原子物理5剖析课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 多电子原子,内容：,1,、氦原子及镁原子的光谱和能级,（第二族元素的,光谱和能级的特点）,2,、有两个价电子的原子态,3,、泡利原理和同科电子,4,、复杂原子光谱的一般规律,5,、辐射跃迁的普用选择定则,要求：,1,、掌握氦原子、镁原子等具有两个价电子原子的光谱和能级。,2,、掌握原子的耦合矢量模型（,L-S,耦合和,j-j,耦合）的步骤、适用范围，正确地求出电子组态构成的原子态（光谱项）。,3,、掌握洪特原则、朗德间隔定则和辐射跃迁选择定则，并能正确画出能级图，解释氦原子、镁原子等具有两个价电子原子的光谱的形成。,4,、了解复杂原子光谱一般规律。,5,、掌握泡利不相容原理，正确构造出同科电子原子态。,难点,L-S,耦合,多电子原子基态的确定和能级高低的判别,泡利原理和同科电子原子态的确定,第五章 多电子原子,5-1,氦及周期系第二族元素的光谱和能级,第二族元素（碱土族）：,铍,镁,钙,锶,钡,镭,锌,镉,汞,Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Zn,Cd,Hg,4,12,20,38,56,88,30,48,80,氦原子和碱土族元素原子的能级和光谱结构相仿，原子核（原子实）外有两个价电子。,注意结构的特点,光谱有,两套线系,即两个主线系，两个漫线系（第一辅线系），两个锐线系（第二辅线系）,。,但这两套光谱的结构十分不相同：,一、氦（第,2,族元素）的光谱和能级实验规律,1、光谱规律：,谱线也分为四个线系,主线系,第二辅线系（锐线系），第一辅线系（漫线系）和柏格曼线系（基线系）。,一套是,单线结构，,另一套是,多线（复杂）结构,。,（主线系及二辅线系为三重线系，第一辅线系和柏格曼系为六重线）。,2、能级特点：,(1),由光谱分析推断出氦具有,两套能级,，一套为,单层,，另一套为,三层,。,(2),两套能级之间,没有相互跃迁,的情况，它们各自内部的跃迁就产生了两套光谱。,(3),单层能级之间跃迁产生,单线光谱，,三层能级,之间跃迁在适当的选择定则的限制下产生产生,三,重线,及,六重线。,由于氦原子出现了两套光谱，而彼此又好象没,有联系，历史曾认为有两种氦。,正氦,产生复杂结构光谱,三层能级,仲氦,产生单线光谱,单层能级,实际上自然界只有一种氦，只是由于它的两,个价电子耦合的情况不同使能级结构分成了两套。,19.77,3、氦的光谱和能级的特点（分析能级光谱图）,（1）有两套结构，左边一套是单层的，右边一套,是三层，这两套能级之间没有跃迁，它们各自内,部的跃迁便产生了两套独立的光谱。,（,2,）氦的基态和第一激发态之间能量相差很大，,有,19.77,eV,。,电离能也是所有元素中最大的，有,24.47eV,，,单线的主线系和三重态的主线系波长分,布的区域相差很大。其余线系差别不大。,（3）,亚稳态,氦原子被激发到第一激发态会在那状态停留较,长一段时间。,（,4,）在三层结构那套能级中没有来自（,1s,2,）的能级,以上是氦原子能谱的四个特点，这四个特点分,别包含着,四个物理概念,。,4,、氦原子,D,3,线的特点,在太阳日珥的光谱中观察到这条线，从而发现氦。这条线是三重态一辅线系的第一条。这条线的精细结构反映了 能级的间隔,为什么,?,二、镁原子的光谱和能级,1、光谱：镁原子的光谱结构和氦原子相仿有两,套光谱,2、能级也分为两套，一套为单一结构，一套为,三重结构。,一般单一和三重没有跃迁，但有一特殊的单一能,级到三重能级的跃迁。,氖,亚稳态,第一激发态,亚稳态,反常次序,电离电势,和氢原子比较,19.77,基态,注意：第一激发电势和氢原子比较,正常次序,第一激发电势,第一激发态,电离电势,一、电子组态,1、原子中的原子实,原子实的总磁矩为零，关于原子态的形成不考虑原子实。,基态,氦原子两个电子都在1,S,态 电子组态,镁原子两个电子都在3,S,态 电子组态,2、电子组态,（1）若干个处于一定状态的价电子总组合称为电,子组态。,5-2,具有两个价电子的原子态,第一激发态,主量子数不同引起能量的变化,轨道角量子数不同引起能量变化,（,2,）不同的电子组态具有不同的能量,一般来讲主量子数不同的电子组态，能量差别更大。,和,相比有一主量子数不同，能量差别大,和,相比主量子数不变，轨道角量子数不同,能量也有差别，但差别要小一些。为什么,?,（4）注意：即使原子的价电子不止一个，而激发时往往只激发其中的一个电子，另一个（或更多）电子总处于基态。,氦的激发态,镁的激发态,等,原子的能级不能误认为就由被激发的那个电子决定，那个处于基态的电子对原子的总角动量，对能量的高低始终有贡献,也有两个电子都被激发的情况，但那样需要更大能量，在实验上观察比较困难。,二、原子态,单电子（价电子）原子,电子状态一定，原子状态也就唯一地确定。在碱金属原子中即使把自旋的作用考虑进去，一个电子只能确定两个原子状态。如,2p,电子态,1,、一定电子组态构成一系列的原子态,多（价）电子原子,电子组态确定后，不过是每个价电子的轨道大小和形状确定了，但价电子间还有相互作用，所以并不能确定它的原子态。,原子处于两个什么状态,?,六种相互作用,第一电子,第二电子,在一般情况下,很小。,LS,耦合,jj,耦合,静电相互作用,磁相互作用,2、LS,耦合,自旋总角动量,轨道总角动量,总角动量,LS,耦合的含义,?,条件,LS,耦合的矢量图,耦合实质：,产生附加的运动,自旋角动量的大小,总自旋角量子数,自旋,自旋量子数,耦合后的,自旋量子数,共有,轨道,轨道总角动量的大小,个数值,轨道总角动量的大小,例,:,两个价电子的轨道角动量 和,两个价电子,是什么组态,?,原子的总角动量,单一态,两个价电子,LS,耦合后总的自旋量子数,总的角量子数,三重态,总的角动量的大小,原子态：,碱金属,第二族元素,（多价电子元素）,第二族元素的原子态,由单电子决定,耦合后,（,S=0,）,1,（,S=1,）,3,L+1, L, L-1(S=1),L(S=0),0 1 2 3 4,S P D F G,两个价电子,如,P,电子与,d,电子,pd,组态,ps,组态,2,3,1,1,S=0,单一态,S=1,三重态,pd,p,电子和,d,电子在,LS,耦合中形成的能级,P,D,F,氦原子的光谱和能级,1.,可能的原子态,第一个 第二个,电子,e,1,电子,e,2,L,S=0 S=1,J,符号,J,符号,1s 1s 0 0 1,1s 2p 1 1 0,、,1,、,2,1s 3d 2 2 1,、,2,、,3,1s 4f 3 3 2,、,3,、,4,氦原子能级图,1s3d,1,D,2,1s3p,1,P,1,1s3s,1,S,0,1s2p,1,P,1,1s2s,1,S,0,1s1s,1,S,0,3,D,1,2,3,3,P,0,1,2,3,S,1,3,P,0,1,2,3,S,1,3,S,1,1s3d,1,D,2,1s3p,1,P,1,1s3s,1,S,0,1s2p,1,P,1,1s2s,1,S,0,1s1s,1,S,0,3,D,1,2,3,3,P,0,1,2,3,S,1,3,P,0,1,2,3,S,1,3,S,1,光谱线系,三重线系 主线系,n=2,3,n=2,3,n=3,4,n=3,4,n=4,5,单线系 主线系,第二辅线系,第一辅线系,柏格曼线系,第二辅线系,n =3,4,第一辅线系,n =3,4,L-S,耦合得到四个原子态是,3,P,2,，,1,，,0,；,1,P,1,。,(2)L-S,耦合出十个原子态，列表表示为,S,=1,0,；,L,=2,1,0,例,：（,1,）求,ns n,p,电子组态的原子态,（,2,）,求,3,p,4,p,电子组态的原子态,1,解,:(1),L,=0,1,2,1,S,0,1,P,1,1,D,2,3,S,1,3,P,2,1,0,3,D,3,2,1,S,=0,S,=1,3、单一态与三重能级为什么能分开,（2）有时 ，则单一态与三重态交叠在一起，,而较弱的 和 又使不同,J,值的能级分开。,（1） 未考虑 时能级已分离得很,开。,又使不同的,L,值的能级分开。,在同一电子组态形成的能级中,（1）,L,相同时，,S,大的能级低。（如 比 能级低）,（2）S,相同时，,L,大的能级低。（如 比 能级低）,（3）,LS,相同时，,J,不同时：正常次序,J,小的能级低。,反常次序,J,小的能级高。,4、洪特定则（,LS,耦合）,氖,亚稳态,第一激发态,亚稳态,反常次序,电离电势,和氢原子比较,19.77,基态,注意：第一激发电势和氢原子比较,在一个多重能级结构中，能级的二相邻间隔同有关的二,J,值中较大那一值成正比。,5、朗得间隔定则,L,+1,L,L,-1,6、对氦和镁能级结构的说明,（1）氦和镁的能级图都是,LS,耦合由能级图可看出,L,相同，,S,大的能级低于,S,小的。,低于,低于,（2）,实际上是单层的。,三重态,S,只有一个值。,对照能级图,（3）镁的 三能级的次序是正常的，间隔符合朗德定则。,而氦的 能级间隔是反常的，间隔也不符合朗德定则。,（4）洪特定则和朗德间隔定则都是对,LS,耦合而言的，它们只,是一些近似规律。事实上许多原子的能级次序并不一定符合,这些规律，各能级分裂后间隔大小也因原子中电子间隔的各,种相互作用强弱不同而各不相同。,7、,jj,耦合,（1）,（2）,ps,电子组态的,jj,耦合,原子能级的类型不同，实际上是几个相互作,用强弱不同的表现，,LS,耦合和,jj,耦合是两种极端,的情况，许多原子的能级类型是介于两者之间的。,电子组态,nsnp,，,在,j-j,耦合情况下，求可能的原子态。,解：两个电子系统电子组态为,nsnp,：,s,1,=1/2,l,1,=0,；,s,2,=1/2,l,2,=1,所以,j,1,=1/2,，,j,2,=1/2,3/2,。,j,2,=,1/2, 3/2,j,1,=1/2,(1/2,1/2),1,0,(1/2,3/2),2,1,其能级结构比较如下图。与,L-S,耦合的原子态,1,P,1,3,P,2,，,1,，,0,对比,，两种耦合态的,J,值同，状态的数,目相同。可见原子态的数目完全由电子组态决定。,ps,两个价电子,p,和,s,在,jj,耦合中形成的能级,ps,电子组态的,LS,耦合有几种原子态,?,LS,和,jj,耦合的原子态的个数是相同的。,一、泡利原理（泡利不相容原理）,1、原理的表述和历史背景,原子中不可能有两个（或更多个）电子处于完全相同的量子态,(,(,n,l,m,l,m,s,),。或者说不,可能有两个（或更多个）电子具有完全相同的量,子数。后来发现凡自旋为,1/2,奇数倍的微观粒子,(,电子、质子、中子等，统称费米子,),都满足上述,泡利原理,5-3,泡利原理与同科电子,2、泡利原理的物理意义,如氦原子在基态的电子组态1,s1s，,按,LS,耦合,应组成 和 原子态，而在实验中未现 。,?,同样在镁原子基态的电子组态,3s3s,，按,LS,耦合,应组成 和 原子态，而实际 也不存在,标志电子态的量子数,n，l，s， ，,而,s,是不,变的所以只有4个量子数标志着每个电子的状态。,为什么,（每一个量子数的意义）,二、同科电子,所有电子的主量子数和轨道角量子数完全,相同，则称这种电子组态为同科电子组态,如：,1s1s,，,3s3s,和,1s2s,，,3s4s,形成的原子态的数目,不一样。同样在,npnp,组态中没发现,同科电子形成的原子态比非同科而有相同,l,值的,电子形成的原子态少。,特点,:,只观察到,5-4,辐射跃迁的普用选择定则,每次跃迁不论有几个电子变动应满足,LS,耦合,Jj,耦合,二、多电子,一、单电子,2.,使亚稳态向基态跃迁的方法,:,1.,亚稳态,:,不能独自自发的过渡到任何一个更低能级的状态。,氦,:1s2s,受 的限制,三、亚稳态,(1),用碰撞激发使原子由亚稳态激发到非亚稳态。,(2),无辐射跃迁,(,第二类碰撞,):,与另一原子碰撞时,把能量直接传递给另一原子,不经辐射回到基态。,例,:,铍,Be,基态电子组态：,1,s,2,2,s,2,形成,1,S,0,激发态电子组态：,2,s,3,p,形成,1,P,1,，,3,P,2,，,1,，,0,对应的能级图如图所示,2,s,3,p,1,P,1,3,P,2,3,P,1,3,P,0,2,s,2,1,S,0,中间还有,2,s,2,p,和,2,s,3,s,形成的能级，,2,s,2,p,形成,1,P,1,，,3,P,2,，,1,，,0,；,2,s,3,s,形成,1,S,0,，,3,S,1,右图是,L-S,耦合总能级和跃迁光谱图,2,s,3,p,2,s,2,p,1,S,0,1,P,1,3,P,2,1,0,3,S,1,3,P,2,1,0,2,s,3,s,2,s,2,p,2,s,2,1,S,0,2,s,3,s,1,P,1,2,s,3,p,原子态,3,、锌原子（,Z=30,）的最外层电子有两个，基态时的组态是,4s4s,。当其中有一个被激发，考虑两种情况：,（,1,）那电子被激发到,5s,态；,（,2,）它被激发到,4p,态。,试求出,LS,耦合情况下这两种电子组态分别组成的原子状态。画出相应的能级图。从（,1,）和（,2,）情况形成的激发态向低能级跃迁分别发生几种光谱跃迁？,解：（,1,）组态为,4s5s,时,组态为,4s4p,时,由选择定则能够判断出能级间可以发生的,5,种跃迁：,所以有,5,条光谱线。,（,2,）外层两个电子组态为,4s4p,时：,根据选择定则可以看出，只能产生一种跃迁，,因此只有一条光谱线。,氦原子和碱土金属原子：,1,、氦原子光谱和能级。,2,、镁原子光谱和能级。,3.,电子组态、原子态的求法。,4.,重点掌握,L,S,耦合,了解,j,j,耦合。,5.,洪特定则、朗德间隔定则、泡利不相容原理、,同科电子。,6.,两个价电子原子的电偶极辐射跃迁选择定则。,