Элементы физики атомов и молекул

1. Элементы физики атомов и молекул

•Квантовая механика водородного атома
•Спин электрона. Спиновые квантовые числа
•Принцип подобия для частиц с равной массой.
•Фермионы и бозоны
•Принцип Паули. Распределение электронов по уровням
•в атоме
•Рентгеновские спектры
•Молекулы: химические связи, понятие энергетических
•уровней
•Молекулярные спектры. Комбинированное рассеяние
•света
•Поглощение света. Спонтанное и индуцированное
•излучение
•Оптические квантовые генераторы (лазеры)

2. 1. Атом водорода в квантовой механике.

Потенциальная энергия взаимодействия заряда Ze
(Z=1 для атома водорода) с ядром
расстояние
электроном.
здесь
-
E,U
0
E3
Ei E2
E1
E>0
r
между
ядром
и

3.

Состояние электрона в атоме водорода описывается
волновой функцией ψ, удовлетворяющей стационарному
уравнению Шрёдингера.
Уравнение Шрёдингера :
- собственные
значения энергии
Самый низкий уровень – базовый, остальные
– соответствует возбужденному
состоянию.
– электрон связан; он лежит внутри
гиперболической потенциальной ямы.
– электрон может свободно двигаться

4.

Энергия ионизации атомов водорода:
В квантовой механике уравнение Шрёдингера определяется тремя
квантовыми числами — n главным, l орбитальным и магнитным
квантовыми числами.
удовлетворять
собственным функциям.
- главное квантовое число определяет
энергетический уровень в атоме
Из решения уравнения Шрёдингера следует, что угловой момент
квантуется, т. е. угловой момент
не примет никакого значения
-момент импульса

5.

- орбитальное квантовое число
- проекция вектора момента импульса в
направлении внешнего магнитного поля
- магнитное квантовое число
В 1896 П. Зееман экспериментально наблюдал распад
энергетических уровней атома в магнитном поле, и это
явление
получило
название
эффекта
Зеемана.
Экспериментально доказанный распад энергетических
уровней во внешнем электрическом поле называется
эффектом Штарка.

6.

Атом водорода может находиться в разных состояниях
и иметь одинаковые значения энергии. Число
различных состояний для данного n равно:
Во
время
своего
движения
электрон
создает
электронное облако, которое «выжигается» по всему
объему атома.
Главное и орбитальное квантовые числа описывают
размер и форму электронного облака, а магнитное
квантовое число описывает направление электронного
облака в пространстве.

7.

8.

В квантовой механике вводится правило отбора,
ограничивающее величину возможных переходов электронов
в атоме, проходящих за счет испускания и поглощения света.

9.

- условие изменения орбитального
квантового числа
- условие изменения магнитного
квантового числа
Е,эВ
l=0
-0,54_
S
-0,85_
1
p
2
d
f
Бальмер сериялары
-1,50_
-3,38_
Лайман сериясы
-13,55__
3
4
g

10.

.
Электронный спин. Спиновое квантовое число
Спин электрона (и других микрочастиц) — квантовая
величина,
не
имеющая
классического
аналога;
неотъемлемое свойство электрона, подобное заряду и массе.
- удельный механический момент
электрона - спин
- спиновое квантовое число
- проекция спина во внешнем
магнитном поле
- квантовое число магнитного спина
Чтобы полностью описать состояние электрона в атоме,
необходимо указать квантовое число магнитного спина, а
также главное, орбитальное и магнитное квантовые
числа.

11.

3. Принцип подобия равных частей. Фермионы и
бозоны
Принцип подобия уравновешенных дробей можно записать следующим
образом:
Если знак волновой функции не меняется при изменении положения
частиц, то она называется симметричной, если меняется, то ее называют
антисимметричной.
Все элементарные частицы и образованные из них системы
(атомы, молекулы) в зависимости от характера симметрии делятся
на два класса. Частицы с полуцелым спином (например,
электроны, протоны, нейтроны) описываются антисимметричной
волновой функцией и подчиняются статистике Ферми–Дирака;
такие частицы называются фермионами.
Частицы с нулевым или целым спином (например, π - мезоны,
фотоны) характеризуются симметричной волновой функцией и
подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна; такие частицы
называются бозонами.

12.

Принцип Паули. Распределение электронов в атоме
по состояниям
Простая концепция принципа Паули заключается в том, что
в системе идентичных фермионов никакие два фермиона не
могут одновременно находиться в одном и том же состоянии.
количество электронов в квантовом состоянии,
характеризуемом квантовыми числами
Набор электронов с одинаковым главным квантовым числом n
в многоэлектронном атоме называется электронной оболочкой.
- максимальное число электронов в состояниях,
характеризующихся заданным главным квантовым
числом

13.

Бас кванттық сан
1
2
3
4
5
Қабықшаның символы
K
L
M
N
O
Қабықшадағы электрондардың
максимал саны
2
8
18
32
50
Орбиталық кванттық сан
0
0
1
Ішкі қабықшаның символы
1s
2s
2p 3s 3p
3d 4s 4 4d 4f 5 5 5 5 5
p
s p d f g
2
Ішкі қабықшадағы
электрондардың максимал саны
2
6
10
0
2
1
6
2
0
2
1 2
6 10
3
14
0 1 2 3 4
2 6 1 1 1
0 4 8

14.

Рентгеновские спектры
Рентгеновские лучи были открыты В. Рентгеном в 1895 году. Наиболее
распространённым источником рентгеновского излучения является
рентгеновская трубка. В рентгеновской трубке анод бомбардируется
электронами, ускоренными в сильном электрическом поле (анод
изготавливается из тяжёлых металлов — W или Pt), при этом на аноде
электроны резко тормозятся. В результате возникают электромагнитные
излучения с длиной волны порядка— рентгеновские лучи.

15.

16.

Исследование спектрального состава рентгеновских лучей показывает, что
его спектральная структура сложна и зависит от энергии электронов и
материала анода. Его спектр представляет собой целый спектр (своего рода так
называемая граница всего спектра в терминах коротковолновых волн). λmin
ограниченной границей) и совокупность отдельных линий, появляющихся на
фоне всего спектра, представляет собой комбинацию линейного спектра.
Изучая рентгеновские спектры элементов, английский
физик Г. Мозли (1887 – 1915) в 1913 г. определил
следующую зависимость, известную как закон Мозли:
По сравнению с оптическими спектрами элементы
рентгеновских спектров однородны и состоят из нескольких
серий, обозначенных K, L, M, N и O. Каждая серия состоит из
отдельных линий, обозначаемых индексами α, β, γ,... в порядке
убывания длины волны.
состоит из небольшого набора.

17.

18.

Молекулы: понятие о химических связях,
энергетических уровнях
Молекула — мельчайшая часть вещества, являющаяся носителем
основных химических и физических свойств и состоящая из
одинаковых или разных атомов, соединенных друг с другом
химическими связями. Химическая связь происходит за счет
взаимодействия внешних валентных электронов атомов. В
молекулах часто встречаются два типа связей – ионные и
ковалентные.
Ионная связь (например, молекулы NaCl, KBr) образуется в
результате электростатического взаимодействия атомов при
переходе электрона от одного атома к другому, т. е. образования
положительных и отрицательных ионов. Ковалентная связь
образуется, когда два соседних атома имеют общие валентные
электроны (спины валентных электронов должны быть
антипараллельны) (например, в молекулах H2, C2, CO).
Ковалентная связь объясняется на основе принципа подобия
сбалансированных частиц.

19.

Энергия изолированной молекулы:
Для молекул имеет место следующее соотношение:

20.

В 1928 г. академики Г. С. Ландсберг и Л. И.
Мандельштам и одновременно индийский физик Ч.
Раман и К. Кришнан открыли комбинационное
рассеяние света. Если на вещество (газ, жидкость,
кристалл) падает строго монохроматический свет, то в
спектре рассеянного света, помимо несмещенных
спектральных линий, частоты падающего света ν и
вибрация (или вращение) молекул рассеивающей
среды νi наблюдаются новые линии, равные разности
или сумме их частот.
Частоты в спектре комбинированного рассеяния (ν – νi)
падающего света ν линии ниже частоты — стоксовы
(или красные) спутники, а ν - больше, чем (ν + νi) линии
по
частоте
называются
антистоксовыми
(или
фиолетовыми) спутниками.

21.

После
анализа
спектров
комбинированного
рассеяния были сделаны следующие выводы: 1)
линии сателлитов расположены симметрично по
обе стороны от несмещенных линий; 2) νi частоты не
зависят от частоты падающего на объект света и
зависят только от рассеивающего вещества, т. е.
описывают его состав и структуру; 3) количество
спутников определяется рассеивающим веществом;
4) интенсивность антистоксовых компаньонов
меньше интенсивности стоксовых компаньонов и
возрастает с повышением температуры вещества, а
интенсивность стоксовых компаньонов не зависит
от температуры.

22.

8. Поглощение света. Спонтанное и непроизвольное
излучение
А) поглощение
2
Е2
2
1
Е1 1
Б) непроизвольное излучение
1
Е1
б) спонтанное излучение
Е2
2
Е1
Е2

23.

Оптические квантовые генераторы
(лазеры)
Основные компоненты
лазера: 1) активная среда;
2) устройство, создающее инверсионное состояние
в активной среде; 3) оптический резонатор
(устройство, разделяющее пучок фотонов в
выбранном направлении и формирующее исходящий
световой пучок).
Основные компоненты лазера: 1) активная среда;
2) устройство, создающее инверсионное состояние
в активной среде; 3) оптический резонатор
(устройство, разделяющее пучок фотонов в
выбранном направлении и формирующее исходящий
световой пучок).