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1、第五章 多电子原子,1.两套光谱线系，两套能级,5.1氦及周期系第二族元素的光谱和能级,第二族元素：Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Zn,Ge,Hg,两个活跃的价电子,一.He原子光谱和能级,He及周期系第二族元素光谱具有相仿的结构，具有原子光谱的一般特征，如：线状，谱线系。但也有特殊性。,两套光谱线系都分别有类似碱金属原子光谱的主线系，一辅系，二辅系，柏格曼系等。,He：Z=2Be：Z=4=212+2Mg：Z=12=2(12+22)+2Ca：Z=20=2(12+22+22)+2Sr：Z=38=2(12+22+32+22)+2Ba：Z=56=2(12+22+32+32+22)+2Ra：Z=
2、88=2(12+22+32+42+32+22)+2,氦原子能级图,2.两套能级间不产生跃迁,3.不存在 态,4.存在两个亚稳态,5.电子组态相同的，三重态能级总低于单一态相应的能级；三重能级结构中，同一 值的三个能级，值大的能级低（倒转次序）,这五个特点包含着五个物理概念。,二.Mg 原子光谱和能级,Mg 原子光谱和能级结构与He原子相似，也有差异。,5.2 具有两个价电子的原子态,一.电子组态,1.电子组态的表示,处于一定状态的若干个（价）电子的组合,激发态电子组态:,基态电子组态：,氦原子基态:1s1s,激发态:1s2s，1s2p，1s3s，1s3p，,镁原子基态:,激发态:,电子组态仅反
3、映了电子轨道运动的特征（库仑相互作用）；,对同一电子组态，即使库仑相互作用相同，但由于自旋-轨道相互作用的不同，具有不同的总角动量，所以会产生不同能量的原子状态。,2.两个电子间自旋-轨道相互作用的方式,自旋-自旋相互作用,轨道-轨道相互作用,两种极端情形：,L-S 耦合,j-j 耦合,LS耦合的矢量图,二、L-S 耦合,1.耦合方式,按量子化要求，量子数 L,S 如下确定：,按量子化要求，总角动量量子数 J 如下确定：,当LS时,每一对L和S共有2S+1个J值;当LS时,每一对L和S共有2L+1个J值.,时，,时，,如 则,如 则,2.LS耦合下的原子态符号表示:,例:ps电子组态形成的原子
4、态,当,当,例题：求3p4p电子组态形成的原子态,S=1,0；L=2,1,0,3.LS耦合下的洪特规则,每个原子态对应一定的能级。由多电子组态形成的原子态对应的能级结构顺序有两条规律可循：,洪特定则：1.从同一电子组态形成的诸能级中，（1）那重数最高的，亦即S值最大的能级位置最低；（2）具有相同S值的能级中那些具有最大L值的位置最低。,2.对于同科电子，即同nl，不同J 值的诸能级顺序是：当同科 电子数闭壳层电子占有数一半时，以最小J 值（|LS|）的能级为最低，称正常序。同科电子数闭层占有数的一半 时，以最大J（L+S）的能级为最低，称倒转序。,4.朗德间隔定则,在L-S 耦合的多重态能级结
5、构中，相邻的两能级间隔与相应的较大的J 值成正比。因而两相邻能级间隔之比等于两J值较大者之比。,例:三个能级两个间隔之比为 2:1,三个能级两个间隔之比为 2:3,三个能级两个间隔之比为 4:3,5.LS耦合模型对He,Mg 能级的理解,He 能级,三.j-j 耦合,1.耦合方式,量子数：,2.j-j耦合下原子态标记,例题:电子组态nsnp，在j-j 耦合情况下，求可能的原子态。,电子组态nsnp：s1=1/2,l1=0；s2=1/2,l2=1 所以 j1=1/2,j2=1/2,3/2。,与LS耦合下的原子态数和总角动量J相同,四.两种耦合模型的比较,LS耦合对于原子的基态和轻原子的低激发态成
6、立，适用范围较广；j-j耦合一般出现在高激发态和较重的原子中。,5.3 泡利原理与同科电子,一.电子的量子状态描述,轨道角动量、自旋角动量空间取向量子数，取值：,用五个量子数描述：,二.泡利不相容原理,在一个原子中，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的状态(完全相同的四个量子数)。,例：He原子1s1s电子组态不能形成 原子态。,因此，两个电子的 不能再相同，即两电子的自旋取向必须相反，总自旋S 只能为0.只能形成,5.4 复杂原子光谱的一般规律,一、光谱和能级的位移律：,实验观察到：具有原子序数Z的中性原子的光谱和能级，同具有原子序数Z+1的原子一次电离后的离子的光谱和能级结构相似。例
7、如：H 同 He+,He 同 Li+,二、多重性的交替律:,按周期表顺序的元素，交替的具有偶数或奇数的多重态。,交替的多重态,单一 单一 单一 单一 单一双重 双重 双重 双重 双重 双重 三重 三重 三重 三重 三重 四重 四重 四重 四重 四重 五重 五重 五重 五重 六重 六重 六重 七重 七重 八重,三、三个或三个以上价电子的原子态的推导,1.能级的多重数由S决定，每加一个电子时，新的S=原有的S+1，所以原有每一类能级的多重结构就转变为两类，一类重数比原由的增加1，另一类减1。,2.任何原子的状态，基态和激发态，可以看作一次电离离子加上一个电子形成的，而一次电离离子的状态又同周期表顺
8、序前一个元素的状态相似，所以由前一元素的状态可以推断后继元素的状态，可以按照二电子体系推求状态的法则进行。,例：(z-1)的原子基态是，z的基态比它多一个d电子，求z的基态。,可能的原子态：按洪特规则，基态：,3.洪特定则和朗德间隔定则对多电子原子也适用。能级次序：由一个次壳层满额半数以上的电子（但还没满）构成的能级一般具有倒转次序（J值大的能级低）；小于满额半数的电子构成的能级 一般具有正常次序（J值小的能级低）。,5.5 辐射跃迁的选择定则,一.首先，跃迁只能发生在不同宇称的原子态间（Laporte定则）,宇称：描述微观粒子对坐标原点空间反演对称性质的物理量。,电偶极跃迁谱线强度,相应的原
9、子态与 的原子态间不发生电偶极跃迁。但与 的原子态间可能发生跃迁。,二.其次，看具体的选择定则,j-j耦合跃迁选择定则:,L-S耦合跃迁选择定则:,例题 铍4Be基态电子组态：1s22s2 形成1S0,激发态电子组态：2s3p形成 1P1，3P2，1，0,对应的能级图如图所示,2s3p,1P1,3P2,3P1,3P0,2s2,1S0,中间还有2s2p和2s3s形成的能级，2s2p形成 1P1，3P2，1，0；2s3s形成 1S0，3S1,右图是L-S耦合总能级和跃迁光谱图,2s3p,2s2p,1S0,1P1,3P2,1,0,3S1,3P2,1,0,2s3s,2s2p,2s2,1S0,2s3s,
10、1P1,2s3p,1.光吸收,5.6 激光器简介,一.几个基本概念,原子吸收外来光子能量,并从低能级 跃迁到高能级,且,这个过程称为光吸收.,2 自发辐射,原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级 自动跃迁到低能级,这种跃迁称为自发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.,3 受激辐射,原子中处于高能级 的电子,会在外来光子(其频率恰好满足)的诱发下向低能级 跃迁,并发出与外来光子一样特征的光子,这叫受激辐射.,由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.,Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation,1、粒子数反转和光放大,2、工作物质(含有亚稳态能级),3、光学谐振腔,二.激光产生的物理基础与条件,三、氦氖气体激光器,氦-氖激光管中充有氖（1mmHg）、氖（0.1mmHg）混合气体，放电激励。,氦-氖激光器,染料激光器,P-N 激光器,高能激光武器,低能激光武器,固体激光器,激光制导,激光通讯.,激光测距,打孔,
