152电子自旋及原子的电子壳层结构.pptx

NO.152 电子自旋电子自旋 关于量子力学的争论关于量子力学的争论 原子的电子壳层结构原子的电子壳层结构 氢原子的量子理论氢原子的量子理论2012.12.282.2.解方程得到的主要结论解方程得到的主要结论（主量子数）（主量子数）（1）能量量子化）能量量子化（2）（轨道）角动量（大小）量子化）（轨道）角动量（大小）量子化（角量子数）（角量子数）（3）空间量子化（轨道角动量方向量子化）空间量子化（轨道角动量方向量子化）（磁量子数）（磁量子数）七、薛定谔方程的应用三七、薛定谔方程的应用三氢原子的量子理论氢原子的量子理论zzLz0Lz2LzLz2LLhhhhn3zzLz0Lz2LzLzL2Lhhhhl0,1,23.3.空间量子化能很好地解释正常塞曼空间量子化能很好地解释正常塞曼（PZeemanPZeeman）效应）效应正常塞曼效应：正常塞曼效应：一条光谱线在磁场中分裂成三条的现象。一条光谱线在磁场中分裂成三条的现象。七、薛定谔方程的应用三七、薛定谔方程的应用三氢原子的量子理论氢原子的量子理论补充说明：补充说明：（1）氢原子中电子的稳定状态，可以用一组量子数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）表示，其定态波函数为（2）根据求得的氢原子电子定态波函数根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、薛定谔方程的应用三七、薛定谔方程的应用三氢原子的量子理论氢原子的量子理论在在 内，内，由归一化条件，对于基态（由归一化条件，对于基态（n=1,l=0）：）：玻尔半径玻尔半径七、薛定谔方程的应用三七、薛定谔方程的应用三氢原子的量子理论氢原子的量子理论（3）用用电子云电子云电子云电子云形象地描绘电子出现在核周围的概率分布。形象地描绘电子出现在核周围的概率分布。图形表示：图形表示：（a）径向波函数；（）径向波函数；（b）径向几率分布函数；）径向几率分布函数；（c）径向电荷密度函数。）径向电荷密度函数。补充充说明：明：八、电子自旋八、电子自旋1.1.施特恩施特恩(O.Stern)(O.Stern)格拉赫格拉赫(W.Gerlach)(W.Gerlach)实验实验l 基态银原子轨道角动量和轨道磁矩为零基态银原子轨道角动量和轨道磁矩为零，本，本应应无偏转无偏转;l 射线的偏转表明：银原子具有射线的偏转表明：银原子具有磁矩磁矩，且该磁矩在外磁场，且该磁矩在外磁场中只有两种可能的取向！中只有两种可能的取向！l 荷兰的荷兰的乌伦贝克乌伦贝克和和古兹密特古兹密特认为电子除了轨道角动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量之外，还应有绕它本身的对称轴旋转的自旋角动量自旋角动量(spin angular momentum)。八、电子自旋八、电子自旋2.2.电子自旋角动量电子自旋角动量l 自旋角动量并无经典对应，是自旋角动量并无经典对应，是内禀角动量内禀角动量。l 自旋角动量自旋角动量l 自旋角动量在自旋角动量在z z方向上的分量方向上的分量自旋量子数自旋量子数自旋磁量子数自旋磁量子数l 能解释：大多数元素在磁场中出现能解释：大多数元素在磁场中出现反常塞曼效应反常塞曼效应！八、电子自旋八、电子自旋2.2.电子自旋角动量电子自旋角动量SzSozSz“for the discovery of Giant MagnetoresistanceAlbert Fert Peter Grnberg Universit Paris-Sud;Unit Mixte de Physique CNRS/THALES Orsay,France Forschungszentrum Jlich Jlich,Germany b.1938 b.1939The Nobel Prize in Physics 2007What is GMR?Simplest type of GMR system consists of a layer of non-magnetic metal sandwiched between two layers of a magnetic metalsmall resistance high resistanceBetter read-out heads for pocket-size devicesFrom electronics to spintronics Towards a universal memory-MRAM 九、原子的电子壳层结构九、原子的电子壳层结构1.1.四个量子数四个量子数（1）主量子数）主量子数（2）角量子数）角量子数（3）磁量子数）磁量子数（4）自旋磁量子数）自旋磁量子数决定原子中电子的能量。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。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九、原子的电子壳层结构2.2.多电子原子的壳层结构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；）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）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。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：电子的填充遵循：泡利不相容原理泡利不相容原理 能量最小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。所确定的量子态上。处于稳定态的原子，其每个电子总是尽可能占有最低处于稳定态的原子，其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。的能量状态，从而使原子体系的能量最低。（电子是费米子）（电子是费米子）九、原子的电子壳层结构九、原子的电子壳层结构3.3.电子的分布规律电子的分布规律电子按壳层分布电子按壳层分布（2）由泡利不相容原理）由泡利不相容原理（1）主壳层和支壳层）主壳层和支壳层l每个支壳层最多可容纳的电子数为：每个支壳层最多可容纳的电子数为：l每个主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：能级能级n的量子态数的量子态数能级能级n的简并度的简并度 l l n n 0 0 s s 1 1 p p 2 2 d d 3 3 f f 4 4 g g 5 5 h h 6 6 i iZ Zn n1 1K K2(12(1s s)2 22 2L L2(22(2s s)6(26(2p p)8 83 3MM2(32(3s s)6(36(3p p)10(310(3d d)18184 4N N2(42(4s s)6(46(4p p)10(410(4d d)14(414(4f f)32325 5OO2(52(5s s)6(56(5p p)10(510(5d d)14(514(5f f)18(518(5g g)50506 6P P2(62(6s s)6(66(6p p)10(610(6d d)14614(6f f)18(618(6g g)22(622(6h h)72727 7QQ2(72(7s s)6(76(7p p)10(710(7d d)14(714(7f f)18(718(7g g)22(722(7h h)26(726(7i i)9898原子壳层和分壳层中最多可能容纳的电子数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九、原子的电子壳层结构（3）由能量最小原理）由能量最小原理l 原子中的电子总是从最内层开始向外排；原子中的电子总是从最内层开始向外排；l 原子能级除由主量子数原子能级除由主量子数n决定，还与角量子数决定，还与角量子数l 有关有关;l 我国徐光宪院士总结：能级能量随我国徐光宪院士总结：能级能量随 增大。增大。1s2s3s4s5s6s7s2p3p4p5p6p7p3d4d5d6d4f5f例例1：在主壳层：在主壳层n=3 中，最多可填空的电子数是中，最多可填空的电子数是 ，并写出各量子态。并写出各量子态。18例例2：对应于：对应于n=4 的氢原子的最大角动量为的氢原子的最大角动量为？此时角动量在空间取向如何？此时角动量在空间取向如何？zL十、关于量子力学的争论十、关于量子力学的争论 以以Bohr为首的哥本哈根学派的观点：为首的哥本哈根学派的观点：（1 1）波函数的几率诠释；）波函数的几率诠释；（2 2）测不准关系；）测不准关系；（3 3）互补性观点。）互补性观点。量子力学是统计理论，量子力学是统计理论，是完备的理论。是完备的理论。Einstein认为：认为：“我相信有可能建立一个理论，它能给出实在的完备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。它们的几率之间的关系。量子力学给人的印象是深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，这还不是真正的理刻的。但是一个内部的声音告诉我，这还不是真正的理论。论。这个理论给出了许多结果，但是并没有使我们离这个理论给出了许多结果，但是并没有使我们离上上帝帝的秘密更近一些无论如何，我确信他的秘密更近一些。无论如何，我确信他不玩骰子不玩骰子。”（7 7）材料学、电子学、化学、生物学等。）材料学、电子学、化学、生物学等。十一、后续十一、后续量子力学解释了许多物理现象：量子力学解释了许多物理现象：（1 1）海森伯关于氦原子的理论；）海森伯关于氦原子的理论；（2 2）海特勒和伦敦关于连接同种原子的共价键理论；）海特勒和伦敦关于连接同种原子的共价键理论；（3 3）泡令的化学键理论；）泡令的化学键理论；（5 5）海森伯的铁磁性理论；）海森伯的铁磁性理论；（4 4）布洛赫对周期场中）布洛赫对周期场中 波的计算；波的计算；（6 6）伽莫夫用势垒穿透解释）伽莫夫用势垒穿透解释 衰变。衰变。十一、后续十一、后续量子力学的一些基本概念和诠释难以理解。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，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：令人愉悦而且着迷的。千万不要问：她为什么会这她为什么会这样？样？如果那样你就会走进一条死胡同。如果那样你就会走进一条死胡同。”今日作业今日作业1534，35，37