wy_l原子中的电子

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内容氢原子中的电子氢原子光谱电子自旋多电子原子中电子的排布激光orU量子力学结果：⑴能级(n=1,2,3,——主量子数)§12.1氢原子中的电子(ElectroninTheHydrogenAtom)n=1——基态；n>1——激发态En(eV)0-13.6-3.40-1.51②nEn特点：orUEn物理意义：电子处于束缚态！①En<0Notes:①电离能——使原子电离所需的最小能量.②类氢离子[核电荷为Ze(Z>1)，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13.6eVn=2,电离能为3.40eV⑵轨道角动量(l的取值依赖于n)⑶在空间任一方向(Z)的分量(ml的取值依赖于l)轨道量子数or角(副)量子数轨道磁量子数or磁量子数Note:Lz取分立值，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=2ml=0,1,2Z02--2⑷电子的概率分布——电子云(P.181~183)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)⒈态间跃迁——一系列不同波长的谱线的集合hEhEl——玻尔频率条件⒉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——光速光谱学中，用波数表示谱线位置：nl=1,nh=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)n=1n=2n=3Lyman(紫外区)Balmer(可见光区)Paschen(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Å.解：⑴可能的跃迁：n=43,2,132,1216条谱线⑵(Å)[解法二](Å)[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：n=1n=2n=3发射可见吸收红外发射紫外(C)§12.3电子自旋(ElectronSpin)⒈Stern-Gerlach实验(1921年)ovenSNslitplateAgAASNA－A斯特恩正在观测实验照片[分析]：(电子角动量)(磁矩)(2l+1)个值(2l+1)个值(2l+1)条条纹！∵磁力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.⒉自旋角动量量子力学结果：自旋量子数①②在空间任一方向(Z轴)的分量：自旋磁量子数Z+/2-/2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⒊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：⑴当n、l、ml一定时，ms可取两个不同的值.⑵当n、l一定时，ml可取2l+1个不同的值,且对于ml的每个值，ms可取两个不同的值.22(2l+1)⑶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？⒈两个基本原理⑴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.⑵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Z>18的原子，会有反常.⒉壳层(shell)与次壳层(subshell)⑴壳层——主量子数n相同的所有状态的集合.主量子数n1234567壳层符号KLMNOPQ可容电子数281832507298角量子数l0123456次壳层符号spdfghi可容电子数261014182226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.193~197).⑵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1s10nZen=1n=2n=3LMK(2)(2)32103d3p3s(10)(2)(6)(18)2102p2s(2)(6)(8)nl2n2反常钾(Z=19)的电子组态：不是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：提出泡利不相容原理获得1945年诺贝尔物理学奖奥地利人1900—1958泡利（W.Pauli）§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.H.Maiman，1960)⒈激光的特性⑴方向性好——发散角：10-3~10-6rad⑵强度高——强度可达1017W/cm2(氧炔焰~103W/cm2)激光器输出功率：连续可达105W脉冲可达1014W(世界电站总功率~1012W)⑶单色性好——：10-6~10-9nm⑷相干性好——是相干光.⒉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-Ⅰ装置的两路激光系统神光-Ⅱ装置的八路激光系统2000建成8光束/200mm，6KJ/1倍频，~2.5KJ/3倍频/1ns1986建成2光束/200mm，1.6KJ/1倍频（1.06m)/1ns我国的激光核聚变装置神光-Ⅱ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）⒊激光的产生⑴受激辐射①光的吸收：h——原子吸收入射光子(h=Eh-El)，从低能态(El)跃迁到高能态(Eh).EhEl②自发辐射(spontaneousradiation)：h——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)，并发出一个光子(h=Eh-El).EhElhhh③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.EhEl④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.⑵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(10-3s~1s)的激发态——亚稳态(metastablestate).e.g.①红宝石激光器：(三能级系统)h无辐射跃迁E3E1E2亚稳态抽运②CO2激光器：(四能级系统)h无辐射跃迁E3E1E2亚稳态E4抽运③He-Ne激光器：(四能级系统)碰撞632.8nmHeNeE3E1E2E4E2E3E4电激发⒋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.激活介质全反射镜部分反射镜激励能源激光输出⑴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.⑶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：⑵提高激光的方向性Notes:①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).②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＋谐振腔激光电源He,Ne布儒斯特窗100%反射99%反射1%透射激励能源＋激活介质粒子数布居反转综上：激光器类型(按工作物质划分)：气体激光器(He-Ne,Ar+,CO2,准分子等)液体激光器(染料)固体激光器(红宝石，钇铝石榴石(YAG)等)半导体激光器(GaAs)激光波长:10-3~10-12m可调谐激光器(tunablelaser)——波长可连续调节⒌激光器主要组成部分：激励能源、工作物质、谐振腔