2022-2023学年高二物理竞赛课件：泡利不相容原理

泡利不相容原理 1.费米子和玻色子 2.费米子泡利不相容原理 费米子：自旋为 的半奇数倍的粒子。如电子，质子等。 玻色子：自旋S＝0或 的整数倍的粒子。如光子，氘核等。 不能有两个或两个以上的电子具有相同的四个量子数 n, l, ml , ms . 3.玻色凝聚 玻色子不受泡利不相容原理的限制，一个单粒子态可容纳多个玻色子—玻色凝聚。 泡利不相容原理 1. 主量子数 ，它大体上决定原子中电子的能量。 四个量子数：描述原子中电子的量子态。 2. 轨道量子数（角量子数） 它决定电子绕核运动的角动量的大小，影响原子在外磁场中的能量。一般来说，处于同一主量子数n，而不同角量子数 的状态中的电子，其能量也稍有不同（多电子情况）。 电子的总的角动量 这一角动量的合成叫自旋轨道耦合 总角动量的值 由量子力学可知：J 也是量子化的。 如何耦合？量子化条件！ 量子数j 的取值取决于l 和s： 量子数直接相加减！ 当n一定, 可取n个值, 当 一定, 可取 个值, 当 给定, 可取2个, 4. 原子壳层n所能最多填充的电子数 : 例： 5、能量最小原理： 原子处于正常状态时，其中电子都要占据最低能级。 判断能级高低的经验公式： 其值越小，能级越低。 如: 4s(l=0)能级： 3d(l=2)能级： 可解释，电子先填入4s，后填入3d 的特例。 讨论：原子能量主要与主量子数 n 有关，一般是 n 越大能量越高，但也会受角量子数 l 的影响，因此属于小 n 的次壳层的能量不一定低，这将导致电子排布有一些特殊情况。 3. 磁量子数 决定电子绕核运动的角动量在外磁场中的（2l+1）种空间指向。影响原子在外磁场中的能量。电子角动量在外场分量 4. 自旋磁量子数 决定电子自旋角动量在外磁场中的两种指向，也影响原子在外磁场中的能量。 5. 总角动量量子数 壳层和支壳层 壳层：n相同的可能电子态构成一个壳层。 n＝1,2,3,…表示为 K, L, M, N, O, P,… n壳层最多容纳的电子数为2n2 次壳层：( n相同)l 相同的可能电子态构成一个支壳层。 l＝0,1,2,…表示为 s , p, d, f, g, h,… l支壳层最多容纳的电子数为 2(2l+1) 次壳层的电子排布称为电子组态， 例如: 氩( Ar, Z=18) 1s22s22p63s23p6。 综上所述, 基态原子的电子排布由两个原理决定： (1) 能量最低原理；(2) 泡利不相容原理。 2 6 10 14（n=4） s p d f (l=0,1,2,3) 原子中各壳层最多可容纳的电子数表 0 1 2 3 4 5 6 s p d f g h i 1 ,k 2 ,L 3 ,M 4 ,N 5 ,O 6 ,P 7 ,Q 2 2 2 6 8 2 6 10 18 2 6 10 14 32 2 6 10 14 18 50 2 6 10 14 18 22 72 2 6 10 14 18 22 26 98 原子的壳层：n相同的电子组成一个壳层。 原子的次壳层： 相同的电子组成一个次壳层。 2(2l+1) 1. 根据量子力学理论，氢原子中电子的角动量为 L= 当主量子数n=3时，电子角动量的可能取值为 。电子角动量在外场分量的可能取值为 。 l=0,1,2 当 一定, 可取 个值, ２、写出硼(B,Z=5)和銅（Cu,Z=29)等原子在基态时的 电子排布式。 解： 按“常规”从内到外排布为 2 6 10 14（n=4） s p d f 其值越小，能级越低。 洪特规则：自旋平行向上能量最低，全满或半满最稳定 只有x2系数为零才能保证等式成立。由此得 由前式求出 a 代入后式可得 $