原子物理學知識要點總結課件

第一章原子的基本狀況主要內容：原子的質量和大小、原子的核式結構、α粒子散射實驗（重點）?；疽螅海?）掌握估算原子大小的方法、理解原子量的定義和原子量、原子質量的計算。（2）了解湯姆遜模型的要點和遇到的困難；理解盧瑟福核式結構的要點和提出核式結構的實驗依據；第一章原子的基本狀況基本要求：原子的質量原子質量單位和原子量各種原子的質量各不相同，常用它們的相對值原子量。

原子質量單位：原子量：原子包含1個原子質量單位(1u)的數量

H：1.0079C：12.011O：15.999Cu：63.54原子的質量原子質量單位和原子量各種原子的質量各不相同，常用它將原子看作是球體,1摩爾原子占體積為原子的大小量級如果物質的密度為，A為原子量，則1摩爾原子占有體積原子的半徑都約為10-10m即?的量級。

將原子看作是球體,1摩爾原子占體積為原子的大小量級如果物質的

粒子散射實驗

結果：絕大多數散射角小于2度；約1/8000散射角大于90度，有的幾乎達180度。

大角散射是值得注意的現象。湯姆遜提出原子的布丁(pudding)模型下，單次碰撞不可能引起大角散射！多次散射引起的偏轉角仍很小，在1度左右。

要發(fā)生大于90o的散射，需要與原子核多次碰撞，其幾率為10-2000!遠小于實驗測得的大角度散射幾率1/8000

。粒子散射實驗結果：絕大多數散射角小于2度；約1/盧瑟福的原子核式模型1911年提出：原子由帶正電荷并幾乎占有全部質量的微小中心核以及繞核運行的電子所組成?！瓗靵錾⑸涔健Ｉ⑸浣铅扰c瞄準距b

有關。

…………盧瑟福散射公式

d

：α粒子被散射到θ-θ+dθ之間對應立體角內每個原子的有效散射截面原子核的半徑量級在10-14m~10-15m范圍。盧瑟福的原子核式模型……庫侖散射公式。散射角θ與瞄準距b有第二章原子的能級和輻射基本要求：（1）氫原子光譜線系的特點及各線系公示表達。（2）玻爾理論基本假設。（3）氫原子光譜和能級。（4）掌握弗蘭克-赫茲實驗的目的、原理、結果和意義。第二章原子的能級和輻射基本要求：一．氫原子光譜的線系巴爾末線系：氫原子的Rydberg常數（遠紫外）賴曼系：一．氫原子光譜的線系巴爾末線系：氫原子的Rydberg常數（（紅外三個線系）帕邢系：布喇開系：普豐特系：（紅外三個線系）帕邢系：布喇開系：普豐特系：線系的一般表示：令：光譜項并合原則：每一譜線的波數都可表達為二光譜項之差線系的一般表示：令：光譜項并合原則：每一譜線的波數都可表達為二、玻爾基本假設(1913年)(1)定態(tài)（stationarystate）假設電子只能在一系列分立的軌道上繞核運動，且不輻射電磁波，能量穩(wěn)定。電子軌道和能量分立(2)躍遷（transition）假設吸收發(fā)射原子在不同定態(tài)之間躍遷，以電磁輻射形式吸收或發(fā)射能量。頻率條件吸收吸收hn二、玻爾基本假設(1913年)(1)定態(tài)（stationa躍遷頻率：(3)角動量量子化假設

為保證定態(tài)假設中能量取不連續(xù)值，必須取不連續(xù)值，如何做到？

玻爾認為：符合經典力學的一切可能軌道中，只有那些角動量為的整數倍的軌道才能實際存在。躍遷頻率：(3)角動量量子化假設為保證定態(tài)假設中能三、關于氫原子的主要結果1、量子化軌道半徑圓周運動：電子定態(tài)軌道角動量滿足量子化條件：氫原子玻爾半徑軌道量子化三、關于氫原子的主要結果1、量子化軌道半徑圓周運動：電子定態(tài)2、量子化能量能量的數值是分立的，能量量子化2、量子化能量能量的數值是分立的，能量量子化

氫原子能級圖激發(fā)態(tài)基態(tài)自由態(tài)基態(tài)（groundstate）激發(fā)態(tài)（excitedstate）

電離能：將一個基態(tài)電子電離至少需要的能量。對氫,13.59eV.氫原子能級圖激發(fā)態(tài)基態(tài)自由態(tài)基態(tài)（groundstate對氫原子：（理論值，假設原子核質量無限大）（實驗值）3、氫原子光譜令：則：對氫原子：（理論值，假設原子核質量無限大）（實驗值）3、氫原考慮約化質量，里得堡常數是當M=∞，由上式R理論值，是相當于原子核質量無限大的R值。考慮約化質量，里得堡常數是當M=∞，由上式R理論值，是相當于原子能級是分立的弗蘭克－赫茲實驗電子動能損失是分立的原子內部能量量子化證據電流突然下降時的電壓相差都是4.9V，即，KG間的電壓為4.9V的整數倍時，電流突然下降。原子能級是分立的弗蘭克－赫茲實驗電子動能損失是分立的原子內部結果分析表明：汞原子的確有不連續(xù)的能級存在，而且4.9eV為汞原子的第一激發(fā)電位。為什么更高的激發(fā)態(tài)未能得到激發(fā)？

在這個實驗裝置中，加速電子只要達到4.9ev，就被汞原子全部吸收了；因此不可能出現大于4.9ev能量以上的非彈性碰撞，故不能觀察汞原子的更高激發(fā)態(tài)。結果分析表明：汞原子的確有不連續(xù)的能級存在，而且4.9eV第四章堿金屬原子基本要求：（1）掌握堿金屬光譜的4個譜線系（公式，參數物理含義）、光譜項和光譜的規(guī)律。（2）理解堿金屬能級特點及其原因：原子實極化和軌道貫穿。（3）掌握電子的自旋和軌道角動量及其產生的相應磁矩，掌握自旋與軌道運動的相互作用能，并利用相互作用能解釋能級的分裂。

理解量子數n,l,s,j的物理含義及取值特點。（4）掌握單電子躍遷的選擇定則。（5）了解氫原子光譜的精細結構。堿金屬原子態(tài)符號：第四章堿金屬原子基本要求：堿金屬原子態(tài)符號：鋰原子的四個線系可公式表為:，n=2,3,4…，n=3,4,5…，n=4,5,6…主線系:第二輔線系：第一輔線系：柏格曼系：，n=3,4,5…鋰原子的四個線系可公式表為:，n=2,3,4…，n:量子數虧損:量子數虧損010000200003000040000厘米-126707主線系1869761038126一輔系二輔系柏格曼系2233334444555545s=0p=1d=2f=3H

67鋰原子能級圖能級圖010000200003000040000厘米-12670鋰的四個線系主線系：

第二輔線系：

第一輔線系：

柏格曼系：

鈉的四個線系

主線系：

第二輔線系：

第一輔線系：

柏格曼系：

，n=3,4,5…，n=3,4,5…，n=4,5,6…，n=2,3,4…，n=4,5…，n=3,4…，n=4,5…，n=3,4…鋰的四個線系鈉的四個線系主線系：，n=原子實極化和價電子的軌道貫穿兩種效應，使得堿金屬原子能級分裂，且都使得能量下降；值小的能級，下降較明顯。原子實的極化和軌道貫穿光譜項：

<

:量子數虧損原子實極化和價電子的軌道貫穿兩種效應，使得堿金屬原子能級分裂堿金屬原子光譜的精細結構電子自旋與軌道運動的相互作用電子自旋1、電子自旋角動量量子數2、電子自旋角動量空間取向量子化堿金屬原子光譜的精細結構電子自旋與軌道運動的相互作用電子自旋3、單電子總角動量對于單電子s＝1/2,所以：3、單電子總角動量對于單電子s＝1/2,所以：原子的總能量（不包括相對論修正）：：能級的精細結構能量E由三個量子數決定。對一給定能級，即給定但仍與有關。自旋--軌道運動相互作用能原子的總能量：能級的精細結構能量E由堿金屬原子能級的分裂當時，能級不分裂當時，能級分裂為雙層,間隔:堿金屬原子能級的分裂當時，堿金屬原子態(tài)符號：價電子的主量子數價電子的軌道角動量，用大寫表示電子的總角動量。自旋多重度，表示原子態(tài)的多重數。對堿原子S態(tài)雖然是單層（重）能級，仍表示為：例：表示：的原子態(tài)，多重度：2堿金屬原子態(tài)符號：價電子的主量子數價電子的軌道角動量，用大寫Li原子能級圖（考慮精細結構，不包括相對論修正）Li原子能級圖（考慮精細結構，不包括相對論修正）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2P1/22P3/22S1/2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（吸對Li:對Na:對Li:對Na:第五章多電子原子基本要求：（1）掌握氦的能級和光譜特點。（2）掌握電子組態(tài)的定義，理解并掌握LS耦合和相應的原子態(tài)（能熟練寫出雙電子原子的原子態(tài)），掌握JJ耦合和原子狀態(tài)的表示。（3）掌握洪特定則及其應用，（3）掌握泡利原理及應用。（4）掌握并熟練運用輻射躍遷的選擇定則。（5）了解氦氖激光器的工作原理。第五章多電子原子基本要求：原子物理學知識要點總結ppt課件1.兩套光譜線系，兩套能級(S=0和S=1)

He原子光譜和能級He及堿土金屬原子光譜具有相仿的結構，具有原子光譜的一般特征，如：線狀，譜線系。但也有特殊性。

兩套光譜線系都分別有類似堿金屬原子光譜的主線系，一輔系，二輔系，柏格曼系等。2.兩套能級間不產生躍遷()

3.不存在原子態(tài)4.存在兩個亞穩(wěn)態(tài)5.電子組態(tài)相同的，三重態(tài)能級總低于單一態(tài)相應的能級；三重能級結構中，同一值的三個能級，值大的能級低（倒轉次序）（洪特定則，朗德間隔定則）（泡利不相容原理）（躍遷法則決定）1.兩套光譜線系，兩套能級(S=0和S=1)He原子光氦原子能級圖氦原子能級圖電子組態(tài)1.電子組態(tài)的表示處于一定狀態(tài)的若干個（價）電子的組合激發(fā)態(tài)電子組態(tài):

基態(tài)電子組態(tài)：簡記：簡記：簡記：電子組態(tài)1.電子組態(tài)的表示處于一定狀態(tài)的若干個（氦原子基態(tài):1s1s激發(fā)態(tài):1s2s，1s2p，1s3s，

1s3p，……

鎂原子基態(tài):激發(fā)態(tài):兩個電子間自旋-軌道相互作用的方式兩種極端情形：L-S耦合j-j耦合氦原子基態(tài):1s1s激發(fā)態(tài):1s2s，1s2p，1s按量子化要求，量子數L,S

如下確定：按量子化要求，總角動量量子數J如下確定：L-S耦合按量子化要求，量子數L,S如下確定：按量子化要求，時，時，如則如則LS耦合下的原子態(tài)符號表示:例:ps電子組態(tài)形成的原子態(tài)當當時，時，如則如（S=0）1（S=1）3L+1,L,L-1(S=1)L(S=0)01234SPDFG（S=0）1L+1,L,L-1(S=1)01例題：求3p4p電子組態(tài)形成的原子態(tài)S=1,0；L=2,1,0L=012S=0(1S0)1P1(1D2)S=13S1(3P2,1,0)3D3,2,1例題：求3p4p電子組態(tài)形成的原子態(tài)S=1,0LS耦合下的洪特規(guī)則每個原子態(tài)對應一定的能級。由多電子組態(tài)形成的原子態(tài)對應的能級結構順序有兩條規(guī)律可循：洪特定則：1.從同一電子組態(tài)形成的諸能級中，（1）那重數最高的，亦即S值最大的能級位置最低；（2）具有相同S值的能級中那些具有最大L值的位置最低。

2.對于同L，不同J值的諸能級順序有兩種情況：J越小，能級越低，正常序，反之為倒轉序，教材P154。LS耦合下的洪特規(guī)則每個原子態(tài)對應一定的能級。由多電子組態(tài)形電子的量子狀態(tài)描述軌道角動量、自旋角動量空間取向量子數，取值：用五個量子數描述：泡利不相容原理在一個原子中，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，因為自旋量子數都是1/2)。電子的量子狀態(tài)描述軌道角動量、自旋角動量空間取向量子數，例：He原子1s1s電子組態(tài)不能形成原子態(tài)。因此，兩個電子的不能再相同，即兩電子的自旋取向必須相反，總自旋S只能為0.只能形成電子組態(tài)1sns(n≠1)可以形成二個原子態(tài)：同理，nsns也只形成一個原子態(tài)：例：He原子1s1s電子組態(tài)不能形成原子態(tài)。因此，兩輻射躍遷的選擇定則一.首先，躍遷只能發(fā)生在不同宇稱的原子態(tài)間（Laporte定則）宇稱：描述原子中電子空間分布有關性質，它的狀態(tài)可以分為偶性和奇性兩類。偶性態(tài)（=偶數）奇性態(tài)（=奇數）推論：同一電子組態(tài)形成的諸原子態(tài)間不發(fā)生躍遷。相應的原子態(tài)與的原子態(tài)間不發(fā)生電偶極躍遷。但與的原子態(tài)間可能發(fā)生躍遷。輻射躍遷的選擇定則一.首先，躍遷只能發(fā)生在不同宇稱的原子態(tài)間二.其次，看具體的選擇定則

j-j耦合躍遷選擇定則:L-S耦合躍遷選擇定則:（00除外）

（00除外）或對換對He，Mg光譜的解釋。二.其次，看具體的選擇定則j-j耦合躍遷選擇定則:L-S耦

例題鈹4Be基態(tài)電子組態(tài)：1s22s2

形成1S0激發(fā)態(tài)電子組態(tài)：2s3p形成

1P1

，3P2，1，0對應的能級圖如圖所示2s3p1P13P23P13P02s21S0中間還有2s2p和2s3s形成的能級，2s2p形成

1P1

，3P2，1，0

；2s3s形成

1S0

，3S1例題鈹4Be基態(tài)電子組態(tài)：1s22s2形成1S2s3p2s2p

1S01P13P2,1,03S13P2,1,02s3s2s2p2s2

1S02s3s1P12s3p右圖是L-S耦合總能級和躍遷光譜圖(根據洪特定則及選擇定則)L=0S=1S=0L=1L=0L=12s3p2s2p1S01P13P2,1,03S13P2,1氦氖激光器全反射鏡部分反射鏡AK氦氖氣體激光器

氦-氖激光管中充有氦（1mmHg）、氖（0.1mmHg）混合氣體，放電激勵。氦氖激光器全反射鏡部分反射鏡AK氦氖氣體激光器氦-氖激光管第六章磁場中的原子基本要求：（1）熟練掌握原子的磁矩，朗德g因子的計算方法，計算單電子總磁矩。（2）掌握外磁場對原子的作用：Larmor進動、原子受磁場作用的附加能量。（3）理解施特恩-蓋拉赫實驗結果。（4）掌握塞曼效應的現象、原理，會做格羅春圖。第六章磁場中的原子基本要求：原子的磁矩1.電子軌道運動磁矩......電子軌道運動磁矩

2.電子自旋運動磁矩……自旋磁矩原子的磁矩1.電子軌道運動磁矩......電子軌道運動磁矩單電子原子的總磁矩

單電子原子總磁矩（有效磁矩）:單電子原子的總磁矩單電子原子總磁矩（有效磁矩）:原子受磁場作用的附加能量

與外磁場耦合產生附加能量:在外磁場中,原子的能級分裂成個,間隔為原子受磁場作用的附加能量與外磁場耦合產生附加能量:在例:在磁場中能級的分裂情況分裂為四個能級，裂距例:在磁場中能級的分裂情況分裂為四個能級，裂距塞曼效應一、實驗事實1.塞曼效應現象1896年，荷蘭物理學家塞曼發(fā)現：若把光源放入磁場中，則一條譜線就會分裂成幾條，且分裂后的譜線成分是偏振的，這種現象稱為塞曼效應。塞曼效應一、實驗事實1.塞曼效應現象1896年，荷蘭物理學家二、理論解釋1.基本理論

設無磁場時，有兩個能級，它們之間的躍遷將產生一條譜線：

若加外磁場，則兩個能級各附加能量,使能級發(fā)生分裂，所以光譜為：二、理論解釋1.基本理論設無磁場時，有兩個能級將頻率差轉為波數差:

磁能級之間的躍遷選擇定則

產生

線(但

時

除外)

產生線將頻率差轉為波數差:磁能級之間的躍遷選擇定則產生線2.

鎘6438.47埃的塞曼效應這條線對應的躍遷是1D21P11P11D2LSJMgMg2020，±1，±211010，±112.鎘6438.47埃的塞曼效應這條線對應的躍遷是1D21借助格羅春圖計算波數的改變：M210-1-2M2g2210-1-2M1g110-1（M2g2-M1g1）=000-1-1-1111借助格羅春圖計算波數的改變：M第七章原子的殼層結構基本要求：（1）掌握原子的殼層結構，包括元素性質的周期性、泡利原理和原子的殼層結構、基態(tài)的電子組態(tài)和原子態(tài)。第七章原子的殼層結構基本要求：原子的電子殼層結構1.描述電子狀態(tài)的兩套量子數(1)用量子數描述(無耦合表象)

如：原子處于強磁場中，電子的自旋-軌道耦合被解脫。電子的軌道、自旋的取向分別對外磁場量子化。(2)用量子數描述(耦合表象)

電子的自旋-軌道耦合時，不再有確定的值。如：原子處于弱磁場中；j-j耦合情形。原子的電子殼層結構1.描述電子狀態(tài)的兩套量子數(1)用3.殼層和次殼層最多容納電子數同一個原子中,不可能有兩個或兩個以上的電子處在同一個狀態(tài)；也就是說，不可能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的四個量子數。2.泡利不相容原理相同主量子數的電子構成一殼層；每一殼層中，不同的分為不同的次殼層。(1)用量子數描述時

對確定的主量子數,共取個值；對每一，共個值，對每一每一次殼層最多容納電子數：3.殼層和次殼層最多容納電子數同一個原子中,不可能有兩個或兩每一殼層最多容納電子數：(2)用量子數描述時

對確定的主量子數,共取個值；對每一，有兩個值：對每一每一次殼層最多容納電子數：每一殼層最多容納電子數：每一殼層最多容納電子數：(2)用量

各殼層可以容納的最多電子數56殼層名稱最多電子數2n2支殼層最多電子數

2(2+1)1234KLMNOP2818325072001012301234501201234sspspdspdfspdfghspdfg2262610261014261014182610141832殼層命名起源于X射線譜。各殼層可以容納的最多電子數56殼層名稱原子在正常狀態(tài)時，每個電子在不違背泡利不相容原理的前提下，總是盡先占有能量最低的狀態(tài)。4.能量最低原理原子中各狀態(tài)能量高低次序

同一主殼層中（n相同而不同）E(ns)<E(np)<E(nd)<E(nf)電子能級排列大致順序：原子在正常狀態(tài)時，每個電子在不違背泡利不相容原理的前提下，總原子基態(tài)光譜項的確定考慮：L-S耦合；泡利原理；能量最低原理；洪特定則1.滿殼層和滿次殼層角動量均為零描述原子狀態(tài)（光譜項）的角動量只取決于未填滿的次殼層中的電子總角動量。2.確定原子基態(tài)光譜項的簡易方法(1)由泡利原理和能量最低原理求一定電子組態(tài)的最大S。

(2)求上述情況上的最大L。

(3)由半數法則確定J。

(4)按2s+1LJ確定基態(tài)原子態(tài)（光譜項）。原子基態(tài)光譜項的確定考慮：L-S耦合；泡利原理；能量最低原

其它元素的原子態(tài)都有可按上述方法求得。例：Si（硅）基態(tài)電子組態(tài)是3p2,是兩個同科p電子，填充方式為：m

:+10-1由此可知這樣便求出了最大S和最大的L（按洪特定則Ｐ154要求）

再由半數法則確定J=L-S=0,所以硅（Si）的基態(tài)

為L=1,S=1,J=0，可得，3P0

是它的基態(tài)的原子態(tài)。半數法則：由一個次殼層滿額半數以上的電子（但還沒滿）構成的能級一般具有倒轉次序（J值大的能級低）；小于滿額半數的電子構成的能級一般具有正常次序（J值小的能級低）.其它元素的原子態(tài)都有可按上述方法求得。例：原子物理學知識要點總結ppt課件第八章X射線基本要求：（1）了解X射線的產生及測量方法。（2）掌握X射線的發(fā)射譜（連續(xù)譜和標識譜）的產生機制，并理解與原子光譜產生機制的區(qū)別。（3）了解同X射線有關的原子能級。（4）了解康普頓效應的現象，裝置，解釋。第八章X射線基本要求：一、X射線的連續(xù)譜1.連續(xù)譜產生機制—軔致輻射連續(xù)譜上存在一短波限（最短波長）。與加在射線管上的電壓有關，而與靶材無關。軔致輻射的強度正比于靶核電荷平方。通常用鎢作靶（陽極）。醫(yī)學和工業(yè)上使用的X射線主要是連續(xù)譜部分。2.連續(xù)譜的短波限

當高速電子擊中靶，與靶原子相互作用（碰撞）而速度驟減。電子的速度（動能）減小是連續(xù)的，與之伴隨的電磁輻射因而是連續(xù)的。常稱為軔致輻射。一、X射線的連續(xù)譜1.連續(xù)譜產生機制—軔致輻射連續(xù)譜上存在一二、X射線的標識（特征）譜當電子的能量(加速電壓)超過某一臨界值時,在連續(xù)譜的背景上迭加一些線狀譜。1.標識譜二、X射線的標識（特征）譜當電子的能量(加速電壓)超過某一2.標識譜的產生機制當高速電子使重元素原子的內層電子電離，形成空位，在外殼層上的電子躍遷到這空位時，就形成了X射線的標識譜。當外層電子向K層空位躍遷就形成K線系。2.標識譜的產生機制當高速電子使重元素原子的內層電子電離，形2.X射線能級圖及躍遷選擇定則：

圖中躍遷方向是“空位移動方向”，即空位從高能級向低能級移動。2.X射線能級圖及躍遷選擇定則：圖中躍遷方向是“空位移動第十章原子核物理基本要求：（1）掌握原子核的基本性質（電荷，質量，密度，自旋，磁矩，宇稱等）。（2）掌握原子核的結合能，了解核力的基本性質。（3）了解幾種常見的核結構模型。（4）掌握放射性衰變的規(guī)律和三種放射性衰變。第十章原子核物理基本要求：原子核的基本性質1.原子核的電荷原子核帶正電，原子核的電荷數就是這化學元素的原子序數，也等于中性原子的核外電荷數。2.原子核的組成由質子和中子組成。質子帶正電荷，中子不帶電。質子和中子統(tǒng)稱為核子。核子的自旋為1/2。質子（p)、中子(n)的質量：原子質量單位原子核的基本性質1.原子核的電荷原子核帶正電，原子核的電荷數3.原子核的質量原子核的質量，可以由原子質量推算，也可以由核子的數目推算。原子的質量=原子核的質量+所有電子質量

–

相當于所有電子結合能的數值（可忽略）。原子核的質量=所有核子的質量–

相當于所有核子結合能的數值。采用原子質量單位，原子（核）的質量接近一整數，這整數稱為原