电子的轨道

第七章原子的壳层结构7.1元素性质的周期性1869年俄国化学家门捷列夫经过长期的研究发现元素的性质随着原子量的递增而发生周期性变化，他把当时已发现的63种元素按原子量的递增顺序排成一行，并将性质相似的元素排在一个列中，编成了元素周期表。后又陆续发现了许多新元素，相继填充到周期表中。目前，最新统计结果，共发现114种元素，1994年底是111种。这114种元素中有92种是天然存在的，其余的是人工制造的。1869年门捷列夫单位：10-12m(pm)54Ionizationenergiesoftheatoms电离能尽管元素性质的周期性早在1869年就提出来了,但人们对此却无法给出一个满意的解释，直到50年后的Bohr时代，才由Bohr给出了物理解释。1925年Pauli提出不相容原理，人们这才深刻地认识到，元素性质的周期性,是电子组态周期性的反映。下面我们从讨论各”轨道”的电子容量入手,讨论电子的填充次序以及能级相对高、低的一般规律。7.2原子的电子壳层结构1.描述电子状态的两套量子数(1)用量子数描述(无耦合表象),,,snmm如：原子处于强磁场中，电子的自旋-轨道耦合被解脱。电子的轨道、自旋的取向分别对外磁场量子化。(2)用量子数描述(耦合表象),,,jnjm电子的自旋-轨道耦合时，不再有确定的值。如：原子处于弱磁场中；j-j耦合情形。,smm各参数的意义见课本P:2033.壳层和次壳层最多容纳电子数同一个原子中,不可能有两个或两个以上的电子处在同一个状态；也就是说，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数。2.泡利不相容原理相同主量子数的电子构成一壳层；每一壳层中，不同的分为不同的次壳层。n(1)用量子数描述时,,,snmm•对确定的主量子数,共取个值；n0,1,2,.....,1nn对每一，共个值，对每一,1,....m21,m11,22sm每一次壳层最多容纳电子数：2(21)N每一壳层最多容纳电子数：1202(21)2nnNn(2)用量子数描述时,,,jnjm对确定的主量子数,共取个值；n0,1,2,.....,1nn对每一，有两个值：j1/2,1/2()jjs对每一,,1,......,jjmjjj每一次壳层最多容纳电子数：[2(1/2)1][2(1/2)12(21)N每一壳层最多容纳电子数：1202(21)2nnNn各壳层可以容纳的最多电子数56壳层名称最多电子数2n2支壳层最多电子数2(2+1)1234KLMNOP2818325072001012301234501201234sspspdspdfspdfghspdfg2262610261014261014182610141832n壳层中电子的数目主量子数n和角量子数l构成了电子壳层泡利不相容原理支壳层(nl)容纳电子数目)12(2l壳层n上容纳电子数目22n1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p64f145d106s26p6元素周期表的填充次序不单由n决定ElectronDistributionsIntoShellsfortheFirstThreePeriods电子壳层的能量次序(n+l)值越大能量越高，相同时n较大能量越高能量最低原理4s与3d能量的比较总结能量最低原理•①上述次序只是外层电子能级的次序，因而是逐一填充电子的次序，这不能理解为内层电子能级的次序。•②存在违反的特殊情况，这是由于原子内部相互作用的复杂性所致，如镧系收缩效应。•原子在正常状态时，(基态)每个电子在不违背泡利不相容原理的前提下，总是尽先占有能量最低的状态。4.能量最低原理原子中各状态能量高低次序同一主壳层中（n相同而不同）E(ns)E(np)E(nd)E(nf)当n，都不相同时，（n+0.7）值大的能级较高（n+0.7）值小的能级较低（当n3）电子能级排列大致顺序：1223343454564567567sspspsdpsdpsfdpsfdppdspspss43433221pdfspds65465457567sfdp原子系统处于正常态时，每个电子总是尽先占据能量最低的能级。越大，能级越高)l.n(7043sd和比较:).().(27030704原子内电子按一定壳层排列总结即原子排布顺序：原子能级与原子序数的关系方框内是Z＝20附近的原子能级次序的放大图1962年美国无机结构化学家科顿7.3元素周期表的形成1s11s2•第一周期H原子处于基态时，核外电子的排布情况He第二周期3.Li4.Be5.B6.C7.N8.O9.F10.Ne1s22s11s22s21s22s22p11s2s2p1s22s22p21s22s22p31s22s22p41s22s22p51s22s22p611.Na1s22p63s112.Mg1s22p63s213.Al1s22p63s23p114.Si1s22p63s23p215.P1s22p63s23p316.S1s22p63s23p417.Cl1s22p63s23p518.Ar1s22p63s23p6因为3d空着,所以第三周期只有8个元素而不是18个元素第三周期第四周期从K开始填充4s.因为能级交错现象,E4sE3dE4p所以K开始了第四个主壳层的填充,也就开始了第四周期。4s:K，Ca3d:Sc-----Zn(21-30号元素）过渡元素。4p:Ga-----Kr(31-36号元素）接下来填5s次壳层,第四周期结束。(18个元素)第五周期5s:Rb,Sr(鍶）4d:Y-----Cd(39-48号元素）过渡元素。5p:In-----Xe(49-54号元素）接下来填6s次壳层,第五周期结束。(18个元素)第六周期6s:Cs,Ba5d:填1个电子，La(57号元素）稀土元素。4f:Ce(铈）-----Lu(58-71号元素）镧系，稀土元素接下来填7s次壳层,第六周期结束。第七周期开始。。。(32个元素)5d:72-80号元素（9个）6p:81-86号元素（6个）电子填充的外次壳层决定了元素的物理、化学性质的相似性本节小结：元素的同期性反映了电子组态的周期性，而电子组态的周期性则体现了泡利原理和能量最小原理，从而将元素的化学性在原子的领域中“物理化”了。研究未填满的最外壳层的若干同科价电子将是多电子原子光谱的研究重点7.4原子基态光谱项的确定（复习）考虑：L-S耦合；泡利原理；能量最低原理；洪特定则1.满壳层和满次壳层角动量均为零0,0,0LSJ描述原子状态（光谱项）的角动量只取决于未填满的次壳层中的电子总角动量。2.确定原子基态光谱项的简易方法•(1)由泡利原理和能量最低原理求一定电子组态的最大S。•(2)求上述情况上的最大L。•(3)由半数法则确定J。•(4)按2s+1LJ确定基态原子态（光谱项）。大于或者等于半满，J=L+S小于半满，J=L-S总结其它元素的原子态都有可按上述方法求得。111101NsiNLliSMsmLMm例：Si（硅）基态电子组态是3P2,是两个同科P电子，填充方式为：m:+10-1由此可知这样便求出了最大S和最大的L（按洪特定则要求）再由半数法则确定J=L-S=0,所以硅（Si）的基态为L=1,S=1,J=0，可得，3p0是它的基态的原子态。讲作业题泡利WolfgangPauli奥地利人1900-1958获1945年诺贝尔物理学奖TheNobelPrizeinPhysics1945forthediscoveryoftheExclusionPrinciple,alsocalledthePauliPrinciple第七章原子的壳层结构重点章节电子的排布基态电子组态的确定