8.S：原子结构（摘要）

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Nov 1, 2022
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202204
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- 8.E：原子结构（练习）
- 9: 凝聚态物理学

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关键条款

角动量轨道量子数 (l)	与氢原子中电子的轨道角动量相关的量子数
角动量投影量子数 (m)	与氢原子中电子轨道角动量的 z 分量相关的量子数
原子轨道	空间中包含一定百分比（通常为 90%）的电子概率的区域
玻尔磁铁	电子的磁矩，等于 $\displaystyle 9.3×10^{−24}J/T$ 或 $\displaystyle 5.8×10^{−5}eV/T$
制动辐射	用高能电子束瞄准金属产生的辐射（或材料中任何带电粒子的加速所产生的辐射）
化学组	元素周期表同一列中具有相似化学性质的一组元素
连贯的光线	由相同频率和相位的光子组成的光
共价键	两个原子之间共享电子形成的化学键
电子配置	表示原子中电子的状态，例如锂 $\displaystyle 1s^22s^1$ 的状态
精细结构	自旋轨道耦合产生的原子光谱的详细结构
荧光	原子中电子的激发和随后的逐渐消激所产生的辐射
超精细结构	自旋轨道耦合产生的原子光谱的详细结构
离子键	两个带电相反的离子之间的电吸引形成的化学键
激光	一连串的电子去激产生的相干光
磁轨道量子数	角动量投影量子数的另一个术语
磁图	太阳表面磁活动的图形表示或地图
亚稳态	电子在激发态 “徘徊” 的状态
单色	由相同频率的光子组成的光
莫斯利剧情	原子序数与 X 射线频率平方根的对比图
莫斯利定律	用于产生 X 射线的原子序数与 X 射线光子频率之间的关系
轨道磁偶极矩	测量电子的轨道角动量产生的磁场强度
保利的排除原则	原子中没有两个电子可以对所有四个量子数具有相同的值 $\displaystyle (n,l,m,ms)$
人口倒置	在这种情况下，大多数原子都含有处于亚稳态的电子
主量子数 (n)	与氢原子中电子的总能量相关的量子数
径向概率密度函数	函数用于确定在 r 的空间间隔内发现电子的概率
选择规则	确定是允许还是禁止原子过渡的规则（罕见）
自旋投影量子数 ( $\displaystyle m_s$ )	与电子自旋角动量的 z 分量相关的量子数
自旋量子数	与电子自旋角动量相关的量子数
旋转翻转过渡	电子-质子系统状态之间的原子过渡，其中磁矩对齐而不是对齐
自旋轨道耦合	电子磁矩与电子轨道角动量产生的磁场之间的相互作用
受激发射	当能量光子触发处于亚稳态的电子降低能量时，发射额外的光子
过渡金属	元素位于元素表的前两列和最后六列之间的间隙中，其中包含填充 d 子壳的电子
价电子	参与化学键的原子外壳中的电子
塞曼效应	通过外部磁场分裂能量水平

关键方程

轨道角动量	$\displaystyle L=\sqrt{l(l+1)}ℏ$
z-轨道角动量分量	$\displaystyle L_z=mℏ$
径向概率密度函数	$\displaystyle P(r)dr=∣ψ_{n00}∣^24πr^2dr$
自旋角动量	$\displaystyle S=\sqrt{s(s+1)}ℏ$
z-自旋角动量分量	$\displaystyle S_z=m_sℏ$
电子自旋磁矩	$\displaystyle \vec{μ_s}=(\frac{e}{m_e})\vec{S}$
电子轨道磁偶极矩	$\displaystyle \vec{μ}=−(\frac{e}{2m_e})\vec{L}$
与轨道磁偶极矩和外部磁场之间的磁相互作用相关的势能 $\displaystyle vec{B}$	$\displaystyle U(θ)=−μ_zB=mμ_BB$
氢原子子壳中的最大电子数	$\displaystyle N=4l+2$
类氢原子中原子转变的选择规则	$\displaystyle Δl=±1$
X 射线生产的莫斯利定律	$\displaystyle (Z−1)=constant\sqrt{f}$

摘要

8.1 氢原子

氢原子可以用其波函数、概率密度、总能量和轨道角动量来描述。
氢原子中电子的状态由其量子数（n、l、m）指定。
与玻尔原子模型相反，薛定胍模型根据概率陈述进行预测。
氢原子的量子数可用于计算有关原子的重要信息。

8.2 电子的轨道磁偶极矩

氢原子具有磁特性，因为电子的运动充当电流回路。
与轨道角动量相关的氢原子的能量水平被外部磁场分开，因为轨道角磁矩与磁场相互作用。
氢原子中电子的量子数可用于计算原子的轨道磁偶极矩的大小和方向。

8.3 电子自旋

氢原子中电子的状态可以用五个量子数表示。
电子的自旋角动量量子为 = $\displaystyle +½$ 。自旋角动量投影量子数为$\displaystyle m_s =+½$或 $\displaystyle −½$ （向上旋转或向下旋转）。
氢光谱的精细结构和超精细结构由原子内的磁相互作用来解释。

8.4 排除原则和周期表

保利的排除原理指出，原子中没有两个电子可以具有完全相同的量子数。
元素周期表的结构可以用原子中电子的总能量、轨道角动量和自旋来解释。
原子的状态可以通过其电子构型来表示，电子构型描述了原子中填充的壳和子壳。

8.5 原子光谱和 X 射线

辐射由原子能级转变吸收和发射。
量子数可用于估计原子转变产生的光子的能量、频率和波长。
当原子中的电子被高能紫外线（UV）光子的吸收激发到比基态高出几步时，就会产生原子荧光。
当原子内壳中的空位被来自原子外壳的电子填充时，就会产生 X 射线光子。
X 射线辐射的频率与原子的原子序数 Z 有关。

8.6 激光器

激光是相干（单色和 “相位连接”）光。
激光是通过种群反转和随后的材料（固体、液体或气体）中电子的去激产生的。
CD 和 Blu-ray 播放器使用激光读取存储在光盘上的数字信息。