碱金属原子光谱线系的确定
§4.1 碱金属原子的光谱(PPT-YBY)
原子实的极化和轨道贯穿 （a）原子实的极化：图1.2
图1.1碱金属原子的结构
n b l a nr n n
l值越小极化越强，能量愈底
图1.2 原字实的极化
（b）轨道的贯穿： 贯穿轨道只能发生在偏心率大的轨道，所以l越小贯穿越强，量 子亏损越大。 原子实的发生极化和电子贯穿原子实时电子感受的有效电荷 数将大于1即：Z * 1
一、碱金属原子的光谱的特征 由氢原子光谱和碱金属光谱的比较可以发现，相对于氢原子的 一条谱线在碱金属中会出现几条.例如相对于氢原子的巴尔末线 系 H (| n 3 | n 2) 的谱线可发现明显分裂为三条。
1、碱金属原子光谱的四组谱线分类：（以锂Li原子为例） （1）主线系 np 2s 系限：(229.97nm） 紫外到可见
（2）第一辅线系(漫)和柏格曼线系（基）分裂为三条。
nd 2p
nf 3d
d13 s
(n) 0 d 12 d d 12
2．定性分析：
一条谱线分裂为两条，这表明跃迁的初态和末态所相应的两 条能级中至少有一条分裂成两条；一条谱线分裂为三条，这表 明跃迁的初态和末态所相应的两条能级都分裂成两条。如果末 态分裂了，那么各谱线的分裂间距一定不随谱线的改态可能产生不同的分裂， 从而使谱线的分裂随谱线的不同而不同。
(a) 第二辅线系（锐） ns 2 p （b）主线系
np 2s
（c）第一辅线系（漫） nd 2 p （d）基线系,又称伯格曼线系 nf 3d 3、结论
（1）碱金属原子的能级S是单层的，其余所有 p, d , 等能级都是双层的。
2、碱金属原子的结构及能级
能级只于量子数n有关
由原子的发光机理可推知，碱金属光谱线的分裂是由能级 分裂造成的，即 碱金属原子能级和氢原子能级相比，同一n 的不同l值的能级明显不同。
§21碱金属双线
式中 l r me
电子的轨道角动量 电子的静止能量
U 电子磁矩(内禀磁矩)s在磁场中的势能： s B
E0=mec2
1 s s( s 1), s ; s g s B s s s(s 1) gs B ; 2 1 Zg s B e s l 所以，在电子坐标系中 U 3 4 0 E0 r
钠的黄色D线
但要计算钠3P能级的分裂 却不很容易，(5)式不能直 接用．因为钠的原子核外 有10个电子屏蔽着，使最 后一个单电子感受到的Ze 并非核的电荷，而是有效 电荷z有效e。Z有效=3.5
需要指出，对原子的自旋角动量、轨道角动量和 总角动量有贡献的电子数目不止一个时，理论上 可以证明自旋轨道相互作用引起的附加能量U也 正比于 S L，但公式(5)有的可用，但（6）不能。
(4)
把式(4)和(3)代入式(2)，得到自旋一轨道耦合 项： ( Z )4 E [ j ( j 1) s( s 1) l (l 1)] 0 U , l 0 (5) 3 1
4n
对于单电子：
l (l )(l 1) 2
( Z )4 E0 U 3 ; 2n (2l 1)(l 1) ( Z )4 E0 U 3 ; 2n l (2l 1)
假设是圆轨道；可证明，对任意形状的轨道都适用 电流i在中心处(电子所在位置)产生的磁场大小为： 1 2i 1 Ze B 2 4 0 c r 4 0 c 2 r 2
B Ze 1 Ze ( ) r l 2 3 3 4 0 c r 4 0 E0 r 1
1 当j l , l 0 2 1 当j l , l 0 2
双能级差值
原子物理学褚圣麟第四、五章复习
第四章：碱金属原子和电子自旋锂、钠、钾、铷、铯、钫化学性质相仿、都是一价、电离电势都比较小，容易被电离，具有金属的一般性质。
一、碱金属原子的光谱1、四个线系（锂为例）：其他碱金属光谱系相仿，只是波长不同主线系:波长范围最广，第一条线是红色的，其余在紫外，系限2299.7埃；第一辅线系（漫线系）：在可见部分；第二辅线系（锐线系）：第一条线在红外，其余在可见部分；伯格漫线系（基线系）：全在红外。
2、巴尔末氢原子光谱规律： ,5,4,3),1-21(1~22===n nR v H λ 碱金属原子光谱：2*∞-~~nR v v n = R 为里德伯常数，当，所以∞v ~是线系限的波数，且有效量子数*n 不是整数，Δ==-*n TR n 3、碱金属原子的光谱项：22*Δ)-(n R n R T == 4、同一线系的有效量子数与主量子数差别不大；与某一量子数对应不同线系的有效量子数差别明显，引进角量子数加以区分：5、每一线系线系限波数恰好是另一线系第二谱项值中最大的那个。
共振线：主线系第一条。
6、碱金属原子氢原子能级的比较n 很大时，碱金属原子能级 很接近氢原子能级；n 较小时，碱金属原子能级 与氢原子能级相差大; 且n 相同，l 不同的能级高低差别很大。
二、原子实极化和轨道贯穿：原子=原子实+价电子1、原子实：碱金属原子中的电子具有规则组合，共同点是在一个完整的结构之外，多余一个电子，这个完整而稳固的结构称为原子实。
由于原子实的存在，发生原子实的极化和轨道在原子实中的贯穿。
2、价电子：原子实外的那个电子称作价电子。
价电子在较大的轨道上运动，与原子实结合不是很强，容易脱离。
它决定元素的化学性质，在较大的轨道上运动。
3、原子实的极化：由于价电子的电场的作用，原子实中带正电的原子核和带负电的电子的中心发生微小相对位移，于是负电的中心不再在原子核上，形成一个电偶极子。
① 角量子数l 小：轨道偏心率大(椭圆)，极化强，能量影响大；② 角量子数l 大：轨道偏心率小(接近圆)，极化弱，能量影响小。
钠金属光谱
碱金属原子光谱碱金属原子光谱，特指碱金属锂、钠、钾、铷、铯等元素的光谱。
它们具有相似的结构，明显地分成几个线系。
通常观察到的有主线系、第一辅线系(漫线系)、第二辅线系（锐线系）和伯格曼线系（基线系）。
众所熟知的钠黄光波长为589.3纳米，就是钠光谱主线系的第一条谱线。
碱金属原子都具有相似的结碱金属原子光谱构，内层的z－1 个电子与原子核组成原子实，最外层只有一个价电子，与氢原子有些类似，不同的是电子运动对原子实有极化和贯穿作用，引起不同轨道的电子能态的较大分裂，能级对l的简并解除。
另外由于电子自旋取向不同，引起自旋轨道耦合的能量微小分裂，因此碱金属原子的能级除S态是单层的外，其他P、D、F态都是双层的。
根据单价原子光谱的选择定则，可得出，主线系和锐线系是双线结碱金属原子光谱构，漫线系和基线系为三线结构。
观察结果图1画出了锂原子光谱的四个线系。
从图中可以看到主线系的波长范围最宽、第一条是红色的，碱金属原子光谱其余的都在紫外。
线系限是229.97nm；第一辅线系在可见光区部分；第二辅线系的第一条在红外区，其余在可见光区，这二线系有同一线系限，伯格曼线系在红外区，其他碱金属原子也有相似的光谱线系，只是波长不同，例如钠的主线系的第一条线是大家熟悉的黄色光，波长为589.3nm。
原子结构碱金属原子与氢原子光谱规律相似，是由于它们的原子结构相似，虽然碱金属元素与氢元素的性质极不相同，但它们都只有一个外层电子，称为价电子。
内满充壳层电子与原子核组成原子实，价电子即处于原子实的中心势场中。
按锂、钠、钾、铷、铯的次序原子实内的电子数分别是2、10、18、36、54、86,价电子所在的轨道的主量子数分别为n≥2、n≥3、n≥4、n≥5、n≥6。
能级公式碱金属原子的能级公式与氢原子相似公式式中墹l为量子亏损,是一个与角动量量子数l有关的正数，R是碱金属的里德伯常数。
显然，碱金属的能级不但与n有关，而且与l有关。
上式还可写为Z*称为有效核电荷数。
碱金属原子形成精细结构光谱的选择定则为
碱金属原子因其复杂的内部结构，其光谱发射和吸收特性极其复杂。
这些原子可以形成精细结构光谱，这些光谱特性受到原子内部结构的影响，因此被称为精细结构光谱。
精细结构光谱选择定则是特定原子的精细结构光谱发射和吸收特性的定义。
碱金属原子的精细结构光谱选择定则可以分为两类：外层电子配对和内层电子配对。
外层电子配对定则指的是原子的外层电子受量子数的影响而形成的可观察的能级，外层电子的配对越完善，原子的精细结构光谱行为就越接近理想状态。
内层电子配对定则指的是由内层电子形成的值支配原子的精细结构光谱行为，内层电子的配对越完美，原子的精细结构光谱行为就越接近理想状态。
碱金属原子形成精细结构光谱的选择定则是指原子内部结构和外层电子配对定则，它们决定了碱金属原子形成精细结构光谱的发射和吸收特性。
这些定则是通过电子的配对和内层电子的值支配得出的，因此，可以精确地控制碱金属原子形成精细结构光谱的发射和吸收特性。
高二物理竞赛对碱金属光谱精细结构的解释PPT(课件)
电子在该电场中受到的电场力 同一主量子数n下，碱金属的各轨道能级分的很开
2ep
Balmer系第一条谱线Hα Balmer系第一条谱线Hα 类氢离子体系为Li++ 4×10-4eV; n=3: ΔEr~ 6×10-5eV;
F (r) 40r3 V (r)
类氢离子体系为Li++
计算原子处于2D3/2状态的总磁矩 及投影 的可能值。
2 1/2
2 1/2
nP 2S 电 n=偶2:极Δ子Er延~ 长2. 线2上的电场
2
因此，前面精细结构3/的2讨论只是考虑Δ1E/l2s
n2S1/222P3/2
主线双重线的波数差等于22P1/2 、22P3/2两能态之间的波数差
计算原子处于2D3/2状态的总磁矩 及投影 的可能值。
12S1/2
主线双重线的波数差等于22P1/2 、22P3/2两能态之间的波数差
双E层能Rn级h3lc(间l 2Z隔1*)4 /裂n 距2 ,l 1 ,nR R3l (l21 Z0 19 4)7 3 7 2.3 91 .6cm cm 1 ,11
1 3 7 Z 3 类氢离子体系为Li++
. 原子内部磁场的估算。试估计作用在氢原子2P态电子上的磁场
32S1/2
32P3/2 32P1/2
n=3
32D5/2 32D3/2
12
56 7 3 22P3/2 4
n=2
22S1/2
22P1/2
选择定则： l1,j0,1
实际有几条谱线呢？
四个量子数小结
名称
取值
主量子数 n 1,2,
l 0,1,2,n 1
角量子数 L ll 1
原子物理学4
s
电子的自旋轨道耦合
电子围着原子核做圆周运动， 原子的总磁矩和总角动量都来 源于电子的轨道运动和电子的 自旋。 j l s 总磁矩：
总角动量： P j Pl Ps
价电子
e
Ze
由量子力学可知，Pj也是量子化的， 相应的 总角动量量子数用 j 表示，且有
§4.4 电子自旋同轨道运动的相互作用
电子的自旋
Uhlenbeck and Goudsmit 在1925年提出： 实验依据： （1）史特恩-盖拉赫实验出现偶数分裂的事实 （2）碱金属原子光谱的精细结构
P 电子具有某种方式的自旋； s s ( s 1), s 1 2
相对于外磁场方向，自旋角动量Ps在空间只能取朝上和 P 1 朝下两种取向： s B Psz ms , ms z 自旋磁矩和自旋角动量的关系是：
碱金属原子态的符号：
电子态符号：l 0 ,1, 2 , 3 ,
s, p , d , f ,
比如： n=3时，3s, 3p, 3d
原子态符号：由价电子的诸量子数来描述
L 0 ,1, 2 , 3 , S , P , D , F ,
s 1 2 L l: j ls: ,2 s 1 2 :
2
j
*
j ( j 1) l ( l 1) s ( s 1)
c
j
l
*2
l
*
2
s
*
讨论： (1) n和l相同，s不变，只有j不同，不同的j值具有不同 的能量
l 0 时， j l s l 1 / 2 l 0 时， j l s l 1 / 2，或
碱金属光谱
一、实验目的（1）通过所学的理论知识解释碱金属光谱与氢原子光谱的异同点（2）分析碱金属原子的谱线规律并用实验证明之（3）学会光栅光谱仪的使用方法（及其结构），校准光谱仪并正确测定钠原子光谱（4）由钠原子光谱的波长显示计算光谱项，量子缺和主量子数，学会用里德伯表解决这一复杂问题（5）绘制钠原子能级图及氢原子能级图，并作对比（6）根据钠原子黄双线波长差，估算钠原子实有效电荷数和内部磁场（7）查找相关文献，对本次实验结果进行讨论分析，试图寻找创新点二、实验原理A、钠原子光谱（1）碱金属原子的光谱和氢原子光谱相似，但在能级和谱线系种类方面有所不同（如下表所示）。
我们可以用原子实的极化和轨道贯穿理论很好地解释差别。
注：①为主量子数，为有效量子数，称量子缺、②主要取决于轨道量子数 , 越小，电子轨道的偏心率越大，量子缺也越大。
（2）在（1）表中公式（*）还可写成（）（）表示（,）跃迁到（，）,把作为固定项，记作，固定，（）则一系列构成一个光谱线系，用符号表示各线系。
分别用表示。
B、原子实有效电荷数和内部磁场估算（1）由于电子自旋的两种取向（电子磁矩或，为玻尔磁子），钠原子价电子轨道运动产生磁场B与相互作用，产生附加能或即能级发生分裂，两能级间的能量差为,对应于谱线分裂，精细结构，已知可推出原子内部磁场大小B。
（h ,c ,为常量）（2）又谱线双重能级的间隔可用波数差表示,已知n ,l ,即可推出有效电荷数。
（，为常量）三、实验装置WGD-8型组合式多功能光栅光谱仪、钠光谱灯、汞灯、计算机四、实验内容使用光电倍增管接受方式测定钠原子光谱线五、实验步骤①把光栅光谱仪上的接收方式选择开关扳到光电倍增管位置②将光栅光谱仪电源上的负高压置零，然后先接通光谱仪电源，再接通计算机电源③调节光电倍增管电压至500~800V④从计算机程序菜单中选择“WGD--8A”倍增管系统（启动），系统自动初始化⑤用汞的三条谱线校准光谱仪的波长，把汞灯放于入射狭缝处，调入射/出射狭缝宽度0.05mm左右，后打开汞灯⑥选择软件窗口“参数设置”项，设置参数：模式：E 扫描时间：0.025 nm 增益：2 负高压：3最大值：1000 最小值：0 起始波长：200 nm 终止波长：800 nm重复次数：1次⑦选择“单程”，开始扫描。
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碱金属原子光谱线系的确定
要确定碱金属原子的光谱线系，可以采取以下步骤：
1. 原子光谱测量：使用适当的实验装置，如原子吸收光谱仪或原子发射光谱仪，对碱金属原子进行光谱测量。
这些仪器利用样品中的碱金属原子在特定波长范围内吸收或发射光线的特性来确定光谱线系。
2. 标准样品比较：将测量到的光谱与已知的标准样品进行比较。
标准样品是经过精确测量和确定的，其中包含已知的碱金属原子光谱线。
通过比较样品光谱与标准样品光谱，可以确定碱金属原子的光谱线系。
3. 参考文献研究：查阅相关的科学文献和数据库，如原子光谱数据库，以获得关于碱金属原子光谱线系的信息。
这些文献通常包含了先前研究者的实验数据和光谱线系的详细描述。
4. 理论计算：通过理论计算方法，如量子力学计算或原子结构模型，预测和确定碱金属原子的光谱线系。
这些计算方法可以基于原子的电子结构和能级转移来确定特定的光谱线。
5. 实验验证：将预测的光谱线进行实验验证。
使用先进的实验技术和设备，如高分辨率光谱仪，验证预测的光谱线是否与实际测量结果一致。
综合以上步骤，可以确定碱金属原子的光谱线系。
这些光谱线系的确定对于原子物理学研究、光谱分析和相关应用具有重要意义。