第五章多電子原子PPT課件

1、 通過前幾章的學習，我們已經知道了單電子和具有一個通過前幾章的學習，我們已經知道了單電子和具有一個價電子的原子光譜及其規(guī)律，同時對形成光譜的能級作了比價電子的原子光譜及其規(guī)律，同時對形成光譜的能級作了比較詳細的研究。弄清了光譜精細結構以及能級雙層結構的根較詳細的研究。弄清了光譜精細結構以及能級雙層結構的根本原因本原因- -電子的自旋。電子的自旋。 通過前面的學習我們知道：堿金屬原子的原子模型可以通過前面的學習我們知道：堿金屬原子的原子模型可以描述為：原子實描述為：原子實 + + 一個價電子一個價電子, ,這個價電子在原子中所處的這個價電子在原子中所處的狀態(tài)狀態(tài), ,n, l, j 決定了堿金屬

2、的原子態(tài)決定了堿金屬的原子態(tài) n2s+1Lj，而價電子在不同，而價電子在不同能級間的躍遷，便形成了堿金屬原子的光譜?？梢娔芗夐g的躍遷，便形成了堿金屬原子的光譜?？梢? ,價電子價電子在堿金屬原子中起了十分重要的作用，它幾乎演了一場獨角在堿金屬原子中起了十分重要的作用，它幾乎演了一場獨角戲。戲。 多電子原子是指最外層有不止一個價電子，換句話說，多電子原子是指最外層有不止一個價電子，換句話說，舞臺上不是一個演員唱獨角戲，而是許多演員共演一臺戲，舞臺上不是一個演員唱獨角戲，而是許多演員共演一臺戲，那么這時情形如何，原子的能級和光譜是什么樣的呢？這正那么這時情形如何，原子的能級和光譜是什么樣的呢？這正

3、是本章所要研究的問題。是本章所要研究的問題。第五章第五章 多電子原子多電子原子5.1 He原子的光譜和能級原子的光譜和能級一、光譜一、光譜 主線系：主線系： 銳線系：銳線系： 漫線系：漫線系： 基線系：基線系： nPmSvnSmPvnFmDvnDmPv光譜光譜單線單線- 四個線系均由單譜線構成四個線系均由單譜線構成多線多線- 主、銳線系由三條譜線構成主、銳線系由三條譜線構成 漫、基線系由六條譜線構成漫、基線系由六條譜線構成實驗表明，氦原子的光譜也是由這些線系構成的，與堿金屬原子光譜不同的是：實驗表明，氦原子的光譜也是由這些線系構成的，與堿金屬原子光譜不同的是：氦原子光譜的上述四個線系都出現雙份

4、，即兩個主線系，兩個銳線系等。實驗中氦原子光譜的上述四個線系都出現雙份，即兩個主線系，兩個銳線系等。實驗中發(fā)現這兩套譜線的結構有明顯的差異，一套譜線由單線構成，另一套譜線卻十分發(fā)現這兩套譜線的結構有明顯的差異，一套譜線由單線構成，另一套譜線卻十分復雜。具體情況是：復雜。具體情況是：堿金屬原子的光譜分為四個線系：堿金屬原子的光譜分為四個線系： 氦原子的光譜由兩套譜線構成，是因為氦原子有這兩套能級，一套是單層的，另一氦原子的光譜由兩套譜線構成，是因為氦原子有這兩套能級，一套是單層的，另一套是三層，這兩套能級之間沒有相互躍遷，它們各自內部的躍遷便產生了兩套獨立套是三層，這兩套能級之間沒有相互躍遷，它

5、們各自內部的躍遷便產生了兩套獨立的光譜。早先人們以為有兩種氦，把具有復雜結構的氦稱為正氦，而產生單線光譜的光譜。早先人們以為有兩種氦，把具有復雜結構的氦稱為正氦，而產生單線光譜的稱為仲氦，現在認識到只有一種氦，只是能級結構分為兩套。的稱為仲氦，現在認識到只有一種氦，只是能級結構分為兩套。二、能級二、能級He原子的原子的能級分為能級分為兩套，一兩套，一套是單層套是單層的，一套的，一套是三層的。是三層的。 1）能級分為兩套，單層和三層能級間沒有躍遷；氦的基）能級分為兩套，單層和三層能級間沒有躍遷；氦的基態(tài)是態(tài)是1s1s1S0；2）狀態(tài)）狀態(tài)1s1s3S1不存在，且基態(tài)不存在，且基態(tài)1s1s1S0和

6、第一激發(fā)態(tài)和第一激發(fā)態(tài)1s2s3S1之間能差很大；之間能差很大；3） 所有的所有的3S1態(tài)都是單層的；態(tài)都是單層的；4）1s2s1S0和和1s2s3S1是氦的兩個亞穩(wěn)態(tài)；（不能躍遷到是氦的兩個亞穩(wěn)態(tài)；（不能躍遷到更低能級的狀態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)更低能級的狀態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài),當原子處在亞穩(wěn)態(tài)時，必須將當原子處在亞穩(wěn)態(tài)時，必須將其激發(fā)到更高能，方可脫離此態(tài)回到基態(tài)）其激發(fā)到更高能，方可脫離此態(tài)回到基態(tài)）5）一種電子態(tài)對應于多種原子態(tài)。不僅氦的能級和光譜）一種電子態(tài)對應于多種原子態(tài)。不僅氦的能級和光譜有上述特點，人們發(fā)現，元素周期表中第二族元素的光譜有上述特點，人們發(fā)現，元素周期表中第二族元素的光譜都與氦有相同

7、的線系結構。即原子實都與氦有相同的線系結構。即原子實+2個價電子。由此可個價電子。由此可見，能級和光譜的形成都是二個價電子各種相互作用引起見，能級和光譜的形成都是二個價電子各種相互作用引起的。的。三、能級和能級圖的特點三、能級和能級圖的特點1 1單層能級之間躍遷產生一組譜線單層能級之間躍遷產生一組譜線主線系：主線系： 11011PnS 2n第一輔線系：第一輔線系： 21112DnP 3n第二輔線系：第二輔線系： 01112SnP 3n基線系：基線系： 31213FnD 4n2 2三層能級之間的躍遷產生一組復雜結構的譜線三層能級之間的躍遷產生一組復雜結構的譜線主線系：主線系： 三個成份三個成份

8、第一輔線系：第一輔線系： 六個成份六個成份2, 1 , 03132PnS 2n3 , 2, 13232,nPDnPDnP3n四、譜線系四、譜線系第二輔線系：第二輔線系： 三個成份三個成份 基線系：基線系： 六個成份六個成份 132, 1 , 032SnP3n4, 3 , 23333 , 23222313333FnDFnDFnD4n3兩套能級之間不產生躍遷兩套能級之間不產生躍遷 5.2 5.2 角動量耦合和對角動量耦合和對HeHe光譜的解釋光譜的解釋1. 1.電子組態(tài)的定義：兩個價電子處在各種狀態(tài)的組合，稱電子電子組態(tài)的定義：兩個價電子處在各種狀態(tài)的組合，稱電子組態(tài)。組

9、態(tài)。 比如，氦的兩個電子都在比如，氦的兩個電子都在1s 1s 態(tài)，那么氦的電子組態(tài)是態(tài)，那么氦的電子組態(tài)是1s1s1s1s；一個電子在一個電子在1s1s，另一個到，另一個到 2s2s、2p2p、3s3s、3d 3d , ,構成激發(fā)態(tài)的構成激發(fā)態(tài)的電子組態(tài)。對于氦電子組態(tài)。對于氦, ,兩個電子的主量子數兩個電子的主量子數 n n 都大于都大于1 1，構成高，構成高激發(fā)態(tài)，實驗上不容易觀測，它需要很高的能量激發(fā)。激發(fā)態(tài)，實驗上不容易觀測，它需要很高的能量激發(fā)。一、不同的電子組態(tài)一、不同的電子組態(tài)2. 2.電子組態(tài)與能級的對應電子組態(tài)與能級的對應電子組態(tài)一般表示為電子組態(tài)一般表示為n n1 1 l1

10、 1 n n2 2 l2 2 ；組態(tài)的主量子數和角量子數；組態(tài)的主量子數和角量子數不同，會引起能量的差異，比如不同，會引起能量的差異，比如1s1s1s1s 與與1s2s 1s2s 對應的能量不對應的能量不同；同；1s2s1s2s 與與1s2p 1s2p 對應的能量也不同。一般來說，主量子數對應的能量也不同。一般來說，主量子數不同，引起的能量差異會更大，主量子數相同，角量子數不不同，引起的能量差異會更大，主量子數相同，角量子數不同，引起的能量差異相對較小一些。同，引起的能量差異相對較小一些。 同一電子組態(tài)可以有多種不同的能量，即一種電子組同一電子組態(tài)可以有多種不同的能量，即一種電子組態(tài)可以與多種

11、原子態(tài)相對應。我們知道，態(tài)可以與多種原子態(tài)相對應。我們知道，一種原子態(tài)和一種原子態(tài)和能級圖上一個實實在在的能級相對應能級圖上一個實實在在的能級相對應。對堿金屬原子，。對堿金屬原子，如果不考慮自旋，則電子態(tài)和原子態(tài)是一一對應的，通如果不考慮自旋，則電子態(tài)和原子態(tài)是一一對應的，通常用常用 nl 表示電子態(tài)，也表示原子態(tài)；如果考慮自旋，表示電子態(tài)，也表示原子態(tài)；如果考慮自旋，則由于電子的則由于電子的 與與 的相互作用，使得一種電子態(tài)的相互作用，使得一種電子態(tài) nl（即原子態(tài)）可以對應于兩種原子態(tài)（即原子態(tài)）可以對應于兩種原子態(tài) n2Lj1, ,n2Lj2 。LS 在氦的第二族元素中，考慮自旋后，在一

12、種電子組在氦的第二族元素中，考慮自旋后，在一種電子組態(tài)態(tài) n1 l1 n2 l2 中，兩個價電子分別有各自的軌道和自旋中，兩個價電子分別有各自的軌道和自旋運動，因此存在著多種相互作用，使得系統具有的能運動，因此存在著多種相互作用，使得系統具有的能量可以有許多不同的可能值。而每一種能量的可能值量可以有許多不同的可能值。而每一種能量的可能值都與一種原子態(tài)，即一個能級相對應。我們說，這些都與一種原子態(tài)，即一個能級相對應。我們說，這些原子態(tài)便是該電子組態(tài)可能的原子態(tài)。原子態(tài)便是該電子組態(tài)可能的原子態(tài)。二、一種電子組態(tài)構成不同原子態(tài)二、一種電子組態(tài)構成不同原子態(tài)當當 、 、 時，時， 一般來說，一般來說

13、， 、 比較弱，可以忽略。比較弱，可以忽略。 2121SSLLJ四種運動之間有六種相互作用：四種運動之間有六種相互作用：),(211ssG),(212llG),(113slG),(224slG),(215slG),(126slG),(126slG),(215slG),(211ssG),(212llG),(113slG),(224slG21SSS21LLLSLJ L-S 耦合耦合 設兩個價電子的軌道運動和自旋運動分別是設兩個價電子的軌道運動和自旋運動分別是l1 1, ,l2 2,s,s1 1,s,s2 21、L- -S 耦合耦合21SSS21LLLSLJ2) 1(111hssS2) 1(222h

14、ssS2) 1(hssS0 , 1s2) 1(111hllL2) 1(222hllL,21lll , , 121 ll|21ll 當當 時，共時，共 個個;當當 時，共時，共 個個21ll 122l21ll 121l2) 1(hjjJ, slj, , 1 sl|sl sl 12 s當當 時，時， 共共 個個2) 1(hllL 我們得到了整個原子的各種角動量我們得到了整個原子的各種角動量( (L, ,S, ,J) )；從而得到各種不同；從而得到各種不同的原子態(tài)，我們可以一般性地把原子態(tài)表示為的原子態(tài)，我們可以一般性地把原子態(tài)表示為: :jsLlnln122211)(slslsljllllllls

15、, 1, 1,1 , 0212121總角動量總角動量 ，根據上述耦合法則，根據上述耦合法則 SLJ) 1( jjJ| , 1,slslsljlj 其中其中: 分別是兩個價電子的主量子數和角量子數分別是兩個價電子的主量子數和角量子數2211;,lnln其中其中對于兩個價電子的情形對于兩個價電子的情形0 , 1s當當 時，時，0s1, 1lllj當當 時，時，1s由于由于s有兩個取值：有兩個取值：s=0 =0 和和 s=1=1，所以，所以 2 2s+1=1,3+1=1,3，分別對應于單層能級，分別對應于單層能級和三層能級；這就是氦的能級和光譜分為兩套的原因。和三層能級；這就是氦的能級和光譜分為兩套

16、的原因。例：例：原子中有兩個電子，當它們處于原子中有兩個電子，當它們處于3p4d3p4d態(tài)時，原子有哪些可態(tài)時，原子有哪些可能的狀態(tài)能的狀態(tài)? ?0 , 1S1 , 2 , 3L2, 3 , 432 , 3 , 4) 3 , 1 (Fj1 , 2, 331 , 2 , 3)2 , 1 (Dj0 , 1 , 230 , 1 , 2) 1 , 1 (Pj313) 3 , 0(Fj212)2 , 0(Dj111) 1 , 0(Pj2/11s2/12s11l22l洪特定則洪特定則：從同一電子組態(tài)形成的能級中從同一電子組態(tài)形成的能級中（1）重數最高即）重數最高即 S 值最大的能級位值最大的能級位置最低置

17、最低 （2）重數相同即具有相同）重數相同即具有相同 S 值的能值的能級中，那具有最大級中，那具有最大 L 值的位置最低值的位置最低朗德間隔定則朗德間隔定則：在一個多重能級的結構中，能級的二相在一個多重能級的結構中，能級的二相鄰間隔同有關的二鄰間隔同有關的二 J 值中較大那一值成值中較大那一值成正比。正比。具有相同具有相同 L 值的能級中：值的能級中：正常次序：正常次序：J大，能量高大，能量高倒轉次序：倒轉次序：J大，能量低大，能量低3p4d仍有仍有1212個態(tài)，且個態(tài)，且 值相同。值相同。一般的原子態(tài)表示為：一般的原子態(tài)表示為：2、j-jj-j耦合耦合當當 、 、 時，時， ),(211ssG),(212llG),(113slG),(224slG111SLJ222SLJ21JJJ) 1(111jjJ) 1(222jjJ) 1( jjJ,21jjj, , 121 jj|21jj 例：例：利用利用 j-j 耦合，求耦合，求3p4d態(tài)的原子態(tài)。態(tài)的原子態(tài)。 解：解： 11l2/11s23,211j22l2/12s25,232j1 , 2)23,21(2, 3)25,21(0 , 1 , 2, 3)23,23(1 , 2, 3 , 4)25,23(jjjj),(21兩個價電子兩個價電子 p 和和 s 在在 j j 耦合中形成的能級耦合中形成的能