原子物理学-第七章原子的壳层结构

1、第七章 原子的壳层结构7.1元素性质的周期性 1869年俄国化学家门捷列夫经过长期的研究发现元素的性质随着原子量的递增而发生周期性变化，他把当时已发现的63种元素按原子量的递增顺序排成一 行，并将性质相似的元素排在一个列中，编成了元素周期表。后又陆续发现了许多新元素，相继填充到周期表中。目前，最新统计结果，共发现114种元素，1994年底是111种。这114种元素中有92种是天然存在的，其余的是人工制造的。 碱金属元素的电离能最小，然后逐次增加，惰性气体电离能最大；碱金属元素的最外边一个电子与原子其余部分结合不牢固，容易电离掉；惰性气体结构就比较坚固。 原子体积：1mol原子在固态或液态时占有

2、的体积。尽管元素性质的周期性早在1869年就提出来了,但人们对此却无法给出一个满意的解释，直到50年后的Bohr时代，才由Bohr给出了物理解释。1925年Pauli提出不相容原理，人们这才深刻地认识到，元素性质的周期性,是电子组态周期性的反映。下面我们从讨论各”轨道”的电子容量入手,讨论电子的填充次序以及能级相对高、低的一般规律。7.2 原子的电子壳层结构1.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：

3、原子处于弱磁场中；j-j 耦合情形。3.壳层和次壳层最多容纳电子数同一个原子中,不可能有两个或两个以上的电子处在同一个状态；也就是说，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数。2.泡利不相容原理相同主量子数 的电子构成一壳层；每一壳层中，不同的 分为不同的次壳层。(1) 用 量子数描述时 对确定的主量子数 , 共取 个值；对每一 ， 共 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 对确定的主量子数 , 共取 个值；对每一 ，有两个 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： 各壳层可以容纳的最多电子数56壳层名称

4、最多电子数 2n2支壳层最多电子数 2(2+1)1234KLMNOP281832507200 10 1 2 3 0 1 2 3 4 50 1 20 1 2 3 4ss ps p ds p d fs p d f g hs p d f g 2 2 6 2 6 10 2 6 1014 2 6 10 14 18 2 6 10 141832 原子在正常状态时，每个电子在不违背泡利不相容原理的前提下，总是尽先占有能量最低的状态。4.能量最低原理原子中各状态能量高低次序 同一主壳层中（n相同而不同）E(ns)E(np)E(nd)3）电子能级排列大致顺序：7.3 元素周期表的形成1s11s2第一周期 H 原子

5、处于基态时，核外电子的排布情况He第二周期3.Li 4.Be5.B6.C7.N8.O9.F10.Ne1s22s11s22s21s22s22p11s2s2p1s22s22p21s22s22p31s22s22p41s22s22p51s22s22p611.Na 1s22p63s112.Mg 1s22p63s2 13.Al 1s22p63s23p1 14.Si 1s22p63s23p2 15.P 1s22p63s23p3 16.S 1s22p63s23p4 17.Cl 1s22p63s23p5 18.Ar 1s22p63s23p6因为3d空着,所以第三周期只有8个元素而不是18个元素第三周期第四周期

6、从 K 开始填充4s.因为能级交错现象,E4sE3dE4p 所以K开始了第四个主壳层的填充,也就开始了第四周期。 4s: K，Ca 3d: Sc-Zn (21-30号元素）过渡元素。4p: Ga-Kr (31-36号元素）接下来填5s次壳层,第四周期结束。(18个元素)第五周期 5s: Rb, Sr(鍶） 4d: Y-Cd (39-48号元素）过渡元素。5p: In-Xe (49-54号元素）接下来填6s次壳层,第五周期结束。(18个元素)第六周期 6s: Cs, Ba 5d: 填1个电子，La (57号元素）稀土元素。4f: Ce( 铈）-Lu (58-71号元素）镧系，稀土元素接下来填7s

7、次壳层,第六周期结束。第七周期开始。(32个元素)5d: 72-80号元素（9个）6 p: 81-86号元素（6个） 7.4 原子基态光谱项的确定考虑：L-S 耦合；泡利原理；能量最低原理；洪特定则1.满壳层和满次壳层角动量均为零描述原子状态（光谱项）的角动量只取决于未填满的次壳层中的电子总角动量。2.确定原子基态光谱项的简易方法 (1)由泡利原理和能量最低原理求一定电子组态的最大S。 (2)求上述情况上的最大L。 (3)由半数法则确定J。 (4)按2s+1LJ 确定基态原子态（光谱项）。 其它元素的原子态都有可按上述方法求得。例： Si（硅）基态电子组态是3P2,是两个同科P电子，填充方式为：m: +1 0 - 1由此可知 这样便求出了最大S和最大的L（按洪特定则要求） 再由半数法则确定J=L-S=0,所以硅（Si）的基态 为L=1,S=1,J=0，可得， 3p0 是它的基态的原子态。 泡 利Wolfgang Pauli 奥地利人 1900-1958获194