原子的壳层能量的计算与电子排布

原子的壳层能量的计算与电子排布
原子的壳层能量的计算与电子排布

原子的壳层能量与电子排布

李涛(安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆 246011)

指导教师:张青林

摘要:各种元素的化学性质和物理性质的变化,显示出高度的规律性,这实际放映了原子结构的情况。

原子的电子排布并不是杂乱无章而是有规律可循,其遵循最低能量定理,泡利不相容原理以及

洪定则。掌握了这些,对原子的核外电子排布就会有一个清醒的认识。原子壳层能量是随原子

序数而变化的,随着原子序数的增加原子逐一增加的,电子填入支壳层的次序可由经验n+0.7L

描叙,其中n是主量子数,对应于主壳层,L是角动量量子数,对应于支壳层。

关键词:壳层能量,泡利原理,电子排布,轨道能量交错

引言:早在1803年道耳顿根据质量守恒及定比定律提出原子的学说,原子的研究就正式开始,到1912年柯塞尔提出多电子原子中的电子分布主壳层模行,即主量子数相同的电子处于同一主壳层中。对应于n=1,2,3,4…的主壳层分别用K,L,M,N….来表示在同一主壳层中,不同的轨道角量子数1又分成几个不同的分壳层,常用s,p,d,f,…..表示1=0,1,2,3,…的各种转动态。

1原子壳层能量随原子序数的变化

众所周知,随着原子的增加和壳层电子的逐一填充,原子的壳层能量会下降。对此可在电磁学理论基础上做出定性的解释。当一正电荷位于球心并有等量负电荷均匀分布于球壳上时,球内形成一沿径向向外的电场,凡原在球壳内的负电荷都会因这一电场的作用而引起能量的下降。原子序数为Z的原子变为

Z+1的原子时,新加入电子的电荷沿径向和角向按一定几率分布,核新增的单位正电荷和新加入的电子在核外一定范围内形成一类似的附加电场,使有一定几率分布处于该场中的原有电子能量下降。电子处于附加电场中的几率越大和离核越近,则将其移到无穷远时需要更多的功,因而这些电子的能量越低。显见,当考虑库仑相互作用能时,随着原子序数的增加原子的壳层能量下降。

事实上,影响原子的壳层能量的因素很多,除电子的动能外,还有吸引能和其他电子的排斥作用能,自旋相关效应能,相对论效应能和旋一轨相互作用能,要精确计算这些影响是困难的,所以我们仅准备在原子物理学范畴内定性讨论原子的壳层能量随原子序数Z增加的增加而下降的规律。

根据光谱的实验数据总结和计算得出:在不违背泡利原理和最低能量的情况下,随着原子序数的增加,原子逐一增加的电子填入支壳层的次序可由经验则n+0.7L【1】描述,其中n是主量子数,对应于主壳层;L 是角动量量子数,对应支壳层。按该经验规则各支壳层如表1所示。

表1 周期表中元素排列的先后,原子逐一增加电子的次序[2】

电子填

补次序1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d

n+0.7L1.0 2.0 2.7 3.0 3.7 4.0 4.4 4.7 5.0 5.4 5.7 6.0 6.1 6.4 6.7 7.0 7.1 7.4

但从X射线表示谱和吸收限的情况【1.2】可知:原子的内支壳层的能量顺序与原子逐一增加电子的能量顺序不同,内支壳层的能量顺序是n越小,能量越低;n相同时,L越小,能量越低。内支壳层能量的高低次序按从小到大排列如表2所示。

随着原子序数的增加和电子的逐一填充,原子的外支壳层逐渐过渡到内支壳层,支壳层能量次序由表1过渡到表2。比较表1和表2的能量次序不难发现,表2中某些n小L大的支壳层能量次序相对于表1

的位置前移了。这说明,随着原子序数的增加核外电子,各支壳层能量下降的速度是不相同的,那些n越小L越大的支壳层能量平均说来比n大L小的支壳层下降的速度快.例如:填3d支壳层时,3d能量下降快于4s,填4d支壳层时,4d能量下降快于5s ……

表2 内支壳层的能量次序(从小到大排列)

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s ……

2原子核外电子排布的原理及方法

2.1原子核外电子排布电子原理

处于稳定状态的原子,核外电子将尽可能的按能量最底原理排布,另外,由于电子不可能都挤在一起,他们还要遵守泡利不相容原理和洪特规则,一般而言,在这三条规则的指导下,可以推导出元素原子的核外电子排布情况,在中学阶段要求的前36号元素里无一例外的情况发生。

2.1.1最低能量原理

电子在原子核外排布时,要尽可能使电子的能量最低。怎样才能使电子的能量最低呢?比方说,在我们站在地面上,不会觉得有什么危险;如果我们站在20层楼的顶上,再往下看时我们心理感到害怕。这是因为物体越在高处具有的势能越高,物体总有从高处往低处的一种趋势,就像自由落体一样,我们从来没有见过物体会自动从地面上升到空中,物体要从地面到空中,必须要有外加力的作用。电子本身就是一种物质,也具有同样的性质,即它在一般情况下总想处于一种较为安全(或稳定)的一种状态(基态),也就是能量最低时的状态。当有外加作用时,电子也是可以吸收能量到能量较高的状态(激发态),但是它总有时时刻刻想回到基态的趋势。一般来说,离核较近的电子具有较低的能量,随着电子层数的增加,电子的能量越来越大;同一层中,各亚层的能量是按s,p,d,f的次序增高的。这两种作用的结果可以得出电子在原子核外排布时遵守下列次序:1s,2s ,2p,3s,3p,4s,3d,4p,……

2.1.2泡利不相容原理

我们已经知道,一个电子的运动状态要从4个方面来进行描述,既它所处的电子层,亚电子层,电子云的伸展方向以及电子的自旋方向。在同一个原子中没有也不可能有运动状态完全相同的两个电子存在。根据这个规则,如果两个电子处于同一轨道,那么,这两个电子的自旋方向必定相反。也就是说,每一个轨道中只能容纳两个自旋方向相反的电子。根据泡利不相容原理,我们得知:s亚层只有1个轨道,可以容纳两个自旋相反的电子;p亚层有3个轨道,总共可以容纳6个电子;f亚层有5个轨道,总共可以容纳10个电子。我们还得知:第一电子层(K层)中只有1s亚层,最多容纳两个电子;第二电子(L层)中包括2s和2p两个亚层,总共容纳8个电子;第三带脑子层(M层)中包括3s,3p,3d三个亚层,总共可以容纳18个电子……第n层总共可以容纳2n2个电子。

2.1.3洪特规则

从光谱实验结果总结出来的洪特规则有两个方面的含义:一是电子在原子核外排布时,将尽可能分占不同的轨道,且自旋平行;洪特规则的第二个含义是对于同一个电子亚层,当电子排布处于:全满(s2、p6、d10、f14)

半满(s1、p3、d5、f7)

全空(s0、p0、d0、f0)时比较稳定。

3原子的电子壳层结构

元素的性质决定于原子的结构,也就是原子中电子所处的状态,电子状态的具体内容是下列四个量子数所代表的一些运动情况:

1主量子数n=1,2,3,……代表电子运动区域的大小和它的总能量的主要部分,前者按轨道的描述也就是轨道的大小;

2轨道角动量量子数l=0,1,2,…(n-1)代表轨道的形状和轨道角动量,这也同电子的能量有关;

3轨道方向量子数m l=l,l-1,…,0,…,-l代表轨道在空间的可能取向,换一句话讲,这也代表轨道角动量在某一特殊方向(例如磁场方向)的分量;

4自旋方向量子数m s=+1/2,-1/2代表电子自旋的取向,这也代表电子自旋角动量在特殊方向(例如磁场

方向)的分量;

5电子自旋量子数s=1/2代表自旋角动量,对所有电子是相同的,它就不成为区别电子态的一个参数。

设想原子处在很强的磁场中,电子间的耦合以及每一个电子的自旋同轨道运动的耦合都被解脱,这样,每一个电子的轨道运动和它的自旋的取向都对外磁场各自量子化,因而上述ml和ms都成为描述运动的参数,那么就可以按照上述四个量子数来推断原子中的电子组态。

在原子中具有相同n量子数的电子构成一个壳层。如果电子数比较多,他们就分成几个层.在一个层中,对不同的l,又分为几个不同的次壳层.现在我们进行每一个壳层和次壳层中可能容纳的最多电子数的推算。

先考虑具有相同n和L量子数的电子所构成的一个次壳层中可以容纳的最多电子数.对一个L,可以有2L+1个m l;对每一个m l,又可以有两个m s,就是m s=+1/2和-1/2.由此,对每一个L,可以有2(2L+1)个不同的状态,这就是说,每一个次壳层中可以容纳的最多电子数是

N L=2(2L+1) (1)现在考虑具有相同n量子数的电子所构成的一个次壳层中最多可以容纳几个电子.对一个n,L值可以有n个,就是L=0,1,2,…(n-1). 因此对每一个n,可以有的状态数,也就是可以容纳的最多电子数是

N n=

1

02(21)

n

l

v -

=

+

∑=2[1+3+5+…(2n-1)]=2n2(2)

这里的结论是在原子处于很强的磁场中的假定下推得的,其中磁场的强弱和有无不影响结论。现在设磁场不很强,电子之间的耦合仍被解脱,但每个电子的自旋和自己的轨道运动之间仍有耦合,形成一个总角动量p j 。这时描述电子态的不在是上述四个量子数,而是n,L,j和m j四个量子数。M j=j,j-1,…,-j,共有2j+1个,代表电子的总角动量的取向,也就是总角动量在某特殊方向的分量.现在再推算每一个次壳层和每一个壳层中可以容纳的最多电子数。

对每一个j,有2j+1个m j,对每一个L,有两个j,即j=L+1/2和L-1/2,所以每一次壳层可以有的状态数也就是可以容纳的最多电子数是

N L=[2(L+1/2)+1]+[2(L-1/2)+1]=2(2L+1) (3)这同上面的结论完全相同,那么在每一个壳层中可以容纳的最多电子数也就是不同L的(3)式数值的总和,仍然是2n2了。

由此可知,磁场的强弱不影响各层可以容纳的最多电子数,即使没有磁场,原子中各电子的轨道运动之间的相对取向也会量子化,只有一个电子,它的轨道运动就会产生磁场,这时就为其他电子提供了一个特殊方向,其他电子的轨道运动相对于这个电子的轨道运动的取向就会量子化,又每一个电子自旋相对于本身的轨道运动也可以有两个取向,因此上述m l和m s两个量子数分别代表轨道运动和自旋可能有几个去向的描述仍有效,只是现在代表的是原子中各电子运动的相对取向,但这不影响状态数的计算,因而也不影响关于每一壳层和次壳层可以容纳的最多电子数的结论,在没有磁场的情况下,对外当然不发生取向的问题。

根据上述结论,把各壳层可以容纳的最多电子数开列在表3中,从中可以看到各壳层的最多电子数依次是2,8,18,31,50,72,这显然同周期表中各周期的元素有关,但各周期的元素依次是2,8,8,18,18,32,同各壳层的电子又不完全符合,这两套数值有极相似之处,但也有差别,究竟二者有什么关系,下一节就要讨论,目前可以肯定的是,原子中的电子形成壳层和次壳层,每层有一定的最多电子数,我们已经窥见了原子内部结构一个轮廓。

表3 各壳层可以容纳的最多电子数

4原子基态的电子组态

原子的基态是原子能量最低的状态,它所有的电子都处在各自可能的最低能量的状态中。按周期表顺序逐个增加的电子也尽可能填补在最低能量的状态,原子中的电子数等于原子序数,每一种原子就核外电子部分说,是周期表中前一位元素的原子加一个电子而成的。现在对原子的电子结构按元素的周期加以说明。

4.1第一周期

第一周期有两种元素,氢和氦。氢只有一个电子,基态的组态是1s,由此得到的原子态是2S1/2,氦有两个电子,在基态时,都在1s态,形成原子态1S0,到这里第一电子壳层已填满。由表3知,第一壳层只能容纳两个电子,逐一填补,只能有两种原子,这说明为什么第一周期只有两种元素。

4.2第二周期

第二周期有八种元素,第一种是锂,锂原子的原子序数是3,具有三个电子。在基态时这三个电子的两个填满了第一壳层,第三个电子必须进入第二壳层,并尽可能填在最低能级,所以是2s电子。这样,原子的基态应该是2S1/2,光谱的观察证实了这样的情况。第二周期的第二种元素是铍,它的基态的电子组态是1s22s2,形成的原子态是1S0,这时第二壳层(n=2)的第一次壳层(l=0)已填满。从硼起,以后的几种原子中逐一填补的是2p电子,氖有十个电子,全部电子组态是1s22s22p6,形成的原子基态是1S0,这时第二壳层已填满.第二周期也结束。

在这个周期中,锂原子的结构是一个完满壳层之外加一个电子,这个电子在原子中结合不很牢固,容易被电离,所以锂容易成为带一个单位正电荷的离子,相反的情况是氟,它的第二壳层差一个电子就要填满,所以氟电子往往会俘获一个电子成为一个具有完满壳层的体系,但这样它已成为带一个单位负电荷的离子。元素周期表中靠近的元素具有正电性,右边的元素具有负电性,原因就在此。我们注意到每一个次壳层填满而无多余电子时,原子态必定是1S0,在推断任何原子的状态时,完满壳层和完满次壳层的角动量不需要考虑。

4.3第三周期

第三周期也有八种元素,从钠起到氩止。钠有十一个电子,其中十个填入第一,二壳层,构成如氖原子一样完整的结构,所以第十一个电子最低必须进入第三壳层,在基态时这是3s电子。钠的基态是2S1/2,它具有同锂相仿的性质,这以后七中原子中电子逐一填补的情况同第二周期的原子相同,只是现在填补在第三壳层。到了氩,第三壳层的第一,二次壳层已填满,它的基态是1S0。氩具有同氖和氦相仿的性质,它也是惰性气体。钾原子中十八个电子已经构成一个完整的壳层体系,第十九个电子就要决定原子态的性质,如果这是3d电子,原子基态就是2D,但由实验得出基态是2S1/2。足见钾的最外边的电子已经进入第四壳层,开始一个新周期。第三周期到氩已结束,共有八种元素。

4.4第四周期

第四周期有十八种元素,开始的是钾,上面指出,钾的第十九个电子不进入3d态而填补在4s态,这是什么理由呢?这是由于4s的能量低于3d能量。按照基态是能量最低的状态,所以在基态时,这个电子先补在4s 态,按照以前的讨论,4s的轨道是一个偏心率很高的圆形轨道,它在原子实中的贯穿和引起原子实的极化都能使它的能级下降。3d是圆行轨道,不会有贯穿,极化作用也小,它的能级应该接近氢原子的能级,因此4s能级低于3d是完全可以理解的。

第四周期中从钪(Z=21)到镍(Z=28)是陆续填补3d电子的过程,这些元素是这个周期的过渡元素。到铜(Z=29),3d电子填满,留下一个4s电子,所以成为1价的元素。下一种元素是锌,4s补满两个。以后从镓到氪共六种元素,是陆续填补4p的过程。这些与元素同第二,三周期中填补p电子的那些元素有相仿的性质。氪是惰性气体,在这原子中4s和4p都已填满,形成原子态S。这样结束了第四周期.

4.5第五周期

到了氪,第四壳层中还有4d和4f的地位完全空着,下一种元素是铷(Z=37)。由于同钾相仿的理由,它的第三十七个电子不进入4d而填5s态。这就开始了第五周期。铷中填补了5s电子。从钇(Z=39)起到钯(Z=46)陆续填补4d电子,这些是这个周期的过渡元素。它与铜有相仿的电子结构,也具有相同的性质,镉中5s填满。从铟(Z=49)到氙(Z=54)陆续填补5p电子。

4.6第六周期

元素铯(Z=55)的最外边一个电子进入6s态,就开始了第六周期。这周期有三十二种元素。在头两种

元素铯和钡中,补满了6s电子。镧(Z=57)中补了一个5d,此后Z=58到Z=71十四种元素中陆续填补4f电子,而5s,5p,6s维持不变,自成一体,具有相仿的性质。接着从Z=72到Z=78,5d电子被填补起来。到金,5d补齐,而余一个6s,所以它具有同银和铜相仿的性质,下一元素是汞,6s填满。铊和氡有规则地填补6p。

4.7第七周期

钫的最外边一个电子却补在尽可能最低能量的7s态,开始第七周期。在镭原子中,7s补齐。补了一个6d电子,Z=90又补了一个6d电子。以后直到Z=103主要是补5f电子。镭和铀是自然界存在的,其余是人工制造的。

5关于4f 5d和5f 6d的能量次序

按照经验规则,即按照n+0.7L越小的支壳层能量越低,次序在前的规则,随着原子序数的增加和原子逐一填充电子时,应有4f,5d和5f,6d的能量次序。按照能量最低原理,电子填充支壳层的次序也应该为4f,5d和5f,6d,但57La的电子组态为[Xe]6s24f05d9,

89Ac的电子组态为[Rn]7s25f06d7,90Th的电子组态为[Rn]7s25f06d2,这三种元素的最后一个电子都填入d支壳层,而没有首先填入全空着的f支壳层。一般情况下,逐一填充的电子首先进入的支壳层能量次序在前,而4f,5d和5f,6d却例外,逐一填充的电子首先进入的支壳层能量次序在后,应有5d,4f和6d,5f的能量次序,这样就能解释57La,89Ac和90Th的电子组态问题。但从57La,78Pt的电子组态看,总的趋势是先填4f,后填5d; 从89Ac---103Lr的电子组态看,总的趋势是先填5f,后填6d,它们的电子壳层能量又与5d,4f和6d,5f的次序不一致。

要解释以上矛盾,就要承认能量最低原理正确,从趋势或支壳层能量平均水平来看,符合n+0.7l规则,但对该规则应加以完善或补充.我们提出:原子逐一填充的电子首先进入的支壳层次序由n+0.7l+0.07l2规则确定,这样就能维持决定支壳层能量次序能量的n+0.7l规则,又能解释57La,89Ac和90Th的电子组态问题。按照n+0.7l+0.07l2规则列出的逐一填充的电子首先进入的支壳层次序如表4所示。

表4 按周期表中元素排列的先后,原子逐一增加的电子首先进入的支壳层次序

电子填

补次序1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 5d 4f 6p 7s 6d 5f

n+0.7L+0.07L2 1 2 2.77 3 3.77 4 4.68 4.77 5 5.68 5.77 6 6.68 6.73 6.77 7 7.68 7.73

从支壳层能量的平均水平来看,符合n+0.7L规则,即有4f,5d和5f,6d的能量次序,但逐一填充的电子又按n+0.7L+0.07L2规则,有一个电子首先进入5d和有第二电子首先进入6d支壳层,然后填充相应的f支壳层。我们认为:这是因为支壳层的能量不仅与n和L有关,还与n和L的差值有关。例如:3d,4d,5d,6d,各支壳层L 相同,但其轨道的偏心率不同;电子对原子实的贯穿效应也不同。L相同时,n越大,轨道偏心率越大,贯穿效应也越大,故其能量下降也越大。特别是那些能量相近的支壳层,会由于某一支壳层的n和L相差较大,引起能量下降较大,从而引起逐一填充的电子首先进入n和l相差较大的支壳层。例如:5d支壳层的n和L的差值为3,能量相近的4f支壳层的n和L的差值为1,5d支壳层由此差值而引起的能量下降较4f大,从而使La的第57个电子首先填入5d支壳层,而不是4f支壳层。同理可以说明89Ac,90T的最后一个电子首先填入6d支壳层,而不是5f支壳层。只是由于随着原子序数的增加和逐一增加核外电子时,那些n小L大的支壳层能量平均说来比n大L小的支壳层下降速度快,即4f支壳层的能量比5d下降快,5f支壳层的能量比6d 下降的快,才使的从总的趋势或从支壳层能量的平均水平来看,是4f,5d和5f,5d的能量次序。

6关于特殊电子排布

核外电子的排布,遵守泡利不相容原理和能量最低原理,这里的特殊电子排布是指那些不完全遵守n+0.7L规则的少数元素原子的电子排布而言的。这些元素共有19种,按原子序数从小到大的次序依次是24Cr,29Cu,41Nb,42Mo ,44Ru,45Rh ,46Pd,47Ag,57La,58Ce,64Gd,78Pt,79Au,89Ac,90Th,91Pa,92U,93Np,96Cm. 原子基态时的电子排布(组态)可从有关实验得知,泡利原理和能量最低原理决定着电子排布。应从影响能量的因素和壳层能量的变化规律出发,才能对电子排布特殊性给出正确的解释。

前面的讨论已得出:注意填充电子过程中,n小L大的支壳层能量,比临近的n 大L小的支壳层下降速度快。从原子基态的电子组态表中得知,电子在逐一填充n小L大的支壳层时,已填充有电子的n大L小的支壳层的电子向正在填充的n小L大的支壳层跃迁是普遍的现象。填3d时有4s电子跃向3d,填4d时有5s电子跃向4d,填4f时有5d电子跃向4f,填5f时有6d电子跃向5f……这一普遍现象进一步证实:在逐一填充电子过程中,各支壳层能量下降的速度是不同的,n小L大的支壳层能量确实比临近的n大L小的支壳层能量下降速度快。

由电子基态的电子组态[2.3]发现:最外层常常有两个未满支壳层共存。如果每一个支壳层中所有电子的轨道能量是相同的,能量高的支壳层电子会跃向能量低的支壳层,直到填满能量最低的支壳层,不会出现两个未满支壳层共存。可见,同一支壳层中各轨道电子能量存在差别。当两个支壳层的能量相近时,会出现一支壳层中某一电子的轨道能量在另一支壳层的两个电子的轨道能量之间,反之亦然. 我们将此情况称为支壳层电子的轨道能量交错.电子在填充过程中,两支壳层中的各轨道电子能量都在发生变化,但电子还是按泡利原理和能量最低原理填充轨道电子能量交错的支壳层,如果一个支壳层的能量下降快,另一支壳层的能量下降的慢,按能量最低原理,所有的电子都要处在各自可能的最低能量状态中,以使整个原子体系的能量为最低,这样就会出现电子从一个支壳层跃迁到另一支壳层的情况。

从光谱实验得到的原子的电子组态和原子基态光谱项情况[2.3]还表明:电子在逐一填充支壳层时,层中电子自旋的取向应尽可能相同,并尽可能占据不同轨道。电子是费米子,按泡利原理,自旋平行的两个电子的波函数必须是反对称的,在同一点上找到它们的几率为零。即自旋平行的电子尽可能占据不同的轨道,其结果使同一支壳层中各电子波函数的叠加尽可能是球形对称的,因而能量最低,故n大L小的支壳层电子向正在填充的n小L大的支壳层能量下降比n大L小的下降快,又由于支壳层电子达到半满或全满时能量最低,故在两个支壳层的电子轨道能量交错时,n大L小的支壳层电子会跃迁到n小L大的支壳层,以使该支壳层尽可能达到半满或全满。这符合电子由高能量状态向低能量状态跃迁从而使整个原子体系能量为最低的原理,n大l小的支壳层电子跃迁到n小L大的支壳层的结果,产生两种情况:

第一种情况是,这种跃迁消除特殊电子排布,未跃迁则保留特殊电子排布,由前面讨论知:5d的n和l的差值比4f大,由此差值而引起的能量下降也比4f大,使得5d支壳层首先填入一个电子后才开始填4f,在填4f 过程中,当已填入的一个5d电子未跃到4f就出现了57La,58Ca,64Gd三种元素的特殊电子排布;同理,6d的n 和l的差值也比5f大,由此差值而引起的能量下降也比5f大,使得6d支壳层首先填入二个电子后才开始填5f,在填5f过程中,当已填入的两个6d电子未完全跃到5f时就出现了89Ac,90Th,91Pa,92U,93Np,96Cm共六种元素的特殊电子排布。

第二种情况是,这种跃迁产生特殊电子排布。其余10种元素的特殊电子排布都是由n大L小的支壳层电子跃迁到n小L大的支壳层时产生,其具体排布情况在一般原子物理教材中都可查到,在此就不在赘述了。

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Calculation of Atomy Lamella’s Energy and Electron Configuration

Abstract:The change of each kinds of element’s chemical and physical property demonstrate their high regularity. It actually reflects the atomic structure situation. The electronic configuration of

atom isn’t chaotic but follow certain order .It follows the lowest energy principle soaks the

advantage not accommodating principle, as well as Hong special rule. If we can grasp these,

we will understand the atomic extra nuclear electron distribution .The changes of atom shell

Energy Company with the atomic number .If the atomic number increase. the atom energy will

increase also The electron fills in the lamella follow the description of n+0.7L n is the main

quantum number, corresponds in the host encasement. L is the angular moment urn quantum

number corresponds the lamella

Keywords:Lamella energy, pauli principle, electron collocate, track energy intervein

原子的壳层能量的计算与电子排布

原子的壳层能量与电子排布 李涛(安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆 246011) 指导教师:张青林 摘要:各种元素的化学性质和物理性质的变化,显示出高度的规律性,这实际放映了原子结构的情况。 原子的电子排布并不是杂乱无章而是有规律可循,其遵循最低能量定理,泡利不相容原理以及 洪定则。掌握了这些,对原子的核外电子排布就会有一个清醒的认识。原子壳层能量是随原子 序数而变化的,随着原子序数的增加原子逐一增加的,电子填入支壳层的次序可由经验n+0.7L 描叙,其中n是主量子数,对应于主壳层,L是角动量量子数,对应于支壳层。 关键词:壳层能量,泡利原理,电子排布,轨道能量交错 引言:早在1803年道耳顿根据质量守恒及定比定律提出原子的学说,原子的研究就正式开始,到1912年柯塞尔提出多电子原子中的电子分布主壳层模行,即主量子数相同的电子处于同一主壳层中。对应于n=1,2,3,4…的主壳层分别用K,L,M,N….来表示在同一主壳层中,不同的轨道角量子数1又分成几个不同的分壳层,常用s,p,d,f,…..表示1=0,1,2,3,…的各种转动态。 1原子壳层能量随原子序数的变化 众所周知,随着原子的增加和壳层电子的逐一填充,原子的壳层能量会下降。对此可在电磁学理论基础上做出定性的解释。当一正电荷位于球心并有等量负电荷均匀分布于球壳上时,球内形成一沿径向向外的电场,凡原在球壳内的负电荷都会因这一电场的作用而引起能量的下降。原子序数为Z的原子变为 Z+1的原子时,新加入电子的电荷沿径向和角向按一定几率分布,核新增的单位正电荷和新加入的电子在核外一定范围内形成一类似的附加电场,使有一定几率分布处于该场中的原有电子能量下降。电子处于附加电场中的几率越大和离核越近,则将其移到无穷远时需要更多的功,因而这些电子的能量越低。显见,当考虑库仑相互作用能时,随着原子序数的增加原子的壳层能量下降。 事实上,影响原子的壳层能量的因素很多,除电子的动能外,还有吸引能和其他电子的排斥作用能,自旋相关效应能,相对论效应能和旋一轨相互作用能,要精确计算这些影响是困难的,所以我们仅准备在原子物理学范畴内定性讨论原子的壳层能量随原子序数Z增加的增加而下降的规律。 根据光谱的实验数据总结和计算得出:在不违背泡利原理和最低能量的情况下,随着原子序数的增加,原子逐一增加的电子填入支壳层的次序可由经验则n+0.7L【1】描述,其中n是主量子数,对应于主壳层;L 是角动量量子数,对应支壳层。按该经验规则各支壳层如表1所示。 表1 周期表中元素排列的先后,原子逐一增加电子的次序[2】 电子填 补次序1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d n+0.7L1.0 2.0 2.7 3.0 3.7 4.0 4.4 4.7 5.0 5.4 5.7 6.0 6.1 6.4 6.7 7.0 7.1 7.4 但从X射线表示谱和吸收限的情况【1.2】可知:原子的内支壳层的能量顺序与原子逐一增加电子的能量顺序不同,内支壳层的能量顺序是n越小,能量越低;n相同时,L越小,能量越低。内支壳层能量的高低次序按从小到大排列如表2所示。 随着原子序数的增加和电子的逐一填充,原子的外支壳层逐渐过渡到内支壳层,支壳层能量次序由表1过渡到表2。比较表1和表2的能量次序不难发现,表2中某些n小L大的支壳层能量次序相对于表1

1章原子结构单元检测(附答案)

化学鲁科3第1章原子结构单元检测 (时间:60分钟,满分:100分) 第Ⅰ卷选择题(共40分) 一、选择题(本题包括10小题,每小题4分,共40分。每小题只有一个选项符合题意) 1.为揭示原子光谱是线状光谱这一事实,玻尔提出了核外电子的分层排布理论。下列说法中不符合这一理论的是() A.电子绕核运动具有特定的半径和能量 B.电子在特定半径的轨道上运动时不辐射能量 C.电子跃迁时,会吸收或放出特定的能量 D.揭示了氢原子光谱存在多条谱线 2.下列能表示基态硅原子的是() 3.下列关于主族元素的说法正确的是() A.主族元素的原子核外电子最后填入的能级是s能级 B.主族元素的原子核外电子最后填入的能级是s能级或p能级 C.主族元素的最高正价一定等于主族的序数 D.主族元素的价电子数有可能超过最外层电子数 4.在最外层电子排布为①3s23p5;②2s22p2;③3s23p4;④3s23p3的几种元素中,其最高价氧化物对应水化物的酸性由强到弱的顺序是() A.②③④①B.①③④② C.②④③①D.①②③④ 5.下列4种元素中,其单质氧化性最强的是() A.原子含有未成对电子最多的第2周期元素 B.位于元素周期表中第3周期ⅢA族的元素 C.原子最外电子层排布为2s22p6的元素 D.原子最外电子层排布为3s23p5的元素 6.A原子的结构示意图为。则x、y及该原子3p能级上的电子数可能为() A.18、6、4 B.20、8、6 C.18、8、6 D.15~20、3~8、1~6 7.下列离子化合物中阴、阳离子间距离最大的是() A.LiCl B.NaCl C.KCl D.KBr 8.下图是第3周期11~17号元素某些性质变化趋势的柱形图,下列有关说法中正确的是()

《原子核外电子的排布》教学设计

《原子核外电子的排布》教学设计 一、教材分析 本章《物质结构元素周期律》是高中必修二第一章的内容,是在九年级化学上册第四单元《物质构成的奥秘》的理论基础上进一步的深入学习,而本节内容——原子核外电子的排布又是本章的核心内容,是后面学习元素周期律的基础。 二、学生分析 学生初中时已经学习了原子的构成和元素,对核外电子是分层排布这一知识点也做了初步了解,所以在此节内容的学习之前学生就已经具备了一些原子的相关基础知识。同时也具备一定的数学基础,能够对一些数据进行分析处理。 三、教学目标 (一)知识与技能目标 1.了解原子核外电子运动的特征。 2.了解元素原子核外电子排布的基本规律,能用原子(离子)结构示意图表示常见原子(离子)的核外电子排布。 (二)过程与方法目标 培养学生分析、处理数据的能力,尝试运用比较、归纳等方法对信息进行加工。 四、教学重难点 重点:原子核外电子分层排布、原子核外电子的排布及其规律。 难点:原子核外电子排布规律间相互制约关系。 五、教学过程 【引入】大家好,这节课我们进入到新课的学习:

【板书】原子核外电子的排布 【提问】在进入新课内容之前,我们先来复习一下以前学习的内容。初中的时候在《物质构成的奥秘》这一章当中我们就学习了原子的相关知识,下面我们来回顾一下,什么是原子?原子由什么微粒构成? 【学生回顾】…… 【板书】 外电子数 核电荷数=质子数=核的负电荷核外电子:带一个单位 中子:不带电 个单位的正电荷质子:带原子核原子????????1 【教师】原子由原子核和核外电子构成,而原子核又由质子和中子构成,其中质子带一个单位的正电荷,中子不带电。核外电子则带一个单位的负电荷。 【提问】那么为什么原子对外显电中性呢? 【学生】质子所带的正电荷数等于核外电子所带的负电荷数,所以原子不显电性。 【教师】很好,其中我们还学习到了一个重要的等式关系:核电荷数=质子数=核外电子数。所以质子所带的正电荷与核外电子所带的负电荷相互抵消,导致原子不显电性。 【过渡】好,我们都知道了原子的结构。现在我们来研究一下电子在原子核外究竟是怎么运动的。 【教师】大家来看ppt 上这张熟悉的原子结构图。我们可以看到原子核外有一圈圈的层状区域,由里往外分为好几个圈层,这就是我们以前初三所学习到的电子层——核外电子的运动有自己的特点,它不像行星绕太阳旋转有固定的轨道,但却有经常出现的区域,科学家把这些区域称为电子层。而核外电子就是在这样不同的电子层内运动,我们把这种现象称为核外电子的分层排布。这些都是同学们初中已经学习过的内容。 【过渡】那么,大家知道了核外电子的分层排布之后,是不是产生了这样的疑问:核外电子究竟是怎么分层排布的呢?好,接下来我们一起来共同解决同学们的疑问——我们来探究核外电子的排布规律。 【板书】核外电子的排布规律 【提问】我们来看这个原子结构,从黄色最里一层原子层到蓝色最外一层原子层,

原子的核外电子排布和结构示意图及其强化练习

四十六、原子的核外电子排布和结构示意图 一、原子的核外电子排布规律 总规律:原子的核外电子是分层排布的。 1、核外电子总是尽先排布在能力最低的电子层中。也就是说,排满了K 层才排L 层,排 满了L 层才排M 层。(但不能继续说排满了M 层才排N 层) 2、每个电子层最多容纳的电子数为2n 个。 3、最外层最多容纳的电子数不超过8个(K 层作最外层时不超过2个)。 4、次外层最多容纳的电子数不超过18个,倒数第三层最多容纳的电子数不超过32个。 二、结构示意图:用各电子层容纳的电子数表示原子或者离子的核外电子排布情况的示意图。 例如:S S 2- K + “+” “19”表示钾离子的核电荷数为19,“2”表示K 层容纳2个电子,“8”表示L 层容纳8个电子,“8”表示M 层容纳8个电子。

3、具有2电子的微粒:He, Li+, Be2+, H2 具有10电子的微粒:Ne、N3-、O2-、F-、Na+、Mg2+、Al3+、CH4、NH3、 H2O、HF、H3O+、NH4+、OH-、NH2-、 具有18电子的微粒:、Ar、P3-、S2-、Cl-、K+、Ca2+、SiH4、PH3、H2S、HCl、 C2H6、N2H4、H2O2、F2、HS-、O22-、 三、强化练习 1、某主族元素的原子有5个电子层,最外层只有1个电子,下列描述中正确的是() A、其单质常温下跟水反应不如钠剧烈 B、其原子半径比钾原子半径小 C、其碳酸盐易溶于水 D、其氢氧化物不能使氢氧化铝溶解 2、下列四种元素中,其单质氧化性最强的是() A、原子含有最外层电子数最多的第二周期元素 B、位于周期表中第三周期ⅢA族的元素 C 的元素 D、原子结构示意图为的元素 3、氢化钠(NaH)+1价,NaH与水反应放出氢气。下列叙 述中,正确的是() A、NaH在水中显酸性 B、NaH中氢负离子的电子层排布与氦原子的相同 C、NaH中氢负离子半径比锂离子半径小 D、NaH中氢负离子可被还原成氢气 4、用R代表短周期元素,R原子最外层的电子数是最内层电子数的2倍。下列关于R的描述 中正确的是() A、R的氧化物都能溶于水 B、R的最高价氧化物所对应的水化物都只是H2RO3 C、R元素都是非金属元素 D、R的氧化物都能与NaOH溶液反应 5、已知铍(Be)的原子序数为4,下列对铍及其化合物的叙述中,正确的是() A、铍的原子半径小于硼的原子半径 B、氯化铍分子中铍原子的最外层电子数是8 C、氢氧化铍的碱性比氢氧化钙的弱 D、单质铍跟冷水反应产生氢气 6、下列关于稀有气体的叙述不正确的是() A、原子的最外电子层都有8个电子 B、其原子与同周期IA、IIA族阳离子具有相同的核外电子排布 C、化学性质非常不活泼 D、原子半径比同周期ⅦA族元素原子的小 7、在短周期元素中,若元素原子的最外层电子数与其电子层数相等,则符合条件的元素种 类为() A、1种 B、2种 C、3种 D、4种

原子结构 原子核外电子排布

第五章原子结构元素周期律 第一节原子结构原子核外电子排布 【高考新动向】 【考纲全景透析】 一、原子的构成 1. 原子的构成 原子的组成表示式:X,其中X为原子符号,A为质量数,Z为质子数,A-Z为中子数。2.基本关系 ①质子数=核电荷数=核外电子数 ②阳离子中:质子数=核外电子数+电荷数 ③阴离子中:质子数=核外电子数-电荷数 ④质量数=质子数+中子数 3.元素、核素、同位素之间的关系如下图所示: 元素、核素和同位素的概念的比较

二、 原子核外电子排布 1.电子层的表示方法及能量变化 圆圈表示原子核,圆圈内标示出核电荷数,用弧线表示电子层,弧线上的数字表示该电子层的电子数。要注意无论是阳离子还是阴离子,圆圈内的核电荷数是不变的,变化的是最外层电子数。 离核由近及远→电子能量由低到高 2.核外电子分层排布的规律 核外电子的分层运动,又叫核外电子的分层排布,其主要规律有: (1)能量规律 原子核外电子总是先排能量最低的电子层,然后由里向外,依次排布在能量逐步升高的电子层(能量最低原理)。即排满了K 层才排L 层,排满了L 层才排M 层。 (2)分层排布规律 ①原子核外每个电子层最多容纳2n 2 个电子。 ②原子最外层电子数不超过8个电子(K 层为最外层不能超过2个电子)。 ③原子次外层电子数不超过18个电子(K 层为次外层不能超过2个电子)。 【热点难点全析】

〖考点一〗原子的构成及概念比较 1.构成原子的粒子 2.组成原子的各种粒子及相互关系 (1)原子或分子:质子数(Z)=核电荷数=核外电子数 (2)阳离子:核外电子数=质子数-所带电荷数 (3)阴离子:核外电子数=质子数+所带电荷数 3.同位素、同素异形体、同系物、同分异构体的比较 〖提醒〗(1)质子数与核外电子数之间的关系,对于原子不易出错,对于阴、阳离子容易出错。应清楚阳离子核外电子数少于质子数,阴离子核外电子数多于质子数。 (2)元素、同位素、同素异形体、同系物、同分异构体的判断关键是描述的对象。如: ①具有相同质子数的两微粒不一定是同种元素,如Ne和H2O。 ②质子数相同而中子数不同的两微粒不一定互为同位素,如14N2和13C16O。 ③2H2和3H2既不是同位素,也不是同素异形体。 【典例1】铀(U)是重要的核工业原料,其中23592U是核反应堆的燃料,下列关于23592U和23892U的说

原子核外电子排布的原理

原子核外电子排布的原理 处于稳定状态的原子,核外电子将尽可能地按能量最低原理排布,另外,由于电子不可能都挤在一起,它们还要遵守保里不相容原理和洪特规则,一般而言,在这三条规则的指导下,可以推导出元素原子的核外电子排布情况,在中学阶段要求的前36号元素里,没有例外的情况发生。 核外电子排布原理一——能量最低原理 电子在原子核外排布时,要尽可能使电子的能量最低。怎样才能使电子的能量最低呢?比方说,我们站在地面上,不会觉得有什么危险;如果我们站在20层楼的顶上,再往下看时我们心理感到害怕。这是因为物体在越高处具有的势能越高,物体总有从高处往低处的一种趋势,就像自由落体一样,我们从来没有见过物体会自动从地面上升到空中,物体要从地面到空中,必须要有外加力的作用。电子本身就是一种物质,也具有同样的性质,即它在一般情况下总想处于一种较为安全(或稳定)的一种状态(基态),也就是能量最低时的状态。当有外加作用时,电子也是可以吸收能量到能量较高的状态(激发态),但是它总有时时刻刻想回到基态的趋势。一般来说,离核较近的电子具有较低的能量,随着电子层数的增加,电子的能量越来越大;同一层中,各亚层的能量是按s、p、d、f的次序增高的。这两种作用的总结果可以得出电子在原子核外排布时遵守下列次序:1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s、4p…… 原子轨道能量的高低(也称能级)主要由主量子数n和角量子数l决定。当l相同时,n越大,原子轨道能量E越高,例如E1s<E2s<E3s;E2p<E3p <E4p。当n相同时,l越大,能级也越高,如E3s<E3p<E3d。当n和l 都不同时,情况比较复杂,必须同时考虑原子核对电子的吸引及电子之间的相互排斥力。由于其他电子的存在往往减弱了原子核对外层电子的吸引力,从而使多电子原子的能级产生交错现象,如E4s<E3d,E5s<E4d。Pauling根据光谱实验数据以及理论计算结果,提出了多电子原子轨道的近似能级图。用小圆圈代表原子轨道,按能量高低顺序排列起来,将轨道能量相近的放在同一个方框中组成一个能级组,共有7个能级组。电子可按这种能级图从低至高顺序填入。

第七章 原子的壳层结构 - 71 有两种原子,在基态时其电子壳层是

第七章 原子的壳层结构 7.1 有两种原子,在基态时其电子壳层是这样添充的:(1)n=1壳层、n=2壳层和3s 次壳层都填满,3p 次壳层填了一半。(2)n=1壳层、n=2壳层、n=3壳层及4s、4p、4d 次壳层都填满。试问这是哪两种原子? 解:每个壳层上能容纳的最多电子数为,每个次壳层上能容纳的最多电子数为。 22n )12(2+l (1)n=1壳层、n=2壳层填满时的电子数为: 10221222=×+×3s 次壳层填满时的电子数为:2)102(2=+× 3p 次壳层填满一半时的电子数为:3)112(22 1=+×× 此种原子共有15个电子,即Z=15,是P(磷)原子。 (2)与(1)同理:n=1,2,3三个壳层填满时的电子数为28个 4s、4p、4d 次壳层都填满的电子数为18个。 所以此中原子共有46个电子,即Z=46,是(钯)原子。 Pd 7.2 原子的3d 次壳层按泡利原理一共可以填多少电子?为什么? 答:根据泡利原理,在原子中不能有两个电子处在同一状态,即不能有两个 电子具有完全相同的四个量子数。对每一个次壳层,最多可以容纳个电 子。3d 次壳层的,所以3d 次壳层上可以容纳10个电子,而不违背泡利原理。 l )(122+l 2=l 7.3 原子的S、P、D 项的量子修正值Na 01.0,86.0,35.1=Δ=Δ=ΔD p s 。把谱项表达成2 2 )(n Z R σ?形式,其中Z 是核电荷数。试计算3S、3P、3D 项的σ分别为何值?并说明σ的物理意义。 解:用量子数亏损表征谱项时 形式为 22) (*Δ?=n R n R 用有效电荷表征时 形式为 2 2 22)(*n Z R n RZ σ?= 两种形式等价。令二者相等,则得到 Δ 与 σ 之间的关系 Δ?=?n n Z σ Δ ??=n n Z σ 用 Z = 11 和 n = 3 代入上式得 3S、3P、3D 项的σ值分别为:

怎样确定原子的电子层排布

怎样确定原子的电子层排布 一、电子层容量原理 ?在原子核外电子排布中,每个电子层最多容纳的电子数为2n2,这个规律在一些无机化学教材中叫做最大容量原理。我认为,该原理并不能全面反映原子核外电子排布的真实情况,其一,它只适合于离核近的内电子层,且不是最大,而是等于2n 2;其二,离核远的外电子层,实际排布的电子数则远远小于2n 2,根本不能用此原理来描述。离核近的内电子层与离核远的外电子层,各有其电子容量的规律,原子的电子层排布,就是这两种规律结合而成的。为此,我总结出内电子层和外电子层的各自的容量规律,并将两者结合起来,称为“电子层容量原理”,其内容如下: 设ω为原子的电子层数,n 为从原子核往外数的电子层数,m 为由原子最外层往里数的电子层数。 当n <22+ω时,为内电子层,每个电子层容纳的电子数=2n 2。 当n ≥22+ω时,为外电子层,每个电子层最多容纳的电子数=2(m+1)2. 核外只有k层时,最多容纳2个电子。 ?由上述两个关系组成的电子层排布如下: ?从以上图示可知,原子的电子排布是两头少,中间多。 应用电子层容量原理,可使外电子层不用2n 2,避免出现太大偏差. 应用外电子层的公式,可以取代中学教材中的如下规律: (1) 最外层电子数不超过8个(最外层为K 层,则不超过2个)。 (2) 次外层电子数不超过18个。 ?(3) 外数第三层电子数不超过32个.…… 因为这些规律可直接从外电子层的公式推出。 稀有气体原子的电子层排布则是很规整的相等关系,其内电子层电子数为2n2,外电子层电子数为2(m +1)2,因此,稀有气体元素原子的电子层结构是一种稳定结构.主族元素的 原子,最外层未达到2(m +1)2个电子(即8个电子),一般副族元素的原子,最外层和次外层的 电子数均小于2(m+1)2。原子的电子层数越多,出现未填满电子数2(m+1)2的外电子层数 就越多。它可用下式计算:未排满2(m+1)2个电子的电子层数最多为2 ω(当为偶数)或21-ω(为奇数)。例如:核外有6个电子层的元素,没有排满2(m +1)2个电子的外电子层数最多为6 /2=3。镧系元素的原子,一般就有4、5、6三个电子层的电子数未达到2(m +1)2。 ?2n 2是由电子运动状态的四个量子数及泡利不相容原理所得出的关系,而2(m +1)2却是由能级交错现象所得出的关系。 对于多电子原子,由于电子的屏蔽作用和穿透作用,出现了原子轨道的交错现象,产生了与元素周期表中周期相对应的能级分组,能级组的通式为ns 、(n -2)f 、(n -1)d 、np 。从第3电子层起,出现E n d>E (n +1)s ,从第4电子层起,出现E nf >E(n +2)s .因此,在次外层电子数未达到最大容量时,已出现了最外层电子的填充,而最外层电子数未达到最大容量时,又

原子核外电子的排布应遵循三大规律

《原子核外电子排布应遵循的三大规律》 (一)泡利不相容原理: 1.在同一个原子里,没有运动状态四个方面完全相同的电子存在,这个结论叫泡利不相容原理。 泡利:奥地利物理学家,1945年获诺贝尔物理学奖。 2.根据这个原理,如果有两个电子处于一个轨道(即电子层电子亚层电子云的伸展方向都相同的轨道),那么这两个电子的自旋方向就一定相反。 3.各个电子层可能有的最多轨道数为,每个轨道只能容纳自旋相反的两个电子,各电子层可容纳的电子总数为2个。 (二)能量最低原理: 1.在核外电子的排布中,通常状况下,电子总是尽先占有能量最低的原子轨道,只有当这些原子轨道占满后,电子才依次进入能量较高的原子轨道,这个规律叫能量最低原理。 2.能级:就是把原子中不同电子层和亚层按能量高低排布成顺序,象台阶一样叫做能级。 (1)同一电子层中各亚层的能级不相同,它们是按s,p,d,f的次序增高。

不同亚层:ns< np< nd< nf (2)在同一个原子中,不同电子层的能级不同。离核越近,n越小的电子层能级越低。 同中亚层:1s< 2s< 3s;1p< 2p< 3p; (3)能级交错现象:多电子原子的各个电子,除去原子核对它们有吸引力外,同时各个电子之间还存在着排斥力,因而使多电子原子的电子所处的能级产生了交错现象。 例如:E3d >E4S , E4d >E5S,n≥3时有能级交错现象。 3.电子填入原子轨道顺序:1s 2s2p 3s3p 4s3d4p 5s4d5p 6s4f5d6p 7s5f6d7p,能级由低渐高。 (三)洪特规则: 1.在同一亚层中的各个轨道上,电子的排布尽可能单独分占不同的轨道,而且自旋方向相同,这样排布整个原子能量最低。 2.轨道表示式和电子排布式: 轨道表示式:一个方框表示一个轨道 电子排布式:亚层符号右上角的数字表示该亚层轨道中电子的数目

原子核外电子排布规律

原子核外电子排布规律 1、Pauli不相容原理:每个轨道最多只能容纳两个电子,且自旋相反配对 2、能量最低原理:电子尽可能占据能量最低的轨道 3、Hund规则:简并轨道(能级相同的轨道)只有被电子逐一自旋平行地占据后,才能容纳第二个电子 另外:等价轨道在全充满、半充满或全空的状态是比较稳定的,亦即下列电子结构是比较稳定的: 全充满---p6或d10 或f14 半充满----p3或d5或f7 全空-----p0 或d0或f0 还有少数元素(如某些原子序数较大的过渡元素和镧系、锕系中的某些元素)的电子排布更为复杂,既不符合鲍林能级图的排布顺序,也不符合全充满、半充满及全空的规律。而这些元素的核外电子排布是由光谱实验结构得出的,我们应该尊重光谱实验事实。 对于核外电子排布规律,只要掌握一般规律,注意少数例外即可。 处于稳定状态的原子,核外电子将尽可能地按能量最低原理排布,另外,由于电子不可能都挤在一起,它们还要遵守保里不相容原理和洪特规则,一般而言,在这三条规则的指导下,可以推导出元素原子的核外电子排布情况,在中学阶段要求的前36号元素里,没有例外的情况发生。 1.最低能量原理 电子在原子核外排布时,要尽可能使电子的能量最低。怎样才能使电子的能量最低呢?比方说,我们站在地面上,不会觉得有什么危险;如果我们站在20层楼的顶上,再往下看时我们心理感到害怕。这是因为物体在越高处具有的势能越高,物体总有从高处往低处的一种趋势,就像自由落体一样,我们从来没有见过物体会自动从地面上升到空中,物体要从地面到空中,必须要有外加力的作用。电子本身就是一种物质,也具有同样的性质,即它在一般情况下总想处于一种较为安全(或稳定)的一种状态(基态),也就是能量最低时的状态。当有外加作用时,电子也是可以吸收能量到能量较高的状态(激发态),但是它总有时时刻刻想回到基态的趋势。一般来说,离核较近的电子具有较低的能量,随着电子层数的增加,电子的能量越来越大;同一层中,各亚层的能量是按s、p、d、f的次序增高的。这两种作用的总结果可以得出电子在原子核外排布时遵守下列次序:1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p…… 2.保里不相容原理 我们已经知道,一个电子的运动状态要从4个方面来进行描述,即它所处的电子层、电子亚层、电子云的伸展方向以及电子的自旋方向。在同一个原子中没有也不可能有运动状态完全相同的两个电子存在,这就是保里不相容原理所告诉大家的。根据这个规则,如果两个电子处于同一轨道,那么,这两个电子的自旋方向必定相反。也就是说,每一个轨道中只能容纳两个自旋方向相反的电子。这一点好像我们坐电梯,每个人相当于一个电子,每一个电梯相当于一个轨道,假设电梯足够小,每一个电梯最多只能同时供两个人乘坐,而且乘坐时必须一个人头朝上,另一个人倒立着(为了充分利用空间)。根据保里不相容原理,我们得知:s亚层只有1个轨道,可以容纳两个自旋相反的电子;p亚层有3个轨道,总共可以容纳6个电子;f亚层有5个轨道,总共可以容纳10个电子。我们还得知:第一电子层(K 层)中只有1s亚层,最多容纳两个电子;第二电子层(L层)中包括2s和2p两个亚层,总共可以容纳8个电子;第3电子层(M层)中包括3s、3p、3d三个亚层,总共可以容纳

多电子原子的结构

第8节 多电子原子的结构 第一部分 上节课复习内容: 1、主量子数n :22 22048n Z h e E n ?-=εμ .....),,n ()eV (n Z .E n 3215951322 =?-= 2、 角量子数l )n .....,,,l (h )l (l M 1321021-=? ? ? ??+=π e l l βμ)1(+= 3、磁量子数 )l ,......,,m (,h m M z ±±±==2102π )l ,......,,m (,m e z ±±±=-=210βμ 4、自旋运动 )s (h )s (s M s 2 1 21= ? ?? ??+=π )m (,h m M s sz 2 12±==π e e s )s (s g βμ1+= e s e sz m g βμ-= 5、 总量子数 π 21h ) j (j M j += s l ,......s l ,s l j --++=1 π 2h m M j jx = j ,......,,,m j ±±±±=2 5 2321 6、径向分布 第二部分 本节课授课内容:

1、多电子原子的Schrodinger 方程及其近似解 2、原子轨道能和电子结合能 3、电子互斥能 4、原子的电离能和电子亲和能 引言:由单电子体系转移到多电子体系 第四节 多电子原子的Schrodinger 方程及其近似解 一、原子单位 下面引入原子单位(自然单位)来描述方程 自然单位中所有的物理量都用符号au 或是a.u.来表示,但对于不同的物理量,它的物理意义与数值大小是不一样的,如 长度:m .a au 110102917751-?== 质量:kg .m au e 31101191-?== 电荷:C .e au 1910611-?-== 能量:eV .a e au 227410 02== πε,能量的自然单位也经常写作hartree (2个电子相距Bohr 半径时的势能) 从中也可得出:04πε=1au 角动量:s J .h au ??==-34100546121π 例:对于氢原子及类氢离子体系,它的1s 和2s 波函数为: ??? ? ??-??? ? ??=r a z s e a z 0 2 1303 1πψ ???? ? ? -???? ? ?-??? ? ????? ??=r a 2z s e r a z a z 002 1303 22241πψ 所以,上二式根据自然单位可以写成: ()zr s e z -??? ? ??=2 13 1πψ

原子核外电子排布规则

第3课时 原子核外电子排布规则 [目标定位] 知道原子核外电子排布的“两原理一规则”,会正确书写原子的电子排布式和电子排布图。 一、基态原子核外电子的排布原则 1.能量最低原理 原子核外的电子应优先排布在能量最低的能级里,然后由里到外,依次排布在能量逐渐升高的能级里。能级的能量高低顺序如构造原理所示(对于1~36号元素来说,应重点掌握和记忆“1s →2s →2p →3s →3p →4s →3d →4p ”这一顺序)。 2.泡利原理 (1)在一个原子轨道里,最多只能容纳2个电子,而且它们的自旋状态相反,这一原理被称为泡利原理。 (2)因为每个原子轨道最多只能容纳 2个电子且自旋方向相反,所以从能层、能级、原子轨道、自旋方向四个方面来说明电子的运动状态是不可能有两个完全相同的电子的。如氟原子的电 子排布可表示为1s 22s 22p 2x 2p 2y 2p 1z ,由于各原子轨道中的电子自旋方向相反,所以9个电子的 运动状态互不相同。 3.洪特规则 (1)在相同能量的原子轨道上,电子的排布将尽可能占据不同的轨道,而且自旋方向相同,这就是洪特规则。 (2)通俗地说,洪特规则可以表述为电子总是尽量自旋平行地分占不同的轨道。如碳原子的电子排布图是,而不是。 (3)洪特规则的特例 在等价轨道(同一能级)上的电子排布处于全充满、半充满和全空状态时,具有较低的能量和较大的稳定性。 相对稳定的状态????? 全充满:p 6 、d 10 、f 14 全空:p 0、d 0、f 0半充满:p 3、d 5、f 7 如24Cr 的电子排布式为1s 22s 22p 63s 23p 63d 54s 1,为半充满状态,易错写为1s 22s 22p 63s 23p 63d 44s 2。

单电子原子

5.3 角動量、磁矩、能階的精細構造 5.3.1 軌角動量算機及其本徵值 □ 軌角動量算機(orbital angular momentum operator ) 軌角動量p r L ?=. 在量子力學裡??-=?=→r i p r L L ???.有三個分量: ???? ? ???-??-=y z z y i L x ?, etc.. 不難證:φ ??-= i L z ?, =++≡2222????z y x L L L L ??? ? ?????? ????+??? ??????-2222sin 1sin sin 1φθθθθθ , 而[] .,??????,?etc L i L L L L L L z x y y x y x =-≡ 因此,x L ?, y L ?, z L ?三者不能對易,意指角 動量的三個分量不能同時測準(除非是遇到角動量為零的特殊情況)。0?,?2=??????L L z , 因此,角動量的大小與角動量的一個分量可同時測準。 比對上節知:()l l lm lm Y l l Y L 221? +=,l l lm l lm z Y m Y L =?。因此2?L 與z L ?的本徵值各為()21 +l l 與 l m 。給定一l ,可有12+l 個l m 。 □ 以向量模型(vector model )顯示量子力學裡角動量的性質──角動量的大小 與取向都是分立的,且沿z 軸「旋轉」: ──z 軸方向乃由測量決定(例如外加磁場或電場) □ 又,[] 0?,?=z L H , 0?,?2=?? ????L H . 所以,z L L H ?,?,?2 三者有共同的本徵函l nlm ψ: l l nlm n nlm E H ψψ=?, ()l l nlm nlm l l L ψψ221? +=, l l nlm l nlm z m L ψψ =? .

原子物理学——原子的壳层结构

第七章 原子的壳层结构 §7.1 元素性质的周期性变化 将元素按核电荷数的大小排列起来,其物理、化学性质将出现明显的周期性。 1869年,门捷列夫首先提出元素周期表。当时,周期表是按原子量的次序排列起来的,虽然比较粗糙,但仍能反映元素性质的周期变化特性。那时共知道62个元素,按其性质的周期性排列时,并不连续,而是出现了一些空位。在周期性的前后特征的指导下,于1874—1875年发现了钪(Sc),它处于钙和钛之间;又发现了锗(Ce)和镓(Ga),它们填补了锌与砷之间的两个空位。 1925年泡利提出不相容原理之后,人们认识到元素的周期性是电子组态的周期性的反映,而电子组态的周期性则联系于特定轨道的可容性。这样,化学性质的周期性用原子结构的物理图像得到了说明,从而使化学概念“物理化”,化学不再是一门和物理学互不相通的学科了。 元素的化学、物理性质的变化呈现周期性,如原子光谱、电离能等。 各种元素为什么会有周期性?元素的周期性和原子中电子的分布有关,电子如何分布? §7.2 原子的电子壳层结构 玻尔:原子内的电子按一定的壳层排列,每一壳层内的电子都有相同的主量子数,每一个新的周期是从电子填充新的主壳层开始,元素的物理、化学性质取决于原子最外层的电子即价电子的数目。 一、电子填充壳层结构的原则: 1.泡利不相容原理:在一个原子中,不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的状态(完全相同的四个量子数)。 2.能量最小原理:电子按能量由低到高的次序填充各壳层。 二、各壳层所能容纳的最大电子数 1.n 、l 相同的次壳层:)12(2+=l N l 2.n 相同的主壳层:21 02)12(2n l N n l n =+=∑-=

原子结构

第6章 原子结构 【6-1】利用玻尔理论推导的轨道能量公式,计算氢原子的电子从第五能级跃迁到第二能级所释放的能量级谱线的波长。 解:18 195222112.17910 4.56710J 52E E E --??=-=?-=? ??? 9 72210434.1nm 111.0971052hc E λ== =???- ??? 【6-2】利用德布罗依关系式计算: (1)质量为9.1×10-3kg ,速度为6.0×106 m ·s -1的电子,其波长为多少? (2)质量为1.0×10-2kg ,速度为1.0×103 m ·s -1的子弹,其波长为多少? 此两小题的计算结果说明什么问题? 解:(1)3413166.626109.110 6.010 h m λυ--?==???10 1.210m -=?120pm = (2) 34223 6.626101.01010λ--?= ??35236.610m 6.610pm --=?=? 由此可见,电子的波长与原子大小相近,讨论原子核外电子运动状态时,必须考虑它的波动性;而子弹的波长极短,无法测量,故波动性无法觉察,所以子弹表现微粒性,服从经典力学运动规律。 【6-3】定性的画出:3d xy 轨道的原子轨道角度分布图,4d x2-y2轨道的电子云角度分布图,4p 轨道的电子云径向分布图。 解:

【6-4】下列哪些量子数是不合理的,为什么? (1)n =2 l =1 m =0 m s =1 2- (2)n =2 l =2 m =-1 m s =12 - (3)n =3 l =0 m =0 m s =0 (4)n =3 l =1 m =+1 m s =1+ 2 (5)n = 2 l =0 m =-1 m s =1+2 (6)n =5 l =4 m =-4 m s =1+2 解:(1)合理。 (2)不合理,l 应小于n 。 (3)合理。 (4)合理。 (5)不合理,m =0。 (6)不合理,l 应小于n 。 【6-5】氮原子中有7个电子,写出各电子的四个量子数。 解:(1,0,0,+ 12)(1,0,0,-12)(2,0,0,+12)(2,0,0,-12)(2,1,1,+12 )(2,1,0,+12)(2,1,-1,+1 2 ) 【6-6】用原子轨道符号表示下列各组量子数。 (1)n =2 l =1 m =-1 (2)n =4 l =0 m =0 (3)n =5 l =2 m =-2 (4)n =6 l =3 m =0 解:(1)2p x 或2p y ;(2)4s ;(3)5d xy 或225d x y -;(4)6f z 【6-7】具有下列量子数的轨道,最多可容纳多少个电子? (1)n =3 (2)n =4 l =1 m =-1 (3)n =2 l =1 m =0 m s = 1 2 (4)n =3 l =3 (5)n =4 m =+1 (6)n =4 m s =+12 (7)n =3 l =2

原子结构习题及解析

《原子结构》作业参考解析 1. 下列说法正确的是 A. 因为p 轨道是“8”字形的,因此p 电子沿“8”字形轨道做绕核运动 B. 主量子数为2时,电子层有2s 和2p 两个轨道 C. 氢原子核外只有一个电子,因此核外只有一个原子轨道 D. 电子云是 |ψ|2 在空间分布的图像 【D 】A :原子核外的电子运动是没有固定轨道的,只是在核外某些区域出现的概率大,在某些区域出现的概率小,因此p 电子不是沿着“8”字形轨道做绕核运动的;B :主量子数为2时,有2s 和2p 两种轨道,而其中2p 有3个简并轨道;C :氢原子核外只有一个电子,但是却远远不止1个轨道,当这个电子位于1s 轨道上时,氢原子处于基态,而当这个电子位于其它高能级轨道时,氢原子处于激发态;D :电子云是用小黑点密集程度的变化情况来形象化的描述核外电子概率密度分布的图形,而|ψ|2的物理意义是核外某处电子出现的概率密度,因此说电子云是|ψ|2 在空间分布的图像。 2. 下列原子轨道不存在的是 A. 8s B. 3f C. 4d D. 7p 【B 】根据量子数的取值要求,主量子数n 只能取1,2,3…等非零正整数;轨道角动量量子数l 的取值受n 的限制,只能取0,1,2,…,(n -1),共取n 个值;磁量子数m 的取值又受l 的限制,只能取0,±1,±2…±l ,共取2l +1个值。据此,当n 为3时,l 最大只能取值为2,当l 为2时是d 轨道,所以不可能出现3f 轨道。 3. 多电子原子中决定核外电子能量高低的量子数为 A. n ,l ,m ,s B. n ,l m C. n ,l D. n 【C 】主量子数n 的大小决定了核外电子离核的远近,由于电子离核越近,受原子核吸引越强,因此能量越低,而离核越远,受原子核吸引越小,因此能量越高,所以主量子数也是多电子原子核外电子能量高低的主要因素;而多电子原子核外的电子除了受到原子核的吸引外,还收到其它电子对其的排斥作用,我们主要考虑内层和同层电子对其的屏蔽作用,因此多电子原子核外电子能量的高低,同时还与其轨道角动量量子数l 有关;而磁量子数m 的取值确定原子轨道在空间的伸展方向,所以与电子和轨道的能量无关;自旋角动量量子数s 体现了电子的自旋运动,也与其能量无关,因此对于多电子原子而言,核外电子能量的高低主要受到n 和l 的影响。 不过要特别注意的是,由于单电子原子(氢)和离子(类氢离子)核外只有一个电子,只受到原子核的吸引,因此其能量高低只与其主量子数的取值有关,而与轨道角动量量子数无关。 4. 是( )的图形。 222222d d d d B. C. D.xy xy x y x y Y Y Y -- 【B 】从图中可见,该角度分布图中没有出现正负号,因此这是一个关于电子云的角度分布

原子核外电子排布规则

第3课时 原子核外电子排布规则 [学习目标定位] 知道原子核外电子排布的“两原理一规则”,会正确书写原子的电子排布式和电子排布图。 一 基态原子核外电子的排布原则 1.能量最低原理 原子核外的电子应优先排布在能量最低的能级里,然后由里到外,依次排布在能量逐渐升高的能级里。能级的能量高低顺序如构造原理所示(对于1~36号元素来说,应重点掌握和记忆“1s →2s →2p →3s →3p →4s →3d →4p ”这一顺序)。 2.泡利原理 (1)在一个原子轨道里,最多只能容纳2个电子,而且它们的自旋状态相反,这一原理被称为泡利原理。 (2)因为每个原子轨道最多只能容纳2个电子且自旋方向相反,所以从能层、能级、原子轨道、自旋方向四个方面来说明电子的运动状态是不可能有两个完全相同的电子的。如氟原子 的电子排布可表示为1s 22s 22p 2x 2p 2y 2p 1z ,由于各原子轨道中的电子自旋方向相反,所以9个电 子的运动状态互不相同。 3.洪特规则 (1)在相同能量的原子轨道上,电子的排布将尽可能占据不同的轨道,而且自旋方向相同,这就是洪特规则。 (2)通俗地说,洪特规则可以表述为电子总是尽量自旋平行地分占不同的轨道。如碳原子的 电子排布图是 ,而不是。 (3)洪特规则的特例 在等价轨道(同一能级)上的电子排布处于全充满、半充满和全空状态时,具有较低的能量和较大的稳定性。 相对稳定的状态????? 全充满:p 6 、d 10 、f 14 全空:p 0、d 0、f 0半充满:p 3、d 5、f 7 如24Cr 的电子排布式为1s 22s 22p 63s 23p 63d 54s 1,为半充满状态,易错写为1s 22s 22p 63s 23p 63d 44s 2。 [归纳总结] 原子核外电子排布“两原理一规则” (1)能量最低原理:电子在原子轨道上的分布要尽可能地使原子的能量为最低。 (2)泡利原理:每个原子轨道最多容纳两个电子且自旋方向必须相反。

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