原子物理學_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驗規(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 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 鋰原子能級圖 4 能級圖 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 4 2原子實的極化和軌道貫穿 1 價電子與原子實 共同之處 最外層有一個容易脫掉的電子 價電子其余電子和核形成一個緊固的團體 原子實 堿金屬原子 帶一個正電荷的原子實 一個價電子 H原子 帶一個正電荷的原子核 一個電子 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)向下躍遷時將發(fā)射光譜 非貫穿軌道貫穿軌道價電子的軌道運動 2 原子實極化 軌道 扁 近日點離原子實近 極化 強 能量 低 價電子在軌道近日點附近時 吸引原子實中的正電部分 排斥負電部分 原子實正 負電荷的中心不再重合 原子實極化 能量降低 當電子遠離原子實運動 價電子好象處在一個單位正電荷的庫侖場中運動 與氫原子模型完全相似 所以光譜和能級與氫原子相同 3 軌道貫穿 實外 Z 1貫穿 Z 1平均 Z 1 光譜項 小 貫穿幾率大 能量低 當很小時 價電子的軌道扁 價電子可能穿過原子實 軌道貫穿 綜上 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 4 量子力學定量處理 遠離原子實運動 靠近原子實運動 解薛定諤方程得能量和光譜項 4 3堿金屬原子光譜的精細結(jié)構(gòu) 原子中電子和原子核的庫侖作用導致了原子內(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 堿金屬光譜的精細結(jié)構(gòu)實驗事實 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 堿金屬原子三個線系的精細結(jié)構(gòu)示意圖 2 實驗結(jié)果的分析推論 光譜線的任何分裂都是能級分裂的結(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能級是單層的 而p d f能級都是雙層的 對同一值 雙層能級間隔隨量子數(shù)n增大而減小 能級為什么會發(fā)生精細分裂呢 4 4電子自旋與軌道運動的相互作用 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 革拉赫實驗結(jié)果 兩位不到25歲的荷蘭大學生烏侖貝克和古茲米特大膽地提出電子的自旋運動的假設 按照這一假設 電子除軌道運動外 還存在一種自旋運動 和自旋運動相聯(lián)系還存在自旋角動量 2 電子自旋角動量量子數(shù) 3 電子自旋角動量空間取向量子化 4 電子自旋磁矩 電子軌道運動磁矩 5 單電子總角動量 對于單電子s 1 2 所以 1928年 Dirac從量子力學的基本方程出發(fā) 很自然地導出了電子自旋的性質(zhì) 為這個假設提供了理論依據(jù) 在無外場情況下 守恒 大小 方向不變 和繞進動 且保持夾角不變 二 自旋 軌道運動相互作用能 1 磁性物體在磁場中運動的附加能量 2 自旋 軌道相互作用能 電子的自旋運動和軌道運動之間通過磁相互作用 在電子為靜止的坐標系上 原子實 Z e 繞電子旋轉(zhuǎn) 并產(chǎn)生磁場B 并與自旋磁矩作用 變換回以核為靜止的坐標系 并考慮兩坐標系變換的相對論 時間差 效應后 再乘以因子得 詳見 史斌星 量子物理 附錄 的處理 量子力學方法 按幾率分布所得的平均值代替 對堿金屬原子 的處理 代入整理得 原子的總能量 不包括相對論修正 能級的精細結(jié)構(gòu) 能量E由三個量子數(shù)決定 對一給定能級 即給定但仍與有關(guān) 3 堿金屬原子能級的分裂 當時 能級不分裂 能級分裂為雙層 間隔 討論 4 堿金屬原子態(tài)符號表示 如2p電子 3S電子等 小寫符號 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 價電子的主量子數(shù) 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(shù) 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 表示 的原子態(tài) 多重度 2 表示 的原子態(tài) 多重度 2 Li原子能級圖 考慮精細結(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Li 對Na Li原子 鈉原子 4 6氫原子光譜的精細結(jié)構(gòu) 1 相對論修正 2 電子自旋與軌道的相互作用能 3 氫原子精細能級的狄拉克公式 n增加 能級裂距減小 氫原子線的能級精細結(jié)構(gòu)及躍遷 七種躍遷 五條譜線 4 藍姆移動1947年藍姆和李瑟福用射頻波譜學的方法測得22S1 2能級比22P1 2能級高1058Mhz 即 E 0 033cm 1 3 3m 1 與狄拉克公式結(jié)果顯著差別 從而導致了量子電動力學的誕生 這是因為電子除受核的靜電作用 磁相互作用以及相對論效應外 還受到因發(fā)光而產(chǎn)生的輻射場作用 即與其自身發(fā)出的輻射之間的相互作用