電子屏蔽與鉆穿效應(yīng).doc

屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng) 化學(xué)化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)2010級01班 20006130519王濟(jì)敏摘要：對屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)進(jìn)行了研究，從宏觀上解釋了屏蔽效應(yīng)、鉆穿效應(yīng)、屏蔽現(xiàn)象和鉆穿現(xiàn)象，也從量子力學(xué)角度計算出了屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)的有關(guān)確定的值。闡述了屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)的重難點，推薦了屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)的更精確的計算方法，以便人們更容易理解和掌握。關(guān)鍵詞：屏蔽效應(yīng)、鉆穿效應(yīng)、屏蔽常數(shù)、量子力學(xué)、原子、電子、能級交錯。 Screening Effect and Penetrating Effectclass 2010 grade 01 Chemical engineering applied chemistry Director : Wang jiminAbstract: Do a researth for screening effect and penetrating effect, screening phenomenon and penetrating phenomenon in macroscopic angle ,and figure out definite numerical valueabout screening effect and penetrating effect in quantum mechanics . Set out the majorpoint and difficulty of screening effect and penetrating effect , and recommentd calulationmenhod to work out screening effect and penetrating effect more accurately , So that people can understand and acquire it easily.Keywords: screening effect.penetrating effect. screening constant. quantum mechanics. atom. electron. energy counterchange. 電子之間的相互作用可以從屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)兩方面去認(rèn)識，這兩種效應(yīng)有著密切的聯(lián)系，它們都是根據(jù)單電子波函數(shù)和中心力場的近似模型提出來的6，是在多電子原子中由于各個電子的量子數(shù)，1不同，電子云分布不同，電子和電子之間，電子和核之間的相互作用不同，引起原子軌道能和電子結(jié)合能發(fā)生變化的能量效應(yīng)。屏蔽效應(yīng)是指核外某個電子i感受到核電荷的減小，使能級升高的效應(yīng)；鉆穿效應(yīng)則是指電子i避開其余電子的屏蔽，其電子云鉆到近核區(qū)而感受到的較大的其余電子的屏蔽，其電子云鉆到近核區(qū)而感受到的較大的核電荷作用，使能級降低的效應(yīng)。這兩中效應(yīng)從不同的角度提出：鉆穿效應(yīng)把電子作為主體，從它的自身分布特點來理解；屏蔽效應(yīng)把電子看作客體，考察它受其它電子的屏蔽影響。 一 屏蔽效應(yīng)多電子原子中，其他電子對指定電子的排斥作用看作部分地抵消（或削弱）核電荷對該電子的吸引 即其他電子起到了部分地屏蔽核電荷對某電子的吸引力，而該電子只受到“有效核電荷”Z* （Z*= Z-，Z為原子的核電荷數(shù)，為其它電子的屏蔽常數(shù)，它代表了電子之間的排斥作用，相當(dāng)于個電子處于原子核上的原有核電荷抵消的部分2）的作用。 因此，可以認(rèn)為，其余電子屏蔽了或削弱了原子核對該電子的吸引作用，這就是屏蔽效應(yīng)。屏蔽效應(yīng)使該電子的能量升高。計算電子能量的公式也相應(yīng)的變?yōu)?屏蔽常數(shù)的計算法則： 1. 分組：按以下次序(1s), (2s,2p), (3s,3p), (3d),(4s, 4p), (4d), (4f), (5s, 5p), (5d), (5f)等。 2. 處于電子外層的各軌道中的電子對該電子不產(chǎn)生屏蔽作用，即各組的=0。 3. 同組中每一個電子屏蔽同組電子為0.35e，而1s 組內(nèi)的電子相互屏蔽0.30e。 4. 第(n-1)組中每一個電子對第n 組(ns, np)上電子的電子屏蔽為0.85e。 5. 第(n-2)組中每一個電子對第n 組(ns, np)上電子的電子屏蔽為1.00e 。 6. 當(dāng)被屏蔽電子是 (nd) 組 (nf) 組電子時，同組電子屏蔽為0.35e,左邊各組電子屏為1.00e 。 該方法用于主量子數(shù)為4的軌道準(zhǔn)確性比較好，n大于4后比較差。有一種更精確的法則：斯萊特徐光憲法就提供了每一個電子屏蔽常數(shù)的確定規(guī)則1 。該規(guī)則包括以下幾點：（1） 屏蔽電子的主量子數(shù)大于屏蔽電子，=0，即外層電子對內(nèi)層電子不發(fā)生屏蔽作用，等等。（2） 同層電子的屏蔽作用的屏蔽常數(shù)如下表所示。表中np指充滿前的p電子(p1-p3),p指充滿后的p電子(p4-p6)。表1 同層電子的屏蔽常數(shù)被屏蔽電子屏 蔽 電 子nsnpnp ndnfns0.300.250.230.000.00np0.350.310.290.000.00np 0.410.370.310.000.00nd1.001.001.000.350.00nf1.001.001.001.000.39（3） 內(nèi)層電子屏蔽相鄰?fù)鈱与娮拥钠帘纬?shù)見表2。 表2 電子對相鄰?fù)鈱与娮拥钠帘纬?shù)被屏蔽電子屏 蔽 電 子(n-1)s(n-1)p(n-1)d(n-1)fns1.00*0.900.930.86np1.000.970.980.90nd1.001.001.000.94nf1.001.001.001.00 *1 s對2 s的屏蔽常數(shù)例外，為0.85.（4） 內(nèi)層電子屏蔽非相鄰?fù)鈱与娮拥钠帘纬?shù)，一般均為1.00，只有（n-2）f對ns（如4f對6 s）的屏蔽常數(shù)為0.98。二. 鉆穿效應(yīng) 從量子力學(xué)觀點來看，電子可以出現(xiàn)在原子內(nèi)任何位置上。因此最外層電子也可能出現(xiàn)在離核很近處。也就是說，外層電子可鉆入內(nèi)電子殼層而更靠近核，這種電子滲入原子內(nèi)部空間而更靠近核的本領(lǐng)稱為鉆穿效應(yīng)。 對于同一個原子而言，s、p、d、f軌道的鉆穿效應(yīng)按s、p、d、f的順序增強。鉆穿效應(yīng)使該電子的能量降低。對于主量子數(shù)n相同，角量子數(shù) 不同的軌道，主量子數(shù)的影響是一樣的，能量不同的原因是其鉆穿效應(yīng)不同，得到能級由低到高的順序為：E(ns)E(np)E(nd)E(nf) 6 。 。 在多電子原子中，原子軌道的能級變化大體有以下三種：）n不同、l相同的能級，n愈大，軌道離核愈遠(yuǎn)，外層電子受內(nèi)層的屏蔽效應(yīng)也愈大，能級愈高，核對該軌道上的電子吸引力就愈弱。如：EEEE。）n相同、l不同的能級，當(dāng)n相同時，角量子數(shù)小的，峰越多，鉆的就越深，離核就越近，受核的吸引力就越強，由于鉆穿能力nsnpndnf，所以核對電子的吸引能力nsnpndnf，或l增大，軌道離核較遠(yuǎn)，受同層其它電子的屏蔽效應(yīng)就大，能級升高，核對該軌道上的電子吸引力相應(yīng)減弱。如：EEEE。）n不同，l不同的能級，原子軌道的能級順序較為復(fù)雜。如：EE；EE；EEE等。這可用鉆穿效應(yīng)加以解釋。例如4s的能級低于3d，從殼層幾率徑向分布圖可以看出，4s離核最近的小峰，鉆的很深，核對它的吸引力增強，使軌道能級降低的作用超過了主量子數(shù)增大使軌道能級升高的作用，故EE，使能級發(fā)生錯位。同樣也能解釋EE；EEE等。屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)均能對多電子原子的原子軌道能級高低變化加以說明，而后者對能級交錯的現(xiàn)象能進(jìn)行圓滿的解釋。例如：主量子數(shù)n相同的各個軌道中角量子數(shù)l小的軌道，如l=0的s軌道，他的徑向分布圖中峰的數(shù)目最多，主峰離核最遠(yuǎn)，小峰離核最近，即鉆得最深。隨核電荷數(shù)的增加，最靠近核的小峰在能量上的作用越越明顯。三. 結(jié)論 1. 屏蔽作用 EnsEnpEndEnf這是因n相同，電子離核的平均距離雖相同，但電子云形狀可不同，當(dāng)被屏蔽電子本身l值小時，其電子云分布比較集中，而其它電子云分布比較分散對其屏蔽小，即小，因而Z*大，該電子受到較大核電荷的吸引，所以能量低。從本質(zhì)上來看，這與不同電子的幾率徑向分布不同有密切關(guān)系，即是受鉆穿效應(yīng)影響的結(jié)果。 鉆穿作用 EnsEnpEndEnf外層電子有機會鉆到內(nèi)部空間而靠近原子核的現(xiàn)象，電子的l越小，鉆穿作用越大，受到的越小，受核的吸引力越大，能量越低。本質(zhì)是s、p、d、f等狀態(tài)的幾率徑向分布不同而引起的能量效應(yīng)。屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)是其它電子（屏蔽電子）對某軌道上電子（被屏蔽電子）的屏蔽能力和某軌道上電子（被屏蔽電子）回避其它電子屏蔽的能力的兩個側(cè)面（被動和主動）來描述多電子原子中電子之間的相互作用對軌道能級的影響，著眼點不同，但本質(zhì)都是一種能量效應(yīng)。 2. 能級交錯E4sE3dE4p E5sE4dE5p E6sE4fE5dE6p（1）n相同l不同的軌道能量不同EnsEnpEndEnf，從而發(fā)生了能級分裂，構(gòu)成了不同的能級，從而打破了氫原中n相同l不同的軌道構(gòu)成一個能級的關(guān)系。（2）不同軌道的鉆穿能力不一樣，其鉆穿效應(yīng)導(dǎo)致對軌道能量的降低作用有時會超過主量子數(shù)對軌道能量的升高作用。能級分裂和能級交錯是鉆穿效應(yīng)和屏蔽效應(yīng)共同作用的結(jié)果。上述屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)引起的能量效應(yīng),，可以幫助我們理解核外電子排布的軌道順序。參考文獻(xiàn)：1 楊德壬、朱福森、趙泓等.無機化學(xué)（中冊）.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.1982.54-58.2 北京師范大學(xué)、華中師范大學(xué)、南京師范大學(xué)無機化學(xué)教研室.無機化學(xué)（上冊）.第三版.北京：高等教育出版社.1992.5.219-2