量子物理 6（2000）

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1、第六章量子物理基础(6)1四.碱金属原子的光谱双线碱金属原子发光是由其价电子的能量状态改变引起的。原子实-e碱金属原子的结构与氢原子有类似之处。一.电子“轨道”角动量与轨道磁矩的关系§6．13电子的自旋四个量子数二.斯特恩一盖拉赫实验三.电子自旋21.碱金属原子中的电子能级特点电子能级与n、有关，即E=Enl例，n=2,=0,1,分裂为两条。n=3,=0,1,2,分裂为三条。价电子能级均比具有相同n值的氢原子能级低，而且越小、能级越低。3En(eV)0E20E21E30E31E32(-5.39)(-3.5

2、4)(-2.02)(-1.56)(-1.513)锂原子能级(即其n=2的价电子能级)(-0.85)(-1.51)(-3.40)(-13.6)En(eV)E1E2E4E3氢原子能级(即其电子能级)04能级特点的定性解释：(1)电子贯穿原子实(2)原子实极化2.碱金属原子光谱双线的定性解释-e+Ze-e-(Z-1)eD15896D25890E31E30Na原子(价电子)能级Na的5893Å谱线实际上是由双线组成D1:5895.930ÅD2:5889.963Å5自旋磁矩在外磁场中的磁能为Na的价电子有自旋，相应有自

3、旋磁矩，它在外磁场中受到力矩的作用，要转向的方向。从能量的角度来看，要转向能量小的方向。-e磁场是电子自身的轨道运动产生的。i价电子在原子实的电场中运动，外磁场是什么6可以证明（略）：考虑了自旋-轨道耦合能后，E30不分裂，于是就有了双线。因此上面的磁能称为自旋-轨道耦合能。E31分裂为两条，D15896D25890E31E307§6．14原子的壳层结构按照量子理论，原子中各个电子的运动状态都可用四个量子数来描述：(l)主量子数n：n＝l，2，3，……电子的能量主要由主量子数决定。(2)角量子数：=0，1

4、，2，……,n-1．它决定电子绕核运动的轨道角动量的大小。一般处于同一主量子数n，而角量子数l不同的电子，其能量也略有不同。(3)磁量子数ml：ml=0，±1，±2，……±它决定电子轨道角动量在外磁场中的指向。8(4)自旋磁量子数ms：ms＝±1/2它决定电子自旋角动量在外磁场中的指向。至于自旋量子数s＝1/2,只有一种数值，就不作为不同的运动状态的标志了。原子中电子的运动状态是否可以任意选取这些量子数而不受限制呢?原子中各电子的运动状态应同时满足泡利不相容原理和能量最小原理。多电子原子中电子的运动状态可用n

5、,,，ms四个量子数来确定。实验表明9泡利不相容原理：不可能有两个或两个以上的电子处在同一量子状态，即原子中的电子不可能有完全相同的四个量子数。为此获得了1945年诺贝尔物理奖。(W．Pauli,奥地利人1900—1958)泡利原子中有许多电子，它们的状态是按一定规律排布的。但是，泡利不相容原理反映的这种电子状态的严格的排斥性的物理本质是什么？至今尚不清楚。10原子中具有相同主量子数n的电子属于同一(主)壳层。把n＝l，2，3，4，5，6…的电子壳层，分别称为K,L,M,N,O,P,…等(主)壳层。把＝0，

6、1，2，3，4，…的支壳层，分别用s，p,d,f,g,…等表示。在每一(主)壳层中，具有相同角量子数的电子称为属于同一支壳层。n＝3，＝2的电子子称为3d状态的电子。如：n＝1,＝0的电子，称为1s状态的电子，如：n＝2,＝1的电子，称为2p状态的电子，11由泡利不相容原理可以推算出各电子(主)壳层中可能容纳的最多电子数。各电子(主)壳层中可能容纳的最多电子数：12能量最小原理：原子处于正常状态时，每一个电子都占据尽可能低的能级。能级的高低主要取决于主量子数n．n越小，能级越低。因此电子一般按照n由小到大的

7、次序填入各能级。但是，由于能级还和角量子数有些关系，所以在个别情况下，n较小的壳层尚未填满时，n较大的壳层上就开始有电子填入了。13书中表6.3列出了周期表前20个元素的原子处于基态时电子的填充情况。当原子中电子的能量最小时，整个原子的能量最低，称原子处于基态。如：钾K、钙Ca原子就有这种情况。对原子序数大的原子，这种情况更多。当原子中只有价电子的能量发生变化时，“原子的能量”常常是指其价电子的能量。14§6.15x射线一.X射线的发现及其本性l895年德国物理学家伦琴在作阴极射线管中气体放电的实验研究时，偶

8、然发现了有一种使荧光屏上有微弱的荧光产生的看不见的射线。……沿直线传播……不被电磁场偏转……穿透性强(不被物质反射和折射)他把这种未知射线称为x射线。15l895年底，伦琴发表了《论新的射线》的报告，并展示了他的妻子的手指骨x射线的照片。16伦琴的发现引起了全世界物理学界和医学界的强烈反应。伦琴的报告发表后仅三个月后，维也纳的一家医院就在外科检查中使用了x射线拍片手段。1901年，伦琴获得了首次颁发