量值只有源的单色性量

48、值只有源的单色性量值只有106106左右左右左右左右.3 3、高亮度、高亮度、高亮度、高亮度太阳发光亮度值大约为太阳发光亮度值大约为太阳发光亮度值大约为太阳发光亮度值大约为 L103 W/(cm2.sr)L103 W/(cm2.sr)数量级左右数量级左右数量级左右数量级左右;而目而目而目而目前大功率激光器的输出亮度前大功率激光器的输出亮度前大功率激光器的输出亮度前大功率激光器的输出亮度,可高达可高达可高达可高达L 1010L 10101017 W 1017 W/(cm2.sr)/(cm2.sr)数量级左右数量级左右数量级左右数量级左右.5 5、高相干性、高相干性、高相干性、高相干性空间相干性：

49、由其高定向性所确定；空间相干性：由其高定向性所确定；空间相干性：由其高定向性所确定；空间相干性：由其高定向性所确定；时间相干性：由其高定向性和高单色性所确定时间相干性：由其高定向性和高单色性所确定时间相干性：由其高定向性和高单色性所确定时间相干性：由其高定向性和高单色性所确定.40第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Qiao Zhong5-4元素周期表元素周期表1.元素性质的周期性元素性质的周期性门捷列夫于门捷列夫于1869年发觉年发觉,假如将元素按原子相对质量的大小依假如将元素按原子相对质量的大小依次排列次排列,则元素

50、的很多性质随着则元素的很多性质随着Z的增加呈明显的周期性变更的增加呈明显的周期性变更.在在此基础上他提出元素周期表此基础上他提出元素周期表.门捷列夫提出元素周期表时门捷列夫提出元素周期表时,人们只相识人们只相识62个元素个元素.最初的最初的周期表并不连贯周期表并不连贯,有有3个空位个空位.门捷列夫预言了这门捷列夫预言了这3个元素的个元素的性质性质.后来被分别找到后来被分别找到,它们是它们是:钪钪(Sc),镓镓(Ga)和锗和锗(Ge).门捷列夫门捷列夫,俄俄,(1834-1907)41第五章多电子原子：泡利原理Manufacture:Zhu Qiao ZhongManufacture:Zhu Q