第七章原子的壳层结构

Chapter7原子的壳层结构 一 元素周期表 性质与原子量的递增次序有矛盾时 以元素性质为主 如 K 钾 和Ar 氩 Co 钴 和Ni 镍 Te 锑 和I 碘 均调换了位置 7 1元素性质的周期性变化 2 预言三种元素的存在 在表中留了空位 预言了它们的性质 Ga 镓 Sc 钪 Ge 锗 1875 1886年间被陆续发现 后人又陆续发现了许多新元素 相继填充到周期表中 每个周期从金属元素开始到惰性气体为止 表中左下部大半是金属 右上半部分是非金属 3 特点 按周期表排列的元素 原子序数 核外电子数 质子数或原子核的电荷数 共有七个周期 每个周期元素 8 8 有过渡族元素和稀土元素 竖的称为列或族 有 个主族和 个副族 7 1元素性质的周期性变化 7 1元素性质的周期性变化 二 元素性质的周期性变化 1 元素光谱性质呈周期性变化2 元素的电离能呈周期性变化3 元素的 原子体积 体胀系数和压缩系数呈周期性变化4 元素原子内部电子排列呈周期性变化 一 描述电子状态的两套量子数 1 用量子数描述 无耦合表象 如 原子处于强磁场中 电子的自旋 轨道耦合被解脱 电子的轨道 自旋的取向分别对外磁场量子化 2 用量子数描述 耦合表象 电子的自旋 轨道耦合时 不再有确定的值 如 原子处于弱磁场中 j j耦合情形 7 2原子的电子壳层结构 二 原子的电子壳层结构 1 主 次壳层 7 2原子的电子壳层结构 1 主壳层 n 具有相同n值的电子称为占据相同主壳层的电子 具有相同nl值的电子称为占据相同次壳层的电子 2 次壳层 nl 7 2原子的电子壳层结构 主壳层次壳层 3 各主壳层应包含的次壳层 2 壳层中可容纳的最多电子数 7 2原子的电子壳层结构 1 用量子数描述时 对确定的主量子数n l 0 1 2 n 1 共取n个值 对每一l 共2l 1个值 对每一 每一次壳层最多容纳电子数 每一壳层最多容纳电子数 2 用量子数描述时 对每一l 有两个j值 对每一 每一次壳层最多容纳电子数 每一壳层最多容纳电子数 说明 磁场的强弱不影响状态数 即不影响壳层容纳的最多电子数 量子化是微观客体的基本属性 不依赖于外磁场的强弱或有无 对确定的主量子数n l 0 1 2 n 1 共取n个值 各壳层可以容纳的最多电子数 7 2原子的电子壳层结构 7 2原子的电子壳层结构 3 电子填充壳层结构的规则 1 Pauli不相容原理 决定了一个壳层上可以填充的电子数目 2 能量最低原理 决定了电子填入壳层的顺序 内容 在通常情况下 核外电子总是尽先占有能量最低的轨道 当能量最低的轨道占满后 电子才依次填入能量较高的轨道 次壳层能量的高低 能量与n和l有关 一般来说 n越小的次壳层 能量越低 n相同的次壳层 l越小的能量越低 泡利 WolfgangPauli奥地利人1900 1958 获1945年诺贝尔物理学奖 1 原子能量的主要部分 n越小 能量越低 2 考虑内层电子对原子核的屏蔽作用 E是 的函数 减小 Z 增加 所以 同一主壳层中 n相同而 不同 E ns E np E nd E nf 3 当n l都不相同时 同时考虑n和Z 的影响 则出现能级交错现象 即n大l小的能级 低于n小l大的能级 原子中各状态能量高低次序 7 2原子的电子壳层结构 E 4s E 3d E 4p E 5s E 4d E 5p E 6s E 4f E 5d E 6p 进一步考虑了电子填充后的系统的总能量应该最低 实际填充壳层的顺序如图所示 第一周期1 H2 He 原子处于基态时 核外电子的排布情况 7 3原子基态的电子组态 一 原子基态时的电子组态 第二周期 3 Li4 Be5 B6 C7 N8 O9 F10 Ne 1s22s1 1s22s2 1s22s22p1 1s 2s 2p 1s22s22p2 1s22s22p3 1s22s22p4 1s22s22p5 1s22s22p6 7 3原子基态的电子组态 11 Na1s22p63s112 Mg1s22p63s213 Al1s22p63s23p114 si1s22p63s23p215 P1s22p63s23p316 S1s22p63s23p417 Cl1s22p63s23p518 Ar1s22p63s23p6 因为3d空着 所以第三周期只有8个元素而不是18个元素 第三周期 7 3原子基态的电子组态 第四周期 从K开始填充4s因为能级交错现象 E4s E3d E4p所以k开始了第四个主壳层的填充 也就开始了第四周期 特点 1 各元素的原子都占有四个主壳层 2 多出一组填充3d支壳层的10个元素 它们大多有两个没满的壳层 未满壳层上的电子数是1 2 3 列为第三族 3 到第36号元素为止填满4p支壳层 4 共有18个元素 7 3原子基态的电子组态 特点 1 各元素的原子都占有五个主壳层 多出一组填充4d支壳层的10个元素 2 到氙 Z 54 元素为止填满5p支壳层 3 共有18个元素 第五周期 从元素铷 Ru Z 37 开始填充 又因为能级交错现象 4d支壳层10个 4f支壳层14个空着 在n壳层留下24个空位 而开始填充第五壳层 所以Rn开始了第五个主壳层的填充 也就开始了第五周期 7 3原子基态的电子组态 1 各元素的原子都占有六个主壳层 2 比第4 第5周期多出一组填充4f支壳层的14个元素 称为稀土族元素或称为镧系元素 到氙 Z 86 Rn元素为止填满6p支壳层共有32个元素 第六周期 从元素铯 Cs Z 55 开始填充 又因为能级交错现象 4f支壳层 5d等支壳层空着 始了第六个主壳层的填充 也就开始了第六周期 所以铯是第六周期的第一个元素 特点 7 3原子基态的电子组态 各元素的原子都占有七个主壳层 多出一组填充5f支壳层的14个元素 称为锕系元素 第七周期 从元素钫 Fr Z 87 开始填充 又因为能级交错现象 5f支壳层14个空着 所以在o壳层留下14个空位 6d支壳层10个空着 在P壳层留下10个空位 所以Fr开始了第七个主壳层的填充 也就开始了第七周期 特点 7 3原子基态的电子组态 7 3原子基态的电子组态 二 确定原子基态的简易方法 利用Hund定则确定原子基态 L S J 的方法1 由泡利原理和能量最低原理求一定电子组态的最大S 按Pauli原理 同科电子不能有相同的组态 在此限制下 使尽可能多的电子的取值 算得 7 3原子基态的电子组态 2 求上述情况中的最大L电子的取值已定 在不能有相同组值的限制下 使电子的尽可能取最大值 算得 3 由半数法确定J次壳层中的电子数时 4 按2s