第5,6章多電子原子和x射線

§5.1氦原子光譜和能級

第五章多電子原子氦原子及第II族元素→雙電子系統(tǒng)鈹Be鎂Mg鈣Ca鍶Sr鋇Ba鐳Ra

（原子實+2個價電子）譜線特點:（1）兩套能級:一套由單線構(gòu)成，另一套由三線構(gòu)成,分別稱為單一態(tài)和三重態(tài)。（2）兩套線系：主輔線系各有兩套（定義與堿金屬），單態(tài)之間躍遷產(chǎn)生一套單線系，三重態(tài)能級間躍遷產(chǎn)生復(fù)雜的精細結(jié)構(gòu)，單一態(tài)與三重態(tài)之間無躍遷。（3）基態(tài)為（1s1s）,激發(fā)態(tài)(1s2s)和不能自發(fā)回到基態(tài)，是氦的兩個亞穩(wěn)態(tài)。（4）雙激發(fā)實驗室條件下難以實現(xiàn)，一般只有單激發(fā)。如

1s2s,1s2p,1s3s,1s3d等§5.2角動量耦合1.電子組態(tài)

同一電子組態(tài)可以有多種原子態(tài)相對應(yīng)，能級的高低主要取決于電子組態(tài)，n大則能級高。n相同時l大的能級也略高。2.原子態(tài)（1）L-S耦合總軌道角動量：總自旋：總角動量：原子態(tài)練習(xí)1：寫出電子組態(tài)1s3d和1s4f相對應(yīng)的原子態(tài)練習(xí)2:

雙電子組態(tài)2p3p課堂練習(xí):雙電子組態(tài)3p4dSL課堂練習(xí):雙電子組態(tài)3p4dSLLS練習(xí)2:

雙電子組態(tài)2p3p洪特定則：同一電子組態(tài)形成的能級中（1）重數(shù)高的能級低。（2）重數(shù)相同，L值大的能級低。朗德間隔定則：相鄰能級間隔與相應(yīng)能級中J值較大的成正比（2）能級次序和間隔此外：

S,L值相同時（1）正常次序：J值小的能級低（2）反常次序：J值大的能級低例如：(2)jj耦合原子態(tài)符號：例如：2p3p組態(tài)有10個原子態(tài)§5.3泡利不相容原理電子在不同軌道上按一定規(guī)律排布，形成元素周期表。某一軌道上能夠容納的最多電子數(shù)為2n2，為什么？

He原子基態(tài)電子組態(tài)是1s1s，由LS耦合的原子態(tài)是和，但在能級圖上卻沒有，為什么？

1925年，奧地利物理學(xué)家Pauli提出了不相容原理，回答了上述問題,揭示了微觀粒子遵從的一個重要規(guī)律。電子狀態(tài)的量子數(shù)

同科電子：量子數(shù)相同的電子

不可能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的狀態(tài)(完全相同的四個量子數(shù))。每一個狀態(tài)只能容納一個電子。

更一般的描述：在費米子（自旋為半整數(shù)的粒子）組成的系統(tǒng)中不能有兩個或或兩個以上粒子處于完全相同的狀態(tài)。Pauli原理的應(yīng)用

所以只能有原子態(tài)(1).He原子的基態(tài)電子組態(tài)是1s1s(2).兩個同科p電子組成的原子態(tài)，見第160頁(3).l殼層所能容納的最大電子數(shù)2(2

l+1)§5.4

躍遷定則例1：

例2：討論單電子情況課堂練習(xí)：

Mg原子基態(tài)電子組態(tài)3s3s被激發(fā)到3s4s態(tài)上，由于自發(fā)輻射可以觀測到幾條譜線？課堂練習(xí)：

Mg原子基態(tài)電子組態(tài)3s3s被激發(fā)到3s4s態(tài)上，由于自發(fā)輻射可以觀測到幾條譜線？基態(tài)：激發(fā)態(tài)：

結(jié)論：共5條譜線，兩個單線分屬主線和第二輔線系，一個三重線屬第二輔線系。

普通光源-----自發(fā)輻射

激光光源-----受激輻射相干性好，方向性好，脈沖瞬時功率大，亮度極高。

激光(Laser鐳射)(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)5.5He－Ne激光器“通過受激輻射實現(xiàn)光放大”1.1917年：愛因斯坦提出受激輻射的概念，預(yù)言了存在激光的可能性。2.50年代：1951年Maser提出。1958年設(shè)計了激光器3.1960年：梅曼(Maiman)制成世界上第一臺激光器。

Ruby激光出光（休斯實驗室）

He－NeLaser出光（貝爾實驗室）4.我國60年代：1961年長春光機所RubyLaser；1962年He－NeLaser出光；1964年上光所成立。激光器種類：工作物質(zhì)固體激光器：紅寶石，Nd:YAG，釹玻璃氣體激光器：He—Ne，CO2，離子激光器液體激光器：

染料激光器半導(dǎo)體激光器：如砷化鎵GaAs

波段：極紫外（100nm─可見光─亞毫米(1.22mm)?WorkingintheHughesResearchLabsMay17,1960:TedMaiman’srubylaser1粒子數(shù)服從玻耳茲曼統(tǒng)計分布：數(shù)量級估計：E

2-E

1～1eVT

～103K，要產(chǎn)生激光必須N2>N1，稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(populationinversion)。

2自發(fā)輻射受激輻射和吸收自發(fā)輻射(spontaneousradiation)E2E1N2N1h受激輻射(stimulatedradiation)吸收(absorption)He：基態(tài)激發(fā)態(tài)（亞穩(wěn)態(tài)）He-Ne激光器的工作原理：Ne：基態(tài)激發(fā)態(tài)He-Ne激光器：He是輔助物質(zhì)，Ne是激活物質(zhì)。He與Ne之比為5∶110∶1必要條件ｌ.激勵能源（使原子激發(fā)）２.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（有合適的亞穩(wěn)態(tài)能級），除了增加上能級的粒子數(shù)外，還要設(shè)法減少下能級的粒子數(shù)）與電子碰撞,He被激發(fā)(到23S和21S能級)的概率比Ne原子被激發(fā)的概率大這兩個能級都是亞穩(wěn)態(tài)，很難回到基態(tài)；在He的這兩個激發(fā)態(tài)上集聚了較多的原子。Ne的5S和4S與He的21S和23S的能量幾乎相等，兩種原子相碰時容易產(chǎn)生能量的“共振轉(zhuǎn)移”。在碰撞中He把能量傳遞給Ne而回到基態(tài)，而Ne則被激發(fā)到5S或4S態(tài)。下能級4P，3P的壽命比上能級5S，4S要短得多，形成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。

電子碰撞

碰撞轉(zhuǎn)移

亞穩(wěn)態(tài)§5.6磁場中的原子

原子置于磁場中會發(fā)生一些變化，1896年塞曼發(fā)現(xiàn)，光源放入磁場中，譜線會發(fā)生分裂，稱為塞曼效應(yīng)

1.原子磁矩電子軌道原子磁矩電子自旋磁矩玻爾磁子電子總磁矩它不是一個有確定方向的量，但在總角動量的方向的沿線上是確定的，通常稱之為總磁矩。稱朗德g因子對于多電子原子朗德g因子為例如原子態(tài)為

若原子態(tài)已知可算出原子的磁矩，反之從原子的磁性可以推測原子的狀態(tài)。

2.外磁矩對原子的作用原子受磁矩作用的附加能量角動量沿磁場的投影附加能量表明無磁場時的一條能級，因磁場影響要在疊加該能量附加項，能級分裂成2J+1條。例1.討論磁場中原子態(tài)的分裂情況。

3.塞曼效應(yīng)§5.6

原子殼層結(jié)構(gòu)（1）元素周期性及殼層結(jié)構(gòu)

將元素按核電荷數(shù)的大小排列起來，其物理、化學(xué)性質(zhì)將出現(xiàn)明顯的周期性。各元素周期依次為2,8,8,18,18,32…,同族元素的性質(zhì)基本相同。

n1234567…殼層名稱KLMNOPQ…

L0123456…支殼層名稱spdfghi…填充情況次殼層：主殼層：（2）原子基態(tài)電子組態(tài)理想次序：實驗表明：（1）同一電子組態(tài)，重數(shù)高的能級低。S相同，L大的能級低。（2）次殼層不足半滿時，J值小的能級低（正常次序）；次殼層超過半滿，J值大的能級低（反常次序）（3）兩點說明：滿殼時兩個同科電子的原子態(tài)基態(tài)在1895年以前，由陰極射線管產(chǎn)生的X射線在實驗里已經(jīng)存在了30多年，在射線發(fā)現(xiàn)前，不斷有人抱怨，放在陰極射線管附近的照相底片模糊或感光。如1879年的克魯克斯，1890年的古德斯比德等人。1895年11月8日傍晚，倫琴在研究陰極射線管中氣體放電實驗時，為了避免雜光對實驗的影響，他用黑紙將管子包起來，卻發(fā)現(xiàn)距陰極管一段距離外的一塊屏幕發(fā)出了熒光，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),射線來自陰極射線管。令人驚奇的是，當用不透明物質(zhì)擋住這種射線時，熒光屏仍然發(fā)光，而且這種射線能使黑紙包住的照相底片感光?！?.7

X射線(1)X射線的產(chǎn)生十九世紀末，連續(xù)三年的三大發(fā)現(xiàn)（電子，x射線和放射性）揭開了近代物理學(xué)的序幕。

1895年，德國Rontgen（倫琴）教授發(fā)現(xiàn)X射線（倫琴射線）。

X射線由高速電子打在物體上產(chǎn)生。

<0.1nm：硬X射線，>0.1nm：軟X射線。

經(jīng)過一個多月的研究，他未能搞清這種射線的本質(zhì)，因此賦予它一個神秘的名字--X射線。1895年，倫琴向德國物理學(xué)會遞交了題為《論新的射線》的論文，公布了他夫人的X射線手骨照片，引起了極大的轟動。

1.

2.(2)X射線譜（i)連續(xù)譜:波長連續(xù)變化，與靶材料無關(guān)。如軔致輻射：高速電子打到靶上，受靶的作用而突然減速，其一部分動能轉(zhuǎn)化為輻射能放出射線。(ii)標識譜:波長是分立的，與靶材料有關(guān)，成為某種材料的標識，也叫特征譜標識譜產(chǎn)生的機理是什么？

1913年，英國物理學(xué)家莫塞萊(Moseley)對三十幾種元素的線狀譜進行分析，發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律滿殼層缺少一個電子形成的原子態(tài)與該殼層只有一個電子的原子態(tài)相同。鎘（Gd，Z=48）原子基態(tài)電子組態(tài)為躍遷定則（與單電子情況一樣）（1）K線系例題：試討論與譜線有關(guān)的躍遷（2）L線系（3）M線系(2)X線狀譜的標記標識譜分為K,L,M,…等線系，每個系有α,β,γ,…等譜線。

問題：n=3→n=2有幾條x射線譜

X射線能級圖問題：L線n=3→n=2有幾條x射線譜（1）俄歇(Auger)電子當內(nèi)殼層有空穴時，外層電子向內(nèi)層躍遷發(fā)出的能量不產(chǎn)生X射線，而是將另一層電子電離，這樣產(chǎn)生的電子稱Auger電子。（2）核激發(fā)效應(yīng)

內(nèi)層電子間的躍遷，將能量傳給原子核，使原子核躍遷到激發(fā)態(tài)?！?.8康普頓(Compton)效應(yīng)(1927諾貝爾獎)

Compton發(fā)現(xiàn)被散射的X射線波長發(fā)生了改變。波長改變的數(shù)值與散射角