碱金属原子的电子排布及精细结构分析

6.5.1 结构图

6.5.2 碱金属元素

1.包含元素

碱金属元素包括:锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)和钫(Fr)。它们的原子序数分别为:3、11、19、37、55和87,也表示各自原子内部的电子数,但是它们的最外层都只有一个电子,容易被电离。

碱金属元素的电子排布如下。

2.碱金属原子的原子实

(1)原子实是指一个原子核和若干电子(去除最外层的一个电子)组成的完整而稳定的结构,即原子核带有Ze个正电荷和(Z-1)个电子。

(2)原子实最外层都只有一个电子,称价电子,原子的化学性质和光谱都决定于这个价电子。价电子容易脱离所在的原子。

(3)原子实的极化:由于价电子的作用,原子实中带正电的原子核与带负电的电子中心会发生微小的相对位移,如图6-13所示,形成一个电偶极子,引起电子能量的降低。

(4)轨道的贯穿:价电子进入原子实的轨道而受到原子核的影响,比没有进入原子核的影响要大,如图6-14所示。轨道贯穿对碱金属原子能级同氢原子能级的差别作出很好说明。

图6-13 原子实的极化

图6-14 轨道的贯穿

6.5.3 碱金属原子的光谱线系

1.每个碱金属原子具有相仿的光谱结构,一般都有四个光谱线系:

①主线系;

②第二辅线系;

③第一辅线系;

④伯格曼系。

2.每一个光谱线系具有不同的波长范围。例如:主线系波长范围最广,第一条光谱线是红色,其余光谱线在紫外区。

3.每一个光谱线系包含多条光谱线,光谱线相互之间存在一定的规律。

4.锂的光谱线系示意图如图6-15所示。

图6-15 锂的光谱线系示意图

5.碱金属原子光谱线的精细结构

所有碱金属原子的每一条光谱线都不是简单的一条线,这被称为光谱线的精细结构。

①主线系和第二辅线系的每一条光谱线由两条线构成。

②第一辅线系和伯格曼系的每一条光谱线由三条线构成。

如图6-16所示,竖直线代表光谱线的精细部分,竖直线的高低代表光谱线的强度,竖直线间隔代表光谱线之间的波数差。

结论:①碱金属原子s能级是单层的,其余p、d、f能级都是双层的。

②对同一l值,双层能级的间隔随n量子数增加而渐减。

图6-16 主线系和第一辅线系

6.5.4 碱金属原子的光谱线波数及光谱项

1.碱金属原子光谱线的波数(波长的倒数)

式中为线系限的波数;R为里德伯常数;n*为量子数,不是整数,这与氢原子的整数(n)不同。(www.xing528.com)

2.碱金属原子的光谱项

式中,n为主量子数;Δ可通过查表得到。

(1)锂原子

①主线系:Δ=0.05;

②第一辅线系:Δ=0.001;

③第二辅线系:Δ=0.40;

④伯格曼系:Δ=0.000。

(2)锂原子能级示意图(如图6-17所示)

图6-17 锂原子能级示意图

3.电子自旋与能级分裂

(1)碱金属原子能级为什么会有双层结构?

设想:电子具有自旋,角动量为

图6-18 电子的自旋

(2)电子自旋的取向只有两个:一个顺着磁场,一个逆着磁场,如图6-18所示。

图6-18中,pl为电子轨道角动量,ps为电子自旋角动量,μs为电子自旋磁矩,B为磁场强度。

总角动量pj:

式中,s为自旋量子数;j=l+s或j=l-s,j有两个取向,构成两个能级。

4.电子自旋同轨道运动的相互作用

(1)能量计算:

(2)光谱项改变:

(3)双层能级间隔:

5.单电子跃迁选择原则

只能在下列条件发生:主量子数n的改变不受限制,跃迁具有选择性。

Δl=±1;Δj=0,±1。

式中,l为轨道角动量量子数;j为总角动量量子数。例如:双层能级跃迁,如图6 19所示。

图6-19 双层能级跃迁

6.5.5 碱金属符号

(1)碱金属电子态的符号

当电子角量子数l=0,1,2,3,…时,电子态分别用s、p、d、f…表示,在这些字母的前面再写出主量子数,就成为电子态的符号。例如:当n=2,l=0时,电子态符号为:2s;当n=2,l=1时,电子态符号为:2p。

(2)碱金属原子态的符号

用大写字母S、P、D、F等表示原子态,在左上角写一个2代表双重结构,在右下角标明量子数j。例如:当n=1,l=0,j=1/2时,原子态符号为:;当n=2,l=1,j=1/2时,原子态符号为:。