原子的壳层结构-简

原子的壳层结构（ 第七章 原子的壳层结构（简）
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 年发现， 门捷列夫 年发现 排列，它们的性质显示出周期性的变化。 排列，它们的性质显示出周期性的变化。 从原子中移走一个电子所需要的能量。 电离能 从原子中移走一个电子所需要的能量。
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第五周期 从元素铷(Ru,Z=37) 开始填充 从元素铷 又因为能级交错现象 又因为能级交错现象,(4d支壳层 个,4f支壳层 支壳层10个 支壳层14 为能级交错现象 支壳层 支壳层 空着).在 壳层留下 个空位,而开始填充第五壳 壳层留下24个空位 个空着 在4壳层留下 个空位 而开始填充第五壳 所以Ru开始了第五个主壳层的填充 开始了第五个主壳层的填充,也就开 层，所以 开始了第五个主壳层的填充 也就开 始了第五周期。 始了第五周期。 各元素的原子都占有第五主壳层， 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 个元素——过渡元素。 支壳层的10个元素 过渡元素。 填充 支壳层的 个元素 过渡元素 到氙(Z= 54)元素为止填满 支壳层。 元素为止填满5p支壳层 到氙 元素为止填满 支壳层。 共有18个元素。 共有 个元素。 个元素
l =0
电子数
Zn = ∑2(2l +1) = 2n
l =0
n−1
2
由上式可得， 壳层可容纳 个电子， 壳层可容纳 壳层可容纳2个电子 由上式可得，K壳层可容纳 个电子，L壳层可容纳 8个电子，M壳层可容纳 个电子，等等。 个电子， 壳层可容纳 个电子，等等。 壳层可容纳18个电子 个电子
原子的壳层和子壳层所能容纳的电子数
l n
1 2 3 4 5 6 7
K L M N O P Q
0 S 2 2 2 2 2 2 2
1 p
2 d
3 f
4 g
5 h
6 I
Zn
2 8 18 32 50
6 6 6 6 6 6
10 10 10 10 10
14 14 14 14
18 18 18 22 22 26
72 98
6
每一个周期都从电子填充新壳层开始， 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。 这是门捷列夫发现的元素周期律的本质。 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 ) 耦合下， 在LS耦合下，由电子组态形成的各能级高低次 耦合下 根据洪德定则确定： 洪德定则确定 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 ）同一电子组态形成的具有相同 值的能级中 值的能级中， 数最高的， 值最大的能级位置最低。 数最高的，即S值最大的能级位置最低。 值最大的能级位置最低 例如： 都要高。这里L值为 值为1， 例如：p146 氦的 1 P1 比 3 P0,1, 2都要高。这里 值为 ， 因 为都是P态 他们可以有相同的电子组态，比如1s 为都是 态。他们可以有相同的电子组态，比如 2s 7 2p ,等。 等
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依主量子数n不同，把电子的状态分为许多壳层， 依主量子数 不同，把电子的状态分为许多壳层，n 不同 壳层 相同的各状态属同一个壳层。 相同的各状态属同一个壳层。n = 1, 2, 3, 4, 5, … 的壳 壳层， 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 层 电子称为 层, L层, M 层, N层, O层电子 …… 层 层电子 在一个壳层中，轨道量子数 不同又划分n个支壳层 个支壳层， 在一个壳层中，轨道量子数l 不同又划分 个支壳层， 各支壳层用s, 对应 l = 0, 1, 2, 3, 4, 5, …各支壳层用 p, d, f, g, h, …表 处于这些支壳层上的电子，称为s 电子, 电子 电 示，处于这些支壳层上的电子，称为 电子 p电子 ,d电 电子, 电子, 子, f电子 g电子 h电子 …… 电子 电子 电子 对一定的轨道量子数l，磁量子数 有 对一定的轨道量子数 ，磁量子数m有 2l+1个可能数 个可能数 给定n、 值；给定 、l 和 m 时，自旋磁量子数 ms 取 ±1/2 两个 可能数值。于是， 可能数值。于是，算得主量子数为 n 的壳层上所能容 n−1 纳的电子数， 纳的电子数，为 Zn = ∑2(2l +1) = 2n2 5
对同一l （3）如果电子组态为 ）如果电子组态为(nl)v ，对同一 值、不同 j 值的各能 级的次序，有两种情形：当价电子数v 级的次序，有两种情形：当价电子数 < (2l+1)时 具有最 时 值的能级位置最低，这称为正常次序 正常次序； 价电子数v 小 j 值的能级位置最低，这称为正常次序；当 价电子数 > (2l+1) 时，具有最大 j 值的能级位置最低，这称为倒转 值的能级位置最低，这称为倒转 次序。 次序。
值的能级中， （2）同一电子组态形成的具有不同 值的能级中， ）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， 值的能级位置最低。 具有最大 值的能级位置最低。例如，p154，P ， 能级高于D能级 能级， 能级又高于 能级。 能级又高于F能级 能级高于 能级，D能级又高于 能级。
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四、元素周期表 原子处于基态时， 原子处于基态时，核外电子的排布情况
• 第一周期 • 1.H • 2.He 1s1 1s2
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第二周期
1s 3.Li 4.Be 5.B 6.C 7.N 8.O 9.F 10.Ne 2s 2p 1s22s1 1s22s2 1s22s22p1 1s22s22p2 1s22s22p3 1s22s22p4 1s22s22p5 1s22s22p6
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第六周期 从元素铯(Cs,Z=55) 开始填充。 开始填充。 从元素铯 又因为能级交错现象 支壳层 又因为能级交错现象,(4f支壳层 等支壳层 空 为能级交错现象 支壳层.5d等支壳层 始了第六个主壳层的填充,也就开始了第六 着, 始了第六个主壳层的填充 也就开始了第六 周期， 铯是第六周期的第一个元素。 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第六主壳层。 各元素的原子都占有第六主壳层。 比第4,第 周期多出一组填充 周期多出一组填充4f支壳层的 比第 第5周期多出一组填充 支壳层的 14个元素，称为稀土族元素或称为镧系 个元素， 个元素 元素，到氙(Z= 86) Rn元素为止填满 元素为止填满6p 元素，到氙 元素为止填满 支壳层共有 个元素。 共有32个元素 支壳层共有 个元素。
25 电离能（eV） 电离能（ ） 20 15 10 B 5 0 Li 4 8 Na Mg Al He Ne Ar Zn Ga K Rb 28 36 44 原子序数（ ） 原子序数（Z） Kr Cd In Cs 52 60 68 76
1
Xe
Hg
12 16 20
电离能随原子序数Z的变化关系 电离能随原子序数 的变化关系
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第四周期 开始填充4s 从 k 开始填充 因为能级交错现象,E4s<E3d<E4p 因为能级交错现象 所以k开始了第四个主壳层的填充 也就开始了第 所以 开始了第四个主壳层的填充,也就开始了第 开始了第四个主壳层的填充 四周期。 四周期。 各元素的原子都占有第四主壳层。 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 个元素 多出一组填充 支壳层的10个元素，它们 支壳层的 个元素， 个没满的壳层， 过渡元素。 大多有两 个没满的壳层，——过渡元素。 过渡元素 到第36号元素氦为止填满 支壳层 到第 号元素氦为止填满4p支壳层。 号元素素
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如果电子正好填满支壳层， 与 如果电子正好填满支壳层，m与ms 的正值和负值成 对出现，原子的自旋角动量、 对出现，原子的自旋角动量、轨道角动量和总角动量 1 都等于零， 都等于零，这种原子的基态为 S 0 。 对于未满支壳层的原子， 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。 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 同一支壳层上的电子称为同科电子。 同科电子 中有两个相同，据泡利不相容原理， 和 中有两个相同，据泡利不相容原理，m和ms 中至少有 一个是不相同的。 一个是不相同的。
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电子在状态上的分布遵从下面两个原理： 电子在状态上的分布遵从下面两个原理： 不相容原理： （1）泡利 ( W.Pauli )不相容原理：在原子中不可能 不相容原理 有两个或两个以上的电子占据同一个状态， 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, 有相同的一组量子数 l, m, ms )； ； （2）能量最低原理：原子处于基态时，电子所占据 ）能量最低原理：原子处于基态时， 的状态总是使原子的能量为最低。 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 可见，原子中每个由一组量子数(n, l, m, ms )决定 决定 的状态只允许一个电子占据，同时， 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 最小的状态。 量最低的状态，即主量子数 最小的状态。 对多电子原子，随着电子数增加， 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 大体上是逐渐增大的。 态的主量子数 大体上是逐渐增大的。
图中峰值对应的Z值称为幻数，它们是2,10,18,36, 图中峰值对应的 值称为幻数，它们是2,10,18,36, 值称为幻数 54,86等 这预示着元素性质周期性的深层实质， 深层实质 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 壳层结构。 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， 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ms 表征。 、 、 和 表征。 主量子数n：依原子中电子能量由低到高n取从 （1）主量子数 ：依原子中电子能量由低到高 取从 1开始的一系列正整数，即n = 1, 2, 3, …； 开始的一系列正整数， 开始的一系列正整数 轨道量子数l：也称角量子数， 值一定时， （2）轨道量子数 ：也称角量子数，在n值一定时，l 值一定时 个可能值， 取n个可能值，即l = 0, 1, 2, …, n −1； 个可能值 ； 个可能值， （3）磁量子数 ：在给定 值时，m取2l+1个可能值， ）磁量子数m：在给定l 值时， 取 个可能值 即m = 0, ±1, ±2, …, ± l； ； 2