研究生课件-原子论概述.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,原子,1,氦原子，灰色部分为电子云,2,原子是化学变化中的最小单位。一个原子包含有一个致密的原子核及若干围绕在原子核周围带负电的电子。原子核由带正电的质子和电中性的中子组成。当质子数与电子数相同时，这个原子就是电中性的；否则，就是带有正电荷或者负电荷的离子。根据质子和中子数量的不同，原子的类型也不同：质子数决定了该原子属于哪一种元素，而中子数则确定了该原子是此元素的哪一个同位素。,原子简介,3,原子的英文名是从希腊语转化而来，原意为不可切分的。,很早以前，古印度和古希腊的哲学家就提出了原子的不可切分的概念。,17,和,18,世纪时，化学家发现了物理学的根据：对于某些物质，不能通过化学手段将其继续的分解。,19,世纪晚期和,20,世纪早期，物理学家发现了亚原子粒子以及原子的内部结构，由此证明原子并不是不能进一步切分。量子力学原理能够为原子提供很好的模型。,原子的,99.9%,的重量集中在原子核，其中的质子和中子有着相近的质量。每一种元素至少有一种不稳定的同位素，可以进行放射性衰变。,电子占据一组稳定的能级，或者称为轨道。当它们吸收和放出光子的时候，电子也可以在不同能级之间跳跃，此时吸收或放出光子的能量与能级之间的能量差相等。电子决定了一个元素的化学属性，并且对原子的磁性有着很大的影响。,4,原子的早期历史（前,6,世纪前,450,年）,关于物质是由离散单元组成且能够被任意分割的概念流传了上千年，但这些想法只是基于抽象的、哲学的推理，而非实验和实证观察。,现存最早关于原子的概念阐述可以追溯到公元前,6,世纪的古印度。,正理派,和胜论派发展了一种完备的理论来描述原子是如何组成更加复杂的物体（首先成对，然后三对再结合）。,西方的文献则要晚一个世纪，是由,留基伯,提出，他的学生,德谟克利特,总结了他的观点。大约在公元前,450,年，德谟克利特创造了原子这个词语，意思就是不可切割。尽管印度和希腊的原子观仅仅是基于哲学上的理 解，但现代科学界仍然沿用了由德谟克利特所创造的名称。,前,4,世纪左右，中国哲学家,墨翟,在其著作,墨经,中也独立提出了物质有限可分的概念，并将最小的可分单位称之为,“,端,”,。,5,原子的近代理论发展（,1661,至今）,1661,年，自然哲学家,罗伯特,波义耳,出版了,怀疑的化学家,(,The Sceptical Chemist,),一书，他认为物质是由不同的“微粒”或原子自由组合构成的，而并不是由诸如气、土、火、水等基本元素构成。,1789,年，法国贵族，,拉瓦锡,定义了原子一词，从此，原子就用来表示化学变化中的最小的单位。,1803,年，英语教师及自然哲学家,约翰,道尔顿,(,John Dalton),用原子的概念解释了为什么不同元素总是呈整数倍反应，即,倍比定律,(,law of multiple proportions),。,1827,年，英国植物学家罗伯特,布朗（,Botanist Robert Brown),在使用显微镜观察水面上灰尘的时候，发现它们进行着不规则运动，进一步证明了微粒学说。后来，这一现象被称为为,布朗运动,。,6,1897,年，在关于,阴极射线,的工作中，物理学家,约瑟夫,汤姆生,(,J.J.Thomsom,),发现了电子以及它的亚原子特性，粉碎了一直以来认为原子不可再分的设想。汤姆生认为电子是平均的分布在整个原子上的，就如同散布在一个均匀的正电荷的海洋之中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消。这也叫做葡萄干布丁模型。,1909,年，在物理学家,卢瑟福,(,Ernest Rutherford),的指导下，研究者们用氦离子轰击金箔。他们意外的发现有很小一部分离子的偏转角度远远大于使用汤姆生假设所预测值。卢瑟福根据这个金铂实验的结果提出原子中大部分质量和正电荷都集中在位于原子中心的原子核当中，电子则像行星围绕太阳一样围绕着原子核。带正电的氦离子在穿越原子核附近时，就会被大角度的反射。,7,1913,年，在进行有关对放射性衰变产物的实验中，放射化学家,弗雷德里克,索迪,发现对于元素周期表中的每个位置，不仅仅只有一种原子。玛格丽特,陶德创造了同位素一词，来表示同一种元素中不同种类的原子。在进行关于离子气体的研究过程中，汤姆生发明了一种新技术，可以用来分离不同的同位素，最终导致了稳定同位素的发现。,与此同时，物理学家,玻尔,(,Niels Bohr),重新省视了卢瑟福的模型，他认为电子应该位于确定的轨道之中，并且能够在不同轨道之间跳跃，而不是像先前认为那样可以自由的向内或向外移动。电子在这些固定轨道间跳跃时，必须吸收或者释放特定的能量。当热源产生的一束光穿过棱镜时，能够产生一个多彩的光谱。应用轨道跃迁的理论就能够很好的解释光谱中存在的位置不变的线条。,1916,年，吉尔伯特,路易斯,(Gilbert Newton Lewis),发现,化学键,的本质就是两个原子间电子的相互作用。众所周知，元素的化学性质按照周期律反覆的循环。,1919,年，美国化学家,朗缪尔,（,Irving Langmuir,）提出原子中的电子以某种性质相互连接或者说相互聚集。一组电子占有一个特定的电子层。,8,1926,年，,薛定谔,（,Erwin Schrdinger,）使用路易斯,德布罗意（,Louis de Broglie,）于,1924,年提出的,波粒二象性,的假说，建立了一个原子的,数学模型,，用来将电子描述为一个三维波形。但是在数学上不能够同时得到位置和动量的精确值。,1926,年，,海森堡,（,Werner Heisenberg,）建立了相关的方程，这也就是后来著名的,测不准原理,。这个概念描述的是，对于测量的某个位置，只能得到一个不确定的动量范围，反之亦然。尽管这个模型很难想像，但它能够解释一些以前观测到却不能解释的原子的性质，例如比氢更大的原子的谱线。因此，人们不再使用原子的行星模型，而更倾向于将原子轨道视为电子存在概率的区域。,9,质谱的发明使得科学家可以直接测量原子的准确质量。质谱仪通过使用一个磁体来弯曲一束离子，而偏转量取决于原子的,核质比,。弗朗西斯,阿斯顿（,Francis William Aston,）使用,质谱,证实了同位素有着不同的质量，并且同位素间的质量差都为一个整数，这被称为整数规则。,1932,年，詹姆斯,乍得威克（,James Chadwick,）发现了中子，解释了这一个问题,20,。中子是一种中性的粒子，质量与质子相仿。,同位素,则被重新定义为有着相同质子数与不同中子数的元素。,1950s,，随着,粒子加速器,及粒子探测器的发展，科学家们可以研究高能粒子间的碰撞。他们发现中子和质子是强子的一种，又更小的夸克微粒构成。核物理的标准模型也随之发展，能够成功的在亚原子水平解释整个原子核以及亚原子粒子之间的相互作用。,10,1985s,，,朱棣文,及其同事在,贝尔实验室,开发了一种新技术，能够使用激光来冷却原子。威廉,丹尼尔,菲利普斯团队设法将金属钠原子置于一个磁阱中。这两个技术加上由克洛德,科昂,-,唐努德日团队基于多普勒效应开发的一种方法，可以将少量的原子冷却至微开尔文的温度范围，这样就可以对原子进行很高精度的研究，为玻色,-,爱因斯坦凝聚的发现奠定了基础。,历史上，因为单个原子过于微小，被认为不能够进行科学研究。最近，科学家已经成功使用一单个金属原子与一个有机配体连接形成一个单电子晶体管。在一些实验中，通过激光冷却的方法将原子减速并捕获，这些实验能够带来对于物质更好的理解。,11,原子结构理论模型发展史,道尔顿的原子模型,英国自然科学家约翰,道尔顿将古希腊思辨的原子论改造成定量的化学理论，提出了世界上第一个原子的理论模型。他的理论主要有以下三点：,所有物质都是由非常微小的、不可再分的物质微粒即原子组成；,同种元素的原子的各种性质和质量都相同，不同元素的原子，主要表现为质量的不同；,原子是微小的、不可再分的实心球体；,原子是参加化学变化的最小单位，在化学反应中，原子仅仅是重新排列，而不会被创造或者消失。,虽然，经过后人证实，这是一个失败的理论模型，但，道尔顿第一次将原子从哲学带入化学研究中，明确了今后化学家们努力的方向，化学真正从古老的炼金术中摆脱出来，道尔顿也因此被后人誉为“近代化学之父”。,12,葡萄干布丁模型,葡萄干布丁模型由汤姆生提出，是第一个存在着原子结构的原子模型。汤姆生在发现电子的基础上提出了原子的葡萄干布丁模型，汤姆生认为,正电荷像流体一样均匀分布在原子中，电子就像葡萄干一样散布在正电荷中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消；,在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线。,汤姆生的学生卢瑟福完成的,粒子轰击金箔实验（散射实验），否认了葡萄干布丁模型的正确性。,13,土星模型,在汤姆生提出葡萄干布丁模型同年，日本科学家提出了土星模型，认为电子并不是均匀分布，而是集中分布在原子核外围的一个固定轨道上,14,行星模型,行星模型由卢瑟福在提出，以经典电磁学为理论基础，主要内容有：,原子的大部分体积是空的；,在原子的中心有一个体积很小、密度极大的原子核；,原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全部质量均集中在原子核内部。带负电的电子在核空间进行高速的绕核运动。,随着科学的进步，氢原子线状光谱的事实表明行星模型是不正确的。,15,玻尔的原子模型,为了解释氢原子线状光谱这一事实，卢瑟福的学生玻尔接受了普朗克的量子论和爱因斯坦的光子概念在行星模型的基础上提出了核外电子分层排布的原子结构模型。玻尔原子结构模型的基本观点是：,原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道（,orbit,),上绕原子核运动，不辐射能量,在不同轨道上运动的电子具有不同的能量（,E,），且能量是量子化的，轨道能量值依,n,（,1,，,2,，,3,，,.,）的增大而升高，,n,称为量子数。而不同的轨道则分别被命名为,K,（,n=1),、,L(n=2),、,N(n=3),、,O(n=4),、,P(n=5),。,当且仅当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才会辐射或吸收能量。如果辐射或吸收的能量以光的形式表现并被记录下来，就形成了光谱。,玻尔的原子模型很好的解释了氢原子的线状光谱，但对于更加复杂的光谱现象却无能为力。,16,现代量子力学模型,物理学家德布罗意、薛定谔和海森堡等人，经过,13,年的艰苦论证，在现代量子力学模型在玻尔原子模型的基础上很好地解释了许多复杂的光谱现象，其核心是波动力学。在玻尔原子模型里，轨道只有一个量子数（主量子数），现代量子力学模型则引入了更多的量子数（,quantum number,),。,主量子数,（,principal quantum number,),，主量子数决定不同的电子层，命名为,K,、,L,、,M,、,N,、,O,、,P,、,Q,角量子数,(,angular quantum number,),，角量子数决定不同的能级，符号“,l”,共,n,个值（,1,，,2,，,3,，,.n-1),，符号用,s,、,p,、,d,、,f,，表示对多电子原子来说，电子的运动状态与,l,有关。,磁量子数,（,magnetic quantum number,),磁量子数决定不同能级的轨道，符号“,m”,（见下文“磁矩”）。仅在外加磁场时有用。“,n”“l”“m”,三个量确定一个原子的运动状态。,自旋磁量子数（,spin m.q.n.,）处于同一轨道的电子有两种自旋，即“”目前，自旋现象的实质还在探讨当中,5,。,17,组成结构,尽管原子的英文名称（,atom,）本意是不能被进一步分割的最小粒子，但是，随着科学的发展，原子被认为是由电子、质子、中子组成，它们被统称为亚原子粒子。几乎所有原子都含有上述三种亚原子粒子，但氕没有中子，其离子（失去电子后）只是一个质子。,亚原子粒子具有量子化特征和波粒二象性，公式表述为：,=h/p=h/mv,，式中,为波长，,p,为动量，,h,为普朗克常数,8,。,18,电子,在一个内部接近真空、两端封有金属电极的玻璃管通上高压直流电，阴极一端便会发出阴极射线。荧光屏可以显示这种射线的方向，如果外加一个匀强电场，阴极射线会偏向阳极；又若在玻璃管内装上转轮，射线可以使转轮转动。后经证实，阴极射线是一群带有负电荷的高速质点，即电子流。电子由此被发现。,电子是最早发现的亚原子粒子，到目前为止，电子是所有粒子中最轻的，只有,9.1110,31,kg,，为氢原子的,1/1837,。电子带有一个单位的负电荷，即,4.810,-19,静电单位或,1.610,-19,库伦，其体积因为过于微小，现有的技术已经无法测量。,现代物理学认为，电子属于轻子的一种是构成物质的基本单位之一（另一种为夸克）。,19,质子,质子由两个,上夸克,和一个,下夸克,组成，带一个单位正电荷，质量是电子质量的,1837,倍，为,1.67261027kg,，然而部分质量可以转化为原子结合能。,拥有相同质子数的原子是同一种元素，原子序数质子数核电荷数核外电子数。,20,中子,中子是原子中质量最大的亚原子粒子，自由中子的质量是电子质量的,1839,倍，为,1.69291027kg,。中子和质子的尺寸相仿，均在,2.51015,m,这一数量级，但它们的表面并没能精确定义。,中子由一个上夸克和两个下夸克组成，两种夸克的电荷相互抵销，所以中子不显电性，但，认为“中子不带电”的观点是错误的。,而对于某种特定的元素，中子数是可以变化的，拥有不同中子数的同种元素被称为同位素。中子数决定了一个原子的稳定程度，一些元素的同位素能够自发进行放射性衰变。,21,原子核,在,粒子散射实验中，人们发现，原子的质量集中于一个很小且带正电的物质中，这就是原子核。,原子核也称作核子，由原子中所有的质子和中子组成，原子核的半径约等于,1.07A1/3 fm,其,中,A,是核子的总数。原子半径的数量级大约是,105fm,，因此原子核的半径远远小于原子的半径。原子核被一种强力束缚，当距离小于,2.5fm,的时候，强力远远大于静电力，克服了带正电的质子间的相互排斥。,中子和质子都是费米子的一种，根据量子力学中的泡利不相容原理，不可能有完全相同的两个费米子同时拥有一样量子物理态。因此，原子核中的每一个质子都占用不同的能级，中子的情况也与此相同。不过泡利不相容原理并没有禁止一个质子和一个中子拥有相同的量子态。,22,如果一个原子核的质子数和中子数不相同，那么该原子核很容易发生放射性衰变到一个更低的能级，并且使得质子数和中子数更加相近。因此，质子数和中子数相同或很相近的原子更加不容易衰变。然而，随着原子序数的逐步增加，质子数也逐步增加，大量的质子相互排斥，也就需要更多的中子来使整个原子核处于稳定状态，因此，当原子序数大于,20,时，就不能找到一个质子数与中子数相等而又稳定的原子核了。随着,Z,的增加，中子和质子的比例逐渐趋于,1.5,。,23,原子核中的质子数和中子数也是可以变化的，不过因为它们之间的力很强，所以需要很高的能量，当多个粒子聚集形成更重的原子核时，就会发生核聚变，例如两个核之间的高能碰撞。在太阳的核心，质子需要,3-10KeV,的能量才能够克服它们之间的相互排斥，也就是库伦障壁，进而融合起来形成一个新的核。与此相反的过程是核裂变，在核裂变中，一个核通常是经过放射性衰变，分裂成为两个更小的核。使用高能的亚原子粒子或光子轰击也能够改变原子核。如果在一个过程中，原子核中质子数发生了变化，则此原子就变成了另外一种元素的原子了。,24,如果核聚变后产生的原子核质量小于聚变前原子质量的总和，那么根据爱因斯坦的质能方程，这一些质量的差就作为能量被释放了。这个差别实际是原子核之间的结合能。,对于两个原子序数在铁或镍之前的原子核来说，它们之间的核聚变是一个放热过程，也就是说过程释放的能量大于将它们连在一起的能量。正是因为如此，才确保了恒星中的核聚变能够自我维持。对于更重一些的原子来说，结合能开始减少，也就是说它们的核聚变会是一个吸热过程。因此，这些更重的原子不能够进行产能的核聚变，也就不能够维持恒星的流体静力平衡。,25,氢原子的电子云,对于具有波粒二象性的电子，不能像描述普通物体运动那样，肯定他在某一瞬间处于空间的某一点，而只能指出它在原子核外某处出现的可能性（即几率）的大小。电子在原子核各处出现的几率是不同的，有些地方出现的几率大，有些地方出现的几率很小，如果将电子在核外各处出现的几率用小黑点描绘出来（出现的几率越大，小黑点越密），那么便得到一种略具直观性的图像，这些图像中，原子核仿佛被带负电荷的电子云物所笼罩，故称电子云。,把核外电子出现几率相等的地方连接起来，作为电子云的界面，使界面内电子云出现的总几率很大（例如,90,或,95,），在界面外的几率很小，有这个界面所包括的空间范围，叫做原子轨道，这里的原子轨道与宏观的轨道具有不同的含义。,原子轨道是薛定谔方程的合理解,。,26,电子排布,能层（电子层）,原子核外运动的,电子,绕核运动会受到原子核的吸引，他们运动能量上的差异可用他们运动,轨道,离核的远近表现出来。具有,动量,较大的电子在离核越远的地方运动，而动量较小的则在离核较近的地方运动。但是电子绕核运动与,人造卫星,绕,地球,运动不同。人造卫星绕地球运动的动量可以看成是连续变化的，即由于能量的消耗，它的轨道会逐渐接近地球。但原子的能量是,量子化,的，所以原子核外电子运动的轨道是不连续的，他们可以分成好几层，这样的层，称为“电子层”，也称“能层”。,氢原子光谱的巴尔末系,27,氢原子线状光谱（左图）的事实可以证明电子层的存在。根据经典电磁学理论，绕核高速旋转的电子将不断从原子发射连续的电磁波，但从左图可以发现，氢原子的光谱图像是分立的（在,1885,年，瑞士一中学物理教师巴尔末,(,J.J.Balmer,),给出了这种分立图像的近似公式。,玻尔提出了电子层的概念，成功推导出了描述氢原子光谱的里德堡公式，将常数,R,与（约化）普朗克常数联系在一起，电子层的存在从此得到了公认。,28,通常情况下，氢原子的电子在离核最近的电子层上运动，这时并不放出,能量,，此时的电子所处的状态称为“,基态,”。当氢原子从外界获得能量（如,灼热,、,放电,、,辐射能,等），它的电子可以迁跃到离核较远的电子层上，此时的电子所处的状态称为“,激发态,”。当电子从离核较远的电子层迁跃回能量相对更低也离核更近的电子层时，就会以,光,的形式放出能量。,因为电子层是不连续的（量子化的）所以电子迁跃放出的能量也是不连续的（量子化的），这种不连续的能量在光谱上的反映就是线状光谱。,29,描述电子层的量子数称为主量子数（,principal quantum number,）或量子数,n,，,n,的取值为正整数,1,、,2,、,3,、,4,、,5,、,6,、,7,，对应符号为,K,、,L,、,M,、,N,、,O,、,P,、,Q,。对氢原子来说，,n,一定，其运动状态的能量一定。一般而言：,n,越大，电子层的能量越高。,每个电子层所,容纳,的电子个数有限，为,2n,2,个，但当一个电子层是原子的最外层时，它至多只能容纳,8,个电子，次外层最多容纳,18,个。,主量子数,1,2,3,4,5,6,7,电子层,K,L,M,N,O,P,Q,0,族电子数,2,2,8,2,8,8,2,8,18,8,2,8,18,18,8,2,8,18,32,18,8,暂无,30,如果一个电子在激发态，一个有着恰当能量的光子能够使得该电子受激辐射，释放出一个拥有相同能量的光子，其前提就是电子返回低能级所释放出来的能量必须要与与之作用的光子的能量一致。此时，受激释放的光子与原光子像同一个方向运动，也就是说这两个光子的波是同步的。利用这个原理，人们设计出了,激光,，它是可以产生频率很窄的光的,光源,。,在越来越多的光谱实验中，人们发现，电子在两个相邻电子层之间发生迁跃时，会出现多条相近的谱线，这表明，同一电子层中还存在着能量的差别，这种差别，就被称为“电子亚层”，也叫“能级”。,31,能级（电子亚层）,氢原子的光谱问题仅用电子层就可以解释，但钠原子的光谱就不同了，通常情况下，钠原子的电子从,N,电子层迁跃到,M,电子层时，会产生多条,波长,十分相近的谱线，大量光谱数据的基础上，科学家提出了“能级”的概念,即，每一电子层都由一个或多个能级组成，同一能级的能量相同。,描述能级的量子数称为角量子数（,angular quantum number,）用“,l”,表示。对于每一个电子层对应的主量子数,n,，,l,的取值可以是,0,、,1,、,2,、,n-1,，也就是说，总共有,n,个能级，因为第一电子层,K,的,n,1,，所以它只有一个能级，而,n=2,的,L,层就有两个能级，表现在光谱上就是两条非常相近的谱线。,从第一到第七,周期,的所有,元素,中，人们共发现,4,个能级，分别命名为,s,，,p,，,d,，,f,。从理论上说，在第八周期将会出现第五个能级。,主量子数,n,1,2,3,4,电子层,K,L,M,N,角量子数（,l,）取值,0,0,1,0,1,2,0,1,2,3,能级符号,1,s,2,s,2p,3,s,3p,3d,4,s,4p,4d,4f,32,能,级分裂,s,，,p,，,d,，,f,能级的能量有大小之分，这种现象称为“,屏蔽效应,”，屏蔽效应产生的主要原因是核外电子间,静电力,的相互,排斥,，减弱了原子核对电子的吸引：,s,能级的电子排斥,p,能级的电子，把,p,电子“推”离原子核，,p,、,d,、,f,之间也有类似情况,总的屏蔽顺序为：,nsnpndnf,因为离核越远，能量越大，所以能量顺序与屏蔽顺序成反比,能量顺序为：,nsnpndnf,能级交错：,同一电子层之间有电子的相互作用，不同电子层之间也有相互作用，这种相互作用称为“,钻穿效应,”，其原理较为复杂，钻穿效应的直接结果就是下一电子层的,d,能级的能量高于上一电子层,s,的能量。即，,d,层和,s,层发生交错，,f,层与,d,层和,s,层都会发生交错。,33,轨道,在,磁场,或者,电场,存在的情况下，许多原子谱线还是发生了更细的分裂，这个现象被叫做,塞曼效应,（外部电存在时称为,斯塔克效应,），这种分裂在无磁场和电场时不存在，说明，在同一能级内原本能量相同的轨道在有外力时发生分裂，进一步说明，每个能级内都存在着能量相同但方向不同的轨道。,描述轨道的量子数称为磁量子数（,magnetic quantum number,）符号“,m”,，对于每一个确定的能级（电子亚层），,m,有一个确定的值，这个值与电子层无关（任何电子层内的能级的轨道。,s,、,p,、,d,能级的轨道形状,能级,s,p,d,f,磁量子数,1,3,5,7,轨道数,1,3,5,7,轨道的形状可以根据薛定谔方程球座标的,Y(,，,),推算，左图显示了,s,p,d,三能级的轨道形状，,s,能级为一个简单的球形轨道（第一排），,p,能级轨道为哑铃形，分别占据空间直角坐标系的,x,y,z,轴，即有三个不同方向的轨道（第二排），,d,的轨道较为复杂（第三、四排），,f,能级的七个轨道更为复杂，没有画出。,34,自旋,高分辨光谱事实揭示核外电子还存在着一种奇特的量子化运动，人们称其为自旋运动，用自旋磁量子数（,spin m.q.n,）表示，每个轨道最多可以容纳两个自旋相反的电子。记做“”但需要指出，这里的自旋和地球的自转不同，自旋的实质还是一个等待发现的未解之谜。,35,能量最低原理,能量最低原理的意思是：核外电子在运动时，总是优先占据能量更低的轨道，使整个体系处于能量最低的状态。,泡利不相容原理,物理学家,泡利,在总结了众多事实的基础上提出：不可能有完全相同的两个,费米子,同时拥有样的量子物理态。泡利不相容原理应用在电子排布上，可表述为：同一轨道上最多容纳两个自旋相反的电子。该原理有两个推论,若两电子处于同一轨道，其自旋方向一定不同；,若两个电子自旋相同，它们一定不在同一轨道；,每个轨道最多容纳两个电子。,36,洪德规则,(Hunds rule),洪德在总结大量光谱和电离势数据的基础上提出：电子在简并轨道上排布时，将尽可能分占不同的轨道，且自旋平行。对于同一个电子亚层，当电子排布处于,全满（,s2,、,p6,、,d10,、,f14,）,半满（,s1,、,p3,、,d5,、,f7,）,全空（,s0,、,p0,、,d0,、,f0,）,满足上述条件时比较稳定。,37,衰变现象,衰变,原子核释放一个,粒子,，即含有两个质子和两个中子的氦原子核。衰变的结果是产生一个原子序数低一些的新元素。,衰变,弱相互作用的现象，过程中一个中子转变成一个质子或者一个质子转变成一个中子。前者伴随着一个电子和一个反中微子的释放，后者则释放一个正电子和一个中微子。所释放的电子或正电子被叫做,粒子。因此，,衰变能够使得该原子的原子序数增加或减少一。,衰变,原子核的能级降低，释放出电磁波辐射，通常在释放了,粒子或,粒子后发生。,38,鉴定方法,STM,工作时，探针将充分接近样品产生一高度空间限制的电子束，因此在成像工作时，,STM,具有极高的空间分辩率，可以进行科学观测。在操作中，电子能够隧穿介于两个平面金属电极之间的真空区域。每一个电极表面吸附有一个原子，使得穿隧电流密度大到可以测量。保持电流恒定，随着扫瞄的进行，可以得到一个探针末端的上下位移与横向位移之间的关系图。计算证明扫瞄隧道显微镜所得到的显微图像能够分辨出单个原子。在低偏差的情况下，显微图像显示的是对相近能级的电子轨道的一种空间平均后的尺寸，这些相近的能级也就是费米能中的局部态密度。,STM,拍摄到的,Br,原子图像,39,质谱,当原子失去一个电子时，该原子就被,电离,了。这一个多余的电荷就使其在磁场中运行的轨迹发生偏折。这个偏转角度是由原子的质量所决定的。质谱仪就利用了这个原理来测定离子的质荷比。如果一个样品里面有多种同位素，质谱可以通过测量不同离子束的强度来推导每一种同位素的比例。使原子气化的技术包括电感耦合等离子体发射光谱以及电感耦合等离子体质谱。这两种技术都使用了气态或等离子态的样品。,40,电子能量损失谱,另外一个有局限性的方法是电子能量损失谱，它是通过测量透射电子显微镜中电子书穿越一个样品后所损失的能量。原子探针显像具有三维亚纳米级的分辨率，也可以通过飞行时间质谱仪来鉴定单个的原子。,41,激发态光谱,激发态光谱可以用来研究远距离恒星的元素组成。通过观测到的来自恒星的光谱中一些特殊的波长，可以得到气体状态下原子的量子转变。使用同种元素的气体放电灯，可以得到相同的颜色。氦元素就是通过这种手段在太阳的光谱中被发现的，比在地球上发现早了,23,年。,42,