原子物理学ch5 新ppt课件.pptx
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1、多电子原子:泡利原理,第五章,内容: 1、氦的光谱和能级,2、两个电子的耦合,3、泡利不相容原理,4、元素周期表,重点: 两个电子的耦合;泡利不相容原理,通过前几章的学习,我们已经知道了单电子和具有一个价电子的原子光谱及其规律,同时对形成光谱的能级作了比较详细的研究。弄清了光谱精细结构以及能级双层结构的根本原因电子的自旋。,并且我们知道:碱金属原子的原子模型可以描述为:,原子实 + 一个价电子,复习,H原子:,类H离子:,碱金属原子:,这个价电子在原子中所处的状态 n, l, j, Mj 决定了碱金属的原子态 n2S+1Lj,而价电子在不同能级间的跃迁,便形成了碱金属原子的光谱。,可见,价电子
2、在碱金属原子中起了十分重要的作用,,多电子原子是指最外层有不止一个价电子, 换句话说,舞台上不是一个演员唱独角戏,而是许多演员共演一台戏, 那么这时情形如何,原子的能级和光谱是什么样的呢? 这正是本章所要研究的问题。,它几乎演了一场独角戏。,一、光谱,分成主线系、第一辅线系、第二辅线系等,每个线系有两套谱线。,二、能级,He原子的能级也分为两套,一套是单层的,一套是三层的。,24 氦的光谱和能级,我们知道碱金属原子的光谱分为四个线系:,主线系:,锐线系:,漫线系:,基线系:,实验表明,氦原子的光谱也是由这些线系构成的,与碱金属原子光谱不同的是:,氦原子光谱的上述四个线系都出现双份,即两个主线系
3、,两个锐线系等。,1谱线的特点,实验中发现这两套谱线的结构有明显的差异, 一套谱线由单线构成,另一套谱线却十分复杂。具体情况是:,光谱:,单线,多线,四个线系均由单谱线构成,主、锐线系由三条谱线构成,漫、基线系由六条谱线构成,什么原因使得氦原子的光谱分为两套谱线呢?我们知道,原子光谱是原子在不同能级间跃迁产生的;根据氦光谱的上述特点,不难推测,其能级也分为,单层结构:,三层结构:,1S, 1P, 1D, 1F仲氦,2能级和能级图,两套:,这两套能级之间没有相互跃迁,它们各自内部的跃迁便产生了两套独立的光谱。,早先人们以为有两种氦,把具有复杂结构的氦称为正氦,而产生单线光谱的称为仲氦;现在认识到
4、只有一种氦,只是能级结构分为两套。,3S, 3P, 3D, 3F正氦,1单层能级之间跃迁产生一组谱线,主线系:,第一辅线系:,第二辅线系:,基线系:,2三层能级之间的跃迁产生一组复杂结构的谱线,主线系:,三个成分,第一辅线系:,六个成分,第二辅线系:,三个成分,基线系:,六个成分,4)1s2s 1S0和1s2s 3S1是氦的两个亚稳态;(不能跃迁到更低能级的状态称为亚稳态,当原子处在亚稳态时,必须将其激发到更高能级,方可脱离此态回到基态),2)状态1s1s 3S1不存在,且基态1s1s 1S0和第一激发态1s2s 3S1之间能差很大;19.77eV,电离能24.58eV(元素中最大),3) 所
5、有的3S1态都是单层的;,1)能级分为两套,两套能级之间不产生跃迁 ;氦的基态是1s1s 1S0;,3能级和能级图的特点,由上图可知:凡电子组态相同的,三重态的能级总低于单一态中相应的能级。,的光谱都与氦有相同的线系结构。,5)一种电子态对应于多种原子态。不仅氦的能级和光谱有上述特点,人们发现,元素周期表中第二族元素:,Be(4)、Mg(12)、Ca(20)、Zn(30) 、Sr(38)、Cd(48) 、Ba(56)、Hg(80) 、Ra(88),原子实+2个价电子。,由此可见,能级和光谱的形成都是二个价电子各种相互作用引起的。,即,He: Z=2Be: Z=4=212+2Mg:Z=12=2(
6、12+22)+2Ca: Z=20=2(12+22+22)+2Sr: Z=38=2(12+22+32+22)+2Ba: Z=56=2(12+22+32+32+22)+2Ra: Z=88=2(12+22+32+42+32+22)+2,(1)电子组态,25 两个电子的耦合,定义:,两个价电子处在各种状态的组合,称电子组态。,比如,氦的两个电子都在1s态,那么氦的电子组态是1s1s; 一个电子在1s,另一个到 2s、2p、3s、3d、,构成激发态的电子组态。,电子组态与能级的对应,电子组态一般表示为n1l1n2l2 ;组态的主量子数和角量子数不同,会引起能量的差异,比如1s1s 与 1s2s 对应的能
7、量不同;1s2s 与1s2p 对应的能量也不同。,一般来说,主量子数 n 不同,引起的能量差异会更大,主量子数相同,角量子数 l 不同,引起的能量差异相对较小一些。,同一电子组态可以有多种不同的能量,即一种电子组态可以与多种原子态相对应。 我们知道,一种原子态和能级图上一个实实在在的能级相对应。,对碱金属原子,如果不考虑自旋,则电子态和原子态是一一对应的,通常用nl表示电子态,也表示原子态;如果考虑自旋,则由于电子的自旋轨道耦合,使得一种电子态nl(即原子态)可以对应于两种原子态 n2Lj1, n2Lj2;,在氦的第二族元素中,考虑自旋后,在一种电子组态 n1l1n2l2 中,两个价电子分别有
8、各自的轨道和自旋运动,因此存在着多种相互作用,使得系统具有的能量可以有许多不同的可能值。而每一种能量的可能值都与一种原子态,即一个能级相对应。我们说,这些原子态便是该电子组态可能的原子态。,(2)电子组态构成原子态的途径,四种运动之间有六种相互作用:,一般来说, 、 比较弱,可以忽略。,L-S 耦合,当 、 、 时,,可记为,1、L-S 耦合,当 时, 共 个,当 时, 共 个,1) 总自旋,总轨道和总角动量的计算,总自旋:,其中:,且,故总自旋的可能值为:,其中:,故:,其中:,总轨道,2) 原子态及其状态符号,上面我们得到了整个原子的各种角动量(L, S, J);从而得到各种不同的原子态,
9、我们可以一般性地把原子态表示为:,其中: 分别是两个价电子的主量子数和角量子数,角动量耦合的演示,2、j-j 耦合,当 、 、 时,,电子的S-L耦合作用较强,不同电子之间的耦合作用比较弱,j-j 耦合可以记为:,其中,设,则共有 个j,一般来说,有j 的个数为,最后的原子态表示为:,再由 得,其中,(当 时,只有前一项),设两个价电子的轨道和自旋运动分别是,例:利用j-j耦合,求3p4d态的原子态。,解:,(1)元素周期表中,有些原子取 耦合方式,而另一些原子取 耦合方式,还有的原子介于两者之间;,(2)同一电子组态,在 耦合和 耦合中,形成的原子态数目是相同的。,3、 耦合和 耦合的关系,
10、仍有12个态,且 j 值相同。一般的原子态表示为:,碳族元素从LS耦合到jj耦合的次序,由元素组态的能级实际情况可判断原子态属哪种耦合。jj耦合一般出现在某些高激发态和较重的原子中。,(3)选择定则,L-S 耦合的辐射跃迁选择定则:,j-j 耦合的辐射跃迁选择定则:,同时要求跃迁只能发生在不同宇称的状态间。,即不改变自旋状态,同时要求跃迁只能发生在不同宇称的状态间。,(电偶极辐射跃迁),初末态宇称相反,初末、态几个电子的 l 量子数相加所得的数值奇偶性相反。,He原子能级的形成,在两个价电子的情形下,对于 给定的l ,由于s的不同,有四个j,而 l 的不同,也有一组 j,l 的个数取决于l1l
11、2;可见,一种电子组态可以与多重原子态相对应。此外,由于s有两个取值:s=0和s=1,所以,2s+1=1,3;,分别对应于单层能级和三层能级;这就是氦的能级和光谱分为两套的原因。,S=0直接决定了氦的两套能级之间不可能发生相互跃迁。,氦原子之间可以通过相互碰撞来交换能量这不必服从选择规则,故正常的氦气是“正氦”与“仲氦”的混合。,由电子组态到原子态,1. sp组态:,L-S 耦合:,当S=0时,J =L=1,是单一态,原子态:,当S=1时,J=2,1,0,是三重态,原子态:,j-j 耦合:,或:, 共4个,结论:不同的耦合方式所决定的状态数目是一样的,即原子态的数目完全由电子的组态所决定。,2
12、. ss组态:, 对应于两电子的自旋反平行, 对应于两电子的自旋平行,3. pp组态:, 单一态, 三重态,可发现:对于两个电子的组态,合成后的状态总是分为两大类:一类为三重态,对应于自旋平行;一类为单一态(独态),对应于自旋反平行。(这就是为什么我们在氦光谱中观察到两套结构的原因),从电子组态合成各种状态时,我们唯一的依据只是角动量耦合的几何特性。,26 泡利不相容原理,我们知道,电子在原子核外是在不同轨道上按一定规律排布的,从而形成了元素周期表。中学阶段我们就知道,某一轨道上能够容纳的最多电子数为2n2,为什么这样呢?,1925年,奥地利物理学家 Pauli 提出了不相容原理,回答了上述问
13、题。揭示了微观粒子遵从的一个重要规律。,He原子的基态电子组态是1s1s;在 耦合下,可能原子态是 (1s1s)1S0和 (1s1s)3S1;但在能级图上,却找不到原子态 ,事实上这个态是不存在的。,?,获1945年诺贝尔 物理学奖,Wolfgang Pauli 奥地利人 1900-1958,泡 利 物理学家的良心、上帝的皮鞭,泡利在19岁(1919年)时就写了一篇关于广义相对论理论和实验结果的总结性论文。当时距爱因斯坦发表“广义相对论”(1916年)才3年,人们认为他这么年轻却有如此独到的见解,所以震惊了整个物理学界,从此他一举成名了。 关于泡利的故事很多,他以严谨、博学而著称,同时也以尖刻
14、和爱挑刺而闻名。据说在一次国际会议上泡利见到了爱因斯坦,爱因斯坦演讲完后,泡利站起来说:“我觉得爱因斯坦不完全是愚蠢的”。 一次,在后来发现反质子的意大利物理学家塞格雷做完一个报告和泡利等离开会议室时,泡利对他说:“我从来没有听过象你这么糟糕的报告。”当时塞格雷一言未发。泡利想了一想,又回过头对与他们同行的瑞士物理化学家布瑞斯彻说:“如果是你做报告的话,情况会更加糟糕。当然,你上次在苏黎世的开幕式报告除外。” 另一次泡利想去一个地方,但不知道该怎么走,一位同事告诉了他。后来这位同事问他,那天找到那个地方没有,他反而讽刺人家说:“在不谈论物理学时,你的思路应该说是清楚的。” 泡利对他的学生也很不
15、客气,有一次一位学生写了论文请泡利看,过了两天学生问泡利的意见,泡利把论文还给他说:“连错误都够不上。”(not even wrong) 但泡利被玻尔称作“物理学的良知”,因为他的敏锐和审慎挑剔,使他具有一眼就能发现错误的能力。在物理学界还曾笑谈存在一种“泡利效应”当泡利在哪里出现时,那儿的人不管做理论推导还是实验操作一定会出岔子。 而当泡利说:“哦,这竟然没什么错”时,通常表示一种非常高的赞许。一则笑话说,泡利死后去见上帝,上帝把自己对世界的设计方案给他看,泡利看完后耸耸肩,说道:“你本来可以做得更好些(这居然没有什么错 )”,泡利的故事,爱因斯坦是唯一可以让泡利脸上流露恭敬之色的人。,Pa
16、uli 不相容原理的描述,在一个原子中,不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数如,Pauli 原理更一般的描述是,或者说,原子中的每一个状态只能容纳一个电子。,在费米子(自旋为 的奇数倍的微观粒子,如电子、质子、中子等)组成的系统中不能有两个或多个粒子处于完全相同的状态。,波函数的对称性,*全同粒子的概念,*交换算子,对全同粒子,对称,反对称,全同粒子波函数对称性,全同粒子(Identical Particles):,具有完全相同的内禀性质(如静止质量、电荷、自旋和平均寿命等)的粒子。,全同性原理:,全同粒子具有不可分辨性。,考虑由两个全同粒子组成的系统,由全同性原理,交换对称波
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