光谱项

1S 0
0 ↑↓
+1 ↑↓
s2 1S 0
p6 1S 0
d 10 1S 0
f 14 1S 0
（5）非等价电子组态
电子的主量子数和角量子数至少有一个是不同的组态, 电子的主量子数和角量子数至少有一个是不同的组态,如： (2p)1(3p)1。
电子1（ ）、电子 电子 （l1=1, s1=1/2）、电子 （l2=1, s2=1/2） ）、电子2 ） L=l1+l2, l1+l2-1,…, |l1-l2| =1+1… 1-1=2,1,0 S=s1+s2, s1+s2-1,…, |s1-s2|=1/2+1/2…1/2-1/1=1,0
——激光 3）激光产生的原理 受激辐射跃迁—— 在能量相应于两个 能级差的外来光子 作用下，会诱导处 在高能态的原子向 低能态跃迁，并同 时发射出能量相同 的光子，即激光。
——反物质
1928年——狄拉克预言存在正电子； 1932年——测到正电子； 1955年——测到反质子； 1956年——测到反中子； 1996年欧洲核子委员会宣布合成了反氢原子，它是构成“反物 质”的最基本原子。 反物质确实存在，宇宙中还可能存在反物质星系。但寻找工作 艰难，1996年欧洲核子研究中心实验室，用5×1012 个反质子，仅 产生9个反氢原子，存活时间4×10-8秒。美国费米实验室也制造了7 个反氢原子。 1997年，哈萨克斯坦科学家认为，在太阳系相反的一面存在着 一个大小与质量和地球一样的星球，即反地球。 1998年6月，美国“发现号”航天飞船把α谱仪带到太空，开 始进行由美、中、俄等十多个国家参与的——探测宇宙中的反物质 计划。
由体系各个电子的m和ms直接加和求出原子的mL和mS：
mL=∑mi mS=∑(ms)i
(mL)max=Lmax (mS)max=Smax
mL的最大值即 L 的最大值，L 还可能有较小的值， 的最大值， 还可能有较小的值， 但必须相隔整数1。L 的最小值不一定为零，一个 L 之下 但必须相隔整数1 的最小值不一定为零， 可有（2L+1）个不同的m 可有（2L+1）个不同的mL值 mS的最大值即S 的最大值，S 还可能有较小的值， 的最大值即S 的最大值， 还可能有较小的值， 但必须相隔整数1 的最小值不一定为零，一个L 但必须相隔整数1。S的最小值不一定为零，一个L之下可 有（2S+1）个不同的mS值。 2S+1）个不同的m
(3)单电子的光谱项
例：p1 组态(l = 1； m= -1、0、+1；s = 1/2; ms=+1/2,-1/2) L=l =1; S=s =1/2:
2P
J=L+S,…,|L-S|=1+1/2,…,1-1/2=3/2,…,1/2=3/2,1/2
2P 1/2 2P 1/2
组态 状态
s1
1S 1/2
1D 3D 2 3P 2,1,0 1S 0
mL=… mS=…
3,2,1 =(L=2,S=1:
mL=-2/-1/0/1/2; mS=-1/0/1
1P =(L=1,S=0: 1
mL=-1/0/1; mS=0（含在1D2中）
原子光谱项 多 电 子 原 子 的 能 级
组态: 组态:
不考虑电子间 的相互作用
2.5 原子光谱和光谱项
2.5.1 原子光谱
原子中的电子一般都处于基态，当原子受到外来作用 时，它的一个或几个电子会吸收能量跃迁到较高能级，使 原子处于能量较高的新状态，即激发态。 激发态不稳定，原子随即跃迁回到基态。与此相应的 是原子以光的形式或其他形式将多余的能量释放出来。 当某一原子由高能级 E2 跃迁到低能级 E1 时，发射出 与两能级之差相应的谱线，其波数表达为下列两项之差：
——反氢原子
氢原子是最简单的原子，也是量子力学最早研究的化学物种. 氢原子是最简单的原子，也是量子力学最早研究的化学物种. 然而，科学家迄今仍在对氢原子进行新的研究. 1995年 然而 ， 科学家迄今仍在对氢原子进行新的研究. 1995 年 9 月 ， 欧洲 核子研究中心（CERN）利用该中心的低能反质子环， 核子研究中心（CERN）利用该中心的低能反质子环，使反质子与氙 原子对撞，合成9个反氢原子. 原子对撞 ，合成 9 个反氢原子 . 反氢原子由一个反质子与一个正电 子构成， 尽管只存在了4 亦有报道为3 子构成 ， 尽管只存在了 4×10-8s （ 亦有报道为 3×10-8s 或 4×10-10s ） 就与普通物质结合而湮灭，但消失时放出的γ射线已被观测到， 就与普通物质结合而湮灭，但消失时放出的γ射线已被观测到，证 实了反氢原子的合成. 实了反氢原子的合成. 这不仅是人类探索物质结构历程上新的一步 而且， ，而且，反物质与普通物质的湮灭反应释放的巨大能量可能具有潜 在的应用价值，特别是军事价值. 在的应用价值，特别是军事价值. 反物质的意义： 反物质的意义： 反粒子与粒子相结合产生巨大的能量， 反粒子与粒子相结合产生巨大的能量，相当于铀原子核裂变释 放能量的10 10倍 放能量的10倍。 可用于氢弹点火、激发大功率激光武器、推进运载火箭、 可用于氢弹点火、激发大功率激光武器、推进运载火箭、太空 航天器能源等。 航天器能源等。
谱项: 谱项:
分别考虑电子间的 轨道和自旋的作用 1S
支谱项: 支谱项:
考虑轨道和自旋 的偶合作用 1S 0
微能态: 微能态:
磁场中的 Zeeman效应 Zeeman效应
mJ=0 mJ=2 1 0 -1 -2 mJ=2 1 0 -1 -2 mJ=1 0 -1 mJ=0
1D
1D 2
(np2)
3P 2 3P 3P 1 3P 0
L-S偶合方案：矢量进动图
r r r s1 + s2 = S
S
s2 s1
r r r L+S = J
L
J
l2 l1
r r r l1 + l2 = L
（1）双电子矢量加和法
—双电子体系：电子 （l1, s1）、电子 （l2, s2） 双电子体系：电子1（ ）、电子 电子2（ 双电子体系 L=l1+l2, l1+l2-1,…, |l1-l2| S=s1+s2, s1+s2-1,…, |s1-s2|
原子光谱
氢原子光谱可对 氢原子结构进行解释
原子光谱
氢原子光谱可对 氢原子结构进行解释
2.5.2 原子光谱项——描述原子的整体运动状态
原子的光谱（光谱实验）是与原子所处的能级有关， 而原子的能级与原子的整体运动状态有关。 ——原子的电子组态(Electron Configuration)：多电子原子 不仅要考虑电子各自的轨道运动，还要考虑各电子的自旋 运动。对于无磁场作用下的原子状态，由量子数n、l表示 无磁场作用下的原子状态，称为组态。能量最低的称为基 态，其它称为激发态。 ——原子的微观状态(Microscpic State)：在磁场作用下的 原子状态，需考虑量子数m、ms，称为原子的微观状态。 ——原子能态(Energy State)：当考虑到电子之间的相互作 用时，电子组态就不是能量算符的本征态，每个电子的四 个量子数就不能很好地表征电子的运动状态。能反映原子 整个状态，并与原子光谱直接相联系的是原子能态。
原子光谱
原子从某激发态回到基态，发射出具有一定波长的一 条光线，而从其他可能的激发态回到基态以及在某些激发 态之间的跃迁都可发射出具有不同波长的光线，这些光线 形成一个系列（谱），成为原子发射光谱。 当一束白光通过某一物质，若该物质中的原子吸收其 中某些波长的光而发生跃迁，则白光通过物质后将出现一 系列暗线，如此产生的光谱成为原子吸收光谱。 原子光谱中的任何一条谱线都可以写成两项之差，每 一项与一能级对应，其大小相当于该能级的能量除以hc， 通常称这些项为光谱项。
2.5.4 原子光谱的选律
△S = 0 △L = 0, ±1 除外); △J = 0, ±1(J=0→0除外 除外 △mJ = 0, ±1
氢原子光谱线：1s1 ← 2p1 跃迁
低分辨/ 低分辨/无磁场 组态/ 组态/光谱项 高分辨/ 高ห้องสมุดไป่ตู้辨/无磁场 光谱支项
2P 2P
3/2
高分辨/ 高分辨/磁场中 Zeeman效应 Zeeman效应 mJ
3/2 1/2 1/2 -1/2 -1/2 -3/2
p1
2P
1/2
说明： 说明： 若3条线则为 Zeeman效应 Zeeman效应
s1
1S
1S
1/2
1/2 -1/2
若5条线则为 Zeeman效应 Zeeman效应
82259
82259.27
82258.91
82259 cm-1
2.5.5 原子光谱的应用
——激光
1）激光的特点 单色性好，亮度高，方向性强，强度大。 （频率、相位、传播方向偏振方向相同。） 气体、液体、固体三种激光器。 2）激光器的三大要素 工作物质：能够产生受激辐射的材料（基质材料和激 活离子）; 共振腔：光子在其中来回振荡的光学腔体; 泵浦源：向工作物质提供能量的能源。 半导体激光器：光通信、光存储、光信息处理。 半导体泵浦激光器：光通信、光存储、光信息处理、 激光医学、材料加工、生化仪器、遥感技术。
p1
2P 1/2 2P 3/2
d1
2D 2D 3/2 5/2
f1
2F 5/2 2F 7/2
(4)满电子层的光谱项
例：p6 组态
mL=∑mi =0 mS=∑(ms)i =0
L=0, S=0, J=0: m= 电子排布 组态 状态
-1 ↑↓
Lmax =(mL)max =0 Smax =(mS)max =0
3D 3,2,1 1D 2 3P 2,1,0 1P 1
mL=… mS=…
1S 0
（5）等价电子组态
具有完全相同的主量子数和角量子数的组态， 具有完全相同的主量子数和角量子数的组态，如：np2 电子1（ ）、电子 电子 （l1=1, s1=1/2）、电子 （l2=1, s2=1/2） ）、电子2 ） L=l1+l2, l1+l2-1,…, |l1-l2| =1+1… 1-1=2,1,0 S=s1+s2, s1+s2-1,…, |s1-s2|=1/2+1/2…1/2-1/1=1,0
mL=-L,-L+1,…L-1,L mS=-S,-S+1,…S-1,S
—多电子体系：电子 与电子 偶合后再与电子 ，余类推 多电子体系：电子1与电子 偶合后再与电子3， 与电子2偶合后再与电子 多电子体系
—缺点：非等价电子组态简单，等价电子组态需排除多余 缺点：非等价电子组态简单， 缺点
（2）磁量子数直接加和法
2.5.3 原子光谱项的推求方法
（电子组态）
n,l,m,ms
n,L,S,J,mL,ms
（原子能态）
L-S偶合法: 适用于轻原子体系(又称自旋-轨道偶合， 偶合法: 或 Russell-Saunders[R-S]偶合) ∑l→L ∑s→S ∑(L,S)→J ∑(L,S)→ J
j-j偶合法: 适用于重原子体系 偶合法: ∑(l,s)→j ∑(j,j)→J
原子光谱项
整个原子的运动状态应是各个电子所处的轨道和自旋 状态的总和。但这些描述状态的量子数是近似处理得到的， 既不涉及电子间的相互作用，也不涉及轨道和自旋的相互 作用，不能表达原子整体的运动状态，故不能和原子光谱 直接联系。 与原子光谱联系的是原子的能态。每一个原子能态对 应一个光谱项，应由一套原子的量子数L、S、J来描述。 原子的量子数分别规定了原子的： 轨道角动量ML 自旋角动量MS 总角动量MJ 及其在磁场方向上的分量mL、mS、mJ。
h J ( J + 1) 2π
(M
J
)Z = mJ
h 2π
原子光谱项：用原子的量子数表示的符号
2 S +1
L
P D
2S+1为光谱的多重度
J
J为轨道-自旋相互作用的光谱支项
原子光谱项记作2S+1L,
符号 S F G H
光谱支项记作2S+1LJ ,
I ……
L = 0 1 2 3 4 5 6 ……
谱项能级高低的判断：洪特规则的另一种表达
原子在同一电子组态时， 大者能量低。 （1）原子在同一电子组态时，S 大者能量低。 相同时， 大者能量低。 （2）S 相同时，L大者能量低。 一般， 相同时， （3）一般，L 和 S相同时，电子少于或等于半充满时 J 能量低；电子多于半充满时， 能量低。 小，能量低；电子多于半充满时，J大，能量低。
原子光谱项
（1）角量子数 L: （2）磁量子数 mL : （3）自旋量子数 S: （4）自旋磁量子数 mS: （5）总量子数 J: （6）总磁量子数 mJ :
ML =
h (M L ) Z = mL 2π
M
S
h L ( L + 1) 2π
=
h S ( S + 1) 2π
(M
S
)Z = mS
h 2π
MJ =
1）原子发射光谱 地质样品化学分析 冶金生产的产品质量控制 核燃料的纯度 半导体材料分析 环保监测（土壤、水等污染分析） 2）原子吸收光谱 元素分析（灵敏度高、干扰少、简便快捷） 食品分析（食品、生化和临床样品中的必需和有害元素 有机物分析（利用间接法测定有机物） 3）原子X射线荧光分析:元素分析，用量少，不破坏样品液体样品 也行，简便快速，适合检测不易分离的样品（稀土、铌钽、锆铪） 4）电子探针:用细小电子束作为探针，激发样品中的某一微区，使 其发出特征X射线，通过X射线的强度和波长，对微区进行元素分析。