电子屏蔽与钻穿效应.doc

屏蔽效应和钻穿效应 化学化工学院应用化学2010级01班 20006130519王济敏摘要：对屏蔽效应和钻穿效应进行了研究，从宏观上解释了屏蔽效应、钻穿效应、屏蔽现象和钻穿现象，也从量子力学角度计算出了屏蔽效应和钻穿效应的有关确定的值。阐述了屏蔽效应和钻穿效应的重难点，推荐了屏蔽效应和钻穿效应的更精确的计算方法，以便人们更容易理解和掌握。关键词：屏蔽效应、钻穿效应、屏蔽常数、量子力学、原子、电子、能级交错。 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. 电子之间的相互作用可以从屏蔽效应和钻穿效应两方面去认识，这两种效应有着密切的联系，它们都是根据单电子波函数和中心力场的近似模型提出来的6，是在多电子原子中由于各个电子的量子数，1不同，电子云分布不同，电子和电子之间，电子和核之间的相互作用不同，引起原子轨道能和电子结合能发生变化的能量效应。屏蔽效应是指核外某个电子i感受到核电荷的减小，使能级升高的效应；钻穿效应则是指电子i避开其余电子的屏蔽，其电子云钻到近核区而感受到的较大的其余电子的屏蔽，其电子云钻到近核区而感受到的较大的核电荷作用，使能级降低的效应。这两中效应从不同的角度提出：钻穿效应把电子作为主体，从它的自身分布特点来理解；屏蔽效应把电子看作客体，考察它受其它电子的屏蔽影响。 一 屏蔽效应多电子原子中，其他电子对指定电子的排斥作用看作部分地抵消（或削弱）核电荷对该电子的吸引 即其他电子起到了部分地屏蔽核电荷对某电子的吸引力，而该电子只受到“有效核电荷”Z* （Z*= Z-，Z为原子的核电荷数，为其它电子的屏蔽常数，它代表了电子之间的排斥作用，相当于个电子处于原子核上的原有核电荷抵消的部分2）的作用。 因此，可以认为，其余电子屏蔽了或削弱了原子核对该电子的吸引作用，这就是屏蔽效应。屏蔽效应使该电子的能量升高。计算电子能量的公式也相应的变为 屏蔽常数的计算法则： 1. 分组：按以下次序(1s), (2s,2p), (3s,3p), (3d),(4s, 4p), (4d), (4f), (5s, 5p), (5d), (5f)等。 2. 处于电子外层的各轨道中的电子对该电子不产生屏蔽作用，即各组的=0。 3. 同组中每一个电子屏蔽同组电子为0.35e，而1s 组内的电子相互屏蔽0.30e。 4. 第(n-1)组中每一个电子对第n 组(ns, np)上电子的电子屏蔽为0.85e。 5. 第(n-2)组中每一个电子对第n 组(ns, np)上电子的电子屏蔽为1.00e 。 6. 当被屏蔽电子是 (nd) 组 (nf) 组电子时，同组电子屏蔽为0.35e,左边各组电子屏为1.00e 。 该方法用于主量子数为4的轨道准确性比较好，n大于4后比较差。有一种更精确的法则：斯莱特徐光宪法就提供了每一个电子屏蔽常数的确定规则1 。该规则包括以下几点：（1） 屏蔽电子的主量子数大于屏蔽电子，=0，即外层电子对内层电子不发生屏蔽作用，等等。（2） 同层电子的屏蔽作用的屏蔽常数如下表所示。表中np指充满前的p电子(p1-p3),p指充满后的p电子(p4-p6)。表1 同层电子的屏蔽常数被屏蔽电子屏 蔽 电 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） 内层电子屏蔽相邻外层电子的屏蔽常数见表2。 表2 电子对相邻外层电子的屏蔽常数被屏蔽电子屏 蔽 电 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对2 s的屏蔽常数例外，为0.85.（4） 内层电子屏蔽非相邻外层电子的屏蔽常数，一般均为1.00，只有（n-2）f对ns（如4f对6 s）的屏蔽常数为0.98。二. 钻穿效应 从量子力学观点来看，电子可以出现在原子内任何位置上。因此最外层电子也可能出现在离核很近处。也就是说，外层电子可钻入内电子壳层而更靠近核，这种电子渗入原子内部空间而更靠近核的本领称为钻穿效应。 对于同一个原子而言，s、p、d、f轨道的钻穿效应按s、p、d、f的顺序增强。钻穿效应使该电子的能量降低。对于主量子数n相同，角量子数 不同的轨道，主量子数的影响是一样的，能量不同的原因是其钻穿效应不同，得到能级由低到高的顺序为：E(ns)E(np)E(nd)E(nf) 6 。 。 在多电子原子中，原子轨道的能级变化大体有以下三种：）n不同、l相同的能级，n愈大，轨道离核愈远，外层电子受内层的屏蔽效应也愈大，能级愈高，核对该轨道上的电子吸引力就愈弱。如：EEEE。）n相同、l不同的能级，当n相同时，角量子数小的，峰越多，钻的就越深，离核就越近，受核的吸引力就越强，由于钻穿能力nsnpndnf，所以核对电子的吸引能力nsnpndnf，或l增大，轨道离核较远，受同层其它电子的屏蔽效应就大，能级升高，核对该轨道上的电子吸引力相应减弱。如：EEEE。）n不同，l不同的能级，原子轨道的能级顺序较为复杂。如：EE；EE；EEE等。这可用钻穿效应加以解释。例如4s的能级低于3d，从壳层几率径向分布图可以看出，4s离核最近的小峰，钻的很深，核对它的吸引力增强，使轨道能级降低的作用超过了主量子数增大使轨道能级升高的作用，故EE，使能级发生错位。同样也能解释EE；EEE等。屏蔽效应和钻穿效应均能对多电子原子的原子轨道能级高低变化加以说明，而后者对能级交错的现象能进行圆满的解释。例如：主量子数n相同的各个轨道中角量子数l小的轨道，如l=0的s轨道，他的径向分布图中峰的数目最多，主峰离核最远，小峰离核最近，即钻得最深。随核电荷数的增加，最靠近核的小峰在能量上的作用越越明显。三. 结论 1. 屏蔽作用 EnsEnpEndEnf这是因n相同，电子离核的平均距离虽相同，但电子云形状可不同，当被屏蔽电子本身l值小时，其电子云分布比较集中，而其它电子云分布比较分散对其屏蔽小，即小，因而Z*大，该电子受到较大核电荷的吸引，所以能量低。从本质上来看，这与不同电子的几率径向分布不同有密切关系，即是受钻穿效应影响的结果。 钻穿作用 EnsEnpEndEnf外层电子有机会钻到内部空间而靠近原子核的现象，电子的l越小，钻穿作用越大，受到的越小，受核的吸引力越大，能量越低。本质是s、p、d、f等状态的几率径向分布不同而引起的能量效应。屏蔽效应和钻穿效应是其它电子（屏蔽电子）对某轨道上电子（被屏蔽电子）的屏蔽能力和某轨道上电子（被屏蔽电子）回避其它电子屏蔽的能力的两个侧面（被动和主动）来描述多电子原子中电子之间的相互作用对轨道能级的影响，着眼点不同，但本质都是一种能量效应。 2. 能级交错E4sE3dE4p E5sE4dE5p E6sE4fE5dE6p（1）n相同l不同的轨道能量不同EnsEnpEndEnf，从而发生了能级分裂，构成了不同的能级，从而打破了氢原中n相同l不同的轨道构成一个能级的关系。（2）不同轨道的钻穿能力不一样，其钻穿效应导致对轨道能量的降低作用有时会超过主量子数对轨道能量的升高作用。能级分裂和能级交错是钻穿效应和屏蔽效应共同作用的结果。上述屏蔽效应和钻穿效应引起的能量效应,，可以帮助我们理解核外电子排布的轨道顺序。参考文献：1 杨德壬、朱福森、赵泓等.无机化学（中册）.上海：上海科学技术出版社.1982.54-58.2 北京师范大学、华中师范大学、南京师范大学无机化学教研室.无机化学（上册）.第三版.北京：高等教育出版社.1992.5.219-2