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实 验 学 院 物 理 教 研 室 §13.7 氢原子 1. 氢原子的量子力学结论 球对称性 在球坐标系中用分离变量法解薛定谔方程: 氢原子: 1)在球坐标中的薛定谔方程 认识一下方程形式 知道思路 重要的是量子力学给出的结论 2) 解方程 由于波函数必须 满足标准化条件 所以 自然得出量子化的结果 得到三个量子数: 主量子数 角量子数 磁量子数 2. 氢原子能量的量子化 主量子数:n=1,2,3,…… 基态能量: ——原子最稳定状态 激发态能量: 电离态 : n态电离能 : 氢原子能级图 基态 激发态 电离态 频率条件 当原子从高能态 跃迁到低能态 时,要发射频率为 的光子 氢原子能级跃迁 与光谱系 莱曼系 巴耳末系 帕邢系 布拉开系 (紫外区) (可见光) ? (红外区) 3. 角动量量子化 解方程得出原子中电子的轨道角动量为 称角量子数 4. 角动量的空间量子化 解方程得出电子的轨道角动量在Z方向的 分量是 称磁量子数 对同一个 l 角动量Z方向分量可能有 2l+1个不同的值 这表明 角动量 在空间的取向有(2l+1)种可能性 l = 2 对 z 轴旋转对称 例如: Lz 0 z 是量子化的 角动量大小是 Z方向分量有5种取值 有五种可能的取向 说明 本征波函数 径向 角向 电子在(n, l, ml)态下在空间 ( ) 处出现的概率密度是 5. 电子的概率分布 角向波函数 在空间体积元内 电子出现的概率为 基态: n =1, l = 0 —玻尔半径 ?10 0 1 电子出现在 r = r1 的单位厚度球壳层内的概率最大 例1.设大量氢原子处于n=4的激发态,它们跃迁时发射出一簇光谱线,则这簇光谱线最多可能有 条,其中最短的波长是 ?. 解: ⑴可能的跃迁:n=4 ? 3, 2, 1 3 ? 2, 1 2 ? 1 ? 6条谱线 ⑵ =972(?) =975(?) 1925年乌伦贝克(G.E.Uhlenbeck)和古兹 米特(S. Goudsmit)为了解释原子光谱的精细结构(光谱双线) 提出了大胆的假设: 电子具有固有的角动量 叫自旋角动量 相应的磁矩---自旋磁矩 电子带负电 磁矩的方向和自旋的方向应相反 §13.8 电子的自旋 B Z 这一经典图象受到泡利的责难 按 若把电子视为r =10 -16 m的小球, 计算出的电子表面速度 ? C ! 自旋是什么? 不能用经典的图象来理解 ? 小球 自转 固有 轨道角动量 自旋角动量 s — 自旋量子数 mS — 自旋磁量子数 自旋具有角动量的性质 量子化 l = 0, 1, 2…(n-1) 实 验 学 院 物 理 教 研 室 n——主量子数 (n=1,2,3,? ?) 可大体确定电子的能量 l ——角量子数 (l =0,1,2, ? , n-1) 可确定电子的轨道角动量大小,对电子的能量也稍有影响 ml ——磁量子数 (ml=0,?1,?2, ? , ?l ) ms——自旋磁量子数 (ms=?1/2) 可确定电子的轨道角动量在空间任一方向(z)的分量 电子的四个量子数 实 验 学 院 物 理 教 研 室 例原子内电子的量子态由n、l、ml、ms四个量子数表征,当n、l、ml一定时,不同量子态数目为 ;当n、l一定时,不同量子态数目为 ;当n一定时,不同量子态数目为 . 解: ⑴当n、l 、ml一定时,ms可取两个不同的值. ⑵当n、l一定时,ml可取2l+1个不同的值, 且对于ml的每个值,ms可取两个不同的值. 2(2l+1) ⑶当n一定时,l可取n个不同的值, 且对于l的每个值,ml和ms共可取2(2l+1)个不同的值. 2 实 验 学 院 物 理 教 研 室 ⑶当n一定时,l可取n个不同的值, 且对于l的每个值,ml和ms共可取2(2l+1)个不同的值. 实 验 学 院 物 理 教 研 室 §13.9 各种原子核外电子的排布 多电子原子,每个电子——n、l、ml、ms,电子组态? 一.两个基本原理 ⑴泡利不相容原理 ——在同一原子中不可能有两个电子处于相同的量子态 ⑵能量最小原理 ——原子的基态对应于最低可能的能量. or 在正常状态下,原子中的电子趋向于占据最低可能的能级. 实 验 学 院
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