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文档简介

赖曼系巴耳末系帕邢系电子轨道氢原子光谱回顾1890年Rydberg用波数改写氢原子光谱巴尔末线系限:氢原子光谱的其它线系(远紫外)赖曼系:(红外三个线系)帕邢系:布喇开系:普丰特系:这些经验公式反映了原子内部结构的规律性!线系的一般表示:令:光谱项并合原则:每一谱线的波数差都可表达为二光谱项之差毕克林线系(1897年)类氢离子光谱He+,Li2+,Be3+,B4+,…Pickering从星光中发现类巴耳末系n=4,6,8…..类似氢原子的巴尔末系,但不重合;n=5,7,9…..中间的谱线

碱金属原子光谱具有原子光谱的一般规律性;各种碱金属原子的光谱,具有类似的结构。通常可观察到四个谱线系。

主线系;第一辅线系(又称漫线系);第二辅线系(又称锐线系);

柏格曼系(又称基线系)。4.1碱金属原子光谱的实验规律第四章碱金属原子和电子自旋碱金属原子:Li,Na,K,Rb,Cs,Fr,一价元素1.线系图锂的光谱线系400003000020000100002500300040005000600070001000020000波数(cm-1)波长(埃)主线系第一辅线系第二辅线系柏格曼系如氢光谱一样,里德伯研究出碱金属原子光谱线的波数(波长的倒数)表达为二项差R是里德伯常数,叫有效量子数,为线系限。P117表4.1,4.2求解有效量子数:量子数亏损锂原子的四个线系及公式表为:,n=2,3,4…,n=3,4,5…,n=4,5,6…2.线系公式主线系:第二辅线系:第一辅线系:柏格曼系:,n=3,4,5…第一项:该线系的线系限.对其它原子有相似的线系表示.3.光谱项公式(氢原子:)锂:s=0.4p=0.05

d=0.001

f=0.000钠:s=1.35p=0.86

d=0.001f=0.000碱金属原子的能级:(氢原子:)010000200003000040000厘米-126707主线系1869761038126一辅系二辅系柏格曼系2233334444555545s=0p=1d=2f=3H67锂原子能级图4.能级图P205表7.2锂的四个线系主线系:

第二辅线系:

第一辅线系:

柏格曼系:

钠的四个线系

主线系:

第二辅线系:

第一辅线系:

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…美天文学家称发现“巨型地球”为地球17倍重人类对太空的探索孜孜不倦,科学家们也一直在宇宙中寻找适合人类居住的宜居星球。据美国博客新闻网站“”6月2日报道,日前,在美国天文学会的一次会议上,一个研究小组宣布他们发现了“巨型地球”。据称,这颗“巨型地球”重量为地球的17倍,是一颗石质星球。据哈佛大学·史密森天体物理中心发布的消息称,该星球编号为“Kepler-10c”,位于天龙星座,围绕一颗类似太阳的星球运转,周期为45天。值得一提的是,起初,由于它体型巨大,科学家们认为该星球最终会形成为气体星球。为什么这一点如此重要呢?天体物理中心的研究员DimitarSasselov称:“Keler-10c的发现告诉我们,石质星球的形成比我们想象的要早得多。而既然它可以形成石头,它就可能孕育生命。”4.2原子实的极化和轨道贯穿1、价电子与原子实共同之处:最外层有一个容易脱掉的电子价电子其余电子和核形成一个紧固的团体原子实碱金属原子:带一个正电荷的原子实+一个价电子(H原子:带一个正电荷的原子核+一个电子)Na:Z=11基态电子排布:

Li:Z=3基态电子排布:

K:Z=19基态电子排布:价电子如被激发到能量高状态上,则从能量高状态向下跃迁时将发射光谱。锂:钠:

钾:

铷:

铯:

钫:

原子实:

非贯穿轨道

贯穿轨道

价电子的轨道运动2.原子实极化轨道“扁”,近日点离原子实近,极化强,能量低

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

能量降低当电子远离原子实运动,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。3、轨道贯穿实外

Z*=1贯穿

Z*>1平均:Z*>1光谱项:

<

贯穿几率大

能量低当很小时,价电子的轨道扁,价电子可能穿过原子实

轨道贯穿。综上,原子实极化和价电子的轨道贯穿两种效应,使得碱金属原子能级分裂,且都使得能量下降;值小的能级,下降较明显。4.量子力学定量处理远离原子实运动靠近原子实运动解薛定谔方程得能量和光谱项4.3碱金属原子光谱的精细结构

原子中电子和原子核的库仑作用导致了原子内部的粗线条结构。用高分辨光谱仪观察发现,主线系和锐线系(第二辅线系)都是双线结构,漫线系(第一辅线系)和基线系(柏格曼线系)都是三线结构。1.碱金属光谱的精细结构实验事实例如钠的黄色光谱线,就是它的主线系的第一条线,是由波长为5890Å和5896Å的两条分线构成。碱金属原子三个线系的精细结构示意图

各壳层可以容纳的最多电子数56壳层名称最多电子数2n2支壳层最多电子数

2(2+1)1234KLMNOP2818325072001012301234501201234sspspdSpdfspdfghspdfg2262610261014261014182610141832010000200003000040000厘米-126707主线系1869761038126一辅系二辅系柏格曼系2233334444555545s=0p=1d=2f=3H67锂原子能级图4.能级图2.实验结果的分析推论光谱线的任何分裂都是能级分裂的结果。以Li原子为例。二辅系:2P-nS主线系:2S-nP一辅系:2P-nD推论:碱金属原子s能级是单层的,而p,d,f

能级都是双层的,对同一值,双层能级间隔随量子数n增大而减小。

能级为什么会发生精细分裂呢?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德史密特大胆地提出电子的自旋运动的假设,自旋角动量为(1/2)(h/2∏),由于电子带负电且角动量不变,所以具有一定的磁矩。“你们还年轻,有些荒唐没关系”(导师埃伦菲斯特)按照这一假设,电子除轨道运动外,还存在一种自旋运动,和自旋运动相联系还存在自旋角动量。电子在原子实产生的磁场中运动,其自旋取向将会量子化,不同的取向具有不同的能量,导致了能级的分裂。角动量的方向量子化满足量子化通则,,n=1,2….n对于轨道角动量量子数,取向共有个。若假设自旋量子数为S,那么对于自旋角动量量子数,取向共有个。碱金属原子观察到的能级是双层的,即电子自旋2个取向,一个顺磁场,在磁场方向上动量为;另一个反磁场,在磁场方向上动量为,动量之差为,符合假设。图表:114号和116号元素获正式命名据俄媒体日前报道,元素周期表中114号和116号两种元素已正式命名为Flerovium和Livermorium,以纪念合成它们的实验室——俄罗斯的弗廖罗夫核反应实验室和美国的劳伦斯-利弗莫尔国家实验室。媒体援引弗廖罗夫核反应实验室主任谢尔盖·德米特里耶夫的话说,两种新元素的命名仪式将于本月24日在俄罗斯科学院中央大厅举行。114号和116号元素是俄美联合研究小组于2000年和2004年在实验室中合成的。科学家通过设在俄罗斯杜布纳的回旋加速器,用钙原子轰击钚原子得到了第114号元素,此后又用钙原子轰击锔原子得到116号元素。今年5月,国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)采纳了元素发现者的建议,批准以Flerovium和Livermorium命名这两个元素周期表的新成员。弗廖罗夫核反应实验室是杜布纳联合原子核研究所下属的实验室。该研究所在合成元素领域世界领先,除114号和116号元素外,还合成了113号、115号、117号和118号元素,但它们还未获IUPAC认定。这些人工合成元素统称为“超重元素”,它们都极不稳定,存在时间以秒计,在实验室生成后很快就会分解成其他更轻的元素。根据IUPAC的规定,率先发现新元素者有权对元素进行命名。假设j是电子的总角动量量子数,在以上两种取向下可求出总角动量表示为:对于单电子s=1/2,所以:量子力学中较准确的角动量表达式:2、电子自旋角动量量子数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性质,为这个假设提供了理论依据。

在无外场情况下,守恒,大小、方向不变,和绕进动,且保持夹角不变。3、电子自旋角动量空间取向量子化4、电子自旋磁矩(电子轨道运动磁矩:)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一个磁性物体在磁场中的能量为:是物体的磁矩,是和的夹角。那么具有自旋磁矩的电子处在由于轨道运动而感受的磁场中,附加能量可表示为叫玻尔磁子。将附加能量加在未考虑自旋的原子能级上,就形成双层能级。2、自旋-轨道相互作用能电子的自旋运动和轨道运动之间通过磁相互作用。在电子为静止的坐标系上,原子实(Z*e)绕电子旋转,并产生磁场B,并与自旋磁矩作用。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,再乘以因子得:详见:史斌星《量子物理》附录☆的处理:

量子力学方法:按几率分布所得的平均值代替。对碱金属原子,☆的处理:

代入整理得:原子的总能量(不包括相对论修正)::能级的精细结构能量E由三个量子数决定。对一给定能级,即给定但仍与有关。3、碱金属原子能级的分裂当时,能级不分裂当时,能级分裂为双层,间隔:讨论:1.能级由

三个量子数决定,当

时,

,能级不分裂;当

时,

,能级分裂为双层。2.能级分裂的间隔由

决定当

一定时,

大,

小,即当

一定时,

大,

小,即4、碱金属原子态符号表示碱金属原子的状态,可由描述价电子状态的量子数描述。电子态描述符号: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:NaZ=11基态电子组态:

激发态电子组态:

碱金属原子态符号:价电子的主量子数价电子的轨道角动量,用大写表示电子的总角动量。自旋多重度,表示原子态的多重数。对碱原子S态虽然是单层(重)能级,仍表示为:例:表示:的原子态,多重度:2

表示:的原子态,多重度:2

表示:的原子态,多重度:2Li原子能级图(考虑精细结构)4.5单电子辐射跃迁选择定则2、碱金属光谱的解释单电子辐射跃迁(吸收或发射光子)只能在下列条件下发生:1、选择定则

主线系2P1/22P3/22S1/2对Li:对Na:2P1/22P3/2锐线系(第二辅线系)

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