
- •Теоретический минимум к лабораторному практикуму по физике твердого тела
- •1. Элементы квантовой механики
- •1.1. Гипотеза де Бройля. Волновые свойства вещества
- •1.2. Соотношение неопределенностей
- •1.3. Уравнение Шрёдингера
- •1.4. Смысл пси-функции
- •1.6. Состояние электрона в атоме. Квантовые числа
- •1.7. Принцип Паули
- •2. Элементы квантовой статистики
- •2.1. Некоторые сведения из квантовой статистики
- •2.2. Вырожденный электронный газ в металлах
- •3. Элементы физики твердого тела
- •3.1. Понятие о зонной теории твердых тел
- •3.2. Металлы, полупроводники, диэлектрики
- •3.3. Собственная проводимость полупроводников
- •3.4. Примесная проводимость полупроводников
- •3.5. Контакт электронного и дырочного полупроводников (р-n переход)
- •3.6. Светодиоды
- •3.7. Фотопроводимость полупроводников
- •Библиографический список
- •Теоретический минимум к лабораторному практикуму по физике твердого тела
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
1.6. Состояние электрона в атоме. Квантовые числа
В квантовой механике доказывается, что энергетическое состояние электрона в атоме определяют четыре квантовых числа: главное «n», орбитальное «ℓ», магнитное орбитальное «mℓ» и магнитное спиновое «ms».
Главное квантовое число «n» совпадает с номером уровня энергии электрона в атоме и может принимать любые целочисленные значения, начиная с единицы:
n= 1, 2, 3,… (1.10)
Орбитальное квантовое число «ℓ»
определяет значение орбитального
момента импульса электрона.
Модуль момента импульса атомного электрона квантован. Он не может иметь произвольное значение. Совокупность его величин образует дискретный набор, определяемый условием
,
(1.11)
где «ℓ» – орбитальное квантовое число, принимающее при заданном «n» значения:
,
(1.12)
всего n значений.
Вектор
момента
импульса электрона может иметь лишь
такие ориентации в пространстве, при
которых его проекция
на
направление внешнего или атомного
магнитного поля, совмещённого с осьюz, принимает квантованные
значения, кратные
:
.
(1.13)
Здесь mℓ – магнитное орбитальное квантовое число, которое при заданномℓможет принимать всего (2ℓ+ 1) различных значений:
.
(1.14)
Итак, ещё раз подчеркнём, что магнитное квантовое число mℓопределяет проекцию момента импульса электрона на заданное направление и, следовательно, сам вектор момента импульса электрона в атоме имеет в пространстве одно из
(2ℓ+ 1) ориентацией по отношению к осиz.
Электрон обладает собственным неуничтожимым механическим моментом импульса, не связанным с движением электрона в пространстве, называемым спином.
Спин электрона, а также других микрочастиц – квантовая характеристика. У него нет классического аналога. Спин электрона – это внутреннее, неотъемлемое свойство электрона, подобное его заряду и массе.
Если электрону присущ собственный
механический момент импульса (спин)
,
то ему соответствует собственный
магнитный момент
.
Спину электрона сопоставляется спиновое квантовое число S, а его значение определяют величиной
.
(1.15)
По аналогии с орбитальным моментом
импульса, проекция
спина на физически выделенное направление
квантуется так, что вектор
может принимать 2S+ 1
ориентаций. В опытах Штерна и Герлаха
наблюдались только две ориентации.
Поэтому 2S+ 1 = 2 и,
следовательно,
.
Проекция спина на направление внешнего
магнитного поля является квантованной
величиной:
,
(1.16)
где
–
магнитное спиновое квантовое число;
оно ограничено двумя значениями
.
(1.17)
Энергия электрона в атоме зависит в первую очередь от главного квантового числа n.
Состояния электрона с одинаковой
энергией называются вырожденными, а
число различных состояний с каким-либо
значением энергии называется кратностью
вырождения. Кратность вырождения
уровнейс учетом возможных значений
и
равна
(1.18)