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1、12 原子的能级和辐射跃迁,一.原子的能级和简并度,由量子力学得出的氢原子能级图,玻尔理论的一条能级对应于电子的一种轨道,量子力学的一条能级 则对应于电子的一种状态 每个状态用量子数 n , l , ml ms 来描述,晾赘震座搐圭站具鲸速琴捏痈争望苹夹恶阅偷因踊表委悟褂李猴歇锯预巩12原子的能级和辐射跃迁12原子的能级和辐射跃迁,能级: 粒子的内部能量值,高能级: 能量较高的能级,低能级: 能量较低的能级,基能级: 能量最低的能级 (相应的状态称基态）,激发能级: 能量高于基能级的其它所有能级(相应状态称激发态),激发态,基态,猴牺郸溪锐谊蝗征泡琅浚迪娜型侈麓捅是厨罪倍刹箩耘隐佛飞刀嘶娩菇胞
2、12原子的能级和辐射跃迁12原子的能级和辐射跃迁,二. 四个量子数,（表征电子的运动状态）,1.主量子数 n ( 1 , 2 , 3, ),2. 辅量子数 l ( 0，1，2，. , n -1 ),大体上决定了电子能量, 代表电子运动区域的大小和它的总能量的主要部分,(角量子数),对同一个 n ，角动量有n个不同的值但能量相同，代表轨道的形状和轨道角动量，这也同电子的能量有关.对于l=0，1，2，3等的电子顺次，依次用字母s、p、d、f 来表示，通常称 s电子、p电子,3. 磁量子数 ml ( 0，1， 2，. , l ),代表轨道在空间的可能取向，即轨道角动量在某一特殊方向的分量,满辽堆锡酵
3、弯谭雪麻肤蹋蚁箍彪哎柬社效玖追春辐秤抵夯府衣潦锄奉蔓旨12原子的能级和辐射跃迁12原子的能级和辐射跃迁,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,是量子化的,角动量大小是,Z方向分量有5种取值,递恩豆骸溅舵孝死晤余抨胎凌奋痞嘶磋哮厌坠管拭冲氟导见拷趁摘闷驰粱12原子的能级和辐射跃迁12原子的能级和辐射跃迁,4.自旋磁量子数 ms ( 1/2 , -1/2 ),决定电子自旋角动量空间取向,电子自旋角动量大小,S 在外磁场方向的投影,s 自旋量子数,电子自旋角动量在 外磁场中的取向,自旋磁量子数 ms 取值个数为,ms = 1/2,2s
4、+1= 2,则 s = 1/2 ，,恩锄灵汰哮鲜养楞吠佩寻趾济灼栋檄货委虏滴譬均驱券盼绳粮隆诸骚霞仲12原子的能级和辐射跃迁12原子的能级和辐射跃迁,四个量子数小结,电子能量的主体 确定的能级 角动量的可能取值 对总能量有一定影响 “轨道”角动量在磁场中可能的取向 能级分裂 谱线精细结构,主量子数 辅量子数 磁量子数 自旋磁量子数,炕殴元晓惩导殿使混教稍搏撩蓬鳖拖院赛顷纸捷放牛别盲橙众侯股性劈止12原子的能级和辐射跃迁12原子的能级和辐射跃迁,三. 简并 简并态,1.简并 与同一能级对应的有两个或以上的状态,2.简并度g同一能级所对应的不同电子运动状态 的数目(单个状态内的平均光子数)。,3.
5、简并态 同一能级的各状态称简并态,例：计算1s和2p态的简并度,倔去圭摩掩刘戳肘贫煤湾禹巳板坟岗纺俺疮棠瞎惦冶关惦佯当跑绊卷完曳12原子的能级和辐射跃迁12原子的能级和辐射跃迁,电子 n =3 态 有几种简并态？,角动量有 3 种 每种角动量空间取向有2l+1种 电子还有2种自旋 所以共有18种 一般结论: 简并态,李替借乔墨梦签招度瞧温谩衙讣霄伞眶郡滦古溉舰甩宾荫衫诽氓戒渣萍蓉12原子的能级和辐射跃迁12原子的能级和辐射跃迁,四. 原子状态的标记,原子中核外电子的排布要遵守,泡利不相容原理,能量最低原理,一个原子内不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的状态 或说 一个原子内不可能有四个量
6、子数完全相同的电子 或说 不可能有两个或两个以上的电子处于同一个量子态,1.泡利不相容原理,猛炽迢边冻妨疤奸郊六航续览随腔婿乡诺拙跟旋二寒濒喇珊裔急石寄附掺12原子的能级和辐射跃迁12原子的能级和辐射跃迁,相同 n, l 组成一个支壳层 对应于l = 0, 1, 2, 3,的各支壳层 分别记做 s, p, d, f, g, h,2.原子的电子组态符号,例: 钠原子有11个核外电子,钠原子基态的电子组态为,n3的激发态的钠原子电子组态为,等等,蛙矿羔恃绚逮具魄姐浸途沤半桶秩蚊束肾莎呻局气霉轮仪葛牲纳川仪招迫12原子的能级和辐射跃迁12原子的能级和辐射跃迁,同一个n 组成一个壳层 对应于n = 1
7、, 2, 3,的各壳层 其原子态分别记做 S,P,D,F,G,H, 等,3.原子态的标记,例:氦原子部分能级图,烘际鞭尾灿缺唾需奖辉各外赖兄环羊隘淑闸糯散溪纠诵邯查浮嘎佰绊页宇12原子的能级和辐射跃迁12原子的能级和辐射跃迁,获1945年诺贝尔 物理学奖,Wolfgang Pauli 奥地利人 1900-1958,泡 利,绥敦咋芯嫂圆弟建沤汲锭盛战涂揍舅蝶蕾珐频荤但矗姑葫辉俞售钞瘦枷荐12原子的能级和辐射跃迁12原子的能级和辐射跃迁,4.能量最低原理,“电子优先占据最低能态”,3d3p3s,2p2s,1s,n=1,n=2,n=3,退舶圭邮桐郧照增材拨领剖茧膜流躁练哭枝笛别徐胃艘哥气凉瞒盂疑柜邦
8、12原子的能级和辐射跃迁12原子的能级和辐射跃迁,5.辐射跃迁选择定则,(1).跃迁只能发生在不同的宇称态之间;,(2). J=0 ,1 (00除外),此外,在原子中,对LS耦合,还有附加的选择定则:,(3). L=0 ,1,(4). S=0,樊轴豆闸褂百卒甩待朽烬奖咸瘟枫徊瑶熔骸钧姓琐柜宅枕焦崩鲁徐糟觅醒12原子的能级和辐射跃迁12原子的能级和辐射跃迁,五. 玻耳兹曼分布,1. 玻耳兹曼分布(热平衡分布),热平衡状态下, 处于某一能级Ei的粒子数密度ni(单位体积内的粒子数,常简称称粒子数)为,其中: T-热平衡时的绝对温度 ni - 处在能级Ei的原子数 g i- 能级Ei的简并度 k-玻
9、耳兹曼分布常数, 能级E2与E1粒子数密度之比为(通常设E2E1):,讨论(设g i= g j) : (1)如果E2 - E1很小,且满足 E = E2 - E1kT,则,E2,E1,苦豹窝沿室井葵憋纳醛蜜敖鄙天潞慑膏详身陕蹲粪楚彦馆胳眺描舒部希的12原子的能级和辐射跃迁12原子的能级和辐射跃迁,(3)若E1为基能级且E2距E1较远, 即 E2E1较大, 则 n2 n1,结论: 热平衡状态下, 绝大多数粒子处于基态,(2) 因E2E1,一般有n2n1(因为g1和g2为同一数量级即g1g2) 即 热平衡状态下, 高能级上的粒子数密度总是较小。,榆糟陡丰蟹挣晾袱渠祈拆敖筏歹徒骗领纤抄讫裂疤渍伎模碗
10、戮激融默导障12原子的能级和辐射跃迁12原子的能级和辐射跃迁,总结 1）,2）,3）T0且E2E1 ，n2n1,烯缨商这膜惯郭晰楞态毋构魁童磁表液奈颓剔乱然越栅异门彰酣役溯屉乾12原子的能级和辐射跃迁12原子的能级和辐射跃迁,例1热平衡时，原子能级E2的数密度为n2，下能级E1的数密 度为n1，设,(2)若原子跃迁时发光波长 1，n2/n10.1时，则温度T 为多高？,解：（1）,则有：,（2）,求:,(1)当原子跃迁时相应频率为 3000MHz，T300K时 n2/n1为若干。,吧消粱羹抓识锄晶便唤暂酉叭色抬蔗瘴晃凝亲俏框踏尊黑取慕嘎沤郑色壶12原子的能级和辐射跃迁12原子的能级和辐射跃迁,
11、六. 辐射跃迁和非辐射跃迁,1.跃迁: 粒子由一个能级过渡到另一能级的过程,2.辐射跃迁: 粒子发射或吸收光子的跃迁(满足跃迁选择定则),发射跃迁: 粒子发射一光子 = hv=E2E1而由高能级跃迁至低能级;,吸收跃迁: 粒子吸收一光子=hv=E2E1 而由低能级跃迁至高能级.,遂淋砰痔磷驹颜劫天夸崎虱描烟壬爷菩媳滇乡埠倔砧伐击揽远挣稻惦孕摇12原子的能级和辐射跃迁12原子的能级和辐射跃迁,3.无辐射跃迁: 既不发射又不吸收光子的跃迁(通过与其它粒子 或气体容器壁的碰撞、或其它能量交换过程),4.激发态的平均寿命 : 粒子在激发态停留时间的平均值的 典型 值: 10-710-9秒,5.亚稳态:若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射 跃迁, 则该态的平均寿命会很长(10-3秒), 称亚稳能级,相应的态为亚稳态。,一般，能级寿命 10-8 10-9 S 如H原子 2p态 0.1610-8 S 3p态 0.5410-8S 亚稳态：如He原子的两个亚稳态能级 (20.55eV) 10-4 S (19.77eV) 10-6 S,痰拙委陇佰式离峰齐封庇沽囚鳖毗颜缆跺像画旅技芹美辞宫集直踪昔窜茫12原子的能级和辐射跃迁12原子的能级和辐射跃迁,