第十二章原子中的電子(ElectronsinAtoms)J.J.湯姆遜1906年諾貝爾獎獲得者湯姆遜原子模型盧瑟福1908年諾貝爾獎獲得者原子光譜玻爾原子模型內容氫原子中的電子氫原子光譜電子自旋多電子原子中電子的排布激光orU量子力學結果：⑴能級(n=1,2,3,——主量子數)§12.1氫原子中的電子(ElectroninTheHydrogenAtom)n=1——基態；n>1——激發態En(eV)0-13.6-3.40-1.51②nEn特點：orUEn物理意義：電子處于束縛態！①En<0Notes:①電離能——使原子電離所需的最小能量.②類氫離子[核電荷為Ze(Z>1)，核外僅有一個電子的離子]的能級：e.g.氫原子n=1,電離能為13.6eVn=2,電離能為3.40eV⑵軌道角動量(l的取值依賴于n)⑶在空間任一方向(Z)的分量(ml

的取值依賴于l)軌道量子數or角(副)量子數軌道磁量子數or磁量子數Note:Lz取分立值，意味著只能取空間一些特定方向.——角動量的空間量子化e.g.l=2ml=0,1,2Z02--2⑷電子的概率分布——電子云

(P.181~183)基態下，電子云徑向密度最大處：——玻爾(N.Bohr)半徑

玻爾——1922年玻爾獲諾貝爾物理獎。玻爾正在講解他的互補原理玻爾（左）海森伯（中）泡利（右）在一起哥本哈根學派在自然界的戲劇中人既是“演員”又是“觀眾”玻爾和他的孩子們§12.2氫原子光譜(LightSpectrumofTheHydrogenAtom)⒈態間躍遷——一系列不同波長的譜線的集合hEhEl——玻爾頻率條件⒉譜線系氫原子能級＋頻率條件譜線頻率：——里德伯(J.R.Rydberg)常量c——光速光譜學中，用波數表示譜線位置：nl=1,nh=2,3,4,——萊曼(Lyman)系(紫外區)nl=2,nh=3,4,5,——巴耳末(Balmer)系(可見光區)nl=3,nh=4,5,6,——帕邢(paschen)系(紅外區)n=1n=2n=3Lyman(紫外區)Balmer(可見光區)Paschen(紅外區)能級圖：光譜：譜線系相互分離，每一系的譜線在短波方向變密.[例12-1]設大量氫原子處于n=4的激發態，它們躍遷時發射出一簇光譜線，則這簇光譜線最多可能有

條，其中最短的波長是

?.解：⑴可能的躍遷：n=43,2,132,1216條譜線⑵(?)[解法二](?)[思考]6條譜線各屬于什么譜線系?[例12-2]一個氫原子處于主量子數n=3的狀態，則該氫原子(A)能夠吸收也能夠發射一個紅外光子(B)不能吸收也不能發射一個紅外光子(C)能夠吸收一個紅外光子(D)能夠發射一個紅外光子解：n=1n=2n=3發射可見吸收紅外發射紫外(C)§12.3電子自旋(ElectronSpin)⒈Stern-Gerlach實驗(1921年)ovenSNslitplateAgAASNA－A斯特恩正在觀測實驗照片[分析]：(電子角動量)(磁矩)(2l+1)個值(2l+1)個值

(2l+1)條條紋！∵磁力1925年，G.E.Uhlenbeck和S.A.Goudsmit解釋：電子有自旋運動自旋角動量(只有兩種取向)自旋磁矩(也只有兩種取向)兩條條紋1928年，狄拉克(P.A.M.Dirac)從理論上導出電子具有自旋的結論.⒉自旋角動量量子力學結果：自旋量子數①②在空間任一方向(Z軸)的分量：自旋磁量子數Z+/2-/2物理意義：電子的自旋角動量也是空間量子化的.n——主量子數(n=1,2,3,)可大體確定電子的能量l——軌道量子數(l=0,1,2,,n-1)可確定電子的軌道角動量大小，對電子的能量也稍有影響ml

——軌道磁量子數(ml=0,1,2,,l)ms——自旋磁量子數(ms=1/2)可確定電子的軌道角動量在空間任一方向(z)的分量可確定電子的自旋角動量在空間任一方向(z)的分量⒊原子中電子的四個量子數[例12-3]原子內電子的量子態由n、l、ml、ms四個量子數表征，當n、l、ml一定時，不同量子態數目為；當n、l一定時，不同量子態數目為；當n一定時，不同量子態數目為.解：⑴當n、l、ml一定時，ms可取兩個不同的值.⑵當n、l一定時，ml可取2l+1個不同的值,且對于ml的每個值，ms可取兩個不同的值.2

2(2l+1)⑶當n一定時，l可取n個不同的值,且對于l的每個值，ml和ms共可取2(2l+1)個不同的值.§12.4多電子原子中電子的排布(ArrangementofElectronsinMultielectronAtoms)多電子原子，每個電子——(n,l,ml,ms),電子組態？⒈兩個基本原理⑴泡利(W.Pauli)不相容原理——在同一原子中不可能有兩個電子處于相同的狀態.⑵能量最低原理——在基態原子中，電子總處于最低可能的能級.Note:能級高低的判別：通常，隨著n，則E；對同一n，若l

，則E；對于Z>18的原子，會有反常.⒉殼層(shell)與次殼層(subshell)⑴殼層——主量子數n相同的所有狀態的集合.主量子數n1234567殼層符號

KLMNOPQ可容電子數

281832507298角量子數l0123456次殼層符號

spdfghi可容電子數

261014182226電子對殼層的填充:

先填n較小的殼層，在同一n中，先填l較小的次殼層，但在不同殼層鄰接處可能出現“反常”(SeeP.193~197).⑵次殼層——同一殼層中軌道量子數l相同的狀態的集合.基態原子核外電子排布1s10nZen=1n=2n=3LMK(2)(2)32103d3p3s(10)(2)(6)(18)2102p2s(2)(6)(8)nl2n2反常鉀(Z=19)的電子組態：不是e.g.鋰(Z=3)的電子組態：碳(Z=6)的電子組態：氯(Z=17)的電子組態：提出泡利不相容原理獲得1945年諾貝爾物理學獎奧地利人1900—1958泡利（W.Pauli）§12.5激光(Laser)——受激輻射的光放大(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)世界上第一臺激光器——紅寶石激光器(T.H.Maiman，1960)⒈激光的特性⑴方向性好——發散角：10-3~10-6rad⑵強度高——強度可達1017W/cm2(氧炔焰~103W/cm2)激光器輸出功率：連續可達105W脈沖可達1014W(世界電站總功率~1012W)⑶單色性好——：10-6~10-9nm⑷相干性好——是相干光.⒉激光的應用激光測距：月－地距離誤差～10-2m激光加工：打孔、切割、焊接、表面處理.激光醫療：激光手術刀，視網膜焊接，角膜切割，腫瘤診斷(光動力學方法)，創傷愈合，針灸、美容等.軍事：激光制導,束能武器,激光致盲.核技術：分離同位素,引發核聚變.信息技術：光通信，信息存儲，全息照相.神光-Ⅰ裝置的兩路激光系統神光-Ⅱ裝置的八路激光系統2000建成8光束/200mm，6KJ/1倍頻，~2.5KJ/3倍頻/1ns1986建成2光束/200mm，1.6KJ/1倍頻（1.06m)/1ns

我國的激光核聚變裝置神光-Ⅱ裝置的靶室和物理診斷設備在靶室內八束激光同時聚向一個產生核聚變反應的小燃料樣品上，引發核聚變神光三號

激光焊接高能激光（能產生約5500oC的高溫）把大塊硬質材料焊接在一起用激光使脫落的視網膜再復位（目前已是常規的醫學手術）⒊激光的產生⑴受激輻射①光的吸收：h——原子吸收入射光子(h=Eh-El)，從低能態(El)躍遷到高能態(Eh).EhEl②自發輻射(spontaneousradiation)：h——處于高能態(Eh)的原子，在沒有外界作用下，自發躍遷到低能態(El)，并發出一個光子(h=Eh-El).EhElhhh③受激輻射(stimulatedradiation)：——處于高能態(Eh)的原子，受入射光子(h=Eh-El)的誘導作用，躍遷到低能態(El)，并發出一個與入射光子的頻率、相位、振動方向和傳播方向都完全相同的光子.EhEl④光放大(lightamplification)：——若有一批原子處于高能態(Eh)，則在一個入射光子(h=Eh-El)的作用下，會通過一系列受激輻射產生不斷倍增的相同的光子.⑵粒子數布居反轉

在平衡態下，處于不同能態的原子數由Boltzmann分布律確定：e.g.He-Ne激光器：=632.8nm平衡態下：

設法使N(Eh)>N(El)，這種反常狀態稱為粒子數布居反轉(populationinversion).

能實現粒子數反轉的物質，稱為激活介質(activemedium)或工作物質.激活介質的特點:存在壽命較長(10-3s~1s)的激發態——亞穩態(metastablestate).e.g.①紅寶石激光器：(三能級系統)h無輻射躍遷E3E1E2亞穩態抽運②CO2激光器：(四能級系統)h無輻射躍遷E3E1E2亞穩態E4抽運③He-Ne激光器：(四能級系統)碰撞632.8nmHeNeE3E1E2E4E2E3E4電激發⒋光學諧振腔(opticalcavity)——一對平行的反射鏡，鏡面與激活介質的軸線垂直.激活介質全反射