通過(guò)原子光譜可以知道原子內(nèi)部,而原子能級(jí)的分布又反映了 原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)情況.從類氫離子的能級(jí)公式可以看出:類氫離子的能級(jí)就相 當(dāng)于把氫原子能級(jí)公式中的整數(shù)n用n/Z來(lái)代替. ++ He離子是典型的類氫離子.He離子的原子核有2個(gè)正電荷,外面有1 §4.8 粗纖維測(cè)定儀原子和分子的結(jié)構(gòu)、能級(jí)和光譜 。叮 + 個(gè)電子在運(yùn)動(dòng).He離子的能級(jí)相當(dāng)于氫原子能級(jí)中的整數(shù)n用0.5,1,1.5, + 2,2.5,3,.來(lái)代替.由于He離子核的質(zhì)量比氫核重,相對(duì)應(yīng)的能級(jí)應(yīng)該 + 略有差別.He離子光譜的實(shí)驗(yàn)很好地驗(yàn)證了這點(diǎn). 化學(xué)元素是按原子序數(shù)來(lái)確定的.如果某種元素的原子核的質(zhì)量(相當(dāng)于 相對(duì)原子質(zhì)量)可以有幾個(gè)不同的值,則稱為該元素有幾種同位素.如果有兩 種氫原子核,它們都是帶單位正電荷,但它們的質(zhì)量不同,則氫有兩種同位 素.自然界的氫實(shí)際上是這兩種氫的同位素按一定比例的混合物.氫的兩種同 位素的能級(jí)分布會(huì)有微小的差別,并且應(yīng)能在氫原子光譜中觀察到.
如果氫的兩種同位素的質(zhì)量之比大體上為 12 m(H)∶m(H)=1∶2, 則它們對(duì)應(yīng)的能級(jí)值之比約為 12 E(H)∶E(H)=0.9 99973∶1. 光譜實(shí)驗(yàn)確定自然界的氫確實(shí)由兩種同位素1H、2H組成.兩種同位素的比例 12 約為H∶H=6700∶1. 圖4-16 氫原子的明線光譜 堿金屬原子的能級(jí)結(jié)構(gòu) 最外層有1個(gè)價(jià)電子的金屬元素是堿金屬元素,堿金屬有鋰、鈉、鉀、 銣、銫、鈁.堿金屬原子的原子序數(shù)是Z,它的結(jié)構(gòu)是原子核外有Z-1個(gè)電 子構(gòu)成滿殼層,再有一個(gè)價(jià)電子在外面運(yùn)動(dòng).考察堿金屬原子的能級(jí)結(jié)構(gòu),從 物理上看,堿金屬原子可以看作由一個(gè)原子核和Z-1個(gè)滿殼層電子組成的比 較緊密的 “原子實(shí)”和一個(gè)價(jià)電子構(gòu)成.價(jià)電子處于不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就表現(xiàn) 為堿金屬原子的不同能級(jí).這樣堿金屬原子很像一個(gè)氫原子,原子實(shí)帶的電荷 和質(zhì)子相同,只不過(guò)原子實(shí)的空間體積是比較大的,遠(yuǎn)大于質(zhì)子的體積.此 外,價(jià)電子的最低能級(jí)也不是在n=1的殼層上.對(duì)于鋰,價(jià)電子可在的殼層 為n=2,3,..對(duì)于鈉,價(jià)電子可在的殼層為n=3,4,..對(duì)于鉀,價(jià)電 子可在的殼層為n=4,5,..對(duì)于銣,價(jià)電子可在的殼層為n=5,6,.. 對(duì)于銫,價(jià)電子可在的殼層為n=6,7,..能級(jí)為 me4 en222 E=- 2(4πε)..(n- 1Δ) . 0l 和氫原子相比較,只相當(dāng)于把n換成n-Δ.這個(gè)改變的物理來(lái)源是由于原子 l 。叮 第四章 原子分子世界 §4.8 原子和分子的結(jié)構(gòu)、能級(jí)和光譜 。叮 在這個(gè)范圍內(nèi)就表現(xiàn)為可見(jiàn)光的線原子光譜,能量高于這個(gè)范圍的就表現(xiàn)為紫 外線或X射線的線原子光譜. 4.原子光譜的頻率覆蓋了從X射線起波長(zhǎng)等于或大于X射線的各波段的 電磁波. 通過(guò)多電子原子光譜可以知道多電子原子內(nèi)部能級(jí)的分布.多電子原子能 級(jí)的分布反映了多電子原子內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)情況. 單原子分子的結(jié)構(gòu)和能級(jí)和原子的是一樣的.能級(jí)基本上取決于電子的運(yùn) 動(dòng)狀況,即 “電子能級(jí)”. 多原子分子的能級(jí)結(jié)構(gòu) 多原子分子的結(jié)構(gòu)不同于單個(gè)的原子,分子中有多個(gè)相對(duì)基本固定的原子 核.一個(gè)分子由幾個(gè)原子結(jié)合而成,各個(gè)原子核之間有一定固定的距離,這時(shí) 分子是最穩(wěn)定的.各原子核之間的距離也可以大于或小于平衡距離,這時(shí)原子 核就受到指向平衡位置的彈性力,在偏離平衡位置距離不大時(shí),這是一個(gè)簡(jiǎn)諧 彈性力,這就使組成分子的各原子之間有振動(dòng).幾個(gè)原子組成一個(gè)分子時(shí),一 般不是球形分布,這樣分子就可以有整體轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng).因此,多原子分子的運(yùn) 動(dòng)狀態(tài)有三種類型的運(yùn)動(dòng):所有電子的分布運(yùn)動(dòng)、原子核在平衡位置附近的振 動(dòng)、多原子分子的整體轉(zhuǎn)動(dòng).多原子分子的能級(jí)由三個(gè)主要部分組成:電子能 級(jí)、振動(dòng)能級(jí)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí).
1.電子能級(jí):分子中的電子在兩個(gè)或多個(gè)原子核場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),形成不同能 量的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài).分子的各電子能級(jí)之差的數(shù)量級(jí)和原子的相近.可見(jiàn)光的 光子的能量范圍大體上從1.7 77eV到3.10eV.如果分子的電子能級(jí)之間發(fā)生 躍遷,所產(chǎn)生的光譜一般在可見(jiàn)光和紫外線區(qū)域. 。玻駝(dòng)能級(jí):組成分子的各原子在其平衡位置附近作微小的振動(dòng),振動(dòng) 的能量是量子化的,形成了振動(dòng)能級(jí).1 Eν=nν+ 2hν0, n =0,1,2,. ν ν稱為分子的振動(dòng)頻率,n 稱為振動(dòng)量子數(shù). 0ν 雙原子分子只有一種振動(dòng)模式,多原子分子可以有多種振動(dòng)模式.這時(shí)振 動(dòng)的能量是幾種模式振動(dòng)能量之和.出現(xiàn)幾個(gè)相互獨(dú)立的振動(dòng)頻率和幾個(gè)相互 獨(dú)立的振動(dòng)量子數(shù). 現(xiàn)在來(lái)估計(jì)振動(dòng)能級(jí)間隔的數(shù)量級(jí).考慮兩個(gè)原子結(jié)合成一個(gè)分子,兩個(gè) 原子之間由電荷間的吸引力結(jié)合成分子,但是它們離得近時(shí)又有很強(qiáng)的排斥 力,這樣兩個(gè)原子相隔一定距離時(shí),它們是穩(wěn)定的.兩個(gè)原子之間的勢(shì)能可以 寫(xiě)作 其中A是原子的折合質(zhì)量數(shù),可取作原子的質(zhì)量數(shù)的一半; mp是質(zhì)子的質(zhì)量. 如果用n=2的公式來(lái)估計(jì),取原子的折合質(zhì)量數(shù)為12, r0 為玻爾半徑,則可以估計(jì)出振動(dòng)能級(jí)的相鄰能級(jí)之間的間 隔為0.367eV,相對(duì)應(yīng)的電磁波的波長(zhǎng)為3.38μm,屬于微 米波的范圍. 振動(dòng)能級(jí)的特征是同一振動(dòng)模式的相鄰
能級(jí)之間的間隔 是均勻的,是一個(gè)確定的能量.振動(dòng)能級(jí)的間隔比電子能級(jí) 的間隔小,如果只有振動(dòng)能級(jí)間的躍遷而沒(méi)有電子能級(jí)間的 躍遷,所產(chǎn)生的光譜叫做純振動(dòng)光譜,它落在近紅外線區(qū), 波長(zhǎng)為幾微米的數(shù)量級(jí).圖4-17是振動(dòng)能級(jí)的示意圖.圖4-17 振動(dòng)能 。常D(zhuǎn)動(dòng)能級(jí):分子整體繞質(zhì)量中心的轉(zhuǎn)動(dòng).轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)也級(jí)特征 是量子化的,形成了轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí). EJ= h28π2IJ(J+1),。剩剑埃,2,. I稱為分子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,J稱為轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù). 。 66 第四章 原子分子世界 n-1n-100 V(r)= e21r-1= α..c1r-1, 4πε0rnrrnr 其中 α是精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù),r是標(biāo)志兩個(gè)原子之間距離的參量,n是大于1的整 0 數(shù). 這個(gè)勢(shì)能在r=r附近可以近似寫(xiě)作 0 V(r)= α..c1-n+ α..c(n+2)(n-1) (r-r). 20 rn2r 00 由此可以得到振動(dòng)能級(jí)間隔為 3 ΔE =..ω的光譜,則會(huì)發(fā)現(xiàn)在白光的連續(xù)光譜中出現(xiàn)兩條頻率很接近的黃色的暗 線光譜.這暗線的位置就是原來(lái)明線的位置.這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明:原子和分子能發(fā) 射什么頻率的光,也就善于吸收什么頻率的光. 如果原子或分子已經(jīng)處于高激發(fā)態(tài),平均經(jīng)過(guò)一定時(shí)間(稱為這個(gè)激發(fā)態(tài) §4.0 激光 。 1。 的平均壽命),它就會(huì)自動(dòng)躍遷到基態(tài)或低激發(fā)態(tài),從而放出具有確定頻率的 光子.這稱為原子或分子的自發(fā)輻射.激發(fā)態(tài)的平均壽命一般為10-9~10-8s 的量級(jí). 原子或分子的自發(fā)輻射過(guò)程可以用概率的語(yǔ)言描寫(xiě).如果原子或分子已經(jīng) 處于高激發(fā)態(tài),它在每一時(shí)刻t都有一定的概率躍遷到基態(tài)或低激發(fā)態(tài).令 λ 為單位時(shí)間內(nèi)躍遷發(fā)生的概率,稱為躍遷概率.如果在某一時(shí)刻t有N(t)個(gè) 原子或分子處于高激發(fā)態(tài),則在dt時(shí)間中將有dN個(gè)原子或分子發(fā)生躍遷,因 此有 dN=-λN(t)dt. 這里躍遷概率是一個(gè)常量,等式右邊出現(xiàn)負(fù)號(hào)是代表由于躍遷總是減少處于高 激發(fā)態(tài)的原子或分子的數(shù)目.這個(gè)方程的解為 -λt N(t)=N(0)e. 原子和分子的自發(fā)輻射會(huì)表現(xiàn)出以下特點(diǎn): 。保词勾罅吭佣家呀(jīng)處于高激發(fā)態(tài),它們并不會(huì)同時(shí)集中地一起躍遷. 它們躍遷的速率由激發(fā)態(tài)的平均壽命所決定. 。玻畯哪骋患ぐl(fā)態(tài)躍遷到另一較低能量的態(tài)所發(fā)射出的光子頻率是確定的. 但處在不同激發(fā)態(tài)的原子或分子所發(fā)射的光子的頻率就可以不同,顯現(xiàn)出多條 明線光譜和帶光譜. 3.發(fā)射的光子的方向、偏振方向都是空間各向同性的隨機(jī)均勻分布. 上面講的暗線光譜的實(shí)驗(yàn)正說(shuō)明了這個(gè)性質(zhì),白光穿透酒精燈火苗區(qū)域 時(shí),其中的黃光被鈉原子選擇吸收,進(jìn)入激發(fā)態(tài).然后這些鈉原子再躍遷到基 態(tài)時(shí),再把這些黃光發(fā)出來(lái)
.但這時(shí)發(fā)出的黃光是朝四面八方各向同性地發(fā)出 的,而仍沿原來(lái)白光的方向的就微乎其微了.這樣在原來(lái)的白光中反而只能看 到暗線光譜了. 。保梗保纺,愛(ài)因斯坦從理論上預(yù)言了原子和分子還可以有 “受激輻射”.已 經(jīng)處于高激發(fā)態(tài)的原子或分子,如果有一個(gè)光子穿過(guò)這個(gè)Δν, L= Δcν=λΔνν; 激光的單色性好表現(xiàn)在譜線的頻寬 Δν很窄,從而決定激光的相干長(zhǎng)度長(zhǎng).氦 氖激光器輸出的波長(zhǎng)為632.8nm的紅光束,它的相干長(zhǎng)度為L=632.8nm× 10 6.3×10≈40km.激光是一種極好的相干光源. 激光的應(yīng)用 。保す鉁y(cè)距— ———測(cè)量月亮到地球的距離誤差只有10cm,即精確到2.6× -10 10. 。玻す饧庸ぁ ——利用激光的高亮度和高定向性的特點(diǎn),可以把激光的輻 射能量集中在很小的一定空間范圍內(nèi),產(chǎn)生幾千攝氏度到幾萬(wàn)攝氏度的局部高 溫.在這溫度下,任何金屬和非金屬材料都會(huì)迅速熔化或汽化.可以利用激光 進(jìn)行多種特殊的非接觸特種加工作業(yè).例如,激光很適合用于在熔點(diǎn)高、硬度 大的材料上打孔,打的孔可以很細(xì)很深.激光打孔的孔徑可以小到5μm,比 機(jī)械加工打孔的孔徑要小一個(gè)數(shù)量級(jí).同樣原理,還有激光焊接和激光切割. 。常す忉t(yī)序— ———一種新型的以激光為基礎(chǔ)的醫(yī)療和診斷手段得到了迅速 的發(fā)展,激光治療的方式包括輻照、燒灼、汽化、焊接、光刀切割、光針針灸 。罚 第四章 原子分子世界 等. 。矗す馔ㄓ崱 ——激光通訊是把聲音、圖像或其它信息調(diào)制到激光載波上 發(fā)送出去.激光通訊的優(yōu)點(diǎn)是:傳送信息容量大、通訊距離遠(yuǎn)、保密性高、抗 干擾性強(qiáng).激光通訊可以分為地面大氣通信、宇宙空間通信、光學(xué)纖維通信等 幾大類. §4.1 11。厣渚與同步輻射光源 X射線 1895年1 11月8日,倫琴(WilhelmKonradR..ntgen)在暗室中進(jìn)行陰極射線 的實(shí)驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)盡管他將陰極射線管的四周用黑紙板圍了起來(lái),但從一塊相距 陰極射線管一段距離以外的亞鉑氰化鋇熒光屏上發(fā)出了微光.經(jīng)過(guò)幾天廢寢忘 食的實(shí)驗(yàn)研究,倫琴肯定這種能激發(fā)熒光的東西是由陰極射線管發(fā)出來(lái)的不可 見(jiàn)的射線.1895年12月28日,倫琴發(fā)表了
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