第四章堿金屬原子與電子自旋課件

一、堿金屬原子的光譜二、堿金屬原子光譜的精細結(jié)構(gòu)三、堿金屬原子雙層結(jié)構(gòu)理論第四章堿金屬原子與電子自旋1一、堿金屬原子的光譜堿金屬原子位于周期表的第一列，其核外只有一個價電子，與氫原子核類氫離子結(jié)構(gòu)相似，因而光譜結(jié)構(gòu)也應(yīng)與它們相似。但由于元素中含有多個電子，因而其光譜結(jié)構(gòu)要復(fù)雜一些。本章首先介紹堿金屬原子的光譜及其精細結(jié)構(gòu)規(guī)律，然后在電子自旋假設(shè)的基礎(chǔ)上闡述堿金屬原子雙層結(jié)構(gòu)理論。Li+321Na+3281K+192881Rb+37Cs+55Fr+872幾種堿金屬元素原子光譜具有相仿的結(jié)構(gòu)，比較容易觀察到的有四個譜線系：主線系、第二輔線系、第一輔線系以及基線系（Bergmann系）。對每個譜線系的光譜進行測量和數(shù)據(jù)處理，可以獲得每條譜線的波數(shù)及系限波數(shù)（最大波數(shù)），如表所示。1.堿金屬原子的光譜公式光譜項和n*的確定原子光譜的一般規(guī)律一般不為整數(shù)線系波數(shù)線系譜線的波數(shù)3Li光譜項值和有效量子數(shù)線系電子態(tài)n=2n=3n=4n=5n=6Δ=n-n*二輔s,l=0Tn*28581.443484.41.58916280.52.5898474.13.5985186.94.5993499.65.5990.4主線p,l=1Tn*43484.428581.41.96012559.92.9567017.03.9544472.84.9543094.45.9550.05一輔d,l=2Tn*28581.412202.52.9996862.53.9994389.25.0003046.96.0010.001基線f,l=3Tn*12202.56855.54.0004381.25.0043031.06.0000.000HT27419.412186.46854.84387.13046.604小結(jié)一個線系的系線波數(shù)恰好是另一個線系的最大譜項主線系二輔線系輔線系主線系基線系一輔線系Li原子光譜公式5Na原子光譜公式二輔系：主線系：一輔系：基線系：二輔系：主線系：一輔系：基線系：678與H光譜相比，堿金屬光譜有兩點不同：（1）對應(yīng)H光譜的一個線系，堿金屬有獨立的幾個線系，如2.原子實的極化和軌道的貫穿問題（2）光譜中的n*不取整數(shù)。H的Bolmer系(n→2)Li的主線系和輔線系(np→2s，ns→2p，nd→2p)對原子，除價電子外，由原子核和其余電子組成的結(jié)構(gòu)稱為原子實。定義9物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和光譜性質(zhì)由原子實外的價電子決定。原子實是一個比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，但與H核相比，仍易引起變化。原子實呈球?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)。價電子在原子實外運動時，原子實中帶正電的核和核外電子的中心會發(fā)生微小移動，從而形成一個電偶極子——原子實發(fā)生極化。極化了的原子實與價電子相互作用，引起能量的變化，導(dǎo)致軌道的變形。在同一n值中，l值較大的軌道（接近圓），引起的能量變化小。同一n值具有多個不同的軌道——不同的原子態(tài)，吸收或發(fā)射不同頻率的光子，形成不同的譜線系。原子實的極化10軌道的貫穿

Li原子的s、p能級比H相應(yīng)能量低得多，說明除了原子實德極化引起的能量變化外，一定還存在其它原因。分析得知，s、p軌道的偏心率很大，在接近原子實時，可能會貫穿原子實，從而引起更大的能量變化。電子處于原子實外運動時，其有效電荷數(shù)Z*~1，當(dāng)穿過原子實時，Z*>1，于是原子的能量：11二、堿金屬原子光譜的精細結(jié)構(gòu)1.光譜情況

若用分辨本領(lǐng)較高的儀器觀察，會發(fā)現(xiàn)堿金屬的光譜一般由兩條或三條譜線組成，而不是單一的譜線，這稱為光譜線的精細結(jié)構(gòu)。二輔系：主線系：雙譜線結(jié)構(gòu)三譜線結(jié)構(gòu)一輔系：基線系：12條1第條2第條3第限系線（1）主線系、二輔系為雙譜線結(jié)構(gòu)，一輔系和基線系為三譜線結(jié)構(gòu)；（2）主線系譜線間隔隨波數(shù)增大而減小，二輔系間隔不變；基本規(guī)律（3）一輔系第一、三間隔等于二輔系間隔，保持不變。一、二間隔隨波數(shù)增大而減小。主線系二輔系一輔系132.光譜分析

（1）二輔系為ns→2p躍遷形成的，兩間隔相等。說明它們是同一原因形成的。若設(shè)想s為單層、p為雙層能級，則可解釋這一結(jié)構(gòu)。14

（2）主線系為np→2s躍遷形成的，兩間隔隨波數(shù)的增大而減小。說明當(dāng)n增大時，p的兩層能級間隔逐漸減小。15

（3）一輔系為nd→2p躍遷形成的，1、3間隔不變，1、2間隔逐漸減小。假設(shè)d能級也為雙層結(jié)構(gòu)，而其間隔也隨n的增大而減小，則容易理解這一結(jié)構(gòu)規(guī)律。16（1）s為單層結(jié)構(gòu)，p、d、f…為雙層結(jié)構(gòu)；（2）對于同一l值（p、d…），隨n增大，雙層能夠能級間隔減??；基本規(guī)律（3）對于同一n值，隨l值增大，雙層能級間隔減小。問題精細結(jié)構(gòu)的根源在于原子的p、d等能層為雙層結(jié)構(gòu)。為什么會出現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)，其機理又如何？——需要考察電子的自旋運動。17電子軌道的變遷（圓形軌道）（橢圓軌道——粗結(jié)構(gòu)）（雙橢圓軌道——精細結(jié)構(gòu)）18三、堿金屬原子雙層結(jié)構(gòu)理論

為了說明堿金屬原子的雙層結(jié)構(gòu)，我們設(shè)想，電子除了繞原子核運動外，其本身還存在自旋運動。1.電子軌道運動的磁矩

載流線圈磁矩的定義為電子繞核運動的磁矩：γ=e/2m；L為電子軌道角動量A為線圈的面積，n為面積的單位矢量19磁矩在磁場B中受力矩作用（動量矩定理）：Larmor進動公式一個高速旋轉(zhuǎn)的磁矩是一定的角速度ω繞B作進動20磁矩在磁場方向上的投影是量子化的；Lz的量子化說明角動量在空間取向的量子化量子化表示獲得結(jié)論l=1l=2212.電子自旋與運動耦合1925年，G.Uhlenbeck和S.A.Goudsmit指出，電子不是點電荷，它除了軌道角動量外，還有自旋運動，具有固定的自旋角動量S：S在z方向上的分量為s為自旋量子數(shù)分析價電子繞原子實運動相當(dāng)于帶正電的原子實繞價電子運動。原子實德運動使價電子感受到一個磁場的存在，其方向與原子實繞價電子運動的角動量方向相同，而自旋在這個磁場中要量子化。22電子的自旋磁矩自旋與軌道的耦合gs=2為電子自旋的Lande因子；電子軌道的Lande因子為gl=1233.自旋與軌道作用能量實驗觀測值一般為系綜平均值電子自旋磁矩：原子實繞價電子運動產(chǎn)生磁場：內(nèi)稟磁矩在B中具有的勢能：24j=l+1/2和l-1/2雙能級之差25在單電子能譜中，起主要作用的是電子—核靜電作用給出的能譜的粗結(jié)構(gòu)，考慮到自旋—軌道的相互作用后可以解釋其精細結(jié)構(gòu)。換言之，由于S—L相互作用，使原子的能級發(fā)生了分裂。

對于像Na等氣體單電子結(jié)構(gòu)，要完整計算是非常復(fù)雜的。但可以粗略計算，這時只需要將公式中的Z*視為有效電荷即可，如Na的有效電荷是3.5而不是1。小結(jié)264.堿金屬原子態(tài)的符號價電子的標識分別用s、p、d…（l=0,1,2,…）標識，并在符號前面標上價電子所處的能級（主量子數(shù)）原子態(tài)的標識分別用S、P、D…（l=0,1,2,…）標識，并在符號左上角標注結(jié)構(gòu)層次2s+1=2，右下角標注總角量子數(shù)j275.單電子輻射躍遷的選擇定則堿金屬原子光譜特征（Li）【定則一】光譜由電子躍遷形成：

堿金屬原子的精細結(jié)構(gòu)能級分裂圖28【定則二】能層能間發(fā)生躍遷：

能層間躍遷圖【堿金屬原子的躍遷定則】

29堿金屬原子的躍遷主線系：

二輔系：

一輔系：

基線系：

30經(jīng)常不斷地學(xué)習(xí),你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量StudyConstantly,AndYouWillKnow