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1、第五章第五章 多电子原子多电子原子 泡利原理泡利原理4.1氦及周期系第二族元素氦及周期系第二族元素的光谱和能级的光谱和能级 一、氦的光谱和能级一、氦的光谱和能级一套谱线都是一套谱线都是单线结构单线结构，另一套谱线却有，另一套谱线却有复杂的结构复杂的结构 氦具有两套能级，一套是氦具有两套能级，一套是单层的单层的，另一套是，另一套是三层的三层的。 1、氦的能级确实是两套，一套是单层的，另一套是三层的。、氦的能级确实是两套，一套是单层的，另一套是三层的。2、氦的基态和第一激发态之间能量相差很大，是、氦的基态和第一激发态之间能量相差很大，是19.77电子伏特。电子伏特。二、镁的光谱和能级二、镁的光谱和
2、能级铍、镁、钙、锶、钡、镭、锌、镉、汞的光谱铍、镁、钙、锶、钡、镭、锌、镉、汞的光谱与氦有相仿的结构与氦有相仿的结构 氦具有两个电子，镁具有氦具有两个电子，镁具有12个电子，个电子， 足见产生光谱的是两个价电子决定的足见产生光谱的是两个价电子决定的 镁原子其余镁原子其余10个电子与核构成原子实个电子与核构成原子实 两个角动量的合成规则两个角动量的合成规则 则他们的总角动量为则他们的总角动量为 4.2 具有两个电子的原子态具有两个电子的原子态一、不同的电子组态一、不同的电子组态 只有一个电子的原子只有一个电子的原子 与与只有一个价电子的原子的状态只有一个价电子的原子的状态由由 一个电子一个电子
3、或或一个价电子的状态决定一个价电子的状态决定 有两个电子的原子有两个电子的原子 与与有两个价电子的原子的状态有两个价电子的原子的状态由由 两个电子两个电子 或两个价电子或两个价电子的状态的组合决定的状态的组合决定 电子的状态的组合叫电子组态电子的状态的组合叫电子组态电子的状态的组合叫电子组态电子的状态的组合叫电子组态价电子的状态的组合叫价电子组态价电子的状态的组合叫价电子组态原子的全部电子的状态的组合叫原子的电子组态原子的全部电子的状态的组合叫原子的电子组态氦原子在基态时，氦原子在基态时， 电子组态电子组态是是1s1s1s1s 镁原子在基态时镁原子在基态时 价电子组态价电子组态是是3s3s3s
4、3s 时，时，价电子组态价电子组态是是3s3p3s3p 二、不同的电子组态具有不同的能量，有时差别很大二、不同的电子组态具有不同的能量，有时差别很大氦在第一激发态时，电子组态是氦在第一激发态时，电子组态是1s2s1s2s 例如例如 基态时，电子组态是基态时，电子组态是1s1s1s1s 镁的第一激发态的价电子组态是镁的第一激发态的价电子组态是3s3p3s3p 基态时的两个价电子组态是基态时的两个价电子组态是3s3s3s3s 能量有差别，但不很大能量有差别，但不很大原因：原因：能量差别很大能量差别很大原因：原因：三、同一种电子组态构成的不同原子态三、同一种电子组态构成的不同原子态 3 、3 3s3
5、p3s3p 两种极端的情形两种极端的情形 四种运动四种运动 六种相互作用六种相互作用 1 1、LSLS耦合耦合那么两个自旋那么两个自旋 。这种作用方式称为。这种作用方式称为LSLS耦合。耦合。 S=1S=1，0 0 S=1S=1，0 0 想一想：想一想：对于一个具体的对于一个具体的 L L 来说，来说，与此与此 L L 值对应的值对应的 J J 值有几个？值有几个？是一个三重态是一个三重态是一个单重态是一个单重态解：解： 所以它们合成的轨道总角动量为所以它们合成的轨道总角动量为 即轨道总角动量即轨道总角动量 S=1S=1，0 0 5 54 43 32 21 110S SJ J L L 6 6，
6、5 5， 4 4 5 5，4 4， 3 3 4 4，3 3， 2 2 3 3，2 2， 1 1 2 2，1 1， 0 0 5 4 3 2 1 按按LSLS耦合形成的原子态的表示符号格式为耦合形成的原子态的表示符号格式为 能级层数能级层数 总角动量量子数总角动量量子数 解：第一步先求解：第一步先求L L、S S， 然后求每一对然后求每一对L L、S S合成的合成的J J 最后由每一组最后由每一组 L S J L S J 的值确定形成的原子态的值确定形成的原子态 得得 S=1S=1，0 0； L=3L=3，2 2，1 1 3 32 21 110 S S态态 L L 洪特定则：洪特定则： 从一个电子
7、组态按从一个电子组态按 L S L S 耦合形成诸能级中，耦合形成诸能级中， （1 1）那重数最高的（即）那重数最高的（即 S S 值最大的）能级位置最低；值最大的）能级位置最低； （2 2）重数相同的能级中，那具有最大）重数相同的能级中，那具有最大L L值的位置最低。值的位置最低。 （3 3）具有相同）具有相同 L L、S S 值的能级中，按值的能级中，按 J J 值排序，值排序， 一种是一种是 J J 值小的能级低，（这种排序称为正常次序值小的能级低，（这种排序称为正常次序 ）另一种是另一种是 J J 值大的能级低，（这种排序称为反常次序值大的能级低，（这种排序称为反常次序 ）镁镁氦氦求求
8、 电子组态电子组态 1s2s 1s2s 形成和原子态，一、三重态谁高？形成和原子态，一、三重态谁高？而而L=0L=0， 所以所以J=SJ=S，即，即J J只有一值，也就是一个能级。只有一值，也就是一个能级。 求求 电子组态电子组态 1s2p 1s2p 形成和原子态形成和原子态, 一、三重态谁高？一、三重态谁高？2 2、jjjj耦合耦合那么每个电子的自旋角动量和轨道角动量那么每个电子的自旋角动量和轨道角动量这种作用方式称为这种作用方式称为jjjj耦合。耦合。每一组每一组的值确定一个原子态的值确定一个原子态 表示格式为表示格式为 第一个价电子的第一个价电子的总角动量量子数的值总角动量量子数的值 第
9、一个价电子的第一个价电子的总角动量量子数的值总角动量量子数的值 原子的总角动量原子的总角动量量子数的值量子数的值 例题：电子组态是例题：电子组态是p ps s，按，按jjjj耦合形成那些原子态。耦合形成那些原子态。 解：解： 例题：电子组态是例题：电子组态是p ps s，按，按jjjj耦合形成那些原子态。耦合形成那些原子态。 解：解： 由价电子组态可知由价电子组态可知 同理同理 形成的原子态为形成的原子态为 形成的原子态为形成的原子态为 这四个能级的关系根据理论计算得出结果如下这四个能级的关系根据理论计算得出结果如下 psps 现在举例说明哪些是现在举例说明哪些是LSLS耦合，哪些是耦合，哪些
10、是jjjj耦合耦合 碳碳C C、硅、硅SiSi、锗、锗GeGe、锡、锡SnSn、铅、铅PbPb 基态时的价电子的组态如下基态时的价电子的组态如下 C C 2p2p, 2p2p, SiSi 3p3p, 3p3p, GeGe 4p4p, 4p4p, SnSn 5p5p, 5p5p, PbPb 6p6p 6p6p基态的一个基态的一个p p电子激发到高一级的电子激发到高一级的s s态，就得到如下的组态态，就得到如下的组态 C C 2p3s, 2p3s, SiSi 3p4s, 3p4s, GeGe 4p5s, 4p5s, SnSn 5p6s, 5p6s, PbPb 6p7s 6p7s这些组态的原子能级的
11、实际情况根据观察如图这些组态的原子能级的实际情况根据观察如图158页页5.7所示。所示。 5.3 泡利不相容原理泡利不相容原理 镁、氦在基态时镁、氦在基态时 3s3s3s3s 1s1s1s1s 没有没有 ,什么原因呢？什么原因呢？ 泡利不相容原理：泡利不相容原理： 原子中不能有两个电子处在同一状态。原子中不能有两个电子处在同一状态。 标志电子态的量子数有五个：标志电子态的量子数有五个： 5.3 泡利不相容原理泡利不相容原理 镁、氦在基态时镁、氦在基态时 3s3s3s3s 1s1s1s1s 没有没有 ,什么原因呢？什么原因呢？ 泡利不相容原理：泡利不相容原理： 原子中不能有两个电子处在同一状态。
12、原子中不能有两个电子处在同一状态。 标志电子态的量子数有五个：标志电子态的量子数有五个： 5.3 泡利不相容原理泡利不相容原理 镁、氦在基态时镁、氦在基态时 3s3s3s3s 1s1s1s1s 没有没有 ,什么原因呢？什么原因呢？ 泡利不相容原理：泡利不相容原理： 原子中不能有两个电子处在同一状态。原子中不能有两个电子处在同一状态。 标志电子态的量子数有五个：标志电子态的量子数有五个： 这些量子数名称和物理意义（代表的是什么？）这些量子数名称和物理意义（代表的是什么？） 代表着能量的主要部分代表着能量的主要部分 和和 电子的运动区域大小电子的运动区域大小。 代表着轨道角动量的大小，代表着轨道角
13、动量的大小， 也影响着能量。也影响着能量。 代表着自旋角动量的大小代表着自旋角动量的大小 是磁量子数，是磁量子数，也叫轨道取向量子数，也叫轨道取向量子数， 代表着轨道在外场中的取向代表着轨道在外场中的取向 也就是代表着角动量在也就是代表着角动量在z分量的值分量的值是主量子数，是主量子数， 是轨道角动量量子数，是轨道角动量量子数，是自旋量子数，是自旋量子数，是自旋取向量子数，是自旋取向量子数， 代表着自旋的取向代表着自旋的取向 五个量子数不能完全相同，五个量子数不能完全相同， 至少有一个量子数是不同的至少有一个量子数是不同的 区分电子状态的量子数只有区分电子状态的量子数只有 4 个个 氦的基态中
14、，氦的基态中， 两个两个1s1s电子，电子， 两个电子的两个电子的相同相同相同相同相同相同必不同必不同分别是分别是 这就是说两个电子的自旋必须相反。这就是说两个电子的自旋必须相反。 这样这样0 因此自旋总角动量的量子数因此自旋总角动量的量子数 S S 只能是只能是 0 0 ，不能等于，不能等于 1 1. . 同科电子同科电子 两个同科电子形成的原子态比非同科的电子形成的原子态少。两个同科电子形成的原子态比非同科的电子形成的原子态少。5.4 复杂原子光谱的一般规律复杂原子光谱的一般规律 仍然有两种极端情况，一种是按仍然有两种极端情况，一种是按LSLS耦合，一种是按耦合，一种是按jjjj耦合。耦合
15、。 按按LSLS耦合：耦合： L LS SL LS SL LS S按按 jjjj 耦合：耦合： JJ JJ JS=0S=0是单一态，是单一态， 1是三重态。是三重态。 能级的结构重数等于能级的结构重数等于2S+12S+1 原子如果只有一个价电子，原子如果只有一个价电子， , 能级是双重的能级是双重的 有两个价电子，有两个价电子， S S 成为成为1 1或或0 0 形成三重态和单一态。形成三重态和单一态。 有三个价电子时，有三个价电子时， 是二个电子的结构上再加一个电子是二个电子的结构上再加一个电子 四重态和双重态四重态和双重态 5.5辐射跃迁的普用选择定则辐射跃迁的普用选择定则 单电子单电子(
16、或单价电子或单价电子)原子原子 一、原子的宇称一、原子的宇称 原子的状态按电子空间分布可分为两类：原子的状态按电子空间分布可分为两类：奇宇称态奇宇称态偶宇称态。偶宇称态。1s1s2s2p1s1s2s2p1s2s3p3d1s2s3p3d1s2p2p3d1s2p2p3d1、跃迁只能发生在不同宇称的状态间。即、跃迁只能发生在不同宇称的状态间。即 二、辐射跃迁的普用选择定则二、辐射跃迁的普用选择定则 2 2、如果原子的电子是、如果原子的电子是LSLS耦合耦合 如果原子的电子是如果原子的电子是LSLS耦合耦合 ？第五章学习要求第五章学习要求 1、知道氦、镁原子的能级和光谱线系情况、知道氦、镁原子的能级和光谱线系情况 2 2、知道什么是、知道什么是LSLS耦合？什么是耦合？什么是jjjj耦合耦合? ? 会求合角动量会求合角动量 3 3、会用、会用LSLS耦合、耦合、jjjj耦合推知形成的原子态耦合推知形成的原子态 4、了解洪特定则、能级的正常次序、反常次序、了解洪特定则、能级的正常次序、反常次序 6、了解多电子原子态的形成和跃迁的普用法则、了解多电子原子态的形成和跃迁的普用法则
