碱金属原子和电子自旋.ppt

第四章 碱金属原子和电子自旋
随着科技发展，探测到的光谱越来越困难，氢原子理论已经无能为力。
有了量子理论以后，描述体系更精确，能更好的说明试验现象。
玻尔的氢原子理论以其图像简洁，简洁理解，可以用来定性说明一些问题。
第四章
锂原子能级图
碱金属原子光谱的试验规律
（3）n很大时，能级与氢的很接近，少数光谱线的波数几乎与氢的相同；当n很小时，谱线与氢的差别较大。
（1）能量由（n, l）两个量子数确定，主量子数相同，角量子数不同的能级不相同。
（2）n相同时能级的间隔随角量子数的增大而减小，l 相同时，能级的间隔随主量子数随n的增大而减小。
特点：
§ 原子实的极化和轨道的贯穿
碱金属只有一个价电子，其光谱也是由于单电子的活动产生的。
碱金属原子原子序数分别是：3、11、19、37、55、87
碱金属原子光谱项 ：
碱金属原子能量比相应氢原子能量低，为什么？
Li：Z=3=212+1
Na：Z=11=2(12+22)+1
K： Z=19=2(12+22+22)+1
Rb：Z=37=2(12+22+32+22)+1
Cs：Z=55=2(12+22+32+32+22)+1
Fr：Z=87=2(12+22+32+42+32+22)+1
如：锂的原子实由原子核和两个电子构成，
钠的原子实由原子核和10个电子构成
原子
价电子
原子实
价电子轨道
Li: n2
Na: n3
K: n4
Rb: n5
原子实
-e
碱金属原子结构共同点：
区分：
一、碱金属原子原子核外电子结构特征
§ 原子实的极化和轨道的贯穿
最外层有一个简洁脱掉的电子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
相当于价电子在n 很大的轨道上运动，价电子与原子实间的作用很弱，原子实电荷对称分布，正负电荷中心重合在一起。有效电荷为+e，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像，所以光谱和能级与氢原子相同。
价电子远离原子实运动
-e
价电子不仅受核的吸引，而且受其它电子的排斥作用。
例如锂原子核电荷为三个单位正电荷（Z=3），核外有三个电子，其中两个离核较近处在1s状态，一个离核较远处于2s状态。对于价电子来说，它是处在核和其余两个电子的共同作用之中，而且都在不停地运动。因此要精确地确定原子实对价电子的作用是很困难的。此时应考虑两种效应：
原子实的极化和贯穿效应
两种效应都影响原子的能量
价电子靠近原子实运动
二、原子实极化
价电子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（形成电偶极子）  原子实极化  能量降低
Ze
-(Z-1)e
同一n
l大，椭圆圆，极化小
l小，椭圆扁，极化大
在偶极子的电场中势能变小
§ 原子实的极化和轨道的贯穿
三、轨道贯穿
实外  Z*=1
贯穿  Z* > 1
光谱项：
<
l 小  贯穿几率大  能量低
当l 很小时，价电子的轨道扁，价电子可能穿过原子实  轨道贯穿。
平均：Z* > 1
原子实的极化和轨道贯穿
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。
原子实的极化和轨道贯穿
四、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
原子实的极化和轨道贯穿
电偶矩p
碱金属原子光谱的精细结构
用高辨别光谱仪视察发觉，主线系和锐线系都是双线结构，漫线系和基线系都是三线结构。
一、碱金属光谱的精细结构试验事实
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
碱金属原子光谱的精细结构
主线系
第二辅线系
第一辅线系
每条谱线分裂为两条，间隔随波数增加而减小，最终两成分并入一个线系限
每条谱线分裂为两条，两谱线间隔相同，直到线系限
由三条谱线构成，最外两条间隔同其次辅线系，波数小的两谱线间隔随波数增加而减小，最终两成分并入一个线系限

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