核外電子的運動狀態(tài)

1、.核外電子的運動狀態(tài)電子在原子中的運動狀態(tài),可n,l,m,ms四個量子數(shù)來描述.一主量子數(shù)n主量子數(shù)n是用來描述原子中電子出現(xiàn)幾率最大區(qū)域離核的遠近,或者說它是決定電子層數(shù)的.主量子數(shù)的n的取值為1,2,3等正整數(shù).例如,n=1代表電子離核的平均距離最近的一層,即第一電子層；n=2代表電子離核的平均距離比第一層稍遠的一層,即第二電子層.余此類推.可見n愈大電子離核的平均距離愈遠.在光譜學上常用大寫拉丁字母K,L,M,N,O,P,Q代表電子層數(shù).主量子數(shù)n1234567電子層符號KLMNOPQ主量子數(shù)n是決定電子能量上下的主要因素.對單電子原子來說,n值愈大,電子的能量愈高.但是對多電子原子來說

2、,核外電子的能量除了同主量子數(shù)n有關(guān)以外還同原子軌道或電子云的形狀有關(guān).因此,n值愈大,電子的能量愈高這名話,只有在原子軌道或電子云的形狀一樣的條件下,才是正確的.二副量子數(shù)l副量子數(shù)又稱角量子數(shù).當n給定時,l可取值為0,1,2,3n-1.在每一個主量子數(shù)n中,有n個副量子數(shù),其最大值為n-1.例如n=1時,只有一個副量子數(shù),l=0,n=2時,有兩個副量子數(shù),l=0,l=1.余此類推.按光譜學上的習慣l還可以用s,p,d,f等符號表示.l 0 1 2 3光譜符號 s p d F副量子數(shù)l的一個重要物理意義是表示原子軌道或電子云的形狀.L=0時稱s軌道,其原子軌道或電子云呈球形分布圖4-5；l

3、=1時稱p軌道,其原子軌道或電子云呈啞鈴形分布圖4-6；圖4-5 s電子云圖 4-6 p電子副量子數(shù)l的另一個物理意義是表示同一電子層中具有不同狀態(tài)的亞層.例如,n=3時,l可取值為0,1,2.即在第三層電子層上有三個亞層,分別為s,p,d亞層.為了區(qū)別不同電子層上的亞層,在亞層符號前面冠以電子層數(shù).例如,2s是第二電子層上的亞層,3p是第三電子層上的p亞層.表4-1列出了主量子數(shù)n,副量子數(shù)l及相應(yīng)電子層、亞層之間的關(guān)系.表4-1 主量子數(shù)n,副量子數(shù)l及其相應(yīng)電子層亞層之間的關(guān)系n電子層l亞層1101s2202s12p3303s13p23d4404s14p24d34f對于單電子體系的氫原子

4、來說,各種狀態(tài)的電子能量只與n有關(guān).但是對于多電子原子來說,由于原子中各電子之間的相互作用,因而當n一樣,l不同時,各種狀態(tài)的電子能量也不同,l愈大,能量愈高.即同一電子層上的不同亞層其能量不同,這些亞層又稱為能級.因此副量子數(shù)l的第三個物理意義是：它同多電子原子中電子的能量有關(guān),是決定多電子原子中電子能量的次要因素.三磁量子數(shù)m磁量子數(shù)m決定原子軌道或電子云在空間的伸展方向.當l給定時,m的取值為從-l到+l之間的一切整數(shù)包括0在內(nèi),即0,±1,±2,±3,±l,共有2l+1個取值.即原子軌道或電子云在空間有2l+1個伸展方向.原子軌道或電子云在空間的

5、每一個伸展方向稱做一個軌道.例如,l=0時,s電子云呈球形對稱分布,沒有方向性.m只能有一個值,即m=0,說明s亞層只有一個軌道為s軌道.當l=1時,m可有-1,0,+1三個取值,說明p電子云在空間有三種取向,即p亞層中有三個以x,y,z軸為對稱軸的px,py,pz軌道.當l=2時,m可有五個取值,即d電子云在空間有五種取向,d亞層中有五個不同伸展方向的d軌道圖4-7.圖4-7 s,p,d電子云在空間的分布n,l一樣,m 不同的各軌道具有一樣的能量,把能量一樣的軌道稱為等價軌道.四自旋量子數(shù)ms原子中的電子除繞核作高速運動外,還繞自己的軸作自旋運動.電子的自旋運動用自旋量子數(shù)ms表示.ms 的

6、取值有兩個,+1/2和-1/2.說明電子的自旋只有兩個方向,即順時針方向和逆時針方向.通常用“和“表示.綜上所述,原子中每個電子的運動狀態(tài)可以用n,l,m,ms四個量子數(shù)來描述.主量子數(shù)n決定電子出現(xiàn)幾率最大的區(qū)域離核的遠近或電子層,并且是決定電子能量的主要因素；副量子數(shù)l決定原子軌道或電子云的形狀,同時也影響電子的能量；磁量子數(shù)m決定原子軌道或電子云在空間的伸展方向；自旋量子數(shù)ms決定電子自旋的方向.因此四個量子數(shù)確定之后,電子在核外空間的運動狀態(tài)也就確定了.量子數(shù),電子層,電子亞層之間的關(guān)系每個電子層最多容納的電子數(shù) 2 8 18 2n2主量子數(shù)n 1 2 3 4電子層 K L M N角量

7、子數(shù)l 0 1 2 3電子亞層 s p d f每個亞層中軌道數(shù)目 1 3 5 7每個亞層最多容納電子數(shù) 2 6 10 14核外電子的分布：1. 原子中電子分布原理：兩個原理一個規(guī)那么：(1)、泡利Pauli不相容原理在同一原子中,不可能有四個量子數(shù)完全一樣的電子存在.即每一個軌道內(nèi)最多只能容納兩個自旋方向相反的電子.(2)、能量最低原理多電子原子處于基態(tài)時,核外電子的分布在不違反泡利原理前提下,總是盡先分布在能量較低的軌道,以使原子處于能量最低狀態(tài).(3)、洪特(Hund)規(guī)那么原子在同一亞層的等價軌道上分布電子時,盡可能單獨分布在不同的軌道,而且自旋方向一樣或稱自旋平行.基態(tài)原子中電子的分布

8、1、核外電子填入軌道的順序應(yīng)用近似能級圖,根據(jù)“兩個原理一條規(guī)那么,可以準確地寫出91種元素原子的核外電子分布式來.在110種元素中,只有19種元素原子層外電子的分布稍有例外：它們是假設(shè)再對它們進一步分析歸納還得到一條特殊規(guī)律全充滿,半充滿規(guī)那么：對同一電子亞層,當電子分布為全充滿P6、d10、f14、半充滿P3、d5、f7或全空P0、d0、f0)時,電子云分布呈球狀,原子構(gòu)造較穩(wěn)定,可挑出8種元素,剩余11種可作例外.多電子原子構(gòu)造1、核外電子排布三原理1泡利不相容原理：解決各電子層電子數(shù)目問題. 在任何一個原子中,決不可能有兩個電子具有四個完全一樣的量子數(shù),即在同一個原子中,不可能有運動狀

9、態(tài)完全一樣的電子. 當 n一定時,L可取(n-1)個值,而在L限定下,原子軌道可有(2L+1)個伸展方向,即(2L+1)個軌道,而每個軌道可容納兩個電子,所以每層最多容納電子數(shù)為電子層 1 2 3 4電子數(shù) 2 8 18 322最低能量原理：解決電子排布問題 多電子原子在基態(tài)時,核外電子總是盡可能地先占據(jù)能量最低的軌道,以使體系能量最低. 軌道能級規(guī)律當角量子數(shù)一樣時,隨主量子數(shù)增加,軌道能級升高1s<2s<3s<4s; 2p<3p<4p<5p; 3d<4d<5d當主量子數(shù)一樣時,隨角量子數(shù)增加,軌道能級升高ns<np<nd<n

10、f當主量子數(shù)與角量子數(shù)都不同時,能級次序比擬復雜,有時出現(xiàn)“能級交織現(xiàn)象,即某些主量子數(shù)較大的原子軌道其能級可以比主量子數(shù)較小的原子軌道低.如 4s<3d, 5s<4d , 6s<4f<5d<6p鮑林近似能級圖鮑林根據(jù)大量光譜數(shù)據(jù)以及某些近似的理論計算,得到了多電子原子的原子軌道能級的近似圖能級組：按照能級上下的順序,把能量相近的能級劃成一組,稱為能級組.按照1、2、3能級組順序,能量依次增高.電子分布式：核外電子的分布表達式,如K：Ti：鮑林近似能級順序并不是所有元素軌道能級的實際順序,它只不過是表示在考慮電子分布時,隨核電荷數(shù)的增加的一個電子應(yīng)分布在一哪一個軌

11、道的一般規(guī)律,它不代表核外電子的實際分布情況,如鈦原子的近似能級順序為：而其電子分布式為：3洪特規(guī)那么：解決同一電子層電子排布問題處于主量子數(shù)和角量子數(shù)都一樣的軌道中的電子,總是盡先占據(jù)磁量子數(shù)不同的軌道,而且自旋量子數(shù)一樣自旋平行兩個電子同占一個軌道,這時電子間的排斥作用會使系統(tǒng)能量升高,兩個電子只有分占等價軌道時,才有利于降低系統(tǒng)的能量,所以洪特規(guī)那么可認為是最低能量原理的補充如 P： 3P軌道上的3個電子分布應(yīng)為：4特殊情況有19種元素原子的電子分布式不完全符合近似能級順序,如： 它們的3d軌道電子分別為10和5,處于全滿或半滿狀態(tài),原子比擬穩(wěn)定,對于p、f軌道,半滿狀態(tài)為p3和f7,全滿狀態(tài)為p6和f14外層電子構(gòu)型即外層電子分布式,對于原子來說：主族元素：最外層的電子分布式,如：副族