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，并由此得出了能級的特點：的特點，并由此得出了能級的特點：能級能級、能級能級、能級能級，進一步發(fā)現(xiàn)了決定能級特點的，進一步發(fā)現(xiàn)了決定能級特點的（）電子電子角動量與角動量與角動量的角動量的(或或 )，對光譜及其精細結(jié)構(gòu)給出了圓滿的理論解釋。，對光譜及其精細結(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進行總結(jié)本章，我們接下來對一般原子的光譜和能級特點進行總結(jié)并得出原子結(jié)構(gòu)的一般特點。并得出原子結(jié)構(gòu)的一般特點。 以上幾章討論了幾類原子的結(jié)

2、構(gòu)特點及物理化學以上幾章討論了幾類原子的結(jié)構(gòu)特點及物理化學，可發(fā)現(xiàn)各元素的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)的變化顯示出，可發(fā)現(xiàn)各元素的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)的變化顯示出，這實質(zhì)上是，這實質(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 實驗發(fā)現(xiàn)，實驗發(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。進一步研的變化規(guī)律。進一步研究表明，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)排列成一個完善的系統(tǒng)；個別幾處（完善的系統(tǒng)；個別幾處（K和和Ar、Co和和Ni等）的次序必須顛倒，等）的次序必須顛倒，才能組成一個合理的順序。才能組成一個合理的順序。 這樣處理后，按排列的次序，每個元素有一個這樣處理后，按排列的次序，每個元素有一個?，F(xiàn)在知道，這個原子序數(shù)就等于現(xiàn)在知道，這個原子序數(shù)就等于，也就是，也就是。Applied

4、 Physics41、基本特點、基本特點一、元素周期表一、元素周期表 如圖。一如圖。一稱為一個稱為一個，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) 所包含的元素數(shù)目不完全相同，依次為所包含的元素數(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，（未滿）。這一數(shù)目也反映了原子結(jié)構(gòu)的特點，后面我們要仔細討論這一問題。后面我們要仔細討論這一問題。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性質(zhì)。）的元素具有相

5、似的化學性質(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。的一般特點。 元素的性質(zhì)，應由其元素的性質(zhì)，應由其的特點決定。所以，元素化的特點決定。所以，元素化學性質(zhì)和物理性質(zhì)的學性

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。構(gòu)的特點。Applied Physics7 原子中電子的運動狀態(tài)可由幾個量子數(shù)原子中電子的運動狀態(tài)可由幾個量子數(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，實際上電子狀態(tài)由為常數(shù)，所以，實際上電子狀態(tài)由個量子數(shù)反映。個量子數(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。 反映電子運動軌道的反映電子運動軌道的，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 個量子數(shù)綜合起來，反映電子的一個個量子數(shù)綜合起來，反映電子的一個，只要，只要有有1個變化，電子的運動狀態(tài)就發(fā)生改變。個變化，電子的運動狀態(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，在運動，運動，的的，我們稱這樣的電子構(gòu)成一個，我們稱這樣的電子構(gòu)成一個（）；）； 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)成一個構(gòu)成一個。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動狀態(tài)的子運動狀態(tài)的4個量子數(shù)個量子數(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，可取可取個值，個值，可取

9、可取 個值個值。因此，一次殼層中電子可有。因此，一次殼層中電子可有個狀態(tài)，即次殼層最多可容納電子數(shù)為個狀態(tài)，即次殼層最多可容納電子數(shù)為 一定時，一定時， 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，這時反映電子狀態(tài)的量子數(shù)為合）會形成磁場，這時反映電子狀態(tài)的量子數(shù)為 。 相同時，相同時，可取可取 共共個值，個值，和和取取 個值。個值。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、最大電子數(shù)與周期的對應 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，這應該與元素周期表中各周期的元素數(shù)，這應該與元素周期表中各周期的元素數(shù)目相同，而各周期元素數(shù)依次為目相同，而各周期元素數(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。如何解釋上述差異呢？這是我們下一步的主要任務。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)時要遵從子態(tài)時要遵從和和。（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，按周期表順序逐個中，按周期表順序逐個也盡可能也盡可能在在。一、基態(tài)的一般特點一、基態(tài)的一般特點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 個電個電子，故只有子，故只有。 電子在填充原子各殼層時要遵從電子在填充原子各殼層時要遵從和和。應用應用時注意時注意（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）的運用，所以，填充各次殼層）的運用，所以，填充各次殼層時應使時應使最大（最大（）。）。Applied Physics152、第二周期（、第二周期（ ）,最 多 可 容最 多 可 容納納 個電子，個電子，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個電子填充在個電子填充在，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 的第的第個電子是否填充在個電子是否填充在呢？呢？實驗發(fā)現(xiàn)，實驗發(fā)現(xiàn)，的第的第個電子沒有填充在個電子沒有填充在，而是填在了，而是填在了，這，這是因為是因為能級比能級比低。低。 為什么為什么 能級比能級比能級低呢？能級低呢？ 軌道是一個偏心率很高軌道是一個偏心率很高的橢圓，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，由莫塞萊圖也可以能級低。這一點，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，從開始進入第開始進入第周期。周期。 ZnRT1Applied Physics17實際填充順序?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），對個），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）。個）。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，注意運用時，注意運用（ 、 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:、計算、計算、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實例實例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練習練習55F5, 2, 3基基態(tài)態(tài)為為 JSLApplied Physics22 練習二十八練習二十八作作 業(yè)業(yè)(3)氬（）原子基態(tài)的電子組態(tài)及原子態(tài)