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原子物理第五章习题教案资料
原子物理第五章习题
第五章习题1,2参考答案5-1氦原子中电子的结合能为24.5eV,试问:
欲使这个原子的两个
电子逐一电离,外界必须提供多少能量?
解:
第一个电子电离是所需的能量为电子的结合
能,即:
E1=24.5eV
第二个电子电离过程,可以认为是类氢离子的电离,需要的能量为:
1
1
∞=Rhcz2=22⋅13.6eV=54.4eV
E2
=hv=
1
n∞
所以两个电子逐一电离时外界提供的能量为:
E=E1+E2=24.5eV+54.4eV=78.9eV
5-2计算4D3/2态的L·S.(参阅4.4.205)
分析要点:
L与S的点积,是两矢量的点积,可以用矢量三角形的方法,用其他矢量的模来表示;也可以求出两矢量模再乘其夹角的余弦.
解:
依题意知,L=2,S=3/2,J=3/2
J=S+L
J2=S2+L2+2S·L
=
1
[J(J+1)−S(S+1)−L(L+1)]ℏ2
L⋅S
2
=
1
[
3
(
3
+1)−
3
(
3
+1)−2(2+1)]ℏ2
据:
2
2
2
2
2
=−3ℏ2
5-3对于S=1/2,和L=2,试计算L·S的可能值。
要点分析:
矢量点积解法同5-2.
解:
依题意知,L=2,S=1/2
可求出J=L±1/2=2±1/2=3/2,5/2有两个值。
因此当J=3/2时有:
1
=
1
[J(J+1)−S(S+1)−L(L+1)]ℏ2
L⋅S
3
2
2
=
1
[
3
(
3
+1)−
1
(
1
+1)−2(2+1)]ℏ2
据:
2
2
2
2
2
=−
3
ℏ2
2
而当J=5/2时有:
=
1
[J(J+1)−S(S+1)−L(L+1)]ℏ2
L⋅S
5
2
2
=
1
[
5
(
5
+1)−
1
(
1
+1)−2(2+1)]ℏ2
据:
2
22
2
2
=ℏ2
3
ℏ2
故可能值有两个
−
ℏ2
,
2
5-4试求3F2态的总角动量和轨道角动量之间的夹角。
(参阅4.3.302)
解:
总角动量
PJ
=J(J+1)ℏ
(1)
PL=
ℏ
轨道角动量
L(L+1)
(2)
PS=
ℏ
自旋角动量
S(S+1)
(3)
三者构成矢量三角形,可得:
PS2=PL2+PJ2−2PL
PJcos(PL⋅PJ)
⇒cos(PP)=
P2
+P2−P2
L
J
S
(4)
LJ
2
PL
PJ
把
(1)
(2)
(3)式代人(4)式:
得
cos(PLPJ)=
L(L+1)ℏ2+J(J+1)ℏ2−S(S+1)ℏ2
2L(L+1)ℏJ(J+1)ℏ
对3F2态
S=1L=3J=2
代人上式得:
⇒θ=19�28'
cos(PLPJ)=0.9428
5-5在氢、氦、锂、铍、钠、镁、钾和钙中,哪些原子会出现正
2
1D2
3p2,1,0
常塞曼效应?
为什么?
解:
正常塞曼效应的条件是,S=0,即2S+1=1是独态,也即电子为偶数并形成独态的原子,才能有正常的塞曼效应.
依据条件,氦、铍、镁、钙会出现正常塞曼效应。
5-6假设两个等效的d电子具有强的自旋-轨道作用,从而导致j-j;耦合,试求它们总角动量的可能值.若它们发生L-S耦合,则它们总角动量的可能值又如何?
在两种情况下,可能的状态数目及相同J值出现的次数是否相同?
5-7依L-S耦合法则,下列电子组态可形成哪些原子态?
其中哪个态的能量最低?
(1)np4;
(2)np5;(3)nd(n′d).
解:
(1)对于np4的原子态同np2的原子态完全一样。
l1=l2=1,s1=s2=1/2
依L-S耦合原则,L=l1+l2,l1+l2-1,…|l1-l2|=2,1,0S=s1+s2,s1+s2-1,…|s1-s2|=1,0
对于np2来说,n,l已经相同,考虑泡利不相容原理,只有ms,ml不能同时相同的原子态才存在;即只有满足斯莱特方法的原子态才存在,用斯莱特方法分析,原子态反映SL的状态,它包含SL所有投影,可能的原子态应有:
(注:
排表时不能写出ML,MS为负值的哪些电子分布,可以证明,它们不能出现新的状态)
L=2,S=0
L=1,S=1
,
1S
0
L=0
S=0
,
n,l,ml,ms
都相同
3D
不存在
L=2
S=1
3,2,1
L=1,S=0
n,l,ml,ms有几个相同态都满足,不符合泡利原理.
,
n,l,ml,ms
都相同
3S
同科不存在
L=0
S=1
1
后面几个态不符合泡利原理,即不存在.
基态分析:
对np2电子来说,是同科电子,根据洪特定则,自旋S=1时,
3
3G5,两非同科d电子此种情况很少
能量最低,即s1=s2=1/2.mlms都相同,那么只有ml不同,L≠2,L≠0,
只有L=1.2个P电子组合,按正常次序,J取最小值1时能量最低,基态应是3P0.
(2)同理,对于np5的原子态同np1的原子态完全一样。
有L=1,S=1/2
原子态2P3/2,1/2
基态2P1/2如硼,铝,钾等3)对于nd(n′d),由于电子为非同科电子,其原子态可以全部计算。
依L-S耦合原则,L=l1+l2,l1+l2-1,…|l1-l2|=4,3,2,1,0
S=s1+s2,s1+s2-1,…|s1-s2|=1,0
其组合的原子态有:
L=4,S=0J=4
L=3,S=0J=3
L=2,S=0J=2
L=1,S=0J=1
L=0,S=0J=0
L=4,S=1
J=5,4,3
L=3,S=1J=4,3,2
L=2,S=1
J=3,2,1
L=1,S=1
J=2,1,0
L=0,S=1J=1
所以有:
1S
,
1P
,
1D
,
1F
,
1G
,
3S
,
3P
,
3D
3,2,1
,
0
1
2
3
4
1
2,1,0
3F4,3,2,3G5,4,3.
基态:
S最大,L最大.J最小.应为:
见.常见的为同科p,d,f电子.
5-8铍原子基态的电子组态是2s2s,若其中有一个电子被激发到3p态,按L—S耦合可形成哪些原子态?
写出有关的原子态的符号.从这些原子态向低能态跃迁时,可以产生几条光谱线?
画出相应
4
的能级跃迁图.若那个电子被激发到2p态,则可能产生的光谱线又为几条?
解:
1.2s2s电子组态形成的原子态
∵s1=s2=1/2l1=l2=0l=l1±l2=0
S1=s1+s2=1S2=s1-s2=0
J=L+S
J1=L+S1=0+1=1J2=L+S2=0+0=0
∵2s2s形成的原子态有3S1,1S0四种原子态。
由于为同科
电子,所以只存在1S0一种原子态。
2.2s3p电子组态形成的原子态
∵s1=s2=1/2l1=0l2=1l=l1±l2=1
S1=s1+s2=1S2=s1-s2=0
J=L+S
J1=L+S1=2,1,0J2=L+S2=1+0=1
2s3p形成的原子态有3P2,1,0,1P0四种原子态。
∵同理2s2p形成的原子态有3P2,1,0,1P0四种原子态。
3.2s2s,2s3p形成的原子态的能级跃迁图
根据L-S耦合的跃迁选择定则,可产生的光谱线如图所示。
5-9证明:
一个支壳层全部填满的原子必定具有1S0的基态.
5
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