原子物理学第四章碱金属原子

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原子物理学褚圣麟第四、五章复习

原子物理学褚圣麟第四、五章复习

第四章:碱金属原子和电子自旋锂、钠、钾、铷、铯、钫化学性质相仿、都是一价、电离电势都比较小,容易被电离,具有金属的一般性质。

一、碱金属原子的光谱1、四个线系(锂为例):其他碱金属光谱系相仿,只是波长不同主线系:波长范围最广,第一条线是红色的,其余在紫外,系限2299.7埃;第一辅线系(漫线系):在可见部分;第二辅线系(锐线系):第一条线在红外,其余在可见部分;伯格漫线系(基线系):全在红外。

2、巴尔末氢原子光谱规律: ,5,4,3),1-21(1~22===n nR v H λ 碱金属原子光谱:2*∞-~~nR v v n = R 为里德伯常数,当,所以∞v ~是线系限的波数,且有效量子数*n 不是整数,Δ==-*n TR n 3、碱金属原子的光谱项:22*Δ)-(n R n R T == 4、同一线系的有效量子数与主量子数差别不大;与某一量子数对应不同线系的有效量子数差别明显,引进角量子数加以区分:5、每一线系线系限波数恰好是另一线系第二谱项值中最大的那个。

共振线:主线系第一条。

6、碱金属原子氢原子能级的比较n 很大时,碱金属原子能级 很接近氢原子能级;n 较小时,碱金属原子能级 与氢原子能级相差大; 且n 相同,l 不同的能级高低差别很大。

二、原子实极化和轨道贯穿:原子=原子实+价电子1、原子实:碱金属原子中的电子具有规则组合,共同点是在一个完整的结构之外,多余一个电子,这个完整而稳固的结构称为原子实。

由于原子实的存在,发生原子实的极化和轨道在原子实中的贯穿。

2、价电子:原子实外的那个电子称作价电子。

价电子在较大的轨道上运动,与原子实结合不是很强,容易脱离。

它决定元素的化学性质,在较大的轨道上运动。

3、原子实的极化:由于价电子的电场的作用,原子实中带正电的原子核和带负电的电子的中心发生微小相对位移,于是负电的中心不再在原子核上,形成一个电偶极子。

① 角量子数l 小:轨道偏心率大(椭圆),极化强,能量影响大;② 角量子数l 大:轨道偏心率小(接近圆),极化弱,能量影响小。

原子物理学 课件-第四章 碱金属原子和电子自旋

原子物理学 课件-第四章 碱金属原子和电子自旋
价电子轨道分为两部分: i、在原子实外运动,受原子实库仑场作用,有效电荷
光谱项: 能级因极化下降不太多 ii、价电子进入原子实内:
原子物理学
iii、 都很大,价电子轨道离原子实很远,极化, 贯穿不再发生,碱金属原子能级与氢原子能级差别小。
原子物理学
§4.3 碱金属原子光谱精细结构 一、精细结构
用高分辩本领的光谱仪观察碱金属光谱,每条谱 线又由更精细的两条或三条谱线组成。 例:钠,主线系第一谱线,
二、价电子运动:决定光谱、化学性质 (1)价电子远离原子实: 大, 大, 能级接近氢原子
(2)价电子靠近原子实: 小, 小,两种情况: 原子实极化,轨道贯穿。
原子物理学
1、原子实极化: 没有价电子作用时,原子实内部正、负 电荷中心重合。
价电子靠近原子实,正、负电荷中心不再重合,原 子实被极化形成电偶极子,偶极子电场反作用于电 子,产生附加吸引力,引起能量降低。
Ⅰ:
Ⅱ:
柏:
元素 234567
原子物理学
§4.2 碱金属光谱解释 原子实极化 轨道贯穿
一. 碱金属原子实模型
括号内电子排布 形成稳定完整结 构
原子物理学
原子实:碱金属原子中,除价电子以外的其余部 分,是一稳定结构,带单位正电荷。
原子实=核+2个电子. 占据 轨道
原子实=核+10个电子,占据 轨道,以下类推。
用极化概念解释同一 的能级分裂:
同一
小,轨道偏心率大, 价电子靠近原子实,极 化很强,能级下降多;
大,轨道偏心率小, 价电子远离原子实,极 化很弱,能级下降少
引起同一 . 由于 不同 的能级分裂
原子物理学
2、转道贯穿 当价电子处于 小,偏心率大的轨道上运动时,其 轨道可能贯入原子实内部,引起能级降低的 现象。

原子物理学第四章碱金属原子

原子物理学第四章碱金属原子

二、碱金属原子的光谱项
R R 光谱项 : Tn *2 2 n (n )
锂:

s= 0.4 p = 0.05 d= 0.001 f =0.000 钠: s =1.35 p=0.86 d =0.001 f =0.000
三、碱金属原子能级
hcR hcR E n hcT *2 2 n (n )
第四章 碱金属原子
(讲授6学时、自学6学时)
1
§4.1 碱金属原子光谱
一、碱金属原子光谱的实验规律 二、碱金属原子的光谱项 三、碱金属原子的能量和能级

2
一、碱金属原子光谱的实验规律
1、 碱金属原子光谱具有原子光谱的一般规律性;
2、通常可观察到四个谱线系。
各种碱金属原子的光谱,具有类似的结构。 主线系(也出现在吸收光谱中); 第二辅线系(又称锐线系);


柏格曼系:
~ fn
R R , n =4,5,6… 2 2 (3 d ) (n f )
8
3、锂的四个线系
~ 2S nP 第二辅线系: ~ P nS
主 线 系:
,n = 2, 3, 4… ,n =3,4,5… ,n =3,4,5… , n =4,5,6…
第二辅 线系 主线系
s,=0
T 43484.4 16280.5 8474.1
n* 1.589 2.596 3.598
5186.9 3499.6 2535.3
4.599 5.599 6.579
T 28581.4 12559.9 7017.0 p, =1 * n 1.960 2.956 3.954 T d, =2 n* T n* 12202.5 6862.5 2.999 3.999 6855.5 4.000

原子物理第4章

原子物理第4章
碱金属原子和电子自旋主线系第二辅线系第一辅线系跃迁前主线主线系第一第二辅线系的目标是有同一主量子数n2的状态同一线系光谱项第二项有相同的修正值表明它们来自不同主量子数下相同的子状态第一节
Automic Physics 原子物理学
第四章:碱金属原子和电子自旋
碱金属元素: 锂Li、钠Na、钾K、铷Rb、铯Cs、钫Fr 原子序数: Li 3、Na 11、K19、Rb 37、Cs55、Fr87
R R , n 3,4, 2 2 p n s 2
主线系 第二辅线系
~ n
~ n
R R , n 3,4, 2 2 p n d 2
R R , n 4,5, 2 3 d n f 2
第一辅线系 柏格曼线系
2 2
11 2 12 2 2 1

22 22 1

2 2 32 2 2 1

2 2
2 2 32 32 2 2 1

2 2 32 4 2 32 2 2 1

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结束
第四章:碱金属原子和电子自旋
第二节:原子实的激化和轨道贯穿
R R , n 4,5, 3 一辅 2 n 柏格 2
2000
1000
主线系
第一辅线系
第二辅线系
柏格曼线系
2500
3000
4000
5000
波长埃
7000
10000 20000
第四章:碱金属原子和电子自旋
第一节:碱金属原子的光谱
主线系 第二辅线系 第一辅线系 柏格曼线系
原子实激化:
e

原子物理学4

原子物理学4
Ps s ( s 1) 3 B 3 2
s
电子的自旋轨道耦合
电子围着原子核做圆周运动, 原子的总磁矩和总角动量都来 源于电子的轨道运动和电子的 自旋。 j l s 总磁矩:
总角动量: P j Pl Ps
价电子
e
Ze
由量子力学可知,Pj也是量子化的, 相应的 总角动量量子数用 j 表示,且有
§4.4 电子自旋同轨道运动的相互作用
电子的自旋
Uhlenbeck and Goudsmit 在1925年提出: 实验依据: (1)史特恩-盖拉赫实验出现偶数分裂的事实 (2)碱金属原子光谱的精细结构
P 电子具有某种方式的自旋; s s ( s 1), s 1 2
相对于外磁场方向,自旋角动量Ps在空间只能取朝上和 P 1 朝下两种取向: s B Psz ms , ms z 自旋磁矩和自旋角动量的关系是:
碱金属原子态的符号:
电子态符号:l 0 ,1, 2 , 3 ,
s, p , d , f ,
比如: n=3时,3s, 3p, 3d
原子态符号:由价电子的诸量子数来描述
L 0 ,1, 2 , 3 , S , P , D , F ,
s 1 2 L l: j ls: ,2 s 1 2 :
2
j
*
j ( j 1) l ( l 1) s ( s 1)
c
j
l
*2
l
*
2
s
*
讨论: (1) n和l相同,s不变,只有j不同,不同的j值具有不同 的能量
l 0 时, j l s l 1 / 2 l 0 时, j l s l 1 / 2,或

第四章碱金属原子和电子自旋PPT课件

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柏格曼系:
vfn
(3Rd)2
R (nf
)2
n=4.5.6...
nf 3d
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16
特点规律(以锂为例)
主线系: np 2s 第二辅线系: ns 2p 第一辅线系: nd 2p 柏格曼系: nf 3d
n=2.3.4… n=3.4.5…. n=3.4.5….. n=4.5.6...
线 系 限 : n , vv(m R l)2
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13
2、线系公式
锂的四个线系
主线系:
vpn
R (2s)2
R (np)2
R
R
第二辅线系: vsn (2p)2 (ns)2
n=2.3.4… np 2s n=3.4.5…. ns 2p
第一辅线系:
vdn
R (2p)2
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9
子价 电
电子态 原子态
l 0 4s, 4S
n
4,
l l
1 4 p, 2 4d,
4P 4D
l 3 4 f , 4F
依次类推
得到如下能级图
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10
0 5s
10000 4s
3s 20000
30000
40000 2s
cm-1
3s 3p 3d n =4 l =0 l =1 l =2 l =3
4s 4p 4d 4f
有没有 2d, 3f, 4g? 为什么? l=0,1,2,….,n-1
原子态(用大写字母): S P D F G H I K nL 表示原子态

原子物理第四章

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3)与 s 对应的磁矩,由 r L 式知, 轨道磁矩 l 与轨道角动量 L 之间的对应 关系是




e l L 2m
(3)
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next
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结束

与此相类比, s 与相应的
s 之间也应有
(4)
相应的对应关系,这个对应关系是
e s S m
S s(s 1)
(1)
next 目录 结束
其中S 称为自旋量子数
back
2)
有2l +1个空间取向,则 s 也应该有 2s+1个空间取向


L
S z ms h
ms s, s 1,…-s (2)
实验表明,对于电子来说
1 s 2

1 1 ms , 2 2


s
有两个空间取向。
hv E Em En
1 1 Rhc (4) ' 2 2 (n l ) (m l )
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所以碱金属光谱的波数为

1 1 v R ' 2 2 (n l ) (m l )
nL mL
'
back
(5)
next
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结束
第三节、碱金属原子光谱的精细结构
• 一、光谱的精细结构 • 1、概念 • 2、光谱的精细结构的特点 • 二、光谱的精细结构和能量的联系 • 三、结论
第四节:电子的自旋同轨道运动的相互作用
史特恩-盖拉赫实验中出现偶数分裂的事实 启示人们,电子的轨道运动似乎不是全部的 运动。换句话说,

原子物理学第四,五,六,七章课后习题答案

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第四章 碱金属原子1. 已知Li 原子光谱主线系最长波长0A 6707=λ,辅线系系限波长A 3519=∞λ.求Li 原子第一激发电势和电离电势.解:主线系最长波长是原子从第一激发态跃迁至基态的光谱线的波长E h hc νλ∆==第一激发电势1eU E =∆34811976.626210310V 1.850V 1.602210 6.70710E hc U e e λ---∆⨯⨯⨯====⨯⨯⨯辅线系系限波长是原子从无穷处向第一激发态跃迁产生的 辅线系~~*2n R n νν∞=-,~~*n n νν∞→∞=192 5.648910J hc eU λ-∞==⨯2 3.526V U =电离电势:U =U 1+U 2=5.376V2. Na 原子的基态3S .已知其共振线波长为58930A ,漫线系第一条的波长为81930A ,基线系第一条的波长为184590A ,主线系的系限波长为24130A 。

试求3S 、3P 、3D 、4F 各谱项的项值. 解:主线系波数~p 22s p ,3,4,(3)()n R Rn n ν=-=-∆-∆~~p 2s ,(3)n Rn νν∞→∞==-∆系限波长:p λ∞=24130A =72.41310m -⨯~1613S 71m 4.144210m 2.41310T ν--∞-===⨯⨯共振线为主线系第一条线, 是原子从3P 到3S 跃迁产生的光谱线 共振线波长:λp1=58930A =75.89310m -⨯~61p13S 3P 71 1.696910m 5.89310mT T ν--=-==⨯⨯1616S 3P 3m 104473.2m 106969.1--⨯=⨯-=T T漫线系(第一辅线系)波数~d 22p d ,3,4,(3)()n R Rn n ν=-=-∆-∆漫线系第一条线是原子从3D 到3P 跃迁产生的光谱线 漫线系第一条光谱线的波长7d18.19310m λ-=⨯167D 3P 31~d m 102206.1m10193.81--⨯=⨯=-=T T ν1616P 3D 3m 102267.1m 102206.1--⨯=⨯-=T T基线系(柏格曼线系)波数,5,4,)()3(2f 2d ~f =∆--∆-=n n RR n ν 基线系第一条线是原子从4F 到3D 跃迁产生的光谱线 基线系第一条光谱线的波长6f1 1.845910m λ-=⨯156F 4D 31fm 104174.5m108459.1--⨯=⨯=-=T T ν 1515D 3F 4m 108496.6m 104174.5--⨯=⨯-=T T3. K 原子共振线波长为7665Å,主线系系限波长为2858Å. 已知K 原子的基态为4S. 试求4S 、4P 谱项的量子数修正项∆S 、∆P 值各为多少?K 原子的主线系波数,5,4,)()4(2P 2S ~p=∆--∆-=n n RR n ν 2S ~~p )4(,∆-==∞→∞Rn n νν 1617~m 104990.3m 10858.211---∞∞⨯=⨯==p λν 16~S 4m 104990.3-∞⨯==νT而 2S S 4)4(∆-=RT 所以 S4S 4T R =∆- 17m 100973731.1-∞⨯=≈R R 7709.14S =∆-2291.2S =∆K 原子共振线为主线系第一条线, 是原子从4P 到4S 跃迁产生的光谱线1p A 7665=λ167P 4S 41pm 103046.1m10665.7--⨯=⨯=-=T T ν 1616S 4P 4m 101944.2m 103046.1--⨯=⨯-=T T而 2P P 4)4(∆-=RT 所以 P4P 4T R =∆- 17m 100973731.1-∞⨯=≈R R7638.14P4P =-=∆T R第五章 多电子原子1. He 原子的两个电子处在2p3d 电子组态.问可能组成哪几种原子态?用原子态的符号表示之.已知电子间是LS 耦合.解:p 电子的轨道角动量和自旋角动量量子数分别为,11=l 211=s . d 电子的轨道角动量和自旋角动量量子数分别为,21=l 212=s . 因为是LS 耦合,所以.,,1,212121l l l l l l L -⋯-++=.1,2,3=L.0,1.2121=-+=S s s s s S 或而 .,,1,S L S L S L J -⋯-++=.1,0,1===J S L 原子态为11P . .0,1,2,1,1===J S L 原子态为30,1,2P ..2,0,2===J S L 原子态为12D ..1,2,3,1,2===J S L 原子态为31,2,3D ..3,0,3===J S L 原子态为13F . .2,3,4,1,3===J S L 原子态为32,3,4F .2. 已知He 原子的两个电子被分别激发到2p 和3d 轨道,其所构成的原子态为3D ,问这两电子的轨道角动量p l 1与p l 2之间的夹角,自旋角动量p s 1与p s 2之间的夹角分别为多少?(1). 解:已知原子态为3D ,电子组态为2p3d, 所以2,1,1,221====l l S L因此'1212221211212221222211113733212/)(cos cos 26)1(6)1(22)1(οθθθπ==---=-+==+==+==+=l l l l L l l l l L L l l p p p p P p p p p P L L P l l p hl l p 所以'0'0471061373180=-=οθL(2).1212122s s S s s p p P =======因为所以而'2212221222212221228109312/)(cos cos 2οθθθ=-=---=-+=s s s s S s s s s S p p p p P p p p p P 所以'0'0327028109180=-=οθS4. 试以两个价电子l 1=2和l 2=3为例说明,不论是LS 耦合还是jj 耦合都给出同样数目的可能状态. (1) LS 耦合.3,221==l l.,,1,212121l l l l l l L -⋯-++=.1,23,4,5=L .2121==s s .0,1=S.,,1,S L S L S L J -⋯-++=当S =0时,J =L , L 的5个取值对应5个单重态, 即1=L 时,1=J ,原子态为11P .2=L 时,2=J ,原子态为12D .3=L 时,3=J ,原子态为13F . 4=L 时,4=J ,原子态为14G .5=L 时,5=J ,原子态为15H .当S =1时,.1,,1-+=L L L J代入一个L 值便有一个三重态.5个L 值共有5乘3等于15个原子态,分别是:1=L 时,0,1,2=J 原子态为30,1,2P2=L 时,1,2,3=J 原子态为31,2,3D3=L 时,2,3,4=J 原子态为32,3,4F 4=L 时,3,4,5=J 原子态为33,4,5G5=L 时,4,5,6=J 原子态为34,5,6H因此,LS 耦合时共有20个可能状态. (2) jj 耦合.,...,.2527;2325;21212121j j j j j j J j j s l j s l j -++===-=+=或或或 将每个j 1、j 2 合成J 得:.1,2,3,42523.2,3,4,52723.0,1,2,3,4,52525.1,2,3,4,5,6272521212121============J j j J j j J j j J j j ,合成和,合成和,合成和,合成和4,3,2,15,4,3,25,4,3,2,1,06,5,4,3,2,1)25,23()27,23()25,25()27,25(共20个可能状态所以,无论是LS耦合还是jj耦合,都会给出20种可能状态.6.已知He原子的一个电子被激发到2p轨道,另一个电子还在1s轨道,试做出能级跃迁图来说明可能出现哪些光谱线跃迁.解:在1s2p组态的能级和1s1s基态之间存在中间激发态,电子组态为1s2s.利用LS耦合规则求出各电子组态的原子态如下:1s1s:1S01s2s:1S0、3S11s2p:1P1、3P0,1,2根据选择定则,这些原子态之间可以发生5条光谱线跃迁。

原子物理学 第四章 碱金属原子和电子自旋

原子物理学 第四章 碱金属原子和电子自旋

的原子态,多重度:2
n 3 2 S1/ 2 表示: 3, 0, j 1/ 2 的原子态,多重度:2
32 D5 / 2
32 D3 / 2
Li原子能级图(考虑精细结构)
4.5 单电子辐射跃迁选择定则
1、选择定则
单电子辐射跃迁(吸收或发射光子)只能在下列条件下
发生:
l 1 j 0, 1
R hc (n l ) 2
n, 能级,即给定 En,l

Es 仍与 j 有关。
能量E由
n, l , j 三个量子数决定。
3、碱金属原子能级的分裂
1 时, j 能级不分裂 2 1 Rhc 2 Z *4 j El , s 1 2 3 2n (l )(l 1) 2 当 0 时, Rhc 2 Z *4 1 El , s j 1 2 2n3l (l ) 2

4.4 电子自旋与轨道运动的相互作用
一、电子自旋
1、电子自旋概念的提出
为了说明碱金属原子光谱的双线结构,和解释斯特恩-革拉赫 实验结果,两位不到25岁的荷兰大学生乌仑贝克和古兹米特 大胆地提出电子的自旋运动的假设。
“你们还年轻,有些荒唐没关系”(导师埃 按照这一假设,电子除轨道运动外,还存在一种自旋运动, 伦菲斯特)
和自旋运动相联系还存在自旋角动量。
2、电子自旋角动量量子数
1 s 2
3 电子自旋角动量大小 S s( s 1) 2
3、电子自旋角动量空间取向量子化
1 sz ms 2 1 1 ms s, s 1,......, s , 2 2 ms :自旋磁量子数
* * 0 q r 0 Z e (r m ) 0 Z e B 3 3 3 4 r 4 m r 4 m r e 0 Z *e 0 Z * e 2 s El , s s B S 2 3 3 4 m r m 4 mr

原子物理学_碱金属原子的光谱

原子物理学_碱金属原子的光谱

§4.1 碱金属原子的光谱一、碱金属原子的光谱各个碱金属原子的光谱具有相似的结构,光谱线也类似于氢原子光谱,可分成几个线系,一般观察到的有四个线系,分别称为主线系、第一辅线系(或称漫线系、第二辅线系(或称锐线系)和柏格曼系(基线系)。

(1)主线系(the principal series ):谱线最亮,波长的分布范围最广,第一呈红色,其余均在紫外。

(2)第一辅线系(漫线系the diffuse series ):在可见部分,其谱线较宽,边缘有些模糊而不清晰,故又称漫线系。

(3)第二辅线系(锐线系the sharp series ):第一条在红外,其余均在可见区,其谱线较宽,边缘清晰,故又称锐线系。

锐线系和漫线系的系限相同,所以均称为辅线系。

(4)柏格曼系(基线系the fundamental series ):波长较长,在远红外区,它的光谱项与氢的光谱项相差很小,又称基线系。

二、线系公式H 原子光谱:)11()()(~22n m R n T m T -=-=ν当∞→n 时,2)(~~m R m T ==→∞νν⇒系限。

里德伯研究发现,与氢光谱类似,碱金属原子的光谱线的波数也可以表示为二项之差:)*1*1(~22**n m R T T n m -=-=ν **m n > ⇒碱金属原子的里德伯公式 *n 、*m :有效量子数。

当∞→n 时,*~~m T =→∞νν⇒系限。

1.有效量子数H 原子:主量子数n 是整数碱金属原子:*n 、*m 不是整数⇒有效量子数2.量子数亏损*n 、*m 和整数之间有一个差值,用l ∆表示,*n n l -=∆ ⇒量子数亏损 l ∆与n 无关,与l 有关,→l 大,→∆l 小,=l 0、1、2、3……⇒ f d p s ,,,3.光谱项2**n R T n =⇔2)(nR n T =,*n ⇔n l n T n n T R n T T l n m ∆−−−→−−−−→−−−−→−-=∆=-=**~*~**νν151009729.1-⨯=cm R Li4.电子状态符号电子状态用量子数n 、l 、l m 描述对一定的n ,l =0、1、2……n -1,共n 个值。

4第四章 碱金属原子

4第四章 碱金属原子

第四章 碱金属原子一、学习要点1.碱金属原子光谱和能级(1)四个线系:主线系、第一辅线系(漫)、第二辅线系(锐)、柏格曼系(基) 共振线、线系限波数、波数表达式(2)光谱项()()222222Z Z n R n R n R n RT l σ-==∆-==**;σ-=∆-=∆-=**Z Z ,ll n n n n (3)起始主量子数Li:n=2 ; Na:n=3 ; K:n=4 ; Rb:n=5 ;Cs:n=6 ; Fr:n=7(4)碱金属原子能级.选择定则1±=∆l(5)原子实极化和轨道贯穿是造成碱金属原子能级与氢原子不同的原因2.电子自旋(1)实验基础与内容:电子除具有质量、电荷外,还具有自旋角动量()21(,1=+=s s s p s 称自旋角量子数)和自旋磁矩B s s e s p m e μμμ3,=-= . 自旋投影角动量21,±==s s sz m m p 称自旋磁量子数 (2)单电子角动量耦合:总角动量()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=≠±=+=0,210,21,1l l l j j j p j ,称总角量子数(内量子数、副量子数;总角动量的投影角动量()j j j j m m p j j jz ,1,,1,,----== ,称总磁量子数(3)描述一个电子的量子态的四个量子数:强场:s l m m l n ,,,;弱场:j m j l n ,,,原子态(光谱项)符号 j s L n 12+S 态不分裂, ,,,,G F D P 态分裂为两层3.碱金属原子光谱和能级的精细结构:(1)原因:电子自旋—轨道的相互作用(2)能级和光谱项的裂距;(3)选择定则:1±=∆l ,1,0±=∆j画出锂、钠、钾原子的精细结构能级跃迁图4.氢原子光谱和能级的精细结构:(1)原因:相对论效应和电子自旋-轨道相互作用;(2)狄拉克能级公式;(3)赖曼系第一条谱线和巴尔末线系αH 线的精细分裂;(4)蓝姆移动二.基本练习:1.褚书P143 1.2.3.4.5.6.72.选择题:(1)单个f 电子总角动量量子数的可能值为:A. j =3,2,1,0; B .j=±3; C. j= ±7/2 , ± 5/2; D. j= 5/2 ,7/2(2)单个d 电子的总角动量投影的可能值为:A.2 ,3 ;B.3 ,4 ;C. 235, 215; D. 3/2, 5/2 . (3)已知一个价电子的21,1==s l ,试由s l j m m m +=求j m 的可能值:A .3/2,1/2 ,-1/2 ,-3/2 ; B. 3/2 ,1/2 ,1/2, -1/2 ,-1/2,-3/2;C .3/2,1/2 ,0,-1/2, -3/2; D. 3/2,1/2 ,1/2 ,0,-1/2, -1/2,-3/2;(4)锂原子光谱由主线系.第一辅线系.第二辅线系及柏格曼系组成.这些谱线系中全部谱线在可见光区只有:A.主线系;B.第一辅线系;C.第二辅线系;D.柏格曼系(5)锂原子主线系的谱线在不考虑精细结构时,其波数公式的正确表达式应为: A.nP S -=2~ν; B. S nP 2~→=ν; C .nP S →=2~ν; D .S nP 2~-=ν (6)碱金属原子的光谱项为:A.T=R/n 2; B .T=Z 2R/n 2; C .T=R/n *2; D. T=RZ *2/n *2(7)锂原子从3P 态向基态跃迁时,产生多少条被选择定则允许的谱线(不考虑精细结构)?A.一条B.三条C.四条D.六条(8)已知锂原子光谱主线系最长波长为6707埃,辅线系线系限波长为3519埃,则Li 原子的电离电势为:A .5.38V B.1.85V C.3.53V D.9.14V(9)钠原子基项3S 的量子改正数为1.37,试确定该原子的电离电势:A.0.514V;B.1.51V;C.5.12V;D.9.14V(10)碱金属原子能级的双重结构是由于下列哪一项产生:A.相对论效应B.原子实的极化C.价电子的轨道贯穿D.价电子的自旋-轨道相互作用(11)产生钠的两条黄谱线的跃迁是:A.2P 3/2→2S 1/2 , 2P 1/2→2S 1/2;B. 2S 1/2→2P 1/2 , 2S 1/2→2P 3/2;C. 2D 3/2→2P 1/2, 2D 3/2→2P 3/2;D. 2D 3/2→2P 1/2 , 2D 3/2→2P 3/2(12)若已知K 原子共振线双重成分的波长等于7698.98埃和7664.9埃,则该原子4p 能级的裂距为多少eV ?A.7.4×10-2; B .7.4×10-3; C .7.4×10-4; D .7.4×10-5.(13)对锂原子主线系的谱线,考虑精细结构后,其波数公式的正确表达式应为: A.ν~= 22S 1/2-n 2P 1/2 ν~= 22S 1/2-n 2P 3/2 B. ν~= 22S 1/2→n 2P 3/2 ν~= 22S 1/2→n 2P 1/2 C. ν~= n 2P 3/2-22S 1/2 ν~= n 2P 1/2-22S 3/2 D. ν~= n 2P 3/2→n 2P 3/2 ν~= n 2P 1/2→n 21/2(14)碱金属原子光谱精细结构形成的根本物理原因:A.电子自旋的存在B.观察仪器分辨率的提高C.选择定则的提出D.轨道角动量的量子化(15)已知钠光谱的主线系的第一条谱线由λ1=5890埃和λ2=5896埃的双线组成,则第二辅线系极限的双线间距(以电子伏特为单位):A.0;B.2.14⨯10-3;C.2.07⨯10-3;D.3.42⨯10-2(16)考虑电子自旋,碱金属原子光谱中每一条谱线分裂成两条且两条线的间隔随波数增加而减少的是什么线系?A.主线系;B.锐线系;C.漫线系;D.基线系(17)如果l 是单电子原子中电子的轨道角动量量子数,则偶极距跃迁选择定则为:A.0=∆l ;B. 0=∆l 或±1;C. 1±=∆l ;D. 1=∆l(18)碱金属原子的价电子处于n =3, l =1的状态,其精细结构的状态符号应为:A .32S 1/2.32S 3/2; B.3P 1/2.3P 3/2; C .32P 1/2.32P 3/2; D .32D 3/2.32D 5/2(19)下列哪种原子状态在碱金属原子中是不存在的:A .12S 1/2; B. 22S 1/2; C .32P 1/2; D. 32S 1/2.32D 5/2(20)对碱金属原子的精细结构12S 1/2 12P 1/2, 32D 5/2, 42F 5/2,22D 3/2这些状态中实际存在的是:A.12S 1/2,32D 5/2,42F 5/2;B.12S 1/2 ,12P 1/2, 42F 5/2;C.12P 1/2,32D 5/2,22D 3/2;D.32D 5/2, 42F 5/2,32D 3/2(21)氢原子光谱形成的精细结构(不考虑蓝姆移动)是由于:A.自旋-轨道耦合B.相对论修正和极化贯穿C.自旋-轨道耦合和相对论修正D.极化.贯穿.自旋-轨道耦合和相对论修正(22)对氢原子考虑精细结构之后,其赖曼系一般结构的每一条谱线应分裂为:A.二条B.三条C.五条D.不分裂(23)考虑精细结构,不考虑蓝姆位移,氢光谱Hα线应具有:A.双线B.三线C.五线D.七线(24)氢原子巴尔末系的谱线,计及精细结构以后,每一条谱线都分裂为五个,但如果再考虑蓝姆位移其谱线分裂条数为:A.五条B.六条C.七条D.八条(25)已知锂原子主线系最长波长为λ1=67074埃,第二辅线系的线系限波长为λ∞=3519埃,则锂原子的第一激发电势和电离电势依次为(已知R =1.09729⨯107m -1)A.0.85eV,5.38eV;B.1.85V ,5.38V;C.0.85V ,5.38VD.13.85eV ,5.38eV(26)钠原子由nS 跃迁到3P 态和由nD 跃迁到3P 态产生的谱线分别属于:A.第一辅线系和基线系B.柏格曼系和锐线系C.主线系和第一辅线系D.第二辅线系和漫线系(27)d 电子的总角动量取值可能为: A. 215,235; B . 23,215; C. 235,263; D. 2,63.简答题(1)碱金属原子能级与轨道角量子数有关的原因是什么?造成碱金属原子精细能级的原因是什么?为什么S 态不分裂, ,,,,G F D P 态分裂为两层?(2)造成氢原子精细能级和光谱的原因是什么?(3)试由氢原子能量的狄拉克公式出发,画出巴尔末系第一条谱线分裂后的能级跃迁图,并写出各自成分的波数表达式(4)在强磁场下描述一个电子的一个量子态一般需哪四个量子数?试写出各自的名称、.取值范围、力学量表达式?在弱磁场下情况如何?试回答上面的问题.(5)简述碱金属原子光谱的精细结构(实验现象及解释).4.计算题(1)锂原子的基态光谱项值T 2S =43484cm -1,若已知直接跃迁3P →3S 产生波长为3233埃的谱线.试问当被激发原子由3P 态到2S 态时还会产生哪些谱线?求出这些谱线的波长(R=10972⨯10-3埃-1)(2)已知铍离子Be+主线系第一条谱线及线系限波长分别为3210埃和683埃,试计算该离子S项和P项的量子亏损以及锐线系第一条谱线的波长.(北大1986)(3)锂原子的基态是S2,当处于D3激发态的锂原子向低能级跃迁时,可能产生几条谱线(不考虑精细结构)?这些谱线中哪些属于你知道的谱线系的?同时写出所属谱线系的名称及波数表达式. 试画出有关的能级跃迁图,在图中标出各能级的光谱项符号,并用箭头都标出各种可能的跃迁. (中科院2001)(4)①试写出钠原子主线系、第一辅线系、第二辅线系和伯格曼系的波数表达式.②已知:35.1=∆s ,86.0=∆p,01.0=∆d,求钠原子的电离电势.③若不考虑精细结构,则钠原子自D3态向低能级跃迁时,可产生几条谱线?是哪两个能级间的跃迁?各对应哪个线系的谱线?④若考虑精细结构,则上问中谱线分别是几线结构?用光谱项表达式表示出相应的跃迁.(中科院1998)。

原子物理-碱金属原子

原子物理-碱金属原子

4.6.2
电子自旋与轨道运动的相互作用能
4.6.3 从图4.6.1 可知, θ有两个值,j 值较大的(j =3/2,θ>90°,
ΔE>0 ,故能级较高; j 值较小的 (j=1/2 , θ<90°, ΔE<0 ,故 能级较低,这样构成双层能级。
图4.6.3电
子在轨道运 动中如何感 受磁场的示 意图
及相同j值,而具有不同l值的能
级是简并的。例如,2 2P 与2 与3
2S 2P 1 /2 3 /2 1 /2 3 /2
能量相同;32D 能量亦相同。
这一点与碱金属原子的情况不同。
(3)精细结构能量与n3成反比,也
随j(或l)的增加而减小。
4.7.2氢原子光
谱的精细结构
图4.7.2巴耳末线
系第一谱线的能级 跃迁图
对应于这两条黑斑的θ值可合理的设想为0°和180°,根据S式
,由测得S值进而求出μ值,它正好是一个玻尔磁子μB的理论值 ,表明原子的磁矩确实具有一个玻尔磁子那样的数量级。从而证 明了原子磁矩的量子性 出现的问题 ?m:2l+1:奇数。结果是偶数
4.5 电子的自旋假设 乌伦背克 (G·E·Uhlenbeck) 和古德史密特 (S·Goudsmit) 提出了 关于电子自旋的大胆假设并解决了上述问题。
4.4.9 θ 是磁矩与磁场方向的夹角, μz 是磁矩在磁场方向的分量。
当θ<90°有F>0,即力是沿着磁场方向的;当 θ>90°,F<0,即 力是逆着磁场方向的 原子到达P
μz B μ
4.4.10 讨论: μ在磁场中有几个取向,也即有几个θ值,根据上式就可知有
几个S值,因此,在相片P上就该出现几条斑,在相片P上出现两 条银的黑斑说明基态银原子的磁矩在外场中只能有两个取向。 否则,如果磁矩取向任意,那么μz从正到负连续变化,将导致 银原子束经磁场后在相片P上出现连续的一片黑斑。后来有人对 其它几种原子先后重复这一实验,都清楚地显示出原子轨道在 外磁场中的取向是量子化的

第四章碱金属原子和电子自旋(1)

第四章碱金属原子和电子自旋(1)

电子自旋角动量大小 S s(s 1) 3 2
s 1 2
3、电子自旋角动量空间取向量子化
1
sz ms
2
ms
s, s 1,......, s
1 , 1 22
ms :自旋磁量子数
目录
4、电子自旋磁矩
e
s
me
s
(电子轨道运动磁矩:
5、单电子总角动量
e 2)me l
J L S 相应量子数记为j:
, n =4,5,6…
锂的四个线系公式
主线系: 第二辅线系: 第一辅线系: 柏格曼系:
2S nP
2P - nS
n = 2P - nD n = 3D- nF
n = 2, 3, 4… n =3,4,5… n =3,4,5… n =4,5,6…
纳的四个线系 主线系: 第二辅线系:
第一辅线系: 柏格曼系:
波长(埃)
锂的光谱线系
目录
二、四个线系的经验公式
T
=
R n*2
=
R (n - l
)2
n n
En,l
hc
(n
R
l
)2
( 氢原子:
En
=
-hc
R n2
)
0 10000 20000
s =0
5 4
3
p =1
5 4
3
d =2
5 4
3
f =3
5 4柏
格 曼 系
2 30000
40000
厘米-1
2
锂原子能级图
目录
3、碱金属原子能级的分裂
当 0时, 当 时0 ,
j 能1 级不分裂
2 j
1

301-第四章 碱金属原子和电子自旋

301-第四章 碱金属原子和电子自旋
En j En,l El,s
En,l

hc
(n
R l )2
El,s :能级的精细结构
j 对一给定 n, 能级,即给定 En,l 但 E s 仍与 有关。
能量E由 n, l, j 三个量子数决定。
3、碱金属原子能级的分裂
当 0 时, j 1
能级不分裂
2 j
1
2
Rhc 2Z *4
波数 (cm-1 )
40000
30000
20000
10000
主线系 第一辅线系 第二辅线系
柏格曼系
2500 3000

锂的光谱线系
4000 50006000700100000 20000
波长(埃)
2.线系公式
锂原子的四个线系可公式表为:
主线系:
R R
(2 S )2 (n p )2
非贯穿轨道
贯穿轨道
价电子的轨道运动
2. 原子实极化
价电子在轨道近日点附近时, 吸引原子实中的正电部分,排 斥负电部分 原子实正、负电 荷的中心不再重合 原子实极 化 能量降低
l小, 轨道“扁”,近日点离原子实近,
极化强,能量低
Ens Enp End Enf En
n 2,3, 4...
对Na:
n
P2 1/ 2

3 2S1/ 2
n
P2 3/ 2

3 2S1/ 2
n 3, 4,5...
锐 (线第系二辅线系)2S1/2
2P1/2 2P3/2
Li
漫线系 (第一辅线系)
2D3/2
2P1/2

2D5/2
2P3/2

原子物理第四章-PPT课件

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R 所以, T(n) (n)2
辅系最大,主线系、一 辅系、柏格曼线系次之
碱金属原子的光谱线: n
R n*2
~
(n
R )2
.
7
3. 碱金属原子光谱的规律
里德堡发现,碱金属原子的线系之间满足一定的关系:
(1)主线系线系限的波数,恰好等于第二辅线系的第二谱项 值中最大的。
(2)第一辅线系和第二辅线系的线系限的波数相等,其都恰 好等于主线系的第二谱项值中最大的。
结论: (1) n越小,极化效应越显著
(2) 相同的n, l 越小, 轨道贯穿效应越显著, 极化效应也越显著
(3) 在s, p轨道上发生贯穿(能量降低较大)
(4) 在d, f 轨道上,只发生极. 化(能量降低较小)
14
§4-3. 碱金属原子光谱的精细结构
一、光谱的精细结构
对碱金属原子的光谱,用分辨本领足够高的光学仪器 进行观察,会发现每一条光谱线并不是简单的一条线,而 是由两条或三条靠的很近的线组成的,这些线称为光谱的 精细结构(Fine structure)。
.
12
同一n
l大,轨道圆,效应小。 l小,轨道扁,效应大。
同一l
n越大,轨道大,效应小。 n越小,轨道小,效应大。
二.价电子的轨道在原子实中的贯穿效应
当电子与原子实较近(即n小),且轨道又扁平(l小)时接
近原子实的那些轨道会穿过原子实,从而影响了能级。
轨道在原子实外:Z*(有效电荷数) = 1
e
轨道在原子实内:Z*(有效电荷数) > 1
D1=589.0nm, D2=589.6nm.
Na双黄线
.
16
二. 精细结构产生的原因
1. 第二辅线系(ns→xp): 每一条线中二成分间隔相同

原子物理学,褚圣麟第四章

原子物理学,褚圣麟第四章

(基线系)
柏格曼线系 f n
4.1 碱金属原子的光谱
~
第四章 碱金属原子和电子自旋
钠原子光谱线系
主线系 第二辅线系
第一辅线系
柏格曼线系
R R , n 3,4, p n 2 2 (3 S ) (n p ) ~ R R , n 4,5, s n 2 2 (3 p ) (n s ) ~ R R , n 3,4, d n 2 2 (3 p ) (n d ) ~ R R , n 4,5, f n 2 2 (3 d ) (n f )
* 2 2
第四章 碱金属原子和电子自旋
附加能量按相对论处理结果(1925年)
*2 *2
1 Z e h 1 j l s Els 3 2 2 2 4π 0 2m c 4π r 2 2 2 *4 *2 *2 *2 2πe Rch Z j l s Els 1 4π 0ch 2 3
4 . 1 碱金属原子的光谱
第四章 碱金属原子和电子自旋
元素周期表
4 . 1 碱金属原子的光谱
第四章 碱金属原子和电子自旋
碱金属元素 符 号 原子序数
锂 Li 3
钠 Na 11
钾 K 19
铷 Rb 37
铯 Cs 55
钫 Fr 87
特性:化学性质相仿,属于同一族,都是一价, 电离电势较小。
4 . 1 碱金属原子的光谱
Els s B cos
j l s 或 l s

h pj j 2π
pl ps
s
B
pl s
p
s
B
180 0

能量大(j 大)
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1 Z 3 3 3 r n ( 1/ 2)( 1)a03
☆ s 的处理:
p j ps pl
2 2 2 p j pl ps 2 ps pl

2 2 2 2 2 而 p j j ( j 1) , pl ( 1) , pls s( s 1)2
图4.1 锂的光谱线系
Δ 几个光谱名词 一个线系的 线系限 :同一线系中最大的波数,或波数 公式中的第一个光谱项(不动的光谱项)。 原子的 共振线:该原子从基态到第一激发态吸收的谱 线。一个原子共振线只有一条。 一个线系的 主线:该线系的第一条谱线或该线系的波 数最小的谱线。
二、线系公式

H原子光谱:
l n n *
R n* T
3.光谱项
锂原子的四个线系,可用下列公式表示:
主线系:
第一辅线系:
~
~
R R ~ 2s np (2 s) 2 (n p) 2
R R ~ 2 p nd (2 p) 2 (n d ) 2
与核结合的很松,可以把内层电子和原子核看 作一个整体称为原子实。价电子绕原子实运动 ,原子的化学性质及光谱都决定于这个价电子 。
锂原子的价电子的轨道:n*
≥ 2 钠原子的价电子的轨道:n* ≥ 3 原子实的有效电荷数 :Z*=Z-(Z-1)=1
价电子远离原子实运动
相当于价电子在n 很大的轨道上运动, 价电子与原子实间的作用很弱,原子实电 荷对称分布,正负电荷中心重合在一起。 有效电荷为+e,价电子好象处在一个单位 正电荷的库仑场中运动,与氢原子模型完 全相似,所以光谱和能级与氢原子相同。
2.本节中心: 电子自旋;
Rhc Z E 3 n l (l 1)
2
*4
原子态:
n
2 s 1
lj
4.4 电子自旋与轨道运动的相互作用
一、电子自旋
1、电子自旋概念的提出
为了说明碱金属原子光谱的双线结构,和解释斯特恩-革拉赫 实验结果,两位不到25岁的荷兰大学生乌仑贝克和古兹米特 大胆地提出电子的自旋运动的假设。
4、电子自旋磁矩
电子轨道运动磁矩:
5、单电子总角动量
e s ps me
e pl 2me
p j pl ps 相应量子数记为j:
j=+s,+s-1,....-s
对于单电子s=1/2,所以:
1 对 l 0, j ; 2 1 1 对 l 0, j l , l 2 2
2 ps pl j ( j 1) ( 1) s( s 1)] 2
代入整理得:
Rhc 2 Z *4 j ( j 1) l (l 1) s ( s 1) El , s 1 2 3 n l (l )(l 1) 2
原子的总能量 (不包括相对论修正):
Li原子 p d f
4p
4d 3d
4f
3p
2
2s Li基态
2p
s
4 3 4s
p
d
f
4p
3p
4d 3d
4f
3s
2
2s Li基态
2p
主线系:
1 ~ ~ , ~ 0; ~ 只有一个 ~ ;
二辅:
~ 常数; ~ 两个
n 增加,ΔE下降
d
一辅 : 左右两成分间隔取决于P能级双层,与二辅线同.
2 s 1:
L : 价电子的轨道角动量,用大写eS , P, D, F , G... 表 示 0,1,2,3,4...
能级分裂为双层, 间隔:
Rhc 2 Z *4 E 3 n l (l 1)
l0
讨论:
1.能级由

l 0 时, j s ,能级不分裂;
Rhc 2 Z *4 n j l 三个量子数决定, E n3l (l 1)

1 l 0 时,j l , 能级分裂为双层。 2
1 1 ~ T ( m) T ( n ) R ( 2 2 ) m n

R ~ ~ T (m) 2 当 n 时, m
系限.
n Tm* Tn*
1.有效量子数
1 1 R R( ) 2 2 m* n* n *2
氢原子:主量子数n 是整数 碱金属原子 n *m * 不是整数有效量子数 2.量子数亏损
4.1 碱金属原子光谱
引入: 碱金属光谱→能级→结构 中心: 碱金属原子光谱规律:四系; 三端; 两数; 一定则. 一. 碱金属原子光谱------结构相近, 明显分线系
主线系(Principle series): 红光, 紫外E>3.0, E<1.6 第一辅线系(Diffuse series):可见光, 由轮廓弥散的谱 线组成. (漫线系) 第二辅线系(Sharp series):红外, 可见光,由轮廓细锐 的谱线组成.(锐线系) 基线系(Bergmann series): 红外,与氢线系类似, E<1.6
Li原子
s
4s
p
d
f
4
3
4p 3p
4d 3d
4f
3s
2
特点:
四系谱线,四个线系;
2s Li基态
2p
三个终端:2s,2p,3d; 二个量子数:n, l ;
一条选择定则:
l 1
注:除四线系外,高能级到 低能级的跃迁也有,只是强 度小与1/n3成正比.
4.能级图
0 10000 20000 30000 40000
右边两成分取决于d能级双层,
p
一辅:
~
1 ~ ~ , ~; ~ 只有两个 ~ ;
1辅最大
~
2辅
~
主最大
结论: S为单能级,其它p,d,f,e等为双能级, 同一个l, n 增加,ΔE下降.
4.4 电子自旋Байду номын сангаас轨道运动相互作用
1.引入.:为什么单价原子光谱 有双线精细结构?
第二辅线系: 柏格曼系:
~
~
R R ~ 2 p ns (2 p) 2 (n s) 2
R R ~ 3d nf (3 d ) 2 (n f ) 2
T R R n *2 n 2
碱金属原子光谱项:
li 原子跃迁图:
变换回以核为静止的坐标系,并考虑两坐标系变换的相对 论(时间差)效应后,再乘以因子 1 得:
2
0 Z *e 2 El , s 8 m 2 r 3 ps pl
详见:史斌星《量 子物理》附录
1 量子力学方法:按几率分布所得 ☆ 3 的处理: 的平均值 1 代替。 r r
3
对碱金属原子,
pl
pj
1928年,Dirac从 量子力学的基本方 程出发,很自然地 导出了电子自旋的 ps 性质,为这个假设 提供了理论依据。
p j守恒,大 在无外场情况下,
小、方向不变, pl 和 ps
绕 p j 进动,且保持夹角不变。
二、自旋-- 轨道运动相互作用能
1、磁性物体在磁场中运动的附加能量
-e
价电子远离原子实
二、原子实极化、轨道贯穿
1.原子实极化(形成电偶极子),使电子又受到电 偶极子的电场的作用,能量降低,同一n值,越小 ,极化越强。 2.轨道贯穿(电子云的弥散),对于那些偏心率很 大的轨道, 接近原子实的那部分还可能穿入原子 实发生轨道贯穿,这时Z*>1,从而使能量降低。 3.光谱项为: RZ 2 T n2

改写后:
R R T 2 n 2 n ( ) Z
所以 n*<n
a 非贯穿轨道
b 贯穿轨道
价电子的轨道运动
三、量子力学定量处理
远离原子实运动
Z e V(r) 4πε0 r
* 2
* 2
靠近原子实运动 V (r ) Z e ep 2 40 r 40 r 能量和光谱项
“你们还年轻,有些荒唐没关系”(导师埃 按照这一假设,电子除轨道运动外,还存在一种自旋运动, 伦菲斯特)
和自旋运动相联系还存在自旋角动量。
2、电子自旋角动量量子数
3 电子自旋角动量大小 Ps s( s 1) 2
3、电子自旋角动量空间取向量子化
1 s 2
1 s z ms 2 1 1 ms s , s 1,......, s , 2 2 ms :自旋磁量子数
hcR En 2 (n Δ )

R T(n,) 2 (n Δ )
2 ep 4 0 2 ( 2 1)
与氢原子的差别
(1)能量由(n, )两个量子数决定,主量子数 相同,角量子数不同的能级不相同。各能级均低 于氢原子相应能级。 (2)对同一n值,不同值的能级,值较大的能级 与氢原子的差别较小;对同一值,不同n值的能级, n值较大的能级与氢原子的差别较小。 (3)n很大时,能级与氢的很接近,少数光谱线 的波数几乎与氢的相同。
2.能级分裂的间隔由 n l 决定 当 n 一定时,l 大,E 小,即
E4 p E4d E4 f

n 大,E 小,即 l 一定时,
E2 p E3 p E4 p
4、碱金属原子态符号表示 电子态描述符号:n 如 2p电子,3S电子等,小写符号 电子组态:原子核外电子的排布,如: Na Z=11 基态电子组态:
第4 第3 第2 第1 条 条 条 条 ~ 1; ~ , ~ 0; ~ 只有一个 ~
~ ~ ~ 1辅最大 2辅 主最大 ~ 1; ~ , ~; ~ 只有两个 ~
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