物理竞赛-量子力学.ppt

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* 氢原子量子力学处理结果 和电子自旋 一. 氢原子的量子力学处理 V 和方向无关 为中心力场V( r ) 球坐标中: * 球坐标的定态薛定谔方程 解方程 —— 由于波函数必须满足标准化条件 所以三个物理量 E、L、LZ 都由方程自然得出 量子化的结果 * 四个量子数 (表征电子的运动状态) 2. 副量子数 l ( 0,1,2,……. , n -1 ) 3. 磁量子数 ml ( 0,±1, ± 2,……. , ± l ) 4. 自旋磁量子数 ms (± 1/2) 大体上决定了电子能量 决定电子的轨道角动量大小,对能量也有稍许影响 决定电子轨道角动量在外磁场中的空间取向 决定电子自旋角动量在外磁场中的空间取向 1. 主量子数 n ( 1 , 2 , 3, ……) * n 1 2 3 l 0 0 1 0 1 2 ml 0 0 -1 0 1 0 -1 0 1 -2 -1 0 1 2 ms Z 2 8 18 一.泡利不相容原理 (1925年) 在一个原子中, 不能有两个或两个以上的电子处在完全相同的量子态 ,即它们不能具有一组完全相同的量子数( n, l ,ml , ms )。 容纳电子的最大数目 原子的电子壳层结构 * 原子处于正常状态时,每个电子都优先占据可能的最低能级 二. 能量最小原理 能级高低 主量子数 n 决定 角量子数 l 影响 能量最小原理 当原子处在正常状态时电子尽可能地会占据未 被填充的最低能级。 由此可见:主量子数越小,能级越低,越被首先填满。 注意:1)对多电子原子,能量或能级也与副量子 数有关。因此判别能级高低不能只看主量 子数n。我国学者研究出一个判别式: 的值越大者,能级越高。 例:判别4s与3d能级的高低。 对4s能级 对3d能级 电子先填充4s能级,再填3d能级 * 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 1 氢 2 氦 H He 1 2 3 锂 4 铍 Li Be 2 2 1 2 5 硼 6 碳 10 氖 B C Ne 2 2 2 2 2 2 1 2 6 13 铝 14 硅 18 氩 Al Si Ar 2 2 2 2 2 2 6 6 6 2 2 2 1 2 6 19 钾 20 钙 K Ca 2 2 2 2 6 6 2 2 6 6 1 2 21 钪 Sc 2 2 6 2 6 1 2 4s 能级 3d 能级 D = n + 0.7 l 部分原子的电子排列 * 例1. 钴原子有两个电子在4S态,没有其他n≥4的电子, 则在3d态的电子可能有几个? 解: 根据题意,钴原子序数为27,电子排布: 有一原子处于基态时,核外的电子将n=1、n=2的K、L壳层填满,还将n=3的M壳层中3S分壳层填满,而3P分壳层仅填了三分之二,请问它的原子序数Z是多少?是什么原子?(2)铜原子的原子序数Z=29,请写出铜原子处于基态时的电子组态。(2012天津市物理竞赛题) * * 经严格证明应为: 这就是著名的海森伯测不准关系式 (约化普朗克常量) (2)不确定的根源是“波粒二象性”这是微观粒子的根本属性 . (3) 对宏观粒子,因 很小, 可视为位置和动量能同时准确测量 . (1) 微观粒子同一方向上的坐标与动量不可同时准确测量, 它们的精度存在一个终极的不可逾越的限制 . 物理意义 能量与时间的不确定关系: 原子在激发态的平均寿命 相应地所处能级的能量值一定有一不确定量。 称为激发态的能级宽度。 * 由于微观粒子具有波粒二象性,其位置与动量不能同时确定. 所以已无法用经典物理方法去描述其运动状态. 用波函数来描述微观粒子的运动. 一 波函数及其统计解释 1 波函数 * (1) 经典的波与波函数 电磁波 机械波 经典波为实函数 * (2)量子力学波函数(复函数) 描述微观粒子运动的波函数 微观粒子的波粒二象性 自由粒子的能量和动量是确定的,其德布罗意频率和波长不变 ,可认为是一平面单色波. 波列无限长,根据不确定原理 ,粒子在 x方向上的位置完全不确定. * 自由粒子平面波函数 2 波函数的统计意义 概率密度 表示在某处单位体积内粒子出现的概率 正实数

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