确定原子基态的简便方法
原子物理学课件：第六章 原子的壳层结构
对每一个l，j取l±1/2，对每一个j，mj有2j+1个值 共2(l+1/2)+1+2(l-1/2)+1= 2(2l+1) 对一个l，共有2(2l+1)个量子态
*两套量子数所代表的状态数目相同，一般采用第一种方法
即n，l，ml，ms
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二、原子中电子分布所遵从的基本原理
1、S取可能的最大值时，原子能量最低
2、对1中的S值，则当L取可能的最大值时，原子的能量最低
3、
N
Nl 2
N Nl 2
J大的原子态能量低(反常次序) J=L+S J小的原子态能量低(正常次序) J=|L-S|
N-支壳层中的价电子数
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二、确定原子基态的方法
1、求原子基态S值的方法
(1)
当
N
Nl 2
时，则N个电子的自旋取向相互平行(ms均为1/2)
2 p2
4f6
(2)
当
N
Nl 2
时，则其中 Nl
2
个自旋平行(ms=1/2)
其余
N Nl 2
个自旋反平行(ms=-1/2)
2 p4
4 f 10
原子基态的S值： Smax msi
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2、求原子基态L值的方法
使N个电子的ml按l, l-1, ....-l, l, l-1,....-l的顺序取值
一、标志电子运动状态(量子态)的量子数
1、主量子数 n=1.2.3 … …
2、轨道角量子数 l =0，1，2，3 … … n-1
3、轨道磁量子数 ml =0, ±1, ±2, … … ，± l (很强的磁场中，所有耦合不存在)
用坐标法确定原子(离子)基态
自旋 磁量 子数 ， ｍ 和 ｍ 表示 电子 的 轨道 磁 量子 数 用 和 自旋磁 量 子数 ， 由角 动量 的矢 量耦 合 模 型 （ ） Ｍ …
＝ ，
而（ …＝、 ■ｍ ， ， Ｍ ） ｛— ； 因而有 ｌ
Ｌ：ｆ
＼
ｍ： ｌ
／…
（） １
数 ｎｚ 、一定 ， ０ ± ， ２ … ， ｚ可有 ２＋ ｍ ＝ ，ｌ± ， ±， ／ １个值 ， ｍ
１
ｍ 表示第 ｉ 电子 的 ｍ 值 ， ； 个
层 电子取 和．
表 示 对 外 层 未 满 壳
＝ ÷， ± 可有两个值 ， 所以各次壳层可容纳的最多电子
数是 ２ ２＋ ） 不 同次壳层 可容纳 的最 多 电子数 为 ： （１１．
。
同理 有
（ ２）
ｓ
，
Ｐ ｄ ， “ ｇ ， ， ｆ …
中 图分 类 号 ： ６ ． Ｏ５ ２ ２ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ０ ０ １ （ ０ １ ０ — ０ ４ ０ １０ —７ ２ ２ １ ） ９０ ３ —４
原子 （ 子 ） 离 基态 的确 定 ， 是基 础 原子 物 理 学 研
究 中的一 项重 要 内容． 常规 的确 定 方法 是 ： 由基 态 原 子（ 离子 ） 电子组 态 （ 的 满壳 层 的 电子 可 不 考 虑 ） 按 ，
ｓ耦 合 法则 ， 确定 出可能 的原 子 （ 子 ） ， 依 照 离 态 再
洪特 （ ． ｕ ｄ 定 则 ， 诸 多 可 能 的 原 子 （ 子 ） ＦＨｎ） 在 离 态 中， 挑选 出 能量最 低 的状 态—— 此 即原 子 （ 子 ） 离 的
子） ． 同的原子 （ 子） ， 应有不 同的能量 ， 态 不 离 态 对 能量 的高 低服 从洪 特定 则． 洪特定 则 可表 述为 ： １ ）由同一 电子组 态构 成 的各原 子 （ 子 ） 中 ， 离 态
原子基态的简便确定方法
原子基态的简便确定方法
原子基态是指原子核周围电子能级中最低能量水平的电子配置，包括原子态、分子态、离子态及各类复杂的分子态，它可以描述原子运动及相互作用中的基本状态。
本文将介绍如何通过简单的方法来确定原子基态。
一、通过体系构型确定原子基态
1. 根据原子的价电子数，利用多原子构型排布的规律，可以推断出所有分子态的原子结构。
2. 其中，像氢、氯、氟等碱金属元素，可以根据构型确定其原子态，如He，Ne等元素为1s2 2s2构型，即其原子态是双原子态。
3. 根据原子的化学价，可以通过最低能量配置原理来确定其配置，如果原子与其他原子构型相邻，可以由共价键结构来推断出多原子态配置。
二、利用物理性质确定原子基态
1. 吸光谱法：利用吸收不同电离状态原子和分子发射的光的特性，确定原子的电子结构，从而确定原子的基态。
2. 磁共振法：利用分子或原子核核磁共振信号电磁波的特性，可以对原子的电子配置及所处基态进行研究，以此确定原子基态。
3. 质谱法：利用电离质谱，可以追踪及描述电子电荷分布及构型等特性，以此确定原子的配置及基态。
三、利用数值模型确定原子基态
1. 由于原子的结构可以很好的用数值运算来表示，因此可以利用数值模型来确定原子的基态。
2. 利用Schrödinger方程来确定原子的独立性质，并由此得出原子的最终基态。
3. 利用量子化学计算软件，利用数值模拟方法，从不同关联力和电子交换能中来确定原子的基态。
总之，确定原子基态可以利用体系构型、物理特性和数值模型等简单方法来得出答案。
通过这些方法，可以较为准确地描述原子的电子结构，更加清楚地了解原子的物理行为。
原子的基态与激发态、电子云与原子轨道
第2课时 原子的基态与激发态、电子云与原子轨道[目标定位] 1.知道原子的基态、激发态与光谱之间的关系。
2.了解核外电子运动、电子云轮廓图和核外电子运动的状态。
一、能量最低原理和原子的基态与激发态1．原子的电子排布遵循构造原理能使整个原子的能量处于最低状态，简称能量最低原理。
(1)处于最低能量的原子叫做基态原子。
(2)当基态原子的电子吸收能量后，电子会跃迁到较高能级，变成激发态原子。
(3)基态、激发态相互间转化的能量变化基态原子 吸收能量释放能量，主要形式为光激发态原子 2．不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光，若用光谱仪摄取各种元素的电子的吸收光谱或发射光谱，则可确立某种元素的原子，这些光谱总称原子光谱。
(1)玻尔原子结构模型证明氢原子光谱为线状光谱。
(2)氢原子光谱为线状光谱，多电子原子光谱比较复杂。
3．可见光，如灯光、霓虹灯光、激光、焰火……都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。
(1)基态原子电子按照构造原理排布(即电子优先排布在能量最低的能级里，然后依次排布在能量逐渐升高的能级里)，会使整个原子的能量处于最低状态，此时为基态原子。
(2)光谱分析不同元素的原子光谱都是特定的，在现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。
1．下列说法正确的是( )A ．自然界中的所有原子都处于基态B ．同一原子处于激发态时的能量一定高于基态时的能量C．无论原子种类是否相同，基态原子的能量总是低于激发态原子的能量D．激发态原子的能量较高，极易失去电子，表现出较强的还原性答案 B解析处于最低能量的原子叫做基态原子。
电子由较低能级向较高能级跃迁，叫激发。
激发态原子的能量只是比原来基态原子的能量高。
如果电子仅在内层激发，电子未获得足够的能量，不会失去。
2．对充有氖气的霓虹灯管通电，灯管发出红色光。
产生这一现象的主要原因是() A．电子由激发态向基态跃迁时以光的形式释放能量B．电子由基态向激发态跃迁时吸收除红光以外的光线C．氖原子获得电子后转变成发出红光的物质D．在电流的作用下，氖原子与构成灯管的物质发生反应答案 A解析解答该题的关键是明确基态原子与激发态原子的相互转化及其转化过程中的能量变化及现象。
元素周期表详解
元素周期表一、元素性质的周期性： 1、周期表：2、周期性的表现：（1）化学性质的周期性。
在周期表中，排列在同一竖列的元素具有相似的化学性质。
（2）光谱结构的周期性。
在周期表中，同一竖列的诸元素都有相仿的光谱结构。
（3）电离能的周期性变化。
在表中同一横行电离能由小到大逐渐增加，即碱金属元素的电离能最小，然后顺次逐渐增加，到惰性元素，电离能最大。
（4）一些物理性质也呈出周期性的变化。
如：“原子体积”，“体膨胀系数”“压缩系数”。
（5）元素周期表中的“幻数”。
元素周期表中七个周期依次含有2、8、8、18、18、32、17种元素，这些数在历史上被称为“幻数”，这是由于早期人们对这种现象不理解的缘故。
二、原子中电子的壳层排布结构—元素周期性的原因自从元素周期表发现后的五十年内，人们不能对元素性质的周期性做出满意的解释。
第一个对周期性给与物理解释的是玻尔，他在1916年到1918年期间，把元素按电子组态的周期性排列成表，类似于元素周期表，当时对未发现的第72号元素，按以前的周期表，人们认为它应该属于稀土元素（镧系）。
但按照玻尔的排列方法，它应该类似于锆（4091.2Zr ）。
1922年，在哥本哈根大学的玻尔创立的研究所里，确实从锆矿里找到了这一新元素，并定名为铪（72178.5Hf ），这里玻尔依靠的是“直觉”，只是在1925年泡利提出不相容原理之后，才比较深刻的理解到，元素周期性是电子组态的周期性的反映，而电子组态的周期性则联系于特定轨道的可容性。
这样化学性质的周期性用原子结构的物理图像得到了说明，从而使化学概念“物理化”，化学不再是一门和物理学互不相通的学科了。
1、电子的状态的描述：元素的性质决定于原子的结构，也就是原子中电子所处的状态。
原子中一个电子的状态是由s l m m l n ,,,四个量子数确定的。
这四个量子数确定了，则电子的运动情况就确定了，它们代表了电子的运动情况。
（1）主量子数1,2,3n=代表电子运动区域的大小和它的总能量的主要部分，按轨道描述也就是轨道的大小。
原子基态的确定
中心力场近似下，考虑到电子自旋量子数 ，第 i 个电子的
量子态由四个量子数ni 、 li 、 mli 和 msi 来表征
unilimi (ri ,i ,i ) msi (sz )
i ni ,li
黄永义 交大光信息系
电子组态: 原子中各个电子所处状态 (ni , li ) 的集合。
黄永义 交大光信息系
24.58
•光谱有两套线系，一套是
单线结构，另一套具有复
杂的结构。
“正氦”与“仲氦”
•每套线系分成主线系、第 一、第二辅线系等。
•第一激发态19.77eV，电 离能24.58eV，特大
•能级也分为两套，一套是 单层的，一套是三层的。 三重态的能级总是低于相 应的单态的能级？ •单态和三重态无跃迁？ 基态不是3S1而是1S0？
第i个电子的总势能
Vi (r)
Ze2
4π 0ri
Vai (r)
黄永义 交大光信息系
第i个电子的定态薛定谔方程
[
2 2m
2 i
Vi
(ri
)]ui
(ri ,i
Vi
,i
(r) )
i
ui
Ze2
4π 0ri
Vai (r)
(ri ,i ,i ) i 1,2,
,
四量子数？ (n、l 、m)
n 1
Nn (2l 1) n2 2n2 l0
电子的第四量子数就是电子自旋
黄永义 交大光信息系
四. 原子的壳层结构
玻尔：原子内的电子按一定的壳层排列，每一壳层内的电子都有相
同的主量子数，每一个新的周期是从电子填充新的主壳层开始，元
原子结构知识：原子的激发态和基态的区别
原子结构知识：原子的激发态和基态的区别原子是物质的基本单位，也是组成所有物质的基本构建块。
原子由原子核和电子组成，其中电子绕着原子核旋转。
原子有两种状态：基态和激发态。
本文将探讨原子的这两种状态的区别。
首先，我们来谈谈基态。
基态是指原子中所有电子都在它们最低能量的轨道上。
这种状态是最稳定的状态。
一个原子的基态状态可以通过在低压气体中观察原子发射光谱来确定。
当电子吸收一些能量时，它可以从基态进入激发态。
那么，什么是激发态呢？激发态是指原子中至少有一个电子不在它们最低能量的轨道上。
当电子从低能级轨道到高能级轨道时，原子处于激发态。
当电子从高能级轨道到低能级轨道发生跃迁时，原子会释放能量，并回到基态。
电子在轨道之间发生跃迁时，会吸收或释放光子能量。
这些光子被吸收或释放的能量可以通过原子的光谱来测量。
原子的光谱可以确定哪些能量级别可以被电子占据，以及电子从一个水平跃迁到另一个水平会涉及哪些能级。
激发态和基态的区别在于能级。
在激发态中，电子运动的能量比在基态中高。
在基态中，所有电子都在它们最低能量的轨道上。
相比之下，在激发态中，至少有一个电子不在它们最低能量的轨道上，所以它的能量更高。
激发态和基态的区别也可以通过原子的反应和化学行为来表现出来。
当一个原子处于激发态时，它比基态更容易与其它原子或分子相互作用，因为它的能量更高。
例如，激发的氢原子容易与氧分子反应生成水。
对于原子的应用，基态和激发态都有不同的应用。
例如，在荧光灯中，电流通过气体中的气体原子时，会将不少原子的电子处于激发态。
当这些电子从高能量轨道回到低能量轨道时，它们释放能量并发出光。
因此，荧光灯中的光是由激发态到基态的跃迁产生的。
在激光技术中，电子在高能级轨道和基态之间快速跃迁并且放出能量。
这种能量会被聚焦并通过光子释放。
因此，激光技术可以用于医学、研究和其他的应用中。
总而言之，原子的基态和激发态有不同的能量状态，这个状态影响了原子所表现的化学和物理特性。
确定原子基态的一般方法
确定原子基态的一般方法1确定原子基态的一般步骤确定原子基态的一般步骤是指，在原子的配置结构中，通过电子的能量层次、电子轨道及能量等方面，确定元素在自然界中具有最低能量的基态和激发态。
根据晶格和（量子）电子理论可以给出不同原子的基态，以便在不同的原子中能准确描述电子的分布和自旋态。
2晶格方法晶格方法是一种理论方法，用于准确地建模出原子和分子的能带结构。
该方法可以准确计算出原子基态能量，从而帮助确定物质的结构过程。
晶体的电子结构可以表示为由一系列的电子能量等级组成的能带，因此可以使用分层原子结构进行求解。
3多中心场方法多中心场方法是一种基于多元化的模型的经典物理理论，用来确定原子基态的一般步骤。
本质上，此方法利用经典力场（Coulomb力）和动能运动方程来计算原子的配置结构，以及电子轨道和能量之间的关系，以计算出原子基态能量及其排序。
4统计力学方法统计力学方法主要用于研究原子配置的热力学性质，结合多核和多中心场的理论来计算原子的基态。
这一方法综合了多核和多中心场的理论，并考虑在质子和电子分布场中的重叠不完全，通过相应的迭代计算，可以获得较为准确的结果。
5轨道组合方法轨道组合方法是根据确定原子基态来计算原子能量的一种方法。
在轨道组合方法中，原子由多个电子轨道组成，每个电子轨道都有一定的电子质，和一定的离子核电荷，以及与离子核的相互作用和量子力学的能量。
与晶格方法不同的是，轨道组合方法能够准确描述每个电子轨道的特性，以及每个电子轨道在原子配置中的能量分布。
确定原子基态的一般步骤通常都包括晶格方法、多中心场方法、统计力学方法和轨道组合方法等，其中各种方法各有所长，因此在求解原子基态时，可以根据具体问题来综合使用各种方法，达到更准确的解。
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十① 十② 十③ 十④ 十 ⑤ ⑩ ⑨ ●⑧ ●⑦ ● ⑥
图 １
即不能 有完 全相 同 的 ４个量 子数 （ ｆｍｚｍ ． 、、 、 ） ２ ）洪 特 规 则 ： 同 一 电 子 组 态 形 成 的 能 级 从
中：１ （ ）重 数 较 高 的 （ 较 大 ） 级 位 置 较 低 ； Ｓ 能
Ｓ ＴＡＴＥ ｏＦ ＡＴｏＭ
Ｚｅ ｇ Ｙｏ ｚ ｉ Ｌｕ Ｐｅ ｍ ｉ ｎ ｎｇ ｈ ｉ ｎ
（ ｙ ｉｓａ ｄ Ｉ ｆｒ ｔｏ Ｐｈ ｓｃ ｎ ｎｏ ｍａ ｉｎＥｎｇｎ ｅ ｉｇＣｏｌ ｇ ｉｅ ｒｎ ｌ ｅ，Ｆｕ ｈ ｕＵ ｎｖ ｒｉｙ，Ｆｕ ｈ ｕ，Ｆｕｉｎ ３ ０ ０ ） ｅ ｚ ｏ ｉ的 电子构 成 的能 级 一般 具 有 正 常 次序 ， 即 小 的能级 低 ， Ｊ— Ｊ Ｌ—ｓＪ 由一 个 ；
确定 后 ， 如何 确 定 原 子 可 能 的能 量 状 态 是 原 子 物 理 学研究 的重 要 内容 之 一 ， 一 电 子组 态 可 以形 同 成 很多 的原 子 态 ， 在众 多 的 原 子 态 中 ，如 何 来 确
充 方 式 ， 得 ５具 有 最 大 值 ， 使 而 以 一 ｚ 一 （ 一 ， ｚ
可 能 出 现 两 个 电 子 具 有 相 同 的 量 子 数 ， 满 足 泡 即
不 满 的次壳层 ３ 有 ６个 电子 ， 即
ｄ一 一 ２， １， ＋ １， ２ 一 ０， ＋
千 十 千 千 千
．
利不 相容 原理 ； 其次 ， 电子 优 先采 用 平 行 自旋 的填
物 理与工程
Ｖｏ． ０ Ｎｏ ３ ２ １ １２ ． ０ ０
确 定 原 子 基 态 的 简 便 方 法
曾 永 志 陆培 民
（ 州大 学物理 与信 息工 程 学院 ， 福 福建 福 州 ３ ０ ０ ） ５ １ ８
（ 收稿 日期 ：２ｏ —６１ ； 回 日期 ：２０ —０１ ） ｏ８０ —６修 ０ ９１ —６
（ ）重 数 相 同 的 （ 相 同 ） 级 中 ， 最 大 的 位 置 ２ Ｓ 能 Ｌ
②计 算ｍ 一∑ ｍ，ｓ 一∑ ， ， ｍ 令ｍ 一
ｍＬ＋ ｍｓ；
最低．
③ 令 Ｌ— Ｉ ｍ ｌＳ— ｌ ， ， ＩＪ— ｌ ｌ 再将 ｍｓ ｍ ，
原 子 的 基 态 表 示 为 ¨Ｌ ． Ｊ
Ｔｈｅ ｐａ ｒ ｐｒ ｖ ｄ ｓ ａ ｓｍｐ ｅ ａ ｎ ｕｉｉ ｎｉｔｃｍ ｅ ｈｏ ｏ ｄｅ ｅ ｍｉ ｈ ｔ ｍｉ ｒ ｎｄ ｓ ａ ｅ ｐｅ ｏ ｉ ｅ ｉ ｌ ｎｄ ｉ ｔ ｔｏ ｓ ｉ ｔ ｄ ｔ ｔ ｒ ｎｅ ｔ ｅ ａ ｏ ｃ ｇ ｏｕ ｔ ｔ ．
摘 要 如 何 确 定 原 子 的基 态 是 原 子 物 理 学研 究 的 重 要 内容 ， 文 介 绍 一 种 简 便 又 直 观 的确 定 本
原子 基 态的方 法．
关键 词 原 子基 态 ； 利原理 ； 泡 洪特 规则
Ａ Ｉ ＰＬＥ ＥＴＨ ＯＤ ＳＭ Ｍ Ｔｏ ＤＥＴＥＲＭ Ｉ ＮＥ ＴＨＥ ＧＲｏＵＮＤ
确 定 原 子 的基 态 ｕ ： Ｊ １ ）泡 利 不 相 容 原 理 ： 一 个 原 子 中 ， 可 能 在 不 有两个 或两 个 以上 的 电子 具 有 完 全 相 同 的状 态 ，
以 ｄ电子 （ 一２ 为例 ， ｚ ） 确定 原 子 的基 态 的基
本程 序 为 ：
① 将 十（ 表示 自旋 取 向） 图 １的次 序 填 充 按 ｍ 各值 ；
Ａ ｂ ｔａ ｔ Ｈ ｏ ｔ ｅ ｅ ｍ ｉ ｔ ｉ ｒ ｕｎ ｔ ｔ ｓｓ ｇ ｆｃ ｎ ｏ ｔ ｔ ｄ ｆａ ｏ ｉ ｙｓｃ ． ｓｒ ｃ ｗ ｏ ｄ ｔ ｒ ｎｅ ａ ｏｍ ｃ ｇ ｏ ｄ ｓ ａ ｅ ｉ ｉ ｎｉｉａ ｔｔ ｈｅ ｓ ｕ ｙ ｏ ｔ ｍ ｃｐｈ ｉｓ
３ ）正倒序 规 则 ： ｓ相 同 的条 件 下 ， Ｌ、 由一 个
＊资助 项 目 福 建 省 教 育厅 科 研 项 目（ 准 号 ８ ６ ３ ） 批 ２ ４ ８
物理 与 工程
Ｖｏ． ０ Ｎｏ ３ ２ １ １２ ． ０ ０
用 以上 的方 法 ， 以保 证 前 面介 绍 的 ３个 规 可 则都 得 到满足 ．首 先 ， 以这 样 的次 序 填 充 电子 ， 不
种 确定 原子基 态 的简便且 直观 的方法 ．
为零 ， 定原 子态 时可 以不 考虑 ， 确 只考 虑不 满 次壳
层 即可．例如 硅原 子 Ｓ（ ＝ １ ） 其 基 态 电子 组态 ｉＺ ４ ， 为 １ ｓ２ ｓ３ 。 ｓ Ｐ ３。 ｐ ，在 确定 原 子态 时 只须 考 虑 ２ ２ 个 Ｐ电子 即可 ．除 此 以外 ， 般 根 据 以 下 规律 来 一
定 原子 的能量 最低 状态 （ 基态 ） ？ 呢 首先 当电子 填 满 次 壳 层 时 ， 子 的 总 角动 量 原
次壳 层满额 半数 以上 的 电子构 成 的能 级一 般 具有
倒转 次序 排列 ， Ｊ大 的能级低 ， 即 Ｊ— ｌ Ｌ＋ Ｓ １ ． 用上 述 的方 法 处 理 原 子 基 态 是 比较 繁 琐 的 ， 而 且在 处理复 杂 的原 子时 容 易 出错 ．本文 介 绍 一
Ｋｅ ｏ ｄ ｇｒ ｕｎ ｔ ｔ ｔ ｍ ；Ｐａ ｉｐｒｎ ｉ ｌ Ｈ ｎｄ ｒ ｌ ｙＷ ｒ ｓ ｏ ｄ ｓａ ｅ ｏｆａ ｏ ｕｌ ｉ ｃ ｐ ｅ； ｕ ｕ ｅ
原 子 中 的 电 子 具 有 占据 能 量 最 低 能 级 的倾 向， 能量 越低 ， 状 态越 稳 定 ．在原 子 的 电子组 态 其