楊圖法確定同科電子原子態

周小莉

（臺州學院 物理與電子工程學院，浙江 臺州 318000）

楊圖法確定同科電子原子態

周小莉

（臺州學院 物理與電子工程學院，浙江 臺州 318000）

針對普通高校本科生學習“同科電子原子態確定”碰到的困難，引進一種簡便的楊圖法作為教學方法。以同科p電子的L-S耦合為例，詳細介紹該方法的操作步驟。實踐證明：楊圖法操作簡單，物理思想明晰，適應范圍廣，無需太深的理論基礎，學生容易掌握。

同科電子；原子態；楊圖

確定同科電子組態形成的原子態有多種方法。其中群論方法能嚴格而系統地解決同科電子原子態問題，但該方法涉及群論的基本理論，普通高校的學生因無群論基礎而難以實施。同科電子數越多越復雜，對（n，l）相同的電子組態，按不同的（ml，ms）組合一一列出所以獨立態的數目為

其中 k 為同科電子的數目，l為角量子數。當l、k 較大時組合數很大。如 d5（l=2，k=5）組合數為 c=252；k7（l=3，k=7）組合數c=2432。即使是兩個p同科電子組成的原子態也有5種。故在通用教材中，一般僅舉s2、p2等簡單的例子，以說明泡利不相容原理的應用。如褚圣麟的《原子物理學》中，用排列組合法求p2的原子態。具體做法如下：

表1 兩個同科電子可能的狀態配合

歸類得：

余下10組歸類為：

以上的排列法，排列序列長，容易重復或遺漏，特別是把不同的Ms、Ml歸類也不是件易事。對數目較多的電子組態更不易操作。

為此，教師在教學中探尋一種簡便易行的教學方法勢在必行。根據查閱文獻，筆者發現全同電子對稱波函數的標準楊圖表示能很好地解決同科電子原子態問題。該方法是根據實際電子數目畫出對應的N個小方格（N是電子數），稱之為楊圖。楊圖由若干行、若干列組成。每一行左邊第一格對齊，每一列上邊第一格對齊，并且每下一行或下一列的格子數不得多于上一行可上一列。例如4個電子的5種可能楊圖如圖1所示。

圖1 四個電子的五種可能楊圖

其中（a）全對稱的；（b）是完全反對稱的；（c）（d）（e）是混合對稱的。（a）與（b）、（d）與（e）是行列相互轉換而成，具有反對稱，稱共軛楊圖。對同科電子，由于泡利不相容原理的限制，楊圖必須是共軛的。

1 填充步驟及約定

填充步驟：（1）確定楊圖；（2）求出楊盤；（3）按（2l+1）/（2s+1）分別歸類；（4）得出2s+1LJ原子態。

為求出每個楊圖的量子數L或S，在楊圖方格中填量子數ml，ms（楊盤），由于ml，ms有各種組合，所以一個楊圖可以有若干個楊盤。每一楊盤對應的總磁量子數是楊盤中所有數字的代數和，即

把 ML、MS歸類，得 L、S 值。

填充楊圖時，同一行的電子具有交換對稱性，所以同一行量子數可以重復，同一列的電子具有交換反對稱，所以磁量子數不能重復。為避免重復填充，約定：

（1）填充時磁量子數從大到小排序：

（2）同一行中，右邊格子的數字小于等于左邊格子的數字；

（3）同一列中，下邊格子的數字小于上邊格子的數字。

由于Ml只有2l+1個可能值，所以空間楊圖不超過2l+1行，而MS僅有±兩種取法，故自旋楊圖不會超過二行，極大地限制了楊圖的種類和個數。

2 楊圖求同科電子原子態舉例

以同科p電子的L-S耦合為例。

例 1：（np）2組態。

即 MS=0，S=0。

根據上述的L，S值得p2的可能原子態是1D2，1S0。

對應 Ms=1，0，-1， S=1。 ∵L=2，S＝1 ∴ 原子態為3P2，1，0

與（np）2楊圖相同，讀者可能很快排出（nd）2的楊盤，并得出（nd）2原子態為1G4，1D2，1S0和3F4，3，2，3P2，1，0例 2：（np）3組態。

例 3：滿殼層（np）6組態

解：空間、自旋楊盤僅為一種可能

3 討論

（1）空間楊圖與自旋楊圖互換是泡利不相容原理的要求，即是（n，l，ml，ms）不能全同的具體體現。

（2）楊圖法不僅適用于L-S耦合，同樣適用于j-j耦合。

（5）在上述確定的原子態中，結合能量最低原理即可確定原子基態。

［1］王正行.近代物理學［M］.北京：科學出版社，1998，234-253.

［2］楊福稼.原子物理學［M］.北京：高等教育出版社，1996，199-205.

［3］褚圣麟.原子物理學［M］.北京：高等教育出版社，2002，215-240.

［4］胡昆明.等效電子組態的楊圖描述與洪特寫則的楊圖解釋［J］.大學物理，1995，15（9），4-7.

［5］仝殿民，朱誠久.楊圖方法計算辨子群的不可約表示［J］.吉林大學自然科學學報，1993，（1），72-76.

Defining Isoelectronic Atomic Configuration Via Young’s Diagram

ZHOU Xiao-li
(School of Physics&Electronics Engineering,Taizhou University,Taizhou 318000,China)

Aimed at the difficulties undergraduates encounter while learning how to define isoelectronic atomic configuration,the paper introduces a convenient teaching method,teaching via Young’s diagram.It presents the steps of the method in detail while L-S couple of isoelectronic p is taken as an example. It has been proved that Young’s diagram is simple to operate, it has got clear mind in physics, and it can be widely used. Be

sides,it is easy for students to grasp since there is no need for deep theoretical foundation.

isoelectronic;atomic configuration;Young’s diagram

周小莉）

T 2

A

1672-3708（2011）03-0071-05

2010-10-23；

2010-11-01

周小莉（1963- ），女，浙江臨海人，教授，主要從事物理教學工作。