原子的光谱项

本科原子物理的内容

Posted by mingjie on June 19, 2019

这玩意我从本科开始就没怎么搞懂(这数字哪来的?LPS这些又是什么鬼东西?);还以为做光谱只需要用到别人做好的表格(拿来主义hhh),结果还是要搞懂。不然别人问起为什么这是三重态那是单重态我都说不出来。

复习一下:电子态

光谱项是描述原子的标识。而原子之间的区别实际上只在于电子所处的能级不同,所以光谱项说白了还是电子量子数的反映。

我们只需要四个量子数来描述电子,;主量子数、角量子数、磁量子数和自选量子数。。一个叫一个壳层,一个叫一个轨道,一个壳层一共可以容纳个电子。

麻烦的事情来了:我们用不同(但是会重复!)的字母来表示轨道和壳层。

主量子数 1 2 3 4 5 6 7
壳层名称 K L M N O P Q
角量子数 0 1 2 3 4 5 6
轨道名称 s p d f g h i

轨道鸣名称的前几个还是有来头的,其他的我不知道是怎么来的;总之这些名字增加了记忆的难度,好在它们大小写不同以及后面只会用到轨道名称,所以记住spd是012就可以了。

电子组态

原子里面可能不止有一个电子,那如何表示原子里面电子的状态呢?我们用电子组态来表示,也就是加上轨道名称。

比如说处于基态的氢原子电子为,被激发的氦原子可以为,某个处于激发态的氧原子电子组态为;平方意味着有多少个电子处于这个态。我们能看出来电子组态只用了电子前两个量子数(我也不知道为什么不全部指明),所以一个电子组态有不止一种可能;比如有15种可能。这些可能性由泡利不相容原理,能量最低原则和Hund定则决定(所以不是20个)。

原子光谱项

只考虑LS耦合(因为研究的原子比较轻,原子序数小于40;如果重的话就要用jj耦合了),这个时候的好量子数是总轨道角动量、总自旋角动量和总角动量。 所以只要给定了原子中每个电子的,就可以将这三个值定下来了。 前面两个都好说,的取值为

有了这三个角动量量子数之后,我们就可以可以区分不同的原子状态了;定义如下的光谱支项:

, ,

三种写法都有,信息量依次增大;当然只有后两种才能完全区分光谱项。因为在原子物理里面多数时候是讨论原子最外层电子的激发,还有一种写法是只写出被激发电子的电子态。把省略掉的话就是光谱项了(求你写全好不好)。 这里的是角动量量子数对应的轨道名称,也就是前面第二个表格的名称的大写

实际上光谱项就是我们在能级图上看到的一条条横线,也是我们这么大费周章搞出这个东西的原因。

credit:here

就我关心的He 跃迁来说,的三个量子数分别为0, 1, 0,所以只有一个态(单重态),但是可以有三个,,所以这个跃迁有三条靠得很近的线。

至于它们具体怎么分布,那就不是我的事情了;找到了一个不错的网站,可以查询很多原子的能级分布,在这里

Ref

  • http://www.astro.sunysb.edu/fwalter/AST341/qn.html
  • https://www.nist.gov/pml/handbook-basic-atomic-spectroscopic-data
  • https://www.gemini.edu/sciops/instruments/nearir-resources/