原子物理学-第五章课件.ppt

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1、第五章多电子原子：泡利原理主要内容：2、两个电子的耦合3、泡利不相容原理4、元素周期表1、氦原子光谱和能级重点：1、电子的L-S耦合2、电子组态、原子态3、泡利不相容原理4、元素周期表在前面我们讨论了单电子原子核具有一个价电子的原子的光谱以及它们的能级情况，说明了能级的精细结构。在这一章中，我们将讨论多电子原子，即具有一个以上电子的原子。凡是有两个及两个以上核外电子的原子，在力学上都属于“多体系统”，多体问题是不能精确求解的，在量子力学中也需要用复杂的近似方法来进行计算。对于原子，除氢以外都可以看作“复杂”原子。我们首先通过最简单的多电子原

2、子——氦原子的能级和光谱特点的认识，引入微观世界中全同粒子的一些独特性质，泡利不相容原理等重要物理概念。复习H原子：类H离子：碱金属原子：若核(实)外有两个电子，由两个价电子跃迁而形成的光谱如何？能级如何？原子态如何？He：Z=2Be：Z=4=212+2Mg：Z=12=2(12+22)+2Ca：Z=20=2(12+22+22)+2Sr：Z=38=2(12+22+32+22)+2Ba：Z=56=2(12+22+32+32+22)+2Ra：Z=88=2(12+22+32+42+32+22)+2在实验观察中发现，氦以及周期系第二族元素

3、，铍、镁、钙、锶、钡、镭等的光谱都具有相仿的结构。从这些元素的光谱，可以得到它们的能级都分成两套，一套是单层的，另一套是具有三层结构的。下面具体讨论氦原子的光谱和能级。§5.1、氦的光谱和能级1868年在太阳日珥光谱中首次观察到了一条波长为587.5nm的黄色谱线，这条谱线不属于当时已知的元素的光谱线，被认为是一种新元素的谱线，这种元素称为氦（He）。氦原子是由原子核和两个电子组成的原子，是最简单的多电子原子。实验发现，氦原子的光谱与碱金属类似也有各个谱线系，但不同的是氦原子有两套线系，即有两个主线系，两个第一和第二辅线系。两套谱线的结构有

4、显著的差别，一套谱线都是单线，另一套谱线却具有复杂的结构，如果用高分辨率的仪器，则可以观察到原来的一条谱线实际上包含有三条波长非常接近的成分。氦原子的能级有以下几个特点：①有两套能级。一套能级是单层的，而另一套有三层结构，与这两套能级相对应的原子多重态称为单态和三重态。在实验观测的光谱中没有发现存在三重态和单态之间的跃迁，这说明在两套能级间没有跃迁，只是由每套能级各自的跃迁产生了相应的两套光谱线系。②基态和第一激发态之间的能量差很大，为19.77eV。而氦的电离能是所有元素中最大的，其值为24.58eV。④n=1的原子态不存在三重态。③三重

5、态的能级总是低于相应的单态的能级。例如比高0.8eV。⑤第一激发态和都是亚稳态，如果氦原子被激发到这两个状态，则通过辐射跃迁到基态的几率是极小的，这两个能级的寿命很长，实验测得的寿命为19.5毫秒。氦原子能级图在氦的能级图中，除基态外，所有能级都是一个电子留在最低态，另一个电子被激发所形成的。图中，最高能级是第二个电子被电离，剩下一个价电子在最低态时的能级。也有可能两个都被激发，但那样需要更大的能量，很难观察到。§5.2、两个电子的耦合一、电子的组态原子中的原子实是一个稳固完整的结构，它的总角动量和总磁矩是零。因此讨论原子态的形成，不需要考

6、虑原子实，只要从价电子来考虑就可以了。对于我们所讨论的对象，具有两个价电子，这两个价电子可以处在各种状态，它们合称电子组态，也即是由原子中各电子的主量子数和角量子数所表示的原子状态。电子组态清楚地显示出核外电子的排布状况。氦原子在基态时，两个电子都在1s态，我们说这个状态的电子组态为1s1s。再如，镁在第一激发态时，一个电子留在3s态，一个电子被激发到3p态，那么这时的电子组态时3s3p。而镁的基态的电子组态是3s3s。不同的电子组态具有不同的能量，有时差别很大。对于氦，在电子组态1s2s与1s1s之间的能量相差很大，这是由于有一个电子的主

7、量子数n不同。对于镁，3s3p与3s3s电子组态之间也存在能量差别，这是由于虽然主量子数没有变化，但是角量子数l有差别，引起原子实的极化或轨道贯穿的结果。总之，大的能级差别是由于电子组态的不同引起的。一种组态中的两个电子由于相互作用可以形成不同的原子态。两个电子各自有其轨道运动和自旋。这四种运动会相互起作用，每一种运动都产生磁场，因此对其他运动都会产生影响。这样它们之间就可以有六种相互作用。这六种相互作用的强弱是不同的，而且在各种原子中的情况也不一样。一般来说，和是比较弱的，通常可以忽略。二、L-S和j-j耦合剩下四种运动中，对于比较轻的元

8、素的原子，比比强得多；对于比较重的元素的原子，比强得多。因而当电子组态形成原子态时，采用相互作用的方式简称LS耦合；采用相互作用的方式简称jj耦合。也就是说，L-S耦合表示每个电