原子物理學(xué)_鳳爾銀_第四章堿金屬原子和電子自旋.ppt

堿金屬原子光譜具有原子光譜的一般規(guī)律性 各種堿金屬原子的光譜 具有類似的結(jié)構(gòu) 通?？捎^察到四個(gè)譜線系 主線系 第二輔線系 又稱銳線系 第一輔線系 又稱漫線系 柏格曼系 又稱基線系 4 1堿金屬原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 第四章堿金屬原子和電子自旋 堿金屬原子 Li Na K Rb Cs Fr 一價(jià)元素 1 線系 圖鋰的光譜線系 40000 30000 20000 10000 2500 3000 4000 5000 6000 7000 10000 20000 波數(shù) cm 1 波長 埃 主線系 第一輔線系 第二輔線系 柏格曼系 鋰原子的四個(gè)線系可公式表為 n 2 3 4 n 3 4 5 n 4 5 6 2 線系公式 主線系 第二輔線系 第一輔線系 柏格曼系 n 3 4 5 3 光譜項(xiàng)公式 氫原子 量子數(shù)虧損 鋰 s 0 4 p 0 05 d 0 001 f 0 000鈉 s 1 35 p 0 86 d 0 001 f 0 000 堿金屬原子的能級(jí) 氫原子 0 10000 20000 30000 40000 厘米 1 2 6707 主線系 18697 6103 8126 一輔系 二輔系 柏格曼系 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 4 5 s 0 p 1 d 2 f 3 H 6 7 鋰原子能級(jí)圖 4 能級(jí)圖 鋰的四個(gè)線系主線系 第二輔線系 第一輔線系 柏格曼系 鈉的四個(gè)線系 主線系 第二輔線系 第一輔線系 柏格曼系 4 2原子實(shí)的極化和軌道貫穿 1 價(jià)電子與原子實(shí) 共同之處 最外層有一個(gè)容易脫掉的電子 價(jià)電子其余電子和核形成一個(gè)緊固的團(tuán)體 原子實(shí) 堿金屬原子 帶一個(gè)正電荷的原子實(shí) 一個(gè)價(jià)電子 H原子 帶一個(gè)正電荷的原子核 一個(gè)電子 Na Z 11基態(tài)電子排布 Li Z 3基態(tài)電子排布 K Z 19基態(tài)電子排布 價(jià)電子如被激發(fā)到能量高狀態(tài)上 則從能量高狀態(tài)向下躍遷時(shí)將發(fā)射光譜 非貫穿軌道貫穿軌道價(jià)電子的軌道運(yùn)動(dòng) 2 原子實(shí)極化 軌道 扁 近日點(diǎn)離原子實(shí)近 極化 強(qiáng) 能量 低 價(jià)電子在軌道近日點(diǎn)附近時(shí) 吸引原子實(shí)中的正電部分 排斥負(fù)電部分 原子實(shí)正 負(fù)電荷的中心不再重合 原子實(shí)極化 能量降低 當(dāng)電子遠(yuǎn)離原子實(shí)運(yùn)動(dòng) 價(jià)電子好象處在一個(gè)單位正電荷的庫侖場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) 與氫原子模型完全相似 所以光譜和能級(jí)與氫原子相同 3 軌道貫穿 實(shí)外 Z 1貫穿 Z 1平均 Z 1 光譜項(xiàng) 小 貫穿幾率大 能量低 當(dāng)很小時(shí) 價(jià)電子的軌道扁 價(jià)電子可能穿過原子實(shí) 軌道貫穿 綜上 原子實(shí)極化和價(jià)電子的軌道貫穿兩種效應(yīng) 使得堿金屬原子能級(jí)分裂 且都使得能量下降 值小的能級(jí) 下降較明顯 4 量子力學(xué)定量處理 遠(yuǎn)離原子實(shí)運(yùn)動(dòng) 靠近原子實(shí)運(yùn)動(dòng) 解薛定諤方程得能量和光譜項(xiàng) 4 3堿金屬原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu) 原子中電子和原子核的庫侖作用導(dǎo)致了原子內(nèi)部的粗線條結(jié)構(gòu) 用高分辨光譜儀觀察發(fā)現(xiàn) 主線系和銳線系都是雙線結(jié)構(gòu) 漫線系和基線系都是三線結(jié)構(gòu) 1 堿金屬光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)事實(shí) 例如鈉的黃色光譜線 就是它的主線系的第一條線 是由波長為5890 和5896 的兩條分線構(gòu)成 堿金屬原子三個(gè)線系的精細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析推論 光譜線的任何分裂都是能級(jí)分裂的結(jié)果 以Li原子為例 二輔系 2P nS 主線系 2S nP 一輔系 2P nD 推論 堿金屬原子s能級(jí)是單層的 而p d f能級(jí)都是雙層的 對(duì)同一值 雙層能級(jí)間隔隨量子數(shù)n增大而減小 能級(jí)為什么會(huì)發(fā)生精細(xì)分裂呢 4 4電子自旋與軌道運(yùn)動(dòng)的相互作用 一 電子自旋 1 電子自旋概念的提出 為了說明堿金屬原子光譜的雙線結(jié)構(gòu) 和解釋斯特恩 革拉赫實(shí)驗(yàn)結(jié)果 兩位不到25歲的荷蘭大學(xué)生烏侖貝克和古茲米特大膽地提出電子的自旋運(yùn)動(dòng)的假設(shè) 按照這一假設(shè) 電子除軌道運(yùn)動(dòng)外 還存在一種自旋運(yùn)動(dòng) 和自旋運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系還存在自旋角動(dòng)量 2 電子自旋角動(dòng)量量子數(shù) 3 電子自旋角動(dòng)量空間取向量子化 4 電子自旋磁矩 電子軌道運(yùn)動(dòng)磁矩 5 單電子總角動(dòng)量 對(duì)于單電子s 1 2 所以 1928年 Dirac從量子力學(xué)的基本方程出發(fā) 很自然地導(dǎo)出了電子自旋的性質(zhì) 為這個(gè)假設(shè)提供了理論依據(jù) 在無外場(chǎng)情況下 守恒 大小 方向不變 和繞進(jìn)動(dòng) 且保持夾角不變 二 自旋 軌道運(yùn)動(dòng)相互作用能 1 磁性物體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的附加能量 2 自旋 軌道相互作用能 電子的自旋運(yùn)動(dòng)和軌道運(yùn)動(dòng)之間通過磁相互作用 在電子為靜止的坐標(biāo)系上 原子實(shí) Z e 繞電子旋轉(zhuǎn) 并產(chǎn)生磁場(chǎng)B 并與自旋磁矩作用 變換回以核為靜止的坐標(biāo)系 并考慮兩坐標(biāo)系變換的相對(duì)論 時(shí)間差 效應(yīng)后 再乘以因子得 詳見 史斌星 量子物理 附錄 的處理 量子力學(xué)方法 按幾率分布所得的平均值代替 對(duì)堿金屬原子 的處理 代入整理得 原子的總能量 不包括相對(duì)論修正 能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu) 能量E由三個(gè)量子數(shù)決定 對(duì)一給定能級(jí) 即給定但仍與有關(guān) 3 堿金屬原子能級(jí)的分裂 當(dāng)時(shí) 能級(jí)不分裂 能級(jí)分裂為雙層 間隔 討論 4 堿金屬原子態(tài)符號(hào)表示 如2p電子 3S電子等 小寫符號(hào) 電子組態(tài) 原子核外電子的排布 如 NaZ 11基態(tài)電子組態(tài) 激發(fā)態(tài)電子組態(tài) 堿金屬原子態(tài)符號(hào) 價(jià)電子的主量子數(shù) 價(jià)電子的軌道角動(dòng)量 用大寫表示 電子的總角動(dòng)量 自旋多重度 表示原子態(tài)的多重?cái)?shù) 對(duì)堿原子S態(tài)雖然是單層 重 能級(jí) 仍表示為 例 表示 的原子態(tài) 多重度 2 表示 的原子態(tài) 多重度 2 表示 的原子態(tài) 多重度 2 Li原子能級(jí)圖 考慮精細(xì)結(jié)構(gòu) 4 5單電子輻射躍遷選擇定則 2 堿金屬光譜的解釋 單電子輻射躍遷 吸收或發(fā)射光子 只能在下列條件下發(fā)生 1 選擇定則 主線系 對(duì)Li 對(duì)Na Li原子 鈉原子 4 6氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu) 1 相對(duì)論修正 2 電子自旋與軌道的相互作用能 3 氫原子精細(xì)能級(jí)的狄拉克公式 n增加 能級(jí)裂距減小 氫原子線的能級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)及躍遷 七種躍遷 五條譜線 4 藍(lán)姆移動(dòng)1947年藍(lán)姆和李瑟福用射頻波譜學(xué)的方法測(cè)得22S1 2能級(jí)比22P1 2能級(jí)高1058Mhz 即 E 0 033cm 1 3 3m 1 與狄拉克公式結(jié)果顯著差別 從而導(dǎo)致了量子電動(dòng)力學(xué)的誕生 這是因?yàn)殡娮映芎说撵o電作用 磁相互作用以及相對(duì)論效應(yīng)外 還受到因發(fā)光而產(chǎn)生的輻射場(chǎng)作用 即與其自身發(fā)出的輻射之間的相互作用