当前课程知识点:大学物理2 (电磁学、光学和量子物理) > WEEK13 > 电子自旋、费米子和泡利不相容原理 > 各种原子核外电子排布
返回《大学物理2 (电磁学、光学和量子物理)》慕课在线视频课程列表
返回《大学物理2 (电磁学、光学和量子物理)》慕课在线视频列表
同学们好
有了前面的基础
这一节课我们就可以开始
为大家来讲解
原子核外的电子排布的规律
那么我们知道原子中
电子的状态
由四个量子数来决定
分别是主量子数n
轨道角动量量子数l
还有磁量子数ml
和自旋量子数ms
那么主量子数
它是决定能量最重要的因素
角动量量子数 也就是角量子数
它是对能量有一定的影响的
咱们从碱金属的那个结构那
我们就知道了
影响呢要比它要稍微小一点
对于磁量子数呢
在没有外场的时候
它是没有影响的
一旦有外磁场
它就会产生一个能级的分裂
对于自旋量子数
因为只有两种情况
+1/2和-1/2
会导致同一能级
劈裂成两个能级
形成精细结构
那么另外呢还有一个
总的自旋量子数S=1/2
但是因为这个对所有电子都一样
因此它是不能起到
标志能级的一个作用的
好了 那我们下面就来看一看
电子的这个壳层分布
1925年的时候泡利就提出
一个原子内不可能有四个
量子数全同的电子
换句话说什么呢
一个确定的状态上面
不能容纳两个电子
因为电子是费米子
它是要满足泡利不相容原理的
那么对于同一个n
也就是同一个大的壳层
这个大壳层
我们一般习惯上
用大K 大L 大M
这样的符号来标记
大K表示N等于1
大L表示N等于2
这样依此类推
对于相同的这个N和L
组成的一个支壳层
这个L我们一般喜欢用
spdf而这样的小的符号来标记
那么它分别表示
l=0 l=1依此类推
一个支壳层里有多少个电子呢
可以容纳
我们知道同一个L
它的轨道角量子数
M等于负L 一直到正L
一共有2L+1这样一个状态
同时每一个状态对应的自旋
可以朝上朝下有两种状态
因此它可以容纳的总的电子数
等于2L+1再乘以2
因此 一个主的壳层
里边L因为能从0到n-1
我把这个求和一下
就得到这个结果是2n方
这就是一个n这个壳层里边
能够容纳的电子数
只有2n方那么多
那么泡利呢
由于对量子力学的贡献
尤其是泡利不相容原理
在45年的时候
获得了诺贝尔奖
能量最小原理
它告诉我们什么呢
它告诉我们电子排布的时候
总是要先把
能量低的状态先排好
比如说n=1 l=0的状态是基态
那么它要先把这个要先排满
排满之后它能放两个电子
再排上边n=2
l可以分别取0和1的两个轨道
那么里边分别可以放两个和六个电子
再依此类推
这就是能量最低原理
或者能量最小原理的含义
它只能从能量最低的状态往上排
那么实际上由于
能量布置依赖于n
同时还和l有关
所以呢
能级的顺序并不是
n越大能量越高
而是要满足这么一个经验规律
n+0.7l
代表了能量的这个序
哪个大 哪个能量就会大一些
比如说n=3 l=2这个壳层
也就是3d
那么和n=4 l=0这个壳层
也就是4s
它们俩的能量关系是什么关系呢
对于它来说n=3 l=2
那么就是3加上一个
0.7乘以2也就是1.4等于4.4
好 那么对于这个情况呢
n=4 加上0等于4
所以它的能量要比这个能量高
当然这个呢
只是一个经验规律
它不是对于任意情况都成立的
有一些特例情况
这个我们就不多说了
那么关于量子力学
从它建立时
到现在一直存在着很多争论
那么这个争论主要分为两派
一派是哥本哈根学派
它的代表包括玻尔 海森堡
玻恩 泡利等等
另外一个学派
叫做反哥本哈根学派
那么代表人物包括爱因斯坦
德布罗意 薛定谔等等
这两派对于量子力学的观点
是完全不一样的
哥本哈根学派他认为什么呢
他认为波粒二象性是一个互补的
这就是所谓的互补原理
波动性和粒子性不可能
同时出在同一个时空里边
也就是同一个时间你只能见到
一个现象
量子力学呢
他认为它就是一个统计的理论
粒子的波动性的表现
原则上是不可能避免的
也就是什么呢
现在的量子力学形式是完备的
不存在更进一步的理论
而爱因斯坦他们这一派的观点
他认为是什么呢
他认为波和粒子之间的这种
统计解释只是对大量的粒子
具有一个统计意义
他们认为上帝是不会掷骰子的
每个粒子的状态应该是确定的
他们认为量子力学现在体系
不是一个完善的体系
应该需要进一步的探索和研究
获得进一步的理论
他们反对不确定关系
那么这两派到底谁对呢
他们争论了几十年
到现在为止
哥本哈根学派的观点成为主流
那么这是30年的时候
第六届索尔维会议
爱因斯坦和玻尔他俩的争论
就是什么呢
就是这个不确定关系
我们以前讲过
就哪个不确定关系呢
就是能量跟时间的不确定关系
就是这个
那么爱因斯坦
提出了一个光盒子的
思想实验
他说这儿存在这么一个
密闭的这么一个盒子
盒子里充满了电磁辐射
这儿呢 上面有一个小门
这个门是可以控制的
当这个门打开的时候
电磁辐射就可以从里边漏出来
整个的装置掉在这么一个弹簧上
那么一旦有电磁辐射漏出来
它的质量发生了变化
这个弹簧的位置
就会标记出它的质量的减少
那么由于质量和能量的关系
我们就知道
这个里边能量的变化
爱因斯坦说我可以通过
控制开关门的时间
精确的控制△t
也就是开关门的时间
这个时间误差我是可以精确控制的
那么另一方面
这个尺呢
这个标记呢又是独立测量的
它的能量△E这个差别
也就是△E能量的涨落
也是由这个尺上边这个误差
△X来决定的
这两个东西完全独立
因此
不确定关系就被打破了
它可以小于h拔/2
那么这样一个问题
当时就把玻尔给难住了
这是玻尔当时在
陷入沉思的一个过程
玻尔想了整整一宿
第二天的时候
他才想到了怎么去回答
爱因斯坦这个问题
他呢直接利用了什么呀
爱因斯坦提出的广义相对论
他说当体系放出电磁辐射
位置发生变化的时候
由于体系在引力场中位置发生变化
位置变化会引起引力红移的变化
而引力红移又会引起
时间的一个误差
因此由于位置的变化会导致
系统的时间发生一个不确定性
这个不确定性
和能量的不确定性正好乘起来
要满足这么一个关系
从而解决了爱因斯坦的一个疑问
尽管玻尔很好的回答了
爱因斯坦这个问题
但是爱因斯坦仍然
坚持的认为什么呢
量子力学理论
它只是一个权宜的理论
不是最终的理论
争论一直都在进行
到现在为止还有
两派的观点的支持者
那么比如说费曼
他在他的讲义里就说
目前只能讨论概率
虽然是目前
但非常可能永远如此
非常可能永远无法解决这个疑难
非常可能自然界就是如此
那么从这个说法来看
我们知道费曼是支持
哥本哈根学派的
狄拉克呢
他(的观点)是什么呢
他说他在1972年的这个
一次会议上说
在我看来 很显然
我们还没有量子力学的基本定律
我们现在使用的定律
需要作重要的修改
只有这样
我们才能使我们具有
相对论的理论
非常可能
我们从现在的这个量子理论
到将来的相对论的量子理论
它的修改
就像从玻尔理论
到目前量子力学的修改那样
一样的剧烈
当我们做出这样的
剧烈的修改之后
当然我们用统计计算的
对理论的做出的物理解释
它的观点也可能会发生彻底的修改
可见狄拉克是支持爱因斯坦的
那么这是30年第六届
索尔威会议的照片
那么可以看到
这上边有很多伟大的人物
比如这个是爱因斯坦
这个是玻尔
这个是居里夫人
这个是朗之万
这个是泡利
这个是狄拉克
这个是27年
第五届索尔威会议的合影
那么这里边也有很多伟大的人物
爱因斯坦
洛仑兹
居里夫人
这个是普朗克
这是朗之万
这是德拜
德拜对于固体的
热容量有非常杰出的贡献
那么这个是布拉格
这个是埃伦费斯特
这个是狄拉克
这是薛定谔
这个是普朗克
这都是以前我们讲过的人物
泡利
这是海森伯
这是玻恩
这是玻尔
那么关于量子和经典
两个物理图象差别很大
它们之间是怎么关联起来的呢
这个类似于波动光学跟
几何光学的关系
我们说对于波动光学和几何光学
它们俩之间
并没有一个严格的不同
差别只在波长和尺度的关系
那么如果说波长远远大于
障碍物的尺度
或者是波长远远大于孔径的尺度
这个时候
就要用波动光学来解决问题
那么反之
如果是波长远远小于
障碍物或者是孔径和尺度的时候
它就属于几何光学的范畴
其实这两个东西之间是不矛盾的
同理对于量子力学也一样
量子力学跟经典力学
也就是量子物理跟经典物理
它们的差别是什么呢
就在于普朗克常数和能级n
当普朗克常数趋向于0
或者是能级
趋向于无限大的时候
按照玻尔这个原理
它就回到了经典物理
那么当普朗克常数不能忽略
n是比较小的情况
就必须用量子物理的办法来解决问题
那好 这节我们就讲到这儿
再见
-电荷和库仑定律
--引言
--电荷
--库仑定律
-WEEK1--电荷和库仑定律
-电场及叠加原理,电偶极子
--电场和电场强度
-WEEK1--电场及叠加原理,电偶极子
-高斯定律
--电通量
--立体角*
--高斯定律的证明*
--高斯定律和电场线
--高斯定律的应用
-WEEK1--高斯定律
-WEEK1--本周作业
-静电场环路定理、电势和叠加原理
--环路定理
--电势和叠加原理
--电势梯度
--等势面
-WEEK2--静电场环路定理、电势和叠加原理
-静电能
--电荷系静电能
-WEEK2--静电能
-导体静电平衡
--物质中电场
--导体静电平衡
-WEEK2--导体静电平衡
-WEEK2--本周作业
-导体周围电场
-WEEK3--导体周围电场
-静电屏蔽
--导体壳与静电屏蔽
-WEEK3--静电屏蔽
-电容及电容器
--电容及电容器
-WEEK3--电容及电容器
-电介质
--介质对电场的影响
-WEEK3--电介质
-极化强度矢量,极化电荷
--极化强度
--极化电荷
-WEEK3--极化强度矢量,极化电荷
-WEEK3--本周作业
-极化规律、电位移矢量
--电介质的极化规律
-WEEK4--极化规律、电位移矢量
-有介质时静电场能量
-WEEK4--有介质时静电场能量
-电流密度、稳恒电流和稳恒电场
--电流密度
-WEEK4--电流密度、稳恒电流和稳恒电场
-电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律
--电动势
--欧姆定律
--欧姆定律(续)
-WEEK4--电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律
-电流微观图像和暂态过程
--电流微观图像
-WEEK4--电流微观图像和暂态过程
-本周作业
--week4--本周作业
-洛仑兹力、磁感应强度
--电流磁效应
--磁场和磁感应强度
-WEEK5--洛仑兹力、磁感应强度
-毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理
--毕-萨-拉定律
--磁场高斯定律
-WEEK5--毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理
-静磁场环路定理
-WEEK5--静磁场环路定理
-安培力和霍尔效应
--霍尔效应
--安培力
-WEEK5--安培力和霍尔效应
-WEEK5--本周作业
-载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩
-WEEK6--载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩
-磁介质对磁场的影响和原子磁矩
--磁场中的磁介质
--原子的磁矩
-WEEK6--磁介质对磁场的影响和原子磁矩
-磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理
--磁介质的磁化
--磁化电流
-WEEK6--磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理
-WEEK6--本周作业
-铁磁介质和简单磁路
--磁场的界面关系
--铁磁性材料
-WEEK7--铁磁介质和简单磁路
-法拉第电磁感应定律
-WEEK7--法拉第电磁感应定律
-动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流
--动生电动势
--涡电流
-WEEK7--动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流
-自感和互感
--自感
--互感
-WEEK7--自感和互感
-WEEK7--本周作业
-暂态过程和磁场能量
--磁场的能量
-磁场和电场的相对性
-位移电流和麦克斯韦方程组
--麦克斯韦方程组
-WEEK8--位移电流和麦克斯韦方程组
-电磁波、坡因廷矢量和光压
--电磁波
--坡印廷矢量
--电磁波的动量
--光压——辐射压强
-本周作业
--week8--本周作业
-波动光学—引言
--波动光学——引言
-WEEK9--波动光学—引言
-杨氏双缝干涉、相干光
--光的干涉
--双缝干涉
-WEEK9--杨氏双缝干涉、相干光
-光源及发光性质
--光源的发光特性
--时间相干性
--空间相干性
-WEEK9--光源及发光性质
-光程、等倾和等厚干涉
--光程
--薄膜干涉(一)
--薄膜干涉(二)
-WEEK9--光程、等倾和等厚干涉
-迈克耳逊干涉仪
--迈克耳逊干涉仪
-WEEK9--本周作业
-衍射现象、单缝夫琅禾费衍射
--惠更斯原理
--单缝夫琅禾费衍射
-WEEK10--衍射现象、单缝夫琅禾费衍射
-光栅衍射
--光栅衍射
--光栅衍射(续)
-WEEK10--光栅衍射
-光学仪器分辨本领
-WEEK10--光学仪器分辨本领
-X射线晶体衍射
--X射线的衍射
-WEEK10--X射线晶体衍射
-WEEK10--本周作业
-光的偏振状态和偏振片
--光的偏振状态
--起偏和检偏
-WEEK11--光的偏振状态和偏振片
-反射和折射光偏振
-WEEK11--反射和折射光偏振
-晶体双折射、波片
--双折射
--双折射(续)
--波片
-WEEK11--晶体双折射、波片
-偏振光干涉、人工双折射和旋光
--偏振光的干涉
--人工双折射
--旋光现象
-WEEK11--偏振光干涉、人工双折射和旋光
-量子物理诞生和黑体辐射
--量子物理
--黑体辐射
-WEEK11--量子物理诞生和黑体辐射
-WEEK11--本周作业
-光电效应、光子和康普顿效应
--光电效应
--光子
--光子(续)
--光子(续2)
--康普顿效应
-WEEK12--光电效应、光子和康普顿效应
-物质波、波函数和概率密度
--物质波
--波函数
--波函数(续)
-WEEK12--物质波、波函数和概率密度
-不确定性关系
--不确定关系
-WEEK12--不确定性关系
-薛定谔方程
--薛定谔方程
-WEEK12--薛定谔方程
-一维无限深势阱
--一维无限深势阱
-WEEK12--一维无限深势阱
-WEEK12--本周作业
-一维问题
--一维谐振子
--势垒穿透
--扫描隧道显微镜
-WEEK13--一维问题
-氢原子能级和角动量
--原子中的电子
--能量量子化
-WEEK13--氢原子能级和角动量
-电子自旋、费米子和泡利不相容原理
-WEEK13--电子自旋、费米子和泡利不相容原理
-WEEK13--本周作业
-X射线、激光、分子光谱简介
--video
--Video
--分子光谱简介
--激光
--光学谐振腔
-WEEK14--X射线、激光、分子光谱简介
-固体电子气模型和量子统计
--固体
--自由电子气体模型
--量子统计
-WEEK14--固体电子气模型和量子统计
-能带模型
--能带
-能带模型--作业
-本周作业
--WEEK14--本周作业
-半导体和PN结
--Video
--Video
-WEEK15--半导体和PN结
-原子核性质、核磁共振
--Video
--Video
--Video
-WEEK15--原子核性质、核磁共振
-放射性和衰变规律
--Video
--α衰变
--穆斯堡尔效应
--β衰变
-WEEK15--放射性和衰变规律
-结合能、核力
--核的结合能
--核力
-WEEK15--结合能、核力
-粒子物理简介
--基本粒子
-WEEK15--粒子物理简介
-本周作业
--WEEK15--本周作业
-期末考试--期末考试题Part1
-期末考试--期末考试Part2
-期末考试--期末考试Part3