第十五章量子物理學(xué)NO.15－2

電子自旋

關(guān)于量子力學(xué)的爭論

原子的電子殼層結(jié)構(gòu)

氫原子的量子理論2012.12.282.解方程得到的主要結(jié)論（主量子數(shù)）（1）能量量子化（2）（軌道）角動(dòng)量（大小）量子化（角量子數(shù)）（3）空間量子化（軌道角動(dòng)量方向量子化）（磁量子數(shù)）七、薛定諤方程的應(yīng)用三氫原子的量子理論zzLz0Lz2LzLz2LLhhhhn3zzLz0Lz2LzLzL2Lhhhhl0,1,23.空間量子化能很好地解釋正常塞曼（P·Zeeman）效應(yīng)正常塞曼效應(yīng)：一條光譜線在磁場中分裂成三條的現(xiàn)象。七、薛定諤方程的應(yīng)用三氫原子的量子理論補(bǔ)充說明：（1）氫原子中電子的穩(wěn)定狀態(tài)，可以用一組量子數(shù)（n,l,ml）表示，其定態(tài)波函數(shù)為（2）根據(jù)求得的氫原子電子定態(tài)波函數(shù)就可求得電子出現(xiàn)在原子核周圍的概率密度七、薛定諤方程的應(yīng)用三氫原子的量子理論在內(nèi)，由歸一化條件，對(duì)于基態(tài)（n=1,l=0）：玻爾半徑七、薛定諤方程的應(yīng)用三氫原子的量子理論（3）用電子云形象地描繪電子出現(xiàn)在核周圍的概率分布。圖形表示：（a）徑向波函數(shù)；（b）徑向幾率分布函數(shù)；（c）徑向電荷密度函數(shù)。補(bǔ)充說明：八、電子自旋1.施特恩(O.Stern)－格拉赫(W.Gerlach)實(shí)驗(yàn)基態(tài)銀原子軌道角動(dòng)量和軌道磁矩為零，本應(yīng)無偏轉(zhuǎn);射線的偏轉(zhuǎn)表明：銀原子具有磁矩，且該磁矩在外磁場中只有兩種可能的取向！?

荷蘭的烏倫貝克和古茲密特認(rèn)為電子除了軌道角動(dòng)量之外，還應(yīng)有繞它本身的對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)的自旋角動(dòng)量(spinangularmomentum)。八、電子自旋2.電子自旋角動(dòng)量

自旋角動(dòng)量并無經(jīng)典對(duì)應(yīng)，是內(nèi)稟角動(dòng)量。

自旋角動(dòng)量

自旋角動(dòng)量在z方向上的分量自旋量子數(shù)自旋磁量子數(shù)

能解釋：大多數(shù)元素在磁場中出現(xiàn)反常塞曼效應(yīng)！八、電子自旋2.電子自旋角動(dòng)量SzSozSz“forthediscoveryofGiantMagnetoresistance"AlbertFert

PeterGrünberg

UniversitéParis-Sud;UnitéMixtedePhysiqueCNRS/THALES

Orsay,France

ForschungszentrumJülichJülich,Germany

b.1938b.1939TheNobelPrizeinPhysics2007WhatisGMR?SimplesttypeofGMRsystemconsistsofalayerofnon-magneticmetalsandwichedbetweentwolayersofamagneticmetalsmallresistancehighresistanceBetterread-outheadsforpocket-sizedevicesFromelectronicstospintronics

Towardsauniversalmemory----MRAM

九、原子的電子殼層結(jié)構(gòu)1.四個(gè)量子數(shù)（1）主量子數(shù)（2）角量子數(shù)（3）磁量子數(shù)（4）自旋磁量子數(shù)決定原子中電子的能量。決定原子中電子的軌道角動(dòng)量，部分決定其能量。決定電子的軌道角動(dòng)量在外磁場中的取向。決定電子的自旋角動(dòng)量在外磁場中的取向。九、原子的電子殼層結(jié)構(gòu)2.多電子原子的殼層結(jié)構(gòu)（1）原子中的單電子態(tài)仍由四個(gè)量子數(shù)描寫；（2）將原子的多個(gè)電子逐個(gè)填充到四個(gè)量子數(shù)所描寫的單電子態(tài)上，就獲得整個(gè)原子的電子組態(tài)。電子的填充遵循：

泡利不相容原理

能量最小原理同一原子中的任何兩個(gè)電子不能處于同一組量子數(shù)(n,

,m

,ms

)所確定的量子態(tài)上。處于穩(wěn)定態(tài)的原子，其每個(gè)電子總是盡可能占有最低的能量狀態(tài)，從而使原子體系的能量最低。（電子是費(fèi)米子）九、原子的電子殼層結(jié)構(gòu)3.電子的分布規(guī)律——電子按殼層分布（2）由泡利不相容原理（1）主殼層和支殼層每個(gè)支殼層最多可容納的電子數(shù)為：每個(gè)主殼層最多可容納的電子數(shù)為：能級(jí)n的量子態(tài)數(shù)能級(jí)n的簡并度

l

n

0

s

1p

2d

3f

4g

5h6iZn1K2(1s)22L2(2s)6(2p)83M2(3s)6(3p)10(3d)184N2(4s)6(4p)10(4d)14(4f)325O2(5s)6(5p)10(5d)14(5f)18(5g)506P2(6s)6(6p)10(6d)14(6f)18(6g)22(6h)727Q2(7s)6(7p)10(7d)14(7f)18(7g)22(7h)26(7i)98原子殼層和分殼層中最多可能容納的電子數(shù)九、原子的電子殼層結(jié)構(gòu)（3）由能量最小原理

原子中的電子總是從最內(nèi)層開始向外排；

原子能級(jí)除由主量子數(shù)n決定，還與角量子數(shù)l

有關(guān);

我國徐光憲院士總結(jié)：能級(jí)能量隨增大。1s2s3s4s5s6s7s2p3p4p5p6p7p3d4d5d6d4f5f例1：在主殼層n=3中，最多可填空的電子數(shù)是

，并寫出各量子態(tài)。18例2：對(duì)應(yīng)于n=4的氫原子的最大角動(dòng)量為

？此時(shí)角動(dòng)量在空間取向如何？zL十、關(guān)于量子力學(xué)的爭論

以Bohr為首的哥本哈根學(xué)派的觀點(diǎn)：（1）波函數(shù)的幾率詮釋；（2）測不準(zhǔn)關(guān)系；（3）互補(bǔ)性觀點(diǎn)。量子力學(xué)是統(tǒng)計(jì)理論，是完備的理論。Einstein認(rèn)為：“我相信有可能建立一個(gè)理論，它能給出實(shí)在的完備描寫，它的定律確立事物本身之間的關(guān)系，而不僅僅是它們的幾率之間的關(guān)系?！孔恿W(xué)給人的印象是深刻的。但是一個(gè)內(nèi)部的聲音告訴我，這還不是真正的理論。這個(gè)理論給出了許多結(jié)果，但是并沒有使我們離上帝的秘密更近一些。無論如何，我確信他不玩骰子?！保?）材料學(xué)、電子學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等。十一、后續(xù)量子力學(xué)解釋了許多物理現(xiàn)象：（1）海森伯關(guān)于氦原子的理論；（2）海特勒和倫敦關(guān)于連接同種原子的共價(jià)鍵理論；（3）泡令的化學(xué)鍵理論；（5）海森伯的鐵磁性理論；（4）布洛赫對(duì)周期場中波的計(jì)算；（6）伽莫夫用勢壘穿透解釋衰變。十一、后續(xù)量子力學(xué)的一些基本概念和詮釋難以理解。Bohr：“如果誰在第一次學(xué)習(xí)量子概念時(shí)不覺得糊涂，他就一點(diǎn)也沒有懂”Fey