第四章：碱金属原子和电子自旋
锂、钠、钾、铷、铯、钫
化学性质相仿、都是一价、电离电势都比较小，容易被电离，具有金属的一般性质。
一、碱金属原子的光谱
1、四个线系（锂为例）：其他碱金属光谱系相仿，只是波长不同
主线系:波长范围最广，第一条线是红色的，其余在紫外，系限2299.7埃；
第一辅线系（漫线系）：在可见部分；
第二辅线系（锐线系）：第一条线在红外，其余在可见部分；
伯格漫线系（基线系）：全在红外。
2、巴尔末氢原子光谱规律：,5,4,3),1-21(1~22===nnRvHλ
碱金属原子光谱：2*∞-~~nRvvn= R为里德伯常数，当，所以∞v~是线系限的波数，且有效量子数*n不是整数，Δ==-*nTRn
3、碱金属原子的光谱项：22*Δ)-(nRnRT==
4、同一线系的有效量子数与主量子数差别不大；与某一量子数对应不同线系的有效量子数差别明显，引进角量子数加以区分：
5、每一线系线系限波数恰好是另一线系第二谱项值中最大的那个。
共振线：主线系第一条。
6、碱金属原子氢原子能级的比较
n很大时，碱金属原子能级 很接近氢原子能级；
n较小时，碱金属原子能级 与氢原子能级相差大; 且n 相同，
l不同的能级高低差别很大。
二、原子实极化和轨道贯穿：原子=原子实+价电子
1、原子实：碱金属原子中的电子具有规则组合，共同点是在一个完整的结构之外，多余一个电子，这个完整而稳固的结构称为原子实。由于原子实的存在，发生原子实的极化和轨道在原子实中的贯穿。
2、价电子：原子实外的那个电子称作价电子。价电子在较大的轨道上运动，与原子实结合不是很强，容易脱离。它决定元素的化学性质，在较大的轨道上运动。
3、原子实的极化：由于价电子的电场的作用，原子实中带正电的原子核和带负电的电子的中心发生微小相对位移，于是负电的中心不再在原子核上，形成一个电偶极子。
① 角量子数l小：轨道偏心率大(椭圆)，极化强，能量影响大；
§21 碱金属双线
掌握碱金属双线产生的原因
掌握旋－轨相互作用导致的能级分裂的计算方法
① 自旋角动量与旋－轨相互作用；
② 碱金属双线中能量与光谱的计算。
理论讲授
2学时
第三章 原子的精细结构：电子的自旋
§21 碱金属双线
一、碱金属原子谱线的精细结构：定性考虑
Li原子的光谱精细结构：在高分辨率光谱仪下为双线或三线结构。其中，主线
系、二辅系为双线结构，一辅系、柏格曼系为三线结构。
主线系： SnP2
,3,2n
二辅系（锐线系）PnS2
,4,3n
一辅系（漫线系）PnD2
,4,3n
柏格曼系（基线系）DnF3
,5,4n
1 第三章 碱金属原子结构及光谱
碱金属原子： Li, Na, K, Rb, Cs, Fr (周期表中I族元素)
特点： 最外层只有一个电子, 内层形成“闭合壳层”(中学化学：原子中电子分层排列，每层排满2n2个电子形成“闭合壳层”，第四章介绍)。只考虑最外层的那一个电子和“闭合壳层+原子核＝原子实”的作用。
§3.1 能级和光谱---最外层电子和原子实作用形成
3.1.1 能级和能级图(玻尔理论为基础的维象理论)
1, 能级
对氢原子： En = －2nhcRH , (和l, m 无关)
对碱金属原子，和最外层电子的状态有关： En = E n,l = － 2)(lnRhc。 (1) Note: (i) R = R RH ; (n－l) n; l（量子数亏损），和n, l有关;
(ii) En 对l的“简并”消除，E＝E n,l 。
一个n, 对应l （0，1，2，3，…n -1）个E n,l 。
对： l = 0, 1, 2, 3, 4, …，描述的电子
表示： s, p, d, f, g, …，
l ： s, p, d, f, g ,…。
2, Na原子(Z=11)的能级图 格罗春图
纵轴：E n,l / eV
最右边一列：H （对比, 只和n有关）;
第一列 (S能级)： s 电子； n ＝3，4，5，…，（无 n ＝1，2, Why ?：2n2）
。。。。。。
第四列 (F能级)：f 电子； n ＝4，5，6，…，（无 n ＝3，2，1 , Why ?: lmax = n-1 ）
问题：Li、K、。。。能级图特点？
3.1.2 光谱和能级跃迁规律- Na原子为例
仅存在: l ＝1 （2-67）的跃迁，由此构成四个主要线系。
1， 锐线系（nS 3P, n ＝4，5，6,…, ） l ＝－1
一、实验目的
（1） 通过所学的理论知识解释碱金属光谱与氢原子光谱的异同点
（2） 分析碱金属原子的谱线规律并用实验证明之
（3） 学会光栅光谱仪的使用方法（及其结构），校准光谱仪并正确测定钠原子光谱
（4） 由钠原子光谱的波长显示计算光谱项，量子缺和主量子数，学会用里德伯表解决这一复杂问题
（5） 绘制钠原子能级图及氢原子能级图，并作对比
（6） 根据钠原子黄双线波长差，估算钠原子实有效电荷数和内部磁场
（7） 查找相关文献，对本次实验结果进行讨论分析，试图寻找创新点
二、实验原理
A、 钠原子光谱
（1） 碱金属原子的光谱和氢原子光谱相似，但在能级和谱线系种类方面有所不
同（如下表所示）。我们可以用原子实的极化和轨道贯穿理论很好地解释差别。
表一：钠氢原子光谱对比
氢原子光谱 钠原子光谱
光谱项 （ ）
（ ）
能级
（ ）
（
）
发射光谱线波数
（ ）
（ ）（*）
注：① 为主量子数， 为有效量子数， 称量子缺、
② 主要取决于轨道量子数 , 越小，电子轨道的偏心率越大，量子缺
也越大。
（2）在（1）表中公式（*）还可写成
（ ）
（ ）
表示（ , ）跃迁到（ ， ）,把
（ ） 作为固定项，记作 ，固定 ，则一系列 构成一个光谱线系，用 符号表示各线系。 分别用 表示。 表二：钠原子光谱的四个线系
主线系 锐线系 漫线系 基线系
跃迁类型 3s--np 3p--ns 3p--nd 3d--nf
n值 n=3,4,5,… n=4,5,6,… n=3,4,5,,,, n=4,5,6,…
