第四章碱金属原子与电子自旋课件

原子物理学 一、碱金属原子的光谱一、碱金属原子的光谱二、碱金属原子光谱的精细结构二、碱金属原子光谱的精细结构三、碱金属原子双层结构理论三、碱金属原子双层结构理论第四章 碱金属原子与电子自旋1原子物理学 一、碱金属原子的光谱一、碱金属原子的光谱 碱金属原子位于周期表的第一列，其核外只有一个价电碱金属原子位于周期表的第一列，其核外只有一个价电子，与氢原子核类氢离子结构相似，因而光谱结构也应与它子，与氢原子核类氢离子结构相似，因而光谱结构也应与它们相似。但们相似。但 由于元素中含有多个电子，因而其光谱结构要由于元素中含有多个电子，因而其光谱结构要复杂一些。复杂一些。本章首先介绍碱金属原子的光谱及其精细结构规律，然本章首先介绍碱金属原子的光谱及其精细结构规律，然后在电子自旋假设的基础上阐述碱金属原子双层结构理论。后在电子自旋假设的基础上阐述碱金属原子双层结构理论。Li+3 2 1Na+3 2 8 1 K+19 2 8 8 1 Rb+37Cs+55Fr+872原子物理学 几种碱金属元素原子光谱具有相仿的结构，比较容易观察几种碱金属元素原子光谱具有相仿的结构，比较容易观察到的有四个谱线系：主线系、第二辅线系、第一辅线系以及基到的有四个谱线系：主线系、第二辅线系、第一辅线系以及基线系（线系（Bergmann系）。系）。对每个谱线系的光谱进行测量和数据处理，可以获得每条对每个谱线系的光谱进行测量和数据处理，可以获得每条谱线的波数及系限波数（最大波数），如表所示。谱线的波数及系限波数（最大波数），如表所示。1.碱金属原子的光谱公式碱金属原子的光谱公式光谱项和光谱项和n*的确定的确定原子光谱原子光谱的一般规的一般规律律一般不为整一般不为整数数线系波数线系波数线系谱线的线系谱线的波数波数3原子物理学 Li光谱项值和有效量子数光谱项值和有效量子数线系线系电子态电子态n=2n=3n=4n=5n=6=n-n*二辅二辅s,l=0Tn*28581.443484.41.58916280.52.5898474.13.5985186.94.5993499.65.5990.4主线主线p,l=1Tn*43484.428581.41.96012559.92.9567017.03.9544472.84.9543094.45.9550.05一辅一辅d,l=2Tn*28581.412202.52.9996862.53.9994389.25.0003046.96.0010.001基线基线f,l=3Tn*12202.56855.54.0004381.25.0043031.06.0000.000HT27419.412186.46854.84387.13046.604原子物理学 小结一个线系的系线波数恰好是另一个线系的最大谱项一个线系的系线波数恰好是另一个线系的最大谱项主线系主线系二辅线系二辅线系辅线系辅线系主线系主线系基线系基线系一辅线系一辅线系Li原子光原子光谱公式谱公式5原子物理学 Na原子光原子光谱公式谱公式二辅系：二辅系：主线系：主线系：一辅系：一辅系：基线系：基线系：二辅系：二辅系：主线系：主线系：一辅系：一辅系：基线系：基线系：6原子物理学 7原子物理学 8原子物理学 与与H光谱相比，碱金属光谱有两点不同：光谱相比，碱金属光谱有两点不同：（1）对应）对应H光谱的一个线系，碱金属有独立的几个光谱的一个线系，碱金属有独立的几个线系，如线系，如2.原子实的极化和轨道的贯穿原子实的极化和轨道的贯穿问题 （2）光谱中的）光谱中的n*不取整数。不取整数。H的的Bolmer系系(n2 2)Li的主线系和辅线系的主线系和辅线系(np2s，ns2p，nd2p)对原子，除价电子外，由原子核和其余电子组成对原子，除价电子外，由原子核和其余电子组成的结构称为原子实。的结构称为原子实。定义9原子物理学 物质的化学性质和光谱性质由原子实外的价电子决定。原物质的化学性质和光谱性质由原子实外的价电子决定。原子实是一个比较稳定的结构，但与子实是一个比较稳定的结构，但与H核相比，仍易引起变化。核相比，仍易引起变化。原子实呈球对称结构。价电子在原子实外运动时，原子实原子实呈球对称结构。价电子在原子实外运动时，原子实中带正电的核和核外电子的中心会发生微小移动，从而形成一中带正电的核和核外电子的中心会发生微小移动，从而形成一个电偶极子个电偶极子原子实发生极化。原子实发生极化。极化了的原子实与价电子相互作用，引起能量的变化，导极化了的原子实与价电子相互作用，引起能量的变化，导致轨道的变形。在同一致轨道的变形。在同一n值中，值中，l 值较大的轨道（接近圆），引值较大的轨道（接近圆），引起的能量变化小。同一起的能量变化小。同一n值具有多个不同的轨道值具有多个不同的轨道不同的原子不同的原子态，吸收或发射不同频率的光子，形成不同的谱线系。态，吸收或发射不同频率的光子，形成不同的谱线系。原子实的极化原子实的极化10原子物理学 轨道的贯穿轨道的贯穿 Li原子的原子的s、p能级比能级比H相应能量低得多，说明除了原子实相应能量低得多，说明除了原子实德极化引起的能量变化外，一定还存在其它原因。德极化引起的能量变化外，一定还存在其它原因。分析得知，分析得知，s、p轨道的偏心率很大，在接近原子实时，轨道的偏心率很大，在接近原子实时，可能会贯穿原子实，从而引起更大的能量变化。可能会贯穿原子实，从而引起更大的能量变化。电子处于原子实外运动时，其有效电荷数电子处于原子实外运动时，其有效电荷数Z*1，当穿过，当穿过原子实时，原子实时，Z*1，于是，于是原子的能量：原子的能量：11原子物理学 二、碱金属原子光谱的精细结构二、碱金属原子光谱的精细结构1.光谱情况光谱情况 若用分辨本领较高的仪器观察，会发现碱金属的光谱一若用分辨本领较高的仪器观察，会发现碱金属的光谱一般由两条或三条谱线组成，而不是单一的谱线，这称为光谱般由两条或三条谱线组成，而不是单一的谱线，这称为光谱线的精细结构。线的精细结构。二辅系：二辅系：主线系：主线系：双谱线结构三谱线结构一辅系：一辅系：基线系：基线系：12原子物理学 条条1第第条条2第第条条3第第限系线限系线（1）主线系、二辅系为双谱线结构，一辅系和）主线系、二辅系为双谱线结构，一辅系和基线系为三谱线结构；基线系为三谱线结构；（2）主线系谱线间隔随波数增大而减小，二辅）主线系谱线间隔随波数增大而减小，二辅系间隔不变；系间隔不变；基基本本规规律律（3）一辅系第一、三间隔等于二辅系间隔，保）一辅系第一、三间隔等于二辅系间隔，保持不变。一、二间隔随波数增大而减小。持不变。一、二间隔随波数增大而减小。主线系主线系二辅系二辅系一辅系一辅系13原子物理学 2.光谱分析光谱分析 （1）二辅系为）二辅系为ns2p跃迁形成的，两间隔相等。说明它们跃迁形成的，两间隔相等。说明它们是同一原因形成的。若设想是同一原因形成的。若设想s为单层、为单层、p为双层能级，则可解释为双层能级，则可解释这一结构。这一结构。14原子物理学 （2）主线系为）主线系为np2s跃迁形成的，两间隔随波数的增大而跃迁形成的，两间隔随波数的增大而减小。说明当减小。说明当n增大时，增大时，p的两层能级间隔逐渐减小。的两层能级间隔逐渐减小。15原子物理学 （3）一辅系为）一辅系为nd2p跃迁形成的，跃迁形成的，1、3间隔不变，间隔不变，1、2间间隔逐渐减小。假设隔逐渐减小。假设d能级也为双层结构，而其间隔也随能级也为双层结构，而其间隔也随n的增大的增大而减小，则容易理解这一结构规律。而减小，则容易理解这一结构规律。16原子物理学 （1）s为单层结构，为单层结构，p、d、f为双层结构；为双层结构；（2）对于同一）对于同一 l 值（值（p、d），随），随n增大，双层增大，双层能够能级间隔减小；能够能级间隔减小；基基本本规规律律（3）对于同一）对于同一n值，随值，随 l 值增大，双层能级间隔值增大，双层能级间隔减小。减小。问题精细结构的根源在于原子的精细结构的根源在于原子的p、d等能层为双层结等能层为双层结构。为什么会出现双层结构，其机理又如何？构。为什么会出现双层结构，其机理又如何？需要考察电子的自旋运动。需要考察电子的自旋运动。17原子物理学 电子轨道的变迁电子轨道的变迁（圆形轨道）（圆形轨道）（椭圆轨道（椭圆轨道粗结构）粗结构）（双椭圆轨道（双椭圆轨道精细结构）精细结构）18原子物理学 三、碱金属原子双层结构理论三、碱金属原子双层结构理论 为了说明碱金属原子的双层结构，我们设想，电子除了为了说明碱金属原子的双层结构，我们设想，电子除了绕原子核运动外，其本身还存在自旋运动。绕原子核运动外，其本身还存在自旋运动。1.电子轨道运动的磁矩电子轨道运动的磁矩 载流线圈磁矩的定义为载流线圈磁矩的定义为电子绕核运动的磁矩：电子绕核运动的磁矩：=e/2m=e/2m；L L为电为电子轨道角动量子轨道角动量A A为线圈的面积，为线圈的面积，n n为面积的单位矢量为面积的单位矢量19原子物理学 磁矩在磁场磁矩在磁场B中受力矩中受力矩作用（动量矩定理）：作用（动量矩定理）：Larmor进动公式进动公式一个高速旋转的磁矩是一一个高速旋转的磁矩是一定的角速度定的角速度绕绕B B作进动作进动20原子物理学 磁矩在磁场方磁矩在磁场方向上的投影是向上的投影是量子化的；量子化的；Lz的量子化说明的量子化说明角动量在空间角动量在空间取向的量子化取向的量子化量子化表示量子化表示获得结论获得结论l=1l=221原子物理学 2.电子自旋与运动耦合电子自旋与运动耦合 1925年，年，G.Uhlenbeck和和S.A.Goudsmit指出，电子指出，电子不是点电荷，它除了轨道角动量外，还有自旋运动，具有固不是点电荷，它除了轨道角动量外，还有自旋运动，具有固定的自旋角动量定的自旋角动量S：S在在z方向上的分量为方向上的分量为s为自旋量子数为自旋量子数分析价电子绕原子实运动相当于带正电的原子实绕价电子运价电子绕原子实运动相当于带正电的原子实绕价电子运动。原子实德运动使价电子感受到一个磁场的存在，其动。原子实德运动使价电子感受到一个磁场的存在，其方向与原子实绕价电子运动的角动量方向相同，而自旋方向与原子实绕价电子运动的角动量方向相同，而自旋在这个磁场中要量子化。在这个磁场中要量子化。22原子物理学 电子的自旋磁矩电子的自旋磁矩自旋与轨道的耦合自旋与轨道的耦合g gs s=2=2为电子自旋的为电子自旋的LandeLande因子；电子轨道因子；电子轨道的的LandeLande因子为因子为g gl l=1=123原子物理学 3.自旋与轨道作用能量自旋与轨道作用能量实验观测值一般实验观测值一般为系综平均值为系综平均值电子自旋磁矩：原子实绕价电子原子实绕价电子运动产生磁场：运动产生磁场：内禀磁矩在内禀磁矩在B B中中具有的势能：具有的势能：24原子物理学 j=l+1/2和和l-1/2双能级之差双能级之差25原子物理学 在单电子能谱中，起主要作用的是电子在单电子能谱中，起主要作用的是电子核静电作核静电作用给出的能谱的粗结构，考虑到自旋用给出的能谱的粗结构，考虑到自旋轨道的相互轨道的相互作用后可以解释其精细结构。换言之，由于作用后可以解释其精细结构。换言之，由于SL相相互作用，使原子的能级发生了分裂。互作用，使原子的能级发生了分裂。对于像对于像Na等气体单电子结构，要完整计算是非常复杂的。等气体单电子结构，要完整计算是非常复杂的。但可以粗略计算，这时只需要将公式中的但可以粗略计算，这时只需要将公式中的Z*视为有效电荷即可，视为有效电荷即可，如如Na的有效电荷是的有效电荷是3.5而不是而不是1。小结26原子物理学 4.碱金属原子态的符号碱金属原子态的符号价电子的标识价电子的标识分别用分别用分别用分别用s s、p p、d d（l l=0,=0,1,2,1,2,）标识，并在符号前）标识，并在符号前）标识，并在符号前）标识，并在符号前面标上价电子所处的能级面标上价电子所处的能级面标上价电子所处的能级面标上价电子所处的能级（主量子数）（主量子数）（主量子数）（主量子数）原子态的标识原子态的标识分别用分别用分别用分别用S S、P P、D D（l l=0,1,2,0,1,2,）标识，并在符号）标识，并在符号）标识，并在符号）标识，并在符号左上角标注结构层次左上角标注结构层次左上角标注结构层次左上角标注结构层次2s+1=22s+1=2，右下角标注总角，右下角标注总角，右下角标注总角，右下角标注总角量子数量子数量子数量子数j j27原子物理学 5.单电子辐射跃迁的选择定则单电子辐射跃迁的选择定则碱金属原子光谱特征（碱金属原子光谱特征（Li）【定则一】光谱由电子跃迁形成：光谱由电子跃迁形成：碱金属原子的精细结构碱金属原子的精细结构 能级分裂图能级分裂图28原子物理学 【定则二】能层能间发生跃迁：能层能间发生跃迁：能层间跃迁图能层间跃迁图【碱金属原子的跃迁定则碱金属原子的跃迁定则】29原子物理学 碱金属原子的跃迁碱金属原子的跃迁主线系：二辅系：一辅系：基线系：30p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后Thank You在别人的演说中思考，在自己的故事里成长Thinking In Other PeopleS Speeches，Growing Up In Your Own Story讲师：XXXXXX XX年XX月XX日