原子的壳层结构

1一、元素性质的周期性(periodicityofcharacteristicsofelement)门捷列夫1869年发现，将元素按原子量的大小次序排列，它们的性质显示出周期性的变化。电离能从原子中移走一个电子所需要的能量。06052443628682016128476252015105HeNeArLiBKNaMgAlZnGaKrRbCdInXeCsHg原子序数（Z）电离能（eV）电离能随原子序数Z的变化关系第七章原子的壳层结构（简）2图中峰值对应的Z值称为幻数，它们是2,10,18,36,54,86等。这预示着元素性质周期性的深层实质，即原子中电子的壳层结构。二、原子中电子的壳层结构(shellstructureofelectroninatom)元素性质由原子中电子所处状态决定，电子状态由四个量子数n、l、m和ms表征。（1）主量子数n：依原子中电子能量由低到高n取从1开始的一系列正整数，即n=1,2,3,…；（2）轨道量子数l：也称角量子数，在n值一定时，l取n个可能值，即l=0,1,2,…,n-1；（3）磁量子数m：在给定l值时，m取2l+1个可能值，即m=0,1,2,…,l；3(4)自旋磁量子数ms：自旋角动量向上，ms取1/2，自旋角动量向下，ms取-1/2。如氢原子，按能量的不同，核外电子处于由任意一组量子数(n,l,m,ms)所表示的状态中，处于由能量最低的一组量子数表示的状态，基态1s。元素的物理和化学性质随原子中电子数的增加而逐渐表现出差异。例如，氟、氖和钠这三种元素的原子中，核外电子数分别为9、10和11，它们的物理和化学性质是有很大差异的。事实说明，在多电子原子中，电子不可能都处于能量最低的状态，电子在状态上的分布必须遵从下面两个原理。4电子在状态上的分布遵从下面两个原理：（1）泡利(W.Pauli)不相容原理：在原子中不可能有两个或两个以上的电子占据同一个状态，既不可能有相同的一组量子数(n,l,m,ms)；（2）能量最低原理：原子处于基态时，电子所占据的状态总是使原子的能量为最低。可见，原子中每个由一组量子数(n,l,m,ms)决定的状态只允许一个电子占据，同时，电子先占据能量最低的状态，即主量子数n最小的状态。对多电子原子，随着电子数增加，被电子占据的状态的主量子数n大体上是逐渐增大的。5依主量子数n不同，把电子的状态分为许多壳层，n相同的各状态属同一个壳层。n=1,2,3,4,5,…的壳层表示为K,L,M,N,O,…壳层，处于这些壳层上的电子称为K层,L层,M层,N层,O层电子……在一个壳层中，轨道量子数l不同又划分n个支壳层，对应l=0,1,2,3,4,5,…各支壳层用s,p,d,f,g,h,…表示，处于这些支壳层上的电子，称为s电子,p电子,d电子,f电子,g电子,h电子……对一定的轨道量子数l，磁量子数m有2l+1个可能数值；给定n、l和m时，自旋磁量子数ms取1/2两个可能数值。于是，算得主量子数为n的壳层上所能容纳的电子数，为2102122nlZnl-)(n62102122nlZnl-)(n由上式可得，K壳层可容纳2个电子，L壳层可容纳8个电子，M壳层可容纳18个电子，等等。ln0123456ZnSpdfghI1234567KLMNOPQ2262610261014261014182610141822261014182226281832507298原子的壳层和子壳层所能容纳的电子数电子数7每一个周期都从电子填充新壳层开始，决定元素物理和化学性质的最外壳层的电子数将出现周期性，这是门捷列夫发现的元素周期律的本质。三、原子的基态(groundstateofatom)在LS耦合下，由电子组态形成的各能级高低次序，根据洪德定则确定：(1）同一电子组态形成的具有相同L值的能级中，重数最高的，即S值最大的能级位置最低。例如：p146氦的比都要高。这里L值为1，因为都是P态。他们可以有相同的电子组态，比如1s2s2p,等。11P2,1,03P8（2）同一电子组态形成的具有不同L值的能级中，具有最大L值的能级位置最低。例如，p154，P能级高于D能级，D能级又高于F能级。（3）如果电子组态为(nl)v，对同一l值、不同j值的各能级的次序，有两种情形：当价电子数v(2l+1)时具有最小j值的能级位置最低，这称为正常次序；当价电子数v(2l+1)时，具有最大j值的能级位置最低，这称为倒转次序。9如果电子正好填满支壳层，m与ms的正值和负值成对出现，原子的自旋角动量、轨道角动量和总角动量都等于零，这种原子的基态为。10S对于未满支壳层的原子，其原子态只决定于未满支壳层上的电子组态。同一支壳层上的电子称为同科电子。其四个量子数中有两个相同，据泡利不相容原理，m和ms中至少有一个是不相同的。10•第一周期•1.H•2.He原子处于基态时，核外电子的排布情况1s11s2四、元素周期表11第二周期3.Li4.Be5.B6.C7.N8.O9.F10.Ne1s22s11s22s21s22s22p11s22s22p21s22s22p31s22s22p41s22s22p51s22s22p61s2s2p1211.Na1s22s22p63s112.Mg1s22s22p63s213.Al1s22s22p63s23p114.si1s22s22p63s23p215.P1s22s22p63s23p316.S1s22s22p63s23p417.Cl1s22s22p63s23p518.Ar1s22s22p63s23p6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13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。特点:各元素的原子都占有第四主壳层。多出一组填充3d支壳层的10个元素，它们大多有两个没满的壳层，——过渡元素。到第36号元素氦为止填满4p支壳层。共有18个元素。14特点:各元素的原子都占有第五主壳层，多出一组填充4d支壳层的10个元素——过渡元素。到氙(Z=54)元素为止填满5p支壳层。共有18个元素。第五周期从元素铷(Ru,Z=37)开始填充又因为能级交错现象,(4d支壳层10个,4f支壳层14个空着).在4壳层留下24个空位,而开始填充第五壳层，所以Ru开始了第五个主壳层的填充,也就开始了第五周期。15各元素的原子都占有第六主壳层。比第4,第5周期多出一组填充4f支壳层的14个元素，称为稀土族元素或称为镧系元素，到氙(Z=86)Rn元素为止填满6p支壳层共有32个元素。第六周期从元素铯(Cs,Z=55)开始填充。又因为能级交错现象,(4f支壳层.5d等支壳层空着,始了第六个主壳层的填充,也就开始了第六周期，所以铯是第六周期的第一个元素。特点:16各元素的原子都占有七个主壳层。多出一组填充5f支壳层的14个元素，称为锕系元素。第七周期从元素钫(Fr,Z=87)开始填充又因为能级交错现象,5f支壳层14个空着，所以在O壳层留下14个空位。6d支壳层10个空位，在P壳层留下10个空位。所以Fr开始了第七个主壳层的填充,也就开始了第七周期。特点元素周期律的实质在于：随着原子序数的递增，原子核外的电子在原子的各个能级上周期性有规律的排列，便造成了元素的化学和物理性质的周期性变化。17五、原子基态光谱项的确定电子组态形成封闭壳层结构时，ML=0，MS=0。因此闭合壳层角动量为零，即L=0,S=0,J=0（原子实正是这样）形成态，且l=1的p子壳层中的np1和np5；np2和np4具有相同的角动量大小（方向相反），因而有相同的原子态。即壳层中有一个电子和满壳层缺一个电子形成相同的原子态01S18(1)满壳层的电子不考虑(2)考虑泡利原理(3)考虑能量最低原理(4)考虑洪特定则1、基本原则192、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）。20其它元素的原子态都有可按上述方法求得。下面给出了由氢到氖的原子基态。NNmliMLLmsiMsS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。2122(W.Pauli,1900－1958)