泡利不相容原理-原子的壳层结构

回顾：氢原子2220124eEmr定态薛定谔方程：氢原子中电子的库仑势能:,,,,()42220112324enmeEnn,3,2,1n,,,,0121ln,,,,012ml氢原子能级的简并度为n2，即对应主量子数n的能级En有n2个本征态与之对应。回顾：电子自旋。与自旋相联系的磁矩：。电子不是质点，有固有的自旋角动量，它在空间任何方向的投影只可能取两个值，即：/2S/2em/2自旋角动量:(),/22112Ssss自旋角动量在z方向的分量：,12zssSmms§4泡利原理和原子的壳层结构1.元素周期律元素的周期性是原子内部电子的周期性排列的结果4§4泡利原理和原子的壳层结构原子的电离能随原子序数的变化§4泡利原理和原子的壳层结构原子半径随原子序数的变化§4泡利原理和原子的壳层结构原子中电子状态的描述及可能的状态数早期光谱学用来标记光谱项的符号，也用来标记原子能级和电子态,这套符号后来也应用于分子、原子核和粒子。碱金属原子的光谱一般可观测到四个线系：锐线系、主线系、漫线系和基线系。sharp,principal,diffuseandfundamental对单电子态的描述s、p、d、f、g、h…对应轨道角动量量子数,,,,,012345l§4泡利原理和原子的壳层结构2.四个量子数原子中电子的状态由4个量子数确定:•主量子数n：n=1,2,3,…（n,l,ml,ms）状态的能量主要由它决定;•轨道角量子数l：l=0,1,2,…,(n-1)它决定轨道角动量,对能量也稍有影响;•轨道磁量子数ml：ml=0,1,2,…,l决定轨道角动量在外磁场方向的分量;•自旋磁量子数ms：ms=1/2决定自旋角动量在外磁场方向的分量;§4泡利原理和原子的壳层结构3、泡利不相容原理实验表明，现在发现大多数微观粒子的自旋量子数取半整数，如电子，中子，质子等的自旋均为s=1/2；(1)费米子和玻色子费米子：自旋量子数取半整数，即s=1/2,3/2,…玻色子：自旋为整数，即s=0，1，…由此可以将微观粒子分为:此外也有一些基本粒子的自旋取整数，如：氘核、光子（s=1）、介子和K介子（s=0）等。§4泡利原理和原子的壳层结构(2)泡利不相容原理1924年泡利提出不相容原理：在一个原子中不可能有两个或两个以上的电子处于完全相同的量子状态，也就是说，在一个原子内部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n,l,ml,ms。1945诺贝尔物理学奖得主W.Pauli费米子服从泡利不相容原理。1869年门捷列夫：元素周期表;1923年玻尔：用原子内部电子在轨道上的排列来解释元素性质的周期性;1924年泡利：泡利不相容原理元素性质的周期性变化，来源于电子组态的周期性变化。§4泡利原理和原子的壳层结构(3)原子中电子的壳层结构主壳层——具有相同主量子数n的状态构成一个主壳层主量子数n壳层符号1K2L3M4N5O6P支(次)壳层——按角量子数的不同而分的壳层。spdfgh支壳层符号012345角量子数l()()120222122122nnlnZlnn原子中具有同一主量子数n的电子数最多为22n§4泡利原理和原子的壳层结构原子中电子状态的表示:1s2--K壳层可容纳两个电子ln0s1p2d3f4g5h6iZn1,K2(1s)22,L2(2s)6(2p)83,M2(3s)6(3p)10(3d)184,N2(4s)6(4p)10(4d)14(4f)325,O2(5s)6(5p)10(5d)14(5f)18(5g)506,P2(6s)6(6p)10(6d)14(6f)18(6g)22(6h)727,Q2(7s)6(7p)10(7d)14(7f)18(7g)22(7h)26(7i)98§4泡利原理和原子的壳层结构4、能量最小原理:每个电子优先占居能量最小的状态.一般讲n越小能量越小，但是有时受l影响，n壳层尚未填满，n+1壳层已经开始有电子填入了。sspspdspdspdfspdfspdf比较4s与3dEN=1234567§4泡利原理和原子的壳层结构各能级的能量次序为：§4泡利原理和原子的壳层结构电子填布原子中的各个量子态遵循两个基本原理：5.原子的壳层结构与元素周期律泡利不相容原理能量最小原理§4泡利原理和原子的壳层结构主壳层次壳层22s2p33s3p3d44s4p4d4f55s5p5d5f6d6s66p77s11s2881818323221018365486每一周期从填充s支壳层开始，到填满p支壳层结束（第一周期除外）。开始填充s支壳层，化学性质最活泼——碱金属原子。填满p支壳层，构成满壳层，Z=2,10,18,36,54,86，化学性质最稳定——惰性元素。§4泡利原理和原子的壳层结构电子填充3d，4d态的元素是过渡元素。电子填充4f，5f态的元素是镧系和锕系，它们的性质极为相近。主壳层次壳层22s2p33s3p3d44s4p4d4f55s5p5d5f6d6s66p77s11s2881818323221018365486§4泡利原理和原子的壳层结构§4泡利原理和原子的壳层结构电子组态：对于由量子数（n,l）确定的支壳层，写出n值，接着写出支壳层字母符号，然后把电子数标示在右上角，指明这一支壳层中的电子数。把各个轨道按顺序写，便是电子组态。硼基态：5个电子：221122ssp钾基态：19个电子：钠基态：11个电子：22611223ssps226261122334sspsps例、锂基态：3个电子：2112ss氯基态：17个电子：2262512233sspsp§4泡利原理和原子的壳层结构五种惰性气体的电子组态：惰性气体电子组态电子数（Z）He1s22Ne1s22s22p610Ar1s22s22p63s23p618Kr1s22s22p63s23p64s23d104p636Xe…3s23p64s23d104p65s24d105p654§4泡利原理和原子的壳层结构碱金属比惰性气体多一个电子，前四种碱金属的电子组态：碱金属电子组态惰性气体原子实Li(Z=3)1s22s1HeNa(Z=11)1s22s22p63s1NeK(Z=19)1s22s22p63s23p64s1ArRb(Z=37)1s22s22p63s23p64s23d104p65s1Kr§4泡利原理和原子的壳层结构五种卤族元素的电子组态：卤族元素电子组态电子数（Z）F1s22s22p59Cl1s22s22p63s23p517Br1s22s22p63s23p64s23d104p535I…3s23p64s23d104p65s24d105p553At…4p65s24d105p66s24f145d106p585卤族元素的电子组态最外壳层加上电子才能形成闭合壳层，所以容易从外界获得一个电子，形成闭壳层结构，从而和其它原子形成稳定的分子，表现出强的非金属性。§4泡利原理和原子的壳层结构小结：电子具有自旋，原子中电子态用四个量子数来描述主量子数n:n=1,2,3,…轨道角量子数l:l=0,1,2,…,(n-1)轨道磁量子数ml:ml=0,1,2,…,l自旋磁量子数ms:ms=1/2一组量子数（n，l，ml，ms）决定一个状态原子中具有同一主量子数n的电子数最多为2n2§4泡利原理和原子的壳层结构自从量子理论诞生以来，它的发展和应用一直广泛深刻地影响、促进和触发人类物质文明的大飞跃。一百多年的人类历史可以作证。如果还不信，可以把所有学科名称前面冠以“量子”二字，就会发现：已经形成或将要形成一门新的理论和学问。除了物理学中以量子力学为主要理论支柱的学科，其它学科也能直接添加“量子”二字就形成新的理论和学问。结束语§4泡利原理和原子的壳层结构化学—量子化学生物学—量子生物学宇宙学—量子宇宙学网络—量子网络信息论—量子信息论计算机—量子计算机光学—量子光学电子学—量子电子学电动力学—量子电动力学统计力学—量子统计力学经典场论—量子场论就连国际投机家索罗斯的基金会也时髦的冠以“量子”二字：“量子基金会”。§4泡利原理和原子的壳层结构量子理论自20世纪20年代创立以来，直到现在，已逐步成为核物理、粒子物理、凝聚态物理、超流和超导物理、半导体物理、激光物理等众多物理分支学科的共同理论基础。而且在量子理论的框架内建立了弱电统一的标准模型；量子理论进入了宇宙起源和黑洞理论。总之，量子理论诞生后这80年来的发展，使得：量子理论成为整个近代物理学的共同理论基础。§4泡利原理和原子的壳层结构当前量子力学的重要应用•量子生物学•量子生命科学•量子神经网络•量子化学•量子材料科学•量子信息科学•量子计算机科学•BEC器件、原子器件目前，它正在向材料科学、化学、生物学、信息科学、计算机科学大规模渗透。预计不久的将来它将会成为整个近代科学共同的理论基础。§4泡利原理和原子的壳层结构Anyonewhoisnotshockedbyquantumtheoryhasnotunderstoodit.——NielsBohrIthinkIcansavelysay,nobodyunderstandsquantummechanics。——R.P.Feynman§4泡利原理和原子的壳层结构