wy_l原子中的电子

1、第十二章原子中的电子(ElectronsinAtoms),J.J.汤姆逊1906年诺贝尔奖获得者,汤姆逊原子模型,卢瑟福1908年诺贝尔奖获得者,原子光谱,玻尔原子模型,量子力学结果：,能级,(n=1,2,3,主量子数),12.1氢原子中的电子(ElectroninTheHydrogenAtom),n=1基态；n1激发态,nEn,特点：,物理意义：电子处于束缚态！,En1)，核外仅有一个电子的离子的能级：,e.g.,氢原子,n=1,电离能为13.6eV,n=2,电离能为3.40eV,轨道角动量,(l的取值依赖于n),在空间任一方向(Z)的分量,(ml的取值依赖于l),Note:,Lz取分立值，

2、意味着只能取空间一些特定方向.,角动量的空间量子化,e.g.,l=2ml=0,1,2,电子的概率分布电子云(P.181183),基态下，电子云径向密度最大处：,玻尔(N.Bohr)半径,玻尔1922年玻尔获诺贝尔物理奖。,玻尔正在讲解他的互补原理,玻尔（左）海森伯（中）泡利（右）在一起,哥本哈根学派,在自然界的戏剧中人既是“演员”又是“观众”,玻尔和他的孩子们,12.2氢原子光谱(LightSpectrumofTheHydrogenAtom),态间跃迁,一系列不同波长的谱线的集合,玻尔频率条件,谱线系,氢原子能级频率条件谱线频率：,里德伯(J.R.Rydberg)常量,c光速,nl=1,nh=

3、2,3,4,莱曼(Lyman)系(紫外区),nl=2,nh=3,4,5,巴耳末(Balmer)系(可见光区),nl=3,nh=4,5,6,帕邢(paschen)系(红外区),能级图：,光谱：,谱线系相互分离，每一系的谱线在短波方向变密.,例12-1,设大量氢原子处于n=4的激发态，它们跃迁时发射出一簇光谱线，则这簇光谱线最多可能有条，其中最短的波长是.,解：,可能的跃迁：n=43,2,1,32,1,21,6条谱线,(),解法二,(),思考,6条谱线各属于什么谱线系?,例12-2,一个氢原子处于主量子数n=3的状态，则该氢原子,(A)能够吸收也能够发射一个红外光子,(B)不能吸收也不能发射一个红

4、外光子,(C)能够吸收一个红外光子,(D)能够发射一个红外光子,解：,(C),12.3电子自旋(ElectronSpin),Stern-Gerlach实验(1921年),斯特恩正在观测,实验照片,分析：,(电子角动量),(磁矩),1925年，G.E.Uhlenbeck和S.A.Goudsmit解释：,电子有自旋运动自旋角动量(只有两种取向)自旋磁矩(也只有两种取向)两条条纹,1928年，狄拉克(P.A.M.Dirac)从理论上导出电子具有自旋的结论.,自旋角动量,量子力学结果：,在空间任一方向(Z轴)的分量：,物理意义：,电子的自旋角动量也是空间量子化的.,n主量子数(n=1,2,3,),可大

5、体确定电子的能量,l轨道量子数(l=0,1,2,n-1),可确定电子的轨道角动量大小，对电子的能量也稍有影响,ml轨道磁量子数(ml=0,1,2,l),ms自旋磁量子数(ms=1/2),可确定电子的轨道角动量在空间任一方向(z)的分量,可确定电子的自旋角动量在空间任一方向(z)的分量,原子中电子的四个量子数,例12-3,原子内电子的量子态由n、l、ml、ms四个量子数表征，当n、l、ml一定时，不同量子态数目为；当n、l一定时，不同量子态数目为；当n一定时，不同量子态数目为.,解：,当n、l、ml一定时，ms可取两个不同的值.,当n、l一定时，ml可取2l+1个不同的值,且对于ml的每个值，m

6、s可取两个不同的值.,2,2(2l+1),当n一定时，l可取n个不同的值,且对于l的每个值，ml和ms共可取2(2l+1)个不同的值.,12.4多电子原子中电子的排布(ArrangementofElectronsinMultielectronAtoms),多电子原子，每个电子(n,l,ml,ms),电子组态？,两个基本原理,泡利(W.Pauli)不相容原理,在同一原子中不可能有两个电子处于相同的状态.,能量最低原理,在基态原子中，电子总处于最低可能的能级.,Note:,能级高低的判别：,通常，随着n，则E；对同一n，若l，则E；对于Z18的原子，会有反常.,壳层(shell)与次壳层(subs

7、hell),壳层,主量子数n相同的所有状态的集合.,电子对壳层的填充:先填n较小的壳层，在同一n中，先填l较小的次壳层，但在不同壳层邻接处可能出现“反常”(SeeP.193197).,次壳层,同一壳层中轨道量子数l相同的状态的集合.,基态原子核外电子排布,1s,(2),(2),nl,2n2,反常,钾(Z=19)的电子组态：,e.g.,锂(Z=3)的电子组态：,碳(Z=6)的电子组态：,氯(Z=17)的电子组态：,12.5激光(Laser),受激辐射的光放大(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation),世界上第一台激光器红宝石激光器(T.

8、H.Maiman，1960),激光的特性,方向性好发散角：10-310-6rad,强度高,强度可达1017W/cm2(氧炔焰103W/cm2),单色性好：10-610-9nm,相干性好是相干光.,激光的应用,激光测距：月地距离误差10-2m,激光加工：打孔、切割、焊接、表面处理.,激光医疗：激光手术刀，视网膜焊接，角膜切割，肿瘤诊断(光动力学方法)，创伤愈合，针灸、美容等.,军事：激光制导,束能武器,激光致盲.,核技术：分离同位素,引发核聚变.,信息技术：光通信，信息存储，全息照相.,神光-装置的两路激光系统,神光-装置的八路激光系统,2000建成8光束/200mm，6KJ/1倍频，2.5KJ

9、/3倍频/1ns,1986建成2光束/200mm，1.6KJ/1倍频（1.06m)/1ns,我国的激光核聚变装置,神光-装置的靶室和物理诊断设备,在靶室内八束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变,神光三号,激光焊接,高能激光（能产生约5500oC的高温）把大块硬质材料焊接在一起,用激光使脱落的视网膜再复位,（目前已是常规的医学手术）,激光的产生,受激辐射,光的吸收：,原子吸收入射光子(h=Eh-El)，从低能态(El)跃迁到高能态(Eh).,自发辐射(spontaneousradiation)：,处于高能态(Eh)的原子，在没有外界作用下，自发跃迁到低能态(El)，并发出一

10、个光子(h=Eh-El).,受激辐射(stimulatedradiation)：,处于高能态(Eh)的原子，受入射光子(h=Eh-El)的诱导作用，跃迁到低能态(El)，并发出一个与入射光子的频率、相位、振动方向和传播方向都完全相同的光子.,光放大(lightamplification)：,若有一批原子处于高能态(Eh)，则在一个入射光子(h=Eh-El)的作用下，会通过一系列受激辐射产生不断倍增的相同的光子.,粒子数布居反转,在平衡态下，处于不同能态的原子数由Boltzmann分布律确定：,e.g.,He-Ne激光器：=632.8nm,平衡态下：,设法使N(Eh)N(El)，这种反常状态称为

11、粒子数布居反转(populationinversion).,能实现粒子数反转的物质，称为激活介质(activemedium)或工作物质.,激活介质的特点:存在寿命较长(10-3s1s)的激发态亚稳态(metastablestate).,e.g.,红宝石激光器：(三能级系统),CO2激光器：(四能级系统),He-Ne激光器：(四能级系统),光学谐振腔(opticalcavity),一对平行的反射镜，镜面与激活介质的轴线垂直.,维持振荡,沿轴向传播的光，可在腔内来回反射，不断放大，而沿其它方向传播的光很快逸出.,提高激光的单色性,光在腔内来回反射,产生多光束干涉,结果,只有半波长的整数倍等于腔长的光才会在腔内存在.,作用：,提高激光的方向性,Notes:,谐振腔的阈值条件(thresholdcondition)增益大于损耗,即光在腔内来回一次所得到的放大(称为增益)，超过同一过程中光的损耗(吸收、散射等).,若在谐振腔内加上一对布儒斯特窗，可得到偏振性极好的线偏振光.,e.g.,外腔式He-Ne激光器,粒子数布居反转谐