氢原子光谱和四个量子数

氢原子光谱和四个量子数

近代原子结构理论的研究是从氢原子光谱实验开始的。

将太阳或白炽灯发出

的光通过三棱镜后，可以得到红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等波长连续变化的连

续光谱。但将氢气放入放电管，并通过高压电流，氢原子受到激发，发出的光经

过分光棱镜在可见、紫外、红外光区可得到一系列波长不连续变化的线状光谱，

这种光谱称为线状光谱或不连续光谱。

线状光谱是原子受激发后从原子辐射出来

的，因此又称原子光谱。每一种元素都有自己的特征光谱。

1913

年，波尔（

N.Bohr

）在氢原子光谱和普朗克（

M.Planck

）量子论的基础

上提出了如下假设：



在原子中，电子只能沿着一定能量的轨道运动，这些轨道称为稳定轨道。

电子运动时所处的能量状态称为能级。轨道不同，能级也不同。



电子只有从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才有能量的吸收或放出。

波尔理论成功地揭示了氢原子光谱，

阐明了谱线的波长与电子在不同轨道间

跃迁时能极差的关系，

因而在原子结构理论的发展过程中做出了很大贡献。

但是

该理论不能揭示多电子原子光谱、氢原子光谱的精细结构（在精密的分光镜下，

发现氢原子光谱的每一条谱线是由几条波长相差甚微的谱线所组成）

等新的实验

事实。

其原因是该理论没有完全摆脱经典力学的束缚，

因此随着科学的发展，

波

尔的原子结构理论便被原子的量子力学理论所代替。

量子力学对核外电子运动状态的描述引入了四个量子数，

即电子的运动状态

可以用四个量子数来规定。它们是：主量子数

(

n

)

，角量子数

(

l

)

，磁量子数

(

m

)

和

自旋量子数

(m

s

)

。

主量子数

n

它描述了核外电子离核的远近和电子能量的高低，由近及远，

能量由低至高。

N

的取值为

:

1

、

2

、

3

、

4∙∙∙

，

n

值越大，表示电子离核越远，能量

越高。反之，

n

越小，则电子离核越近，能量越低。由于

n

只能取正整数，所以

电子的能量是不连续的，

或者说能量是量子化的。

这也相当于把核外电子分为不

同的电子层，凡

n

相同的电子属于同一层，习惯上用

K

、

L

、

M

、

O

、

P

、

Q

分别

代表

n

=1

、

2

、

3

、

4

、

5

、

6

、

7

的电子层。

角量子数

l

根据光谱实验及理论推导，即使在同一电子层，电子的能量也

有所差别，

运动状态也有所不同，

即一个电子层还可以分为若干个能量稍有差别、

原子轨道形状不同的亚层。角量子数

(

又称副量子数

)

l

就是用来描述不同亚层的

量子数。

它规定电子在原子核外出现的概率密度随空间角度的变化，

即决定原子

轨道或电子云的形状。

l

的取值为小于

n

的正整数，即

0

、

1

、

2

、

3 

∙∙∙

n

-1

，如

n 

= 

4

，

l

可以是

0

、

1

、

2

、

3

，相应的符号是

s

，

p

，

d

，

f

，

∙∙∙ 

例如

l

= 0

就用

s

表示，

l

=1

用

p

表示等。

对于多电子原子，当

n

相同时，

l

越大，电子能量越高。因

此，常把

n

相同，

l

不同的状态称为电子亚层。

磁量子数

m

它描述了电子运动状态在空间伸展的取向。

m

的数值可取

0

、



1

、



2

、



l

。对某个运动状态可有

2

l

+1

个伸展方向。

s

轨道的

l

=0

，所以

只有一种取向，它是球形对称的。

p

轨道

l

=1

，

m

 = -1

，

m 

= 0

，

m

 = 1

，所以有三

种取向，用

p

x

、

p

y

和

p

z 

表示。

自旋量子数

m

s

电子除绕核运动外，它本身还做自旋运动。电子自旋运动