第七章原子的殼層結(jié)構(gòu)

1、Applied Physics1 前面，我們研究了前面，我們研究了氫原子氫原子、堿金屬原子堿金屬原子和和多電子原子多電子原子及其及其的特點(diǎn)，并由此得出了能級的特點(diǎn)：的特點(diǎn)，并由此得出了能級的特點(diǎn)：能級能級、能級能級、能級能級，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了決定能級特點(diǎn)的，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了決定能級特點(diǎn)的（）電子電子角動量與角動量與角動量的角動量的(或或 )，對光譜及其精細(xì)結(jié)構(gòu)給出了圓滿的理論解釋。，對光譜及其精細(xì)結(jié)構(gòu)給出了圓滿的理論解釋。 本章，我們接下來對一般原子的光譜和能級特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)本章，我們接下來對一般原子的光譜和能級特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)并得出原子結(jié)構(gòu)的一般特點(diǎn)。并得出原子結(jié)構(gòu)的一般特點(diǎn)。 以上幾章討論了幾類原子的結(jié)

2、構(gòu)特點(diǎn)及物理化學(xué)以上幾章討論了幾類原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及物理化學(xué)，可發(fā)現(xiàn)各元素的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的變化顯示出，可發(fā)現(xiàn)各元素的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的變化顯示出，這實(shí)質(zhì)上是，這實(shí)質(zhì)上是的反映。這就是本章的主要內(nèi)的反映。這就是本章的主要內(nèi)容。容。Applied Physics21 元素性質(zhì)的周期性元素性質(zhì)的周期性2 原子的電子殼層結(jié)構(gòu)原子的電子殼層結(jié)構(gòu)3 原子基態(tài)的電子組態(tài)原子基態(tài)的電子組態(tài)Applied Physics3 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，元素的性質(zhì)元素的性質(zhì)具有具有周期性周期性的變化規(guī)律。的變化規(guī)律。 接下來，我們具體分析一下。接下來，我們具體分析一下。 早在早在1869年，門捷列夫就發(fā)現(xiàn)，如果把年

3、，門捷列夫就發(fā)現(xiàn)，如果把元素按原子量元素按原子量的次的次序排列起來，它們的序排列起來，它們的性質(zhì)顯示出周期性性質(zhì)顯示出周期性的變化規(guī)律。進(jìn)一步研的變化規(guī)律。進(jìn)一步研究表明，完全按原子量排列，還不能把元素的性質(zhì)排列成一個(gè)究表明，完全按原子量排列，還不能把元素的性質(zhì)排列成一個(gè)完善的系統(tǒng)；個(gè)別幾處（完善的系統(tǒng)；個(gè)別幾處（K和和Ar、Co和和Ni等）的次序必須顛倒，等）的次序必須顛倒，才能組成一個(gè)合理的順序。才能組成一個(gè)合理的順序。 這樣處理后，按排列的次序，每個(gè)元素有一個(gè)這樣處理后，按排列的次序，每個(gè)元素有一個(gè)?，F(xiàn)在知道，這個(gè)原子序數(shù)就等于現(xiàn)在知道，這個(gè)原子序數(shù)就等于，也就是，也就是。Applied

4、 Physics41、基本特點(diǎn)、基本特點(diǎn)一、元素周期表一、元素周期表 如圖。一如圖。一稱為一個(gè)稱為一個(gè)，一，一稱為一稱為一（特殊的（特殊的VIIIB族包含族包含3列）。所有已知元素組成列）。所有已知元素組成、的的表表。2、周期數(shù)、周期數(shù) 所包含的元素?cái)?shù)目不完全相同，依次為所包含的元素?cái)?shù)目不完全相同，依次為 、 、 、，（未滿）。這一數(shù)目也反映了原子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，（未滿）。這一數(shù)目也反映了原子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，后面我們要仔細(xì)討論這一問題。后面我們要仔細(xì)討論這一問題。Applied Physics5二、元素性質(zhì)的周期性二、元素性質(zhì)的周期性1、同一、同一（同一（同一）的元素具有相似的化學(xué)性質(zhì)。）的元素具有相

5、似的化學(xué)性質(zhì)。2、同一、同一元素具有相似的光譜，元素具有相似的光譜，元素光譜呈現(xiàn)元素光譜呈現(xiàn)變變化規(guī)律（如化規(guī)律（如和和的的）。）。3、同一、同一元素元素變化（書變化（書P201）。）。4、元素的某些宏觀物理性質(zhì)，如、元素的某些宏觀物理性質(zhì)，如“”、等也都呈現(xiàn)等也都呈現(xiàn)的變化規(guī)律（書的變化規(guī)律（書P201）。）。Applied Physics6 前面，我們揭示了前面，我們揭示了的的變化規(guī)律，為什么有變化規(guī)律，為什么有這樣的規(guī)律呢？我們可得到這樣的規(guī)律呢？我們可得到的一般特點(diǎn)。的一般特點(diǎn)。 元素的性質(zhì)，應(yīng)由其元素的性質(zhì)，應(yīng)由其的特點(diǎn)決定。所以，元素化的特點(diǎn)決定。所以，元素化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的學(xué)性

6、質(zhì)和物理性質(zhì)的變化規(guī)律，說明了變化規(guī)律，說明了的的。 接下來，我們利用前面接下來，我們利用前面的分析方法，來研究原子結(jié)的分析方法，來研究原子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。構(gòu)的特點(diǎn)。Applied Physics7 原子中電子的運(yùn)動狀態(tài)可由幾個(gè)量子數(shù)原子中電子的運(yùn)動狀態(tài)可由幾個(gè)量子數(shù) 、 、 、反映，其中自旋量子數(shù)反映，其中自旋量子數(shù)為常數(shù)，所以，實(shí)際上電子狀態(tài)由為常數(shù)，所以，實(shí)際上電子狀態(tài)由個(gè)量子數(shù)反映。個(gè)量子數(shù)反映。 反映反映和和的的，對電子的，對電子的也也。一、原子中的電子狀態(tài)一、原子中的電子狀態(tài)1、主量子數(shù)、主量子數(shù) （） 反映原子中電子反映原子中電子和其和其，按，按軌道的描述方法就是軌道的描述方法就是。

7、2、軌道角動量量子數(shù)、軌道角動量量子數(shù) （）Applied Physics8 反映電子自旋的反映電子自旋的，即代表電子自旋角動量在某特殊方，即代表電子自旋角動量在某特殊方向的向的。 反映電子運(yùn)動軌道的反映電子運(yùn)動軌道的，也就是軌道角動量在某一，也就是軌道角動量在某一（如（如）的分量。）的分量。4、自旋方向量子數(shù)、自旋方向量子數(shù)（）3、軌道方向量子數(shù)、軌道方向量子數(shù)（） 如上如上 個(gè)量子數(shù)綜合起來，反映電子的一個(gè)個(gè)量子數(shù)綜合起來，反映電子的一個(gè)，只要，只要有有1個(gè)變化，電子的運(yùn)動狀態(tài)就發(fā)生改變。個(gè)變化，電子的運(yùn)動狀態(tài)就發(fā)生改變。Applied Physics9二、原子殼層與最大電子數(shù)二、原子殼層

8、與最大電子數(shù)1、Pauli原理原理 的電子，在的電子，在運(yùn)動，運(yùn)動，的的，我們稱這樣的電子構(gòu)成一個(gè)，我們稱這樣的電子構(gòu)成一個(gè)（）；）； 相同相同 不不同的電子，同的電子，稱這樣的電子，稱這樣的電子構(gòu)成一個(gè)構(gòu)成一個(gè)。原子中任意兩電子的狀態(tài)不能完全相同。也就是說反映電原子中任意兩電子的狀態(tài)不能完全相同。也就是說反映電子運(yùn)動狀態(tài)的子運(yùn)動狀態(tài)的4個(gè)量子數(shù)個(gè)量子數(shù) 、 、不能完全相同。不能完全相同。2、原子殼層、原子殼層Applied Physics103、最大電子數(shù)、最大電子數(shù)（1）磁場中）磁場中 、 相同的電子構(gòu)成一次殼層，在磁場作用下，相同的電子構(gòu)成一次殼層，在磁場作用下，可取可取個(gè)值，個(gè)值，可取

9、可取 個(gè)值個(gè)值。因此，一次殼層中電子可有。因此，一次殼層中電子可有個(gè)狀態(tài)，即次殼層最多可容納電子數(shù)為個(gè)狀態(tài)，即次殼層最多可容納電子數(shù)為 一定時(shí)，一定時(shí)， 可取可取，所以，一主殼層可容納的最大，所以，一主殼層可容納的最大電子數(shù)為電子數(shù)為 122 lNl 2102122nlNnln Applied Physics11（2）無磁場）無磁場 原子中電子的軌道角動量和自旋角動量之間相互作用（耦原子中電子的軌道角動量和自旋角動量之間相互作用（耦合）會形成磁場，這時(shí)反映電子狀態(tài)的量子數(shù)為合）會形成磁場，這時(shí)反映電子狀態(tài)的量子數(shù)為 。 相同時(shí)，相同時(shí)，可取可取 共共個(gè)值，個(gè)值，和和取取 個(gè)值。個(gè)值。所以，一次

10、殼層最多可容納電子數(shù)為所以，一次殼層最多可容納電子數(shù)為 一主殼層可容納的最大電子數(shù)為一主殼層可容納的最大電子數(shù)為 12212122121 lllNl 2102122nlNnln Applied Physics124、最大電子數(shù)與周期的對應(yīng)、最大電子數(shù)與周期的對應(yīng) 有如上公式，我們可得出，各主殼層可容納的最大電子數(shù)有如上公式，我們可得出，各主殼層可容納的最大電子數(shù)依次為依次為，這應(yīng)該與元素周期表中各周期的元素?cái)?shù)，這應(yīng)該與元素周期表中各周期的元素?cái)?shù)目相同，而各周期元素?cái)?shù)依次為目相同，而各周期元素?cái)?shù)依次為，與上式不完全，與上式不完全符合。符合。 2102122nlNnln 如何解釋上述差異呢？這是我

11、們下一步的主要任務(wù)。如何解釋上述差異呢？這是我們下一步的主要任務(wù)。Applied Physics13 元素性質(zhì)的周期性是電子殼層結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。電子在填充原元素性質(zhì)的周期性是電子殼層結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。電子在填充原子態(tài)時(shí)要遵從子態(tài)時(shí)要遵從和和。（1）原子中的電子數(shù)等于原子序數(shù)，每種）原子中的電子數(shù)等于原子序數(shù)，每種就核外電子來說，就核外電子來說，是周期表中是周期表中加加而成的。而成的。（2）是原子是原子的狀態(tài)。的狀態(tài)。都處于各自可能都處于各自可能的的中，按周期表順序逐個(gè)中，按周期表順序逐個(gè)也盡可能也盡可能在在。一、基態(tài)的一般特點(diǎn)一、基態(tài)的一般特點(diǎn)Applied Physics14二、基態(tài)的電子組態(tài)二、基態(tài)

12、的電子組態(tài)1、第一周期（、第一周期（ ） ，只有，只有取取 值，最多只能容納值，最多只能容納 個(gè)電個(gè)電子，故只有子，故只有。 電子在填充原子各殼層時(shí)要遵從電子在填充原子各殼層時(shí)要遵從和和。應(yīng)用應(yīng)用時(shí)注意時(shí)注意（同一電子組態(tài)形成的原子（同一電子組態(tài)形成的原子態(tài)，態(tài)， 、 越越的能級的能級越越）的運(yùn)用，所以，填充各次殼層）的運(yùn)用，所以，填充各次殼層時(shí)應(yīng)使時(shí)應(yīng)使最大（最大（）。）。Applied Physics152、第二周期（、第二周期（ ）,最 多 可 容最 多 可 容納納 個(gè)電子，個(gè)電子，故有故有。已 滿 ，已 滿 ，填充填充,最后最后為為Applied Physics163、第三周期（、第三

13、周期（ ），前，前10個(gè)電子填充在個(gè)電子填充在，形成類似于，形成類似于的結(jié)的結(jié)構(gòu)。然后開始填充構(gòu)。然后開始填充，最后的元素，最后的元素（號）形成號）形成。 現(xiàn)在現(xiàn)在還空著，還空著， 號元素號元素 的第的第個(gè)電子是否填充在個(gè)電子是否填充在呢？呢？實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，的第的第個(gè)電子沒有填充在個(gè)電子沒有填充在，而是填在了，而是填在了，這，這是因?yàn)槭且驗(yàn)槟芗壉饶芗壉鹊?。低?為什么為什么 能級比能級比能級低呢？能級低呢？ 軌道是一個(gè)偏心率很高軌道是一個(gè)偏心率很高的橢圓，它在的橢圓，它在和引起和引起都使其能級都使其能級下降；而下降；而是圓形軌道，是圓形軌道，能級接近于氫，能級接近于氫能級。因此，能級。因

14、此， 能級比能級比能級低。這一點(diǎn)，由莫塞萊圖也可以能級低。這一點(diǎn)，由莫塞萊圖也可以理解。（書理解。（書P215）所以，第所以，第周期以元素周期以元素結(jié)束，從結(jié)束，從開始進(jìn)入第開始進(jìn)入第周期。周期。 ZnRT1Applied Physics17實(shí)際填充順序?qū)嶋H填充順序Applied Physics184、第四周期（、第四周期（）。由。由到到，填充，填充，其中對，其中對的填充形成的填充形成族（族（），最后的元素），最后的元素（號）形成號）形成。5、第五周期（、第五周期（）填充填充，其中對，其中對的填充形成的填充形成 族（族（），最后的），最后的元素元素（號）形成號）形成。6、第六周期（、第六周期（

15、）填充填充，其中對，其中對的填充形成的填充形成（個(gè)），對個(gè)），對的填充形成的填充形成 族，最后的元素族，最后的元素（）形成）形成。7、第七周期（、第七周期（未滿）未滿）填充填充，其中對，其中對的填充形成的填充形成（個(gè)）。個(gè)）。Applied Physics19 指原子能級最低的狀態(tài)。從指原子能級最低的狀態(tài)。從確定確定時(shí)，注意運(yùn)用時(shí)，注意運(yùn)用（ 、 越越的能級的能級越越）及）及規(guī)律（規(guī)律（， 的能級的能級），找出原子的基態(tài)。），找出原子的基態(tài)。定基態(tài)的簡便法定基態(tài)的簡便法:、計(jì)算、計(jì)算、令、令、將、將 （表示自旋取向）按右圖（表示自旋取向）按右圖填充填充各值各值(如如)，可保，可保證證。 .L,

16、12JSJSLMJMSML 從而給出從而給出SLJlLsSMMMmMmM 的的半數(shù)半數(shù)或最小或最小半數(shù)半數(shù)最大最大最大或最小最大或最小最大的最大的)()(,三、基態(tài)原子態(tài)的得出三、基態(tài)原子態(tài)的得出Applied Physics20例例1：釩的基態(tài)電子組態(tài)釩的基態(tài)電子組態(tài)例例2：的基態(tài)電子組態(tài)的基態(tài)電子組態(tài)23F23,23, 323, 3,234基態(tài)為基態(tài)為 JSLMmMmMJlLsS45D4, 2, 24, 2, 2基基態(tài)態(tài)為為 JSLMmMmMJlLsS實(shí)例實(shí)例Applied Physics21例例3：()的基態(tài)電子組態(tài)的基態(tài)電子組態(tài)532 JlLsSMmMmM練習(xí)練習(xí)55F5, 2, 3基基態(tài)態(tài)為為 JSLApplied Physics22 練習(xí)二十八練習(xí)二十八作作 業(yè)業(yè)(3)氬（）原子基態(tài)的電子組態(tài)及原子態(tài)是：氬（）原子基態(tài)的電子組態(tài)及原子態(tài)是：.1s22s22p63p 1S0; .1s22s22p6p63d8 3P0.1s22s22p63s23p6 1S0; . 1s22s22p63p43d2 2D1/2(1)實(shí)際周期表對實(shí)際周期表對K.L.M.N.O.P主殼層所能填充的最大電子數(shù)依次主殼層所能填充的最大電子數(shù)依