第章 碱金属原子和电子自旋.pptVIP

4.1碱金属原子的光谱 几种碱金属元素的原子光谱具有相仿的结构，它们与氢原子光谱一样，构成几个线系。 一般观察到的四个线系称为： 主线系 第一辅线系(又称漫线系) 第二辅线系(又称锐线系) 柏格曼线系(又称基线系) 里德伯研究出碱金属原子光谱线的波数也可表达为二项差，同氢原子光谱的公式相仿： 是光谱线的波数， R是里德伯常数， 是线系限的波数。 但从实验数据计算出来的n*不是整数，称为有效量子数。一般n*比整数略小一点： 每一个线系的线系限的波数恰好是另一个线系的第二谱项值中最大的。 4.2 原子实的极化和轨道的贯穿 碱金属原子特点：一个完整的结构之外，多余一个电子。 锂(Li,Z=3)、钠(Na, Z=11)、钾(K , Z=19)、 铷(Rb, Z=37)、铯(Cs, Z=55)、钫(Fr, Z=87) ZLi=(2)+1; ZNa=(2+8)+1 ZK=(2+8+8)+1 ZRb=(2+8+18+8)+1 ZCs=(2+8+18+18+8)+1 ZFr=(2+8+18+32+18+8)+1 碱金属原子特点：一个完整的结构之外，多余一个电子。 这个完整而稳固的结构称为原子实。原子实外面的那个电子称作价电子。 原子的化学性质以及上面描述的光谱都决定于这个电子。 由于原子实的存在，较小的电子轨道已被原子实的电子占据，价电子就只能在原子实的外面的轨道上，它与原子实间的结合不很强固，容易脱离，可以激发和跃迁。 与氢原子相比，有两个新现象：原子实的极化和轨道的贯穿。 1、原子实的极化 原子实原是一个球形对称的结构，它里面的原子核带有Ze 正电荷和Z-1粒电子，所以价电子好像处在一单位正电荷的库仑场中。但由于价电子的电场的作用，原子实中带正电的原子核和带负电的电子的中心会发生微小的相对位移。 于是负电的中心不再在原子核上，形成一个电偶极子，这就是原子实的极化。极化而成的电偶极子的电场又作用于价电子，使它感受到除库仑场以外的另加的吸引力，这就要引起能量的降低。 而且同一n值中，l值较小的轨道是偏心率大的椭圆轨道。在一部分的轨道中电子离原子实很近，引起较强的极化。因而对能量的影响大；相反的情形是那些l值大的轨道，圆形或偏心率不大的椭圆轨道，因而电子离原子实比较远，引起极化弱，所以对能量的影响也小。 2、轨道的贯穿 原子实的极化对原子能级的影响是有限的，另一个引起能级变化的更主要的原因是电子的轨道贯穿。 ４.３碱金属原子光谱的精细结构 对碱金属原子的光谱，如果用分辨率足够高的仪器进行观察，会发现每一条光谱线不是简单的一条线，而是由二条或三条线组成的。这称作光谱线的精细结构，所有碱金属原子的光谱有相仿的精细结构。 第二辅线系的每一条线中二成分的间隔相同，那就必然由于同一个原因。这个线系是诸S能级到最低P能级跃迁产生的，最低P能级是这线系中诸线共同有关的，如果我们设想这个P能级是双层的，而S能级都是单层的，就会得到线条都是双线，而且波数差是相等的情况。 主线系中二成分的波数差随波数的增加逐渐减少，可以推出所有P能级都是双层的，而且这双层的间隔随n量子数的增加而逐渐缩小。 由此可推出d能级，f能级都是双层的，而且双层的间隔也随n增加而缩小。 第一辅线系是诸 ，如果p、d是双层的，则每线应有四成分，但事实只有三成分，这在后面说明 ： 综上所述，碱金属原子的s能级是单层的，其余所有p、d、f等能级都是双层的， 对同一l值，双层能级间隔随量子数n增加而渐减； 对同一n值，双层能级的间隔随l值的增加而渐减。 4.4电子自旋同轨道运动的相互作用 1、电子自旋与能级的分裂 为了说明碱金属原子能级的双层结构，乌楞贝克和古德史密特在1925年首先提出，可以设想电子具有某种方式的自旋，其角动量等于： 这个自旋角动量是不变的，是电子的属性之一，所以也称为电子的固有矩，电子既有某种方式的转动而电子是带负电的，因而它也具有磁矩，这磁矩的方向同上述角动量的方向相反。 以电子为参考，带正电的原子实产生磁场。 电子感受到这个磁场，它的自旋取向就要量子化，不同的取向具有不同的能量，这就是为什么出现了微小差别的多层能级。 从实验的分析知碱金属原子的能级是双层的，足见电子的自旋只有两个取向。 设自旋角动量等于 ，s是待定的自旋量子数。 自旋角动量的取向应该有2s+1个，实验观察得能级是双层的，2s+1=2，因此知道s=1/2。 电子自旋的两个取向是一个顺着磁场，一个反着磁场。 电子的轨道角动量和自旋角动量合成一个总角动量，两种取向情况的电子总角动量如下式所示： 电子处在由于轨道运动而感受的磁场中，这样附加的能量可以表达为： θ是磁矩和磁场的夹角，取0和180度两个值。这能量