2电子自旋3原子核外电子的排布4激光课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《2电子自旋3原子核外电子的排布4激光课件.ppt》由用户(晟晟文业)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 电子 自旋 原子 核外电子 排布 激光 课件
- 资源描述:
-
1、1第第3章原子中的电子章原子中的电子 1 氢原子的量子力学处理氢原子的量子力学处理 2 电子自旋电子自旋 3 原子核外电子的排布原子核外电子的排布 4 激光激光2一、氢原子发光的实验规律一、氢原子发光的实验规律二、玻尔的氢原子理论二、玻尔的氢原子理论(半经典半经典)三、氢原子的量子力学处理三、氢原子的量子力学处理四、量子数小结四、量子数小结1 氢原子的量子力学处理氢原子的量子力学处理以氢原子为例说明以氢原子为例说明量子力学在解决原子结构方面的成功量子力学在解决原子结构方面的成功注意量子力学给出的全新概念注意量子力学给出的全新概念3,2,11122mmnnmR赖曼系赖曼系巴耳末系巴耳末系 帕刑系
2、帕刑系布喇开系布喇开系普芳德系普芳德系54321mmmmm不同的元素不同的元素 R 值略有不同值略有不同近代光谱资料近代光谱资料 真空中真空中R=1.0973731568549 107m-1一、氢原子发光的实验规律一、氢原子发光的实验规律发光普遍关系光谱项发光普遍关系光谱项)()(nTmT4hEEfi EiEf 1.基本假设基本假设定态假设频率假设量子化条件定态假设频率假设量子化条件二、玻尔的氢原子理论二、玻尔的氢原子理论(半经典半经典)2.结论结论5126 534赖曼系赖曼系(紫外区)(紫外区)巴耳末系巴耳末系(可见区可见区)帕邢系帕邢系布喇开系布喇开系氢原子能级图氢原子能级图-13.6eV
3、-3.39eV-1.81eV-0.85eVEnl主量子数主量子数 n121EnEn eVn26.13 由能级算出由能级算出的光谱线频的光谱线频率和实验结率和实验结果完全一致果完全一致61.氢原子的定态薛定谔方程氢原子的定态薛定谔方程氢原子中电子的电势能氢原子中电子的电势能 reU024U和方向无关和方向无关 为为中心力场中心力场U(r)()(222rE)r(rUmzryx三、氢原子的量子力学处理三、氢原子的量子力学处理球坐标球坐标cossin rxsinsin rycosrz 2222zyxr71)在球坐标中的薛定谔方程在球坐标中的薛定谔方程),(),()(12222222rErrUrLrrr
4、rm2222 zLsinsinsin222zLL认识一下方程形式认识一下方程形式 知道思路知道思路重要的是量子力学给出的重要的是量子力学给出的结论结论8)()()()(rR,r得到三个微分方程得到三个微分方程分别与分别与有关有关zLLE22)三个微分方程三个微分方程设波函数形式为设波函数形式为3)解方程解方程 由于波函数必须由于波函数必须 满足标准化条件满足标准化条件 所以所以 这三个物理量都这三个物理量都 自然得出量子化的结果自然得出量子化的结果92.能量量子化能量量子化解得原子的能量为解得原子的能量为121EnEneV6.13)4(222041meEn=1,2,3,称为称为主量子数主量子数
5、 n=1,2,3,,在此能量只和主量子数有关在此能量只和主量子数有关 和其他因素无关和其他因素无关103.角动量量子化角动量量子化解方程得出原子中电子的轨道角动量为解方程得出原子中电子的轨道角动量为称称角量子数角量子数对同一个对同一个 n 角动量有角动量有n个不同的值个不同的值但但 能量相同能量相同1llL)1(,2,1,0nl114.角动量的空间量子化角动量的空间量子化 解方程得出电子的轨道角动量在解方程得出电子的轨道角动量在Z方向的方向的 分量是分量是称称磁量子数磁量子数lzmL lml,2,1,0对同一个对同一个 l 角动量角动量Z方向分量可能有方向分量可能有 2l+1个不同的值个不同的
6、值12这表明这表明 角动量角动量 在空间的取向有在空间的取向有(2l+1)种可能性种可能性Ll=2 2 0,Lz对对 z 轴旋转对称轴旋转对称例如例如:Lz02 2 z)(B是是量子化量子化的的2 10,mllzmL 6 L角动量大小是角动量大小是 6)12(2LZ方向分量有方向分量有5种取值种取值有五种可能的取向有五种可能的取向L说明说明13由由量子力学量子力学得出的氢得出的氢原子能级图和原子能级图和玻尔理玻尔理论论的结果相同的结果相同玻尔理论玻尔理论的一条的一条能级能级对对应于电子的一种应于电子的一种轨道轨道量子力学量子力学的一条的一条能级能级则对应于电子的一种则对应于电子的一种状态状态每
7、个状态用量子数每个状态用量子数 n,l,ml 描述描述6 51234n14本征波函数本征波函数)()()(,YrR,rlllmnlm,l,n径向径向角向角向2|lnlm电子在电子在(n,l,ml)态下在空间态下在空间 ()处出现的概率密度是处出现的概率密度是 ,r5.电子的概率分布电子的概率分布)()()(,Y角向波函数角向波函数15归一化归一化:ddd4020222),()(),(1lmnlnlmYrrrRVr1022)(rrrRnld1),(402dlmY要求要求:1641),(00Y结果结果1 电子的角向概率分布电子的角向概率分布各向同性各向同性 球对称球对称 41|),(|200Yzy
8、电子出现在电子出现在(,)方向立体角方向立体角d d 内的概率内的概率 d),(dd),(2220 llmnlllmYrrrR d),(2llmY 00lml17cos43),(10Y2210cos43|),(|Yzy ieYsin83),(112211sin83|),(|Yzy 18结果结果2 电子的径向概率分布电子的径向概率分布(r r+dr)rrrRYrrnllmnlddd22240)(),()(rrrRnld22)(代表电子出现在代表电子出现在(r r+dr)的球壳层内的概率的球壳层内的概率rdr19基态基态:n=1,l=0o2201A529.04mehr 玻尔半径玻尔半径1rr22n
9、lRr 100 1电子出现在电子出现在 r=r1 的的单位厚度球壳层内的单位厚度球壳层内的概率最大概率最大20激发态激发态:n=2,l=0,1121224rrrr n=3,l=0,1,21233 rrr 对对 l=1 的电子的电子 概率最大概率最大对对 l=2 的电子的电子 概率最大概率最大22nlRr 21 201rr0 41rr22nlRr 32 31 300 921四、量子数小结四、量子数小结主量子数主量子数 n=1,2,3,,决定能量决定能量21nEEn角量子数(轨道量子数)(副量子数)角量子数(轨道量子数)(副量子数)l=0,1,2(n-1),),决定角动量决定角动量 )1(llL的
10、大小的大小LlzmL 磁量子数磁量子数 ml=0,l ,2,1间取向间取向L决定决定 的空的空222)能量只和能量只和主量子数主量子数有关(对氢原子说)有关(对氢原子说)1)电子的状态用电子的状态用量子数量子数 n,l,ml 描述描述相当于相当于3个自由度对应的个自由度对应的3个独立坐标个独立坐标讨论讨论3)简并简并态简并简并态 同一个主量子数同一个主量子数 不同的角量子数和磁量子数不同的角量子数和磁量子数具有具有相同的能量相同的能量 这种情况叫能级的这种情况叫能级的简并简并同一能级的各状态称同一能级的各状态称简并态简并态例如例如 n=3 有有9种简并态种简并态23同一能级的各状态称同一能级的
11、各状态称简并态简并态 n=3 能级能级 有有9种简并态种简并态怎么得出的呢怎么得出的呢?角量子数有角量子数有n 种取值种取值 n=3 角动量有角动量有3种取值种取值磁量子数磁量子数2l+1种取值种取值 即即 每每种角动量空间取向有种角动量空间取向有2l+1种种 l=0(1种种)l=1(3种种)l=2(5种种)共共9种种242 电子自旋电子自旋 一、一、斯特恩斯特恩-盖拉赫实验盖拉赫实验 二、二、电子自旋电子自旋 三、三、类氢原子的能级类氢原子的能级25一、一、斯特恩斯特恩-盖拉赫实验盖拉赫实验 证明角动量空间量子化的首例实验证明角动量空间量子化的首例实验 1.实验构思实验构思LeL量子化量子化
12、即即量子化量子化磁矩磁矩每个角动量对应一个磁矩每个角动量对应一个磁矩角动量角动量26磁矩在磁矩在非均匀磁场非均匀磁场中会受力中会受力 发生偏转发生偏转磁矩磁矩分立分立 偏转角度偏转角度分立分立 磁矩磁矩连续连续 偏转角度偏转角度连续连续实验基本思想实验基本思想:令原子通过令原子通过非均匀非均匀磁场磁场 272.斯特恩盖拉赫实验装置(斯特恩盖拉赫实验装置(1921)NS磁磁 铁铁28 3.结论结论 1)出现了出现了分立现象分立现象 说明角动量确实空间量子化说明角动量确实空间量子化 2)也出现了疑问也出现了疑问 理论上理论上:角动量空间角动量空间应分立应分立(2l1)条条 奇数条奇数条 实验实验出
13、现出现偶数条偶数条 怎么解释?怎么解释?说明说明我们对原子的描述还不够完全我们对原子的描述还不够完全 3)若角动量量子数若角动量量子数取半整数取半整数 就可出现就可出现偶数条偶数条29二、电子自旋二、电子自旋 1925年乌伦贝克年乌伦贝克(G.E.Uhlenbeck)和古兹和古兹米特米特(S.Goudsmit)为了解释原子光谱的精为了解释原子光谱的精细结构细结构(光谱双线光谱双线)提出了大胆的假设:提出了大胆的假设:电子具有电子具有固有固有的的角动量角动量 叫叫自旋自旋角动量角动量 相应的磁矩相应的磁矩-自旋磁矩自旋磁矩 SS S电子带负电电子带负电 磁矩的方向和自旋的方向应相反磁矩的方向和自
14、旋的方向应相反s 30B ZSS这一经典图象受到泡这一经典图象受到泡利的责难利的责难按按23 S若把电子视为若把电子视为r=10-16 m的小球的小球,计算出的电子表面速度计算出的电子表面速度 C !自旋是什么?自旋是什么?不能用经典的图象来理解不能用经典的图象来理解小球小球 自转自转固有固有31 lzmL )1(llL轨道角动量轨道角动量 SzmS 自旋角动量自旋角动量)1(ssS s 自旋量子数自旋量子数mS 自旋磁量子数自旋磁量子数自旋具有角动量的性质自旋具有角动量的性质 量子化量子化l=0,1,2(n-1)lml ,210,32相对论量子力学给出相对论量子力学给出21 s2121 ,S
15、m )1(ssS2321 szmSSzmS)1(ssSSmees esezsmemme2,33电子自旋是电子的一种电子自旋是电子的一种 “内禀内禀”运动运动不是一个经典的概念不是一个经典的概念玻耳磁子玻耳磁子eBme2 J/T1027.924 Besezsmemme2,自旋和物理学的三个方面有关自旋和物理学的三个方面有关:经典的转动概念经典的转动概念 角动量量子化角动量量子化 狭义相对论狭义相对论 杨振宁杨振宁:“:“自旋自旋”,自然杂志自然杂志 6(1983),247341)四个四个量子数量子数 在氢原子部分在氢原子部分 已说明已说明 电子的状态用量子数电子的状态用量子数 n,l,ml 描述
16、描述 相当于相当于3个自由度个自由度 考虑自旋后考虑自旋后 还有还有2种可能种可能 相当于还需一个自由度来表征相当于还需一个自由度来表征 所以所以 电子的状态应用电子的状态应用n,l,ml,ms描述描述讨论讨论352)简并态简并态 考虑了自旋后考虑了自旋后 电子电子 n=3 态态 有几种简并态?有几种简并态?角动量有角动量有 3 种种每种角动量空间取向有每种角动量空间取向有2l+1种种电子还有电子还有2种自旋种自旋所以共有所以共有18种种一般结论一般结论:简并态简并态 2n236三、类氢原子的能级三、类氢原子的能级H原子原子+e-e碱金属原子碱金属原子原子实原子实+e(价电子)(价电子)-e
17、所以光谱与氢有差别所以光谱与氢有差别但是与氢原子不同的是但是与氢原子不同的是 碱金属原子碱金属原子能级能级除除还与还与l 有关有关这种结构这种结构类似于氢原子类似于氢原子碱金属原子(碱金属原子(Li,Na,K,Rb,Cs,Fr)价电子以)价电子以内的电子与原子核形成了一个带电内的电子与原子核形成了一个带电+e 的的原子实原子实与与n 有关外有关外故它们的光谱也类似故它们的光谱也类似37轨道角动量影响碱金属能级主要有轨道角动量影响碱金属能级主要有两个两个因素因素 轨道贯穿和原子实的极化轨道贯穿和原子实的极化1.轨道贯穿轨道贯穿对于不同的对于不同的 l 有不同的电子云分布有不同的电子云分布电子有可
18、能电子有可能进入原子实进入原子实对应于不同的对应于不同的“轨道轨道”对于那些对于那些l小的轨道小的轨道这称为这称为轨道贯穿轨道贯穿轨道贯穿使电子感受轨道贯穿使电子感受到了更多正电荷的作用到了更多正电荷的作用因此能量要因此能量要降低降低-e轨道贯穿轨道贯穿3822nlRr 21 201rr0 41rr22nlRr 32 31 300 9n=2n=3回忆回忆n相同相同l 不不同的电子的径同的电子的径向概率分布向概率分布分析非常靠近分析非常靠近原子核的情况原子核的情况l 小小的靠近核的的靠近核的概率概率大大 能量能量低低392.原子实极化原子实极化价电子对原子实中负电荷的价电子对原子实中负电荷的排斥
19、排斥 使原子实使原子实负电荷的重心负电荷的重心向向远离电子远离电子方向移动方向移动造成了原造成了原子实的极化子实的极化使价电子附加使价电子附加 了了 一一 部分部分负的电势能负的电势能负电荷重心偏移后负电荷重心偏移后价电子感受到的原子核价电子感受到的原子核的的吸引作用增强吸引作用增强了了(Z 1)e原子实极化原子实极化-e Ze40相同主量子数相同主量子数n的氢原子中电子的能量的氢原子中电子的能量 上述两种因素上述两种因素都使主量子数为都使主量子数为n的价电子能量低于的价电子能量低于且且 l 越小则能量越低越小则能量越低综合结果综合结果:都使价电子感受到了更多正电荷的作用都使价电子感受到了更多
20、正电荷的作用 413.碱金属的能级公式碱金属的能级公式n=2H原子能级原子能级碱金属能级碱金属能级n=22P(l=1)2S(l=0)2)(eV6.13nlnlnE nl量子数亏损量子数亏损423 原子核外电子的排布原子核外电子的排布 一、原子中电子的四个量子数一、原子中电子的四个量子数 二、泡利不相容原理二、泡利不相容原理 三、能量最低原理三、能量最低原理 四、广义泡利原理四、广义泡利原理 玻色爱因斯坦凝聚玻色爱因斯坦凝聚43一、原子中电子的四个量子数一、原子中电子的四个量子数 描述原子中电子的运动状态描述原子中电子的运动状态 需要一组量子数需要一组量子数(n,l,ml,ms)1.主量子数主量
21、子数 n=1,2,3,决定能量的主要因素决定能量的主要因素2.角角(轨道轨道)量子数量子数 l=0,1,2(n-1)对能量有一定影响对能量有一定影响)1(llLn一定时一定时 有有n种取值种取值 l 越小能量越低越小能量越低444.自旋磁量子数自旋磁量子数21 smszmS 3.磁量子数磁量子数lml 2,1,0lzmL 引起磁场中能级的分裂引起磁场中能级的分裂产生精细结构产生精细结构45自旋角动量也只有一个值自旋角动量也只有一个值23)1(ssS不变不变 不必总提及不必总提及 可不计入可不计入 s =1/2原子中核外电子的排布要遵守原子中核外电子的排布要遵守泡利不相容原理泡利不相容原理能量最
22、低原理能量最低原理需要说明的是需要说明的是 自旋量子数自旋量子数 只有一个值只有一个值46四个量子数小结四个量子数小结名名 称称 取取 值值 物物 理理 意意 义义 11,2,1,0llLnl电子能量的主体电子能量的主体确定的能级确定的能级 角动量的可角动量的可能取值能取值 对总能量有一定对总能量有一定影响影响“轨道轨道”角动量在磁场中角动量在磁场中可能的取向可能的取向 能级分裂能级分裂谱线精细结构谱线精细结构主量子数主量子数角量子数角量子数磁量子数磁量子数自旋磁量自旋磁量子数子数,2,1nlzlmLlm,1,0221ZsSm47二、泡利不相容原理二、泡利不相容原理 1.泡利不相容原理泡利不相
23、容原理 一个原子内不可能有两个或两个以上的一个原子内不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的状态电子具有完全相同的状态 或说或说 一个原子内不可能有四个量子数完一个原子内不可能有四个量子数完全相同的电子全相同的电子 或说或说 不可能有两个或两个以上的电子处不可能有两个或两个以上的电子处于同一个量子态于同一个量子态48同一个同一个n 组成一个壳层组成一个壳层 对应于对应于n=1,2,3,的各壳层的各壳层 分别记做分别记做 K,L,M,N,O,P相同相同 n,l 组成一个支壳层组成一个支壳层 对应于对应于l=0,1,2,3,的各支壳层的各支壳层 分别记做分别记做 s,p,d,f,g,h2.各壳层
展开阅读全文