原子的壳层结构-简(精品)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,一、元素性质的周期性,(periodicity of characteristics of element),门捷列夫,1869,年发现，将元素按原子量的大小次序,排列，它们的性质显示出周期性的变化。,电离能,从原子中移走一个电子所需要的能量。,0,60,52,44,36,28,68,20,16,12,8,4,76,25,20,15,10,5,He,Ne,Ar,Li,B,K,Na,Mg,Al,Zn,Ga,Kr,Rb,Cd,In,Xe,Cs,Hg,原子序数（,Z,）,电离能（,eV,）,电离能随原子序数,Z,的变化关系,第七章,原子的壳层结构（简）,1,图中峰值对应的,Z,值称为,幻数,，它们是,2,10,18,36,54,86,等。这预示着元素性质周期性的,深层,实质，即原,子中电子的,壳层结构,。,二、原子中电子的壳层结构,(shell structure of electron in atom,),元素性质由原子中电子所处状态决定，电子状态由,四个量子数,n,、,l,、,m,和,m,s,表征。,（,1,）,主量子数,n,：,依原子中电子能量由低到高,n,取从,1,开始的一系列正整数，即,n,=1,2,3,；,（,2,）,轨道量子数,l,：,也称角量子数，在,n,值一定时，,l,取,n,个可能值，即,l,=0,1,2,n,-,1,；,（,3,）,磁量子数,m,：,在给定,l,值时，,m,取,2,l,+1,个可能值，,即,m,=0,1,2,l,；,2,(4),自旋磁量子数,m,s,：,自旋角动量向上，,m,s,取,1/2,，,自旋角动量向下，,m,s,取,-1/2,。,如氢原子，按能量的不同，核外电子处于由任意一组量子数,(,n,l,m,m,s,),所表示的状态中，处于由能量最低的一组量子数表示的状态，基态,1s,。,元素的物理和化学性质随原子中电子数的增加而逐渐表现出差异。例如，氟、氖和钠这三种元素的原子中，核外电子数分别为,9,、,10,和,11,，它们的物理和化学性质是有很大差异的。,事实说明，在多电子原子中，电子不可能都处于,能量最低的状态，电子在状态上的分布必须遵从下,面两个原理。,3,电子在状态上的分布遵从下面两个原理：,（,1,）,泡利,(,W.Pauli,),不相容原理,：,在原子中不可能,有两个或两个以上的电子占据同一个状态，既不可能,有相同的一组量子数,(,n,l,m,m,s,),；,（,2,）,能量最低原理：,原子处于基态时，电子所占据,的状态总是使原子的能量为最低。,可见，原子中每个由一组量子数,(,n,l,m,m,s,),决定的状态只允许一个电子占据，同时，电子先占据能量最低的状态，即主量子数,n,最小的状态。,对多电子原子，随着电子数增加，被电子占据的状,态的主量子数,n,大体上是逐渐增大的。,4,依主量子数,n,不同，把电子的状态分为许多,壳层,，,n,相同的各状态属同一个壳层。,n,=1,2,3,4,5,的壳,层表示为,K,L,M,N,O,壳层，处于这些壳层上的,电子称为,K,层,L,层,M,层,N,层,O,层电子,在一个壳层中，轨道量子数,l,不同又划分,n,个支壳层，对应,l,=0,1,2,3,4,5,各支壳层用,s,p,d,f,g,h,表示，处于这些支壳层上的电子，称为,s,电子,p,电子,d,电子,f,电子,g,电子,h,电子,对一定的轨道量子数,l,，,磁量子数,m,有,2,l,+1,个可能数,值；给定,n,、,l,和,m,时，自旋磁量子数,m,s,取,1/2,两个,可能数值。于是，算得主量子数为,n,的壳层上所能容,纳的电子数，为,5,由上式可得，,K,壳层可容纳,2,个电子，,L,壳层可容纳,8,个电子，,M,壳层可容纳,18,个电子，等等。,l,n,0 1 2 3 4 5 6,Z,n,S p d f g h I,1,2,3,4,5,6,7,K,L,M,N,O,P,Q,2,2 6,2 6 10,2 6 10 14,2 6 10 14 18,2 6 10 14 18 22,2 6 10 14 18 22,26,2,8,18,32,50,72,98,原子的壳层和子壳层所能容纳的电子数,电子数,6,每一个周期都从电子填充新壳层开始，决定元素物理和化学性质的最外壳层 的电子数将出现周期性，这是,门捷列夫发现的元素周期律的本质,。,三、原子的基态,(ground state of atom,),在,LS,耦合下，由电子组态形成的各能级高低次序，根据,洪德定则,确定：,(1,）同一电子组态形成的具有相同,L,值的能级中，重,数最高的，即,S,值最大的能级位置最低。,例如：,p146,氦的 比 都要高。这里,L,值为,1,，因,为都是,P,态。他们可以有相同的电子组态，比如,1s 2s,2p,等。,7,（,2,）同一电子组态形成的具有不同,L,值的能级中，具有最大,L,值的能级位置最低。例如，,p154,，,P,能级高于,D,能级，,D,能级又高于,F,能级。,（,3,）如果电子组态为,(,nl,),v,，,对同一,l,值、不同,j,值的各能级的次序，有两种情形：当价电子数,v,(2,l,+1),时，具有最大,j,值的能级位置最低，这称为,倒转次序,。,8,如果电子正好填满支壳层，,m,与,m,s,的正值和负值成,对出现，原子的自旋角动量、轨道角动量和总角动量,都等于零，这种原子的基态为 。,对于未满支壳层的原子，其原子态只决定于未满支,壳层上的电子组态。,同一支壳层上的电子称为,同科电子,。其四个量子数,中有两个相同，据泡利不相容原理，,m,和,m,s,中至少有,一个是不相同的。,9,第一周期,1.H,2.He,原子处于基态时，核外电子的排布情况,1s,1,1s,2,四、元素周期表,10,第二周期,3.Li,4.Be,5.B,6.C,7.N,8.O,9.F,10.Ne,1s,2,2s,1,1s,2,2s,2,1s,2,2s,2,2p,1,1s,2,2s,2,2p,2,1s,2,2s,2,2p,3,1s,2,2s,2,2p,4,1s,2,2s,2,2p,5,1s,2,2s,2,2p,6,1s,2s,2p,11,11.Na 1s,2,2s,2,2p,6,3s,1,12.Mg 1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,13.Al 1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,1,14.si 1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,2,15.P 1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,3,16.S 1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,4,17.Cl 1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,5,18.Ar 1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,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,12,第四周期,从,k,开始填充,4s,因为能级交错现象,E,4s,E,3d,E,4p,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第四主壳层。,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，过渡元素。,到第,36,号元素氦为止填满,4p,支壳层。,共有,18,个元素。,13,特 点,:,各元素的原子都占有第五主壳层，多出一组 填充,4d,支壳层的10个元素过渡元素。,到氙(,Z=54),元素为止填满5,p,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,(4,d,支壳层10个,4,f,支壳层14个,空着,).,在,4,壳层留下,24,个空位,而开始填充第五壳层，,所以,Ru,开始了第五个主壳层的填充,也就开始了第五周期。,14,各元素的原子都占有第六主壳层。,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,6,p,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,(4,f,支壳层.5,d,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,:,15,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,5,f,支壳层14个,空着，所以在,O,壳层留下,14,个空位。,6d,支壳层,10,个空位，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,元素周期律的实质在于：随着原子序数的递增，原子核外的电子在原子的各个能级上周期性有规律的排列，便造成了元素的化学和物理性质的周期性变化。,16,五、,原子基态光谱项的确定,电子组态形成封闭壳层结构时，,M,L,=0,，,M,S,=0,。,因此闭合壳层角动量为零，即,L,=0,S,=0,J,=0,（原子实正是这样）形成 态，且,l,=1,的,p,子壳层中的,np,1,和,np,5,；,np,2,和,np,4,具有相同的角动量大小（方向相反），因而有相同的原子态。,即壳层中有一个电子和满壳层缺一个电子形成,相同的原子态,17,(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,1,、基本原则,18,2,、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+1,L,j,确定基态原子态（光谱项）。,19,其它元素的原子态都有可按上述方法求得。下面给出了由氢到氖的原子基态。,例：,Si,（,硅）基态电子组态是,3P,2,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，,3,p,0,是它的基态的原子态。,20,21,(,W.Pauli,1900,1958),22,