《原子物理学》(褚圣麟)第七章-原子的壳层结构

教学内容

§7.1原子性质的周期性变化§7.2原子的电子壳层结构§7.3原子基态的电子组态第七章原子的壳层结构

2.教学要求（1）了解元素周期表的结构，掌握玻尔对元素周期表的物理解释。（2）掌握电子填充原子壳层的原则：泡利原理和能量最小原理，理解并掌握原子的电子壳层结构，能正确写出原子基态的电子组态，并求出其基态的原子态符号。（3）解释电子填充壳层时出现能级交错的原因。重点玻尔对元素周期表的解释电子填充壳层的原则难点原子基态电子填充壳层的顺序能级交错的原因。§7.1原子性质的周期性变化一、元素周期表二、元素性质的周期性变化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。一、元素周期表

１．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(蹄）和I(碘）均调换了位置目前，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，其于的是人工制造的。这些元素都被人们按照门捷列夫的方法填在了周期表的适当位置上，构成了我们现在使用的元素周期表。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。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：１．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。２．共有七个周期，每个周期元素２、８、８、１8、１８、３２、２8。３．有过渡族元素和稀土元素。４．竖的称为列或族，有８个主族和８个副族。５．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。二、元素性质的周期性变化按周期表排列的元素，其性质出现周期性的变化：１．元素的化学性质出现周期性的变化。２．元素的光谱性质出现周期性的变化。３．元素的物理性质显示周期性的变化。原子体积，体胀系数和压缩系数对Z的标绘也都显示出相仿的周期性的变化。问题：１．为什么元素性质按周期表顺序会出现出现周期性的变化？３．为什么有过渡族元素和稀土元素？这些问题都必须从原子结构去了解．只有对原子结构有了彻底的认识，才能从本质上认识元素周期表。２．为什么每个周期的元素为２，８，８，１８，１８…§7.2原子的电子壳层结构一．确定电子状态的量子数二、原子中电子分布所遵从的基本原理4.自旋磁量子数ms=±1/2一．确定电子状态的量子数一个在原子核的库仑场中运动的核外电子的状态，可用四个量子数来确定。１．主量子数n=1.2.3……2.轨道角动量量子数

=0，1，2，3……(n-1)３．轨道磁量子数

m

=0,±1,±2,······，±

代表电子运动区域的大小和它的总能量的主要部分。代表轨道的形状和轨道角动量（按量子力学理论，代表电子云的形状）且也与能量有关。代表轨道在空间的可能取向，或轨道角动量在某一特殊方向（例如磁场方向的分量（量子力学中代表电子云的伸展方向）。代表自旋的取向，也代表自旋角动量在某一特殊方向（例如磁场方向）的分量。二、原子中电子分布所遵从的基本原理1.泡利不相容原理2.能量最低原理推论:1.一个原子中,n,

,m

,ms这四个量子数完全相同

的电子只能有一个。2.具有相同量子数n,

,m

的电子最多能有两个,它们的第四个量子数ms分别为。这是一条实验规律,它的内容是:在同一个原子中,一个被(n,

,m

,ms)四个量子数表征的态中只能有一个电子；或者说,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；也可以说，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。1.泡利不相容原理具有相同量子数n的电子最多有

个子壳层：在每一个主壳层中，具有相同角量子数的电子的集合称为一个子壳层。因为对每一个,m

可取（2+1）个值，而对每一个m

,ms又可以取两个值。壳层结构主壳层：我们把原子中n相同的一切电子的集合称为一个主壳层。

表各壳层可以容纳的最多电子数56主量子数壳层名称最多电子数2n2角量子数支壳层最多电子数2(2+1)1234KLMNOP2818325072001012301234501201234sspspdspdfspdfghspdfg22626102610142610141826101418322、能量最低原理原子在正常状态时，每个电子在不违背泡利不相容原理的前提下，总是趋向占有最低能量的状态，以使原子系统的能量具有最小值。能量最低原理的补充(1)在同一子壳层中（相同）的电子排布时，将首先占据磁量子数m

不同的状态、且使自旋平行。(2)同一子壳层中当电子数为半满、全满、全空时能量最低。（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)（1）原子能量的主要部分：，n越小，能量越低。（3）当n，都不相同时，同时考虑n和Z*的影响，则出现能级交错现象。既n大小的能级，低于n小大的能级。原子中各状态能量高低次序

推论：E（4s）<E（3d）<E（4p）E（5s）<E（4d）<E（5p）E（6s）<E（4f）<E（5d）<E（6p）通常，当n>3时，由n，决定的状态，可由经验公式：（n+0.7）值的大小来判断能级的高低（n+0.7）值大的能级较高（n+0.7）值小的能级较低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。§7.3原子基态的电子组态第一周期第二周期第三周期第四周期第五周期第六周期第七周期总结第一周期1.H

2.He原子处于基态时，核外电子的排布情况1s11s2第二周期3.Li4.Be5.B6.C7.N8.O9.F10.Ne1s22s11s22s21s22s22p11s2s2p1s22s22p21s22s22p31s22s22p41s22s22p51s22s22p611.Na1s22p63s112.Mg1s22p63s2

13.Al1s22p63s23p1

14.si1s22p63s23p2

15.P1s22p63s23p3

16.S1s22p63s23p4

17.Cl1s22p63s23p5

18.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:各元素的原子都占有四个主壳层。到第36号元素Kr为止填满4p支壳层。共有18个元素。通过等电子系光谱的比较，可以清楚地看到，第19号电子为什么放弃3d而进入4s轨道。基本思想：取19号元素K及类K离子进行研究，即它们具有相同的结构，即原子实（核与18个核外电子构成）加1个价电子；不同的是核电荷数不同,K和类K离子的光谱项可表示为Z﹡是原子实的有效电荷数，它已经将轨道贯穿和原子实的极化效应都包含在内。对于之间；对于之间；对于之间......故可将Z﹡统一表示为其中σ是屏蔽常数。对于等电子系，当n取定后，与Z成线性关系，对于给定的n，作出直线，得到莫塞莱(Moseley)图，由莫塞莱图可以判定能级的高低，从而确定电子的填充次序。由图可见，n=3和n=4的两条直线交Z=20~21，所以对于19，20号元素21号之后元素由此可见：19，20号元素最外层电子只能先填4s轨道；而21号之后的元素才开始进入3d轨道。除第三周期外，后面的各个周期也都存在这类似的情况，前一周期的壳层未填满，而又进入下一壳层，这都是由能量最小原理决定的.特点: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。到氙(Z=54)元素为止填满5p支壳层。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。各元素的原子都占有六个主壳层。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: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:各原子的电子组态，原子态和相应的电离能列表如下。§5.4原子基态光谱项的确定一、基本原则二、确定原子基态光谱项的简易方法(1)满壳层的电子不考虑(2)考虑泡利原理(3)考虑能量最低原理(4)考虑洪特定则一、基本原则二、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）。例：求14号元素Si（基态电子组态是3p2）的基态原子态。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。洪特定则（1）,S大的能级位置低。两个电子的自旋方向相同()。由洪特定则（2）知，L大的能级位置低。此时2个电子的均相同，由泡利不相容原理，不能完全相同，但又要尽可能使最大或最小，由洪特定则（3）知，小于半满壳层，J小的能级低解、该类型为小于半满的同科电子耦合ML取最大或最小计算出来的L值相同，以后可以只取最大值ml来计算即可例：求24号元素铬（基态电子组态是3d54s）的基态原子态。解、由两个小于等于半满的壳层组成，先求出3d5组态的满足洪特定则的S1,L1值，再与4s求出最低的原子态对于3d54s的量子数，铬的基态原子态为7S3S大的能级低L大的能级低J小的能级低（正常次序）例：求26号元素铁（基态电子组态是3d6）的基态原子态。解、该类型为大于