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1、第十五章 量子物理学,NO. 152,电子自旋,关于量子力学的争论,原子的电子壳层结构,氢原子的量子理论,2012.12.28,2. 解方程得到的主要结论,（主量子数）,（1）能量量子化,（2）（轨道）角动量（大小）量子化,（角量子数）,（3）空间量子化（轨道角动量方向量子化）,（磁量子数）,七、薛定谔方程的应用三,氢原子的量子理论,3. 空间量子化能很好地解释正常塞曼（PZeeman）效应,正常塞曼效应：,一条光谱线在磁场中分裂成三条的现象。,七、薛定谔方程的应用三,氢原子的量子理论,补充说明：,（1）氢原子中电子的稳定状态，可以用一组量子数（n, l, ml）表示，其定态波函数为,（2）根
2、据求得的氢原子电子定态波函数 就可求得电子出现在原子核周围的概率密度,七、薛定谔方程的应用三,氢原子的量子理论,在 内，,由归一化条件，对于基态（n=1, l=0）：,七、薛定谔方程的应用三,氢原子的量子理论,（3）用电子云形象地描绘电子出现在核周围的概率分布。,补充说明：,八、电子自旋,1. 施特恩(O.Stern)格拉赫(W.Gerlach)实验,基态银原子轨道角动量和轨道磁矩为零，本应无偏转;,射线的偏转表明：银原子具有磁矩，且该磁矩在外磁场中只有两种可能的取向！,?,荷兰的乌伦贝克和古兹密特认为电子除了轨道角动量之外，还应有绕它本身的对称轴旋转的自旋角动量(spin angular m
3、omentum)。,八、电子自旋,2. 电子自旋角动量,自旋角动量并无经典对应，是内禀角动量。,自旋角动量,自旋角动量在z方向上的分量,自旋量子数,自旋磁量子数,能解释：大多数元素在磁场中出现反常塞曼效应！,八、电子自旋,2. 电子自旋角动量,“for the discovery of Giant Magnetoresistance“,Albert Fert,Peter Grnberg,Universit Paris-Sud; Unit Mixte de Physique CNRS/THALES Orsay, France,Forschungszentrum Jlich Jlich, Germ
4、any,b. 1938,b. 1939,What is GMR?,Simplest type of GMR system consists of a layer of non-magnetic metal sandwiched between two layers of a magnetic metal,small resistance,high resistance,Better read-out heads for pocket-size devices,From electronics to spintronics,Towards a universal memory-MRAM,九、原子
5、的电子壳层结构,1. 四个量子数,（1）主量子数,（2）角量子数,（3）磁量子数,（4）自旋磁量子数,决定原子中电子的能量。,决定原子中电子的轨道角动量，部分决定其能量。,决定电子的轨道角动量在外磁场中的取向。,决定电子的自旋角动量在外磁场中的取向。,九、原子的电子壳层结构,2. 多电子原子的壳层结构,（1）原子中的单电子态仍由四个量子数描写；,（2）将原子的多个电子逐个填充到四个量子数所描写的单电子态上，就获得整个原子的电子组态。,电子的填充遵循：,泡利不相容原理,能量最小原理,同一原子中的任何两个电子不能处于同一组量子数( n, , m , ms )所确定的量子态上。,处于稳定态的原子，其
6、每个电子总是尽可能占有最低的能量状态，从而使原子体系的能量最低。,（电子是费米子）,九、原子的电子壳层结构,3.电子的分布规律电子按壳层分布,（2）由泡利不相容原理,（1）主壳层和支壳层,每个支壳层最多可容纳的电子数为：,每个主壳层最多可容纳的电子数为：,能级n的量子态数,能级n的简并度,原子壳层和分壳层中最多可能容纳的电子数,九、原子的电子壳层结构,（3）由能量最小原理,原子中的电子总是从最内层开始向外排；,原子能级除由主量子数n决定，还与角量子数l 有关;,我国徐光宪院士总结：能级能量随 增大。,例1：在主壳层n=3 中，最多可填空的电子数是 ，并写出各量子态。,18,例2：对应于n=4
7、的氢原子的最大角动量为 ？ 此时角动量在空间取向如何？,十、关于量子力学的争论,以Bohr为首的哥本哈根学派的观点：,（1）波函数的几率诠释；,（2）测不准关系；,（3）互补性观点。,Einstein认为：,“我相信有可能建立一个理论，它能给出实在的完备描写，它的定律确立事物本身之间的关系，而不仅仅是它们的几率之间的关系。量子力学给人的印象是深刻的。但是一个内部的声音告诉我，这还不是真正的理论。 这个理论给出了许多结果，但是并没有使我们离上帝的秘密更近一些。无论如何，我确信他不玩骰子。”,（7）材料学、电子学、化学、生物学等。,十一、后续,量子力学解释了许多物理现象：,（1）海森伯关于氦原子的
8、理论；,（2）海特勒和伦敦关于连接同种原子的共价键理论；,（3）泡令的化学键理论；,（5）海森伯的铁磁性理论；,（4）布洛赫对周期场中 波的计算；,（6）伽莫夫用势垒穿透解释 衰变。,十一、后续,量子力学的一些基本概念和诠释难以理解。,Bohr：,“如果谁在第一次学习量子概念时不觉得糊涂，他就一点也没有懂”,Feyman：,“我想我可以有把握地说，没有人懂得量子力学。 我来告诉你自然界如何行事。如果你接受我地说法，认为也许她的确这么行事，那么你们会发现她是令人愉悦而且着迷的。千万不要问：她为什么会这样？如果那样你就会走进一条死胡同。”,Happy New Year!,2013,今日作业,1534，35，37,
