多电子原子轨道能量
能层、能级、电子云与原子轨道fyp
半充满（p3，d5，f7）
1.写出24Cr 、29Cu的电子排布式和 轨道表示式
2.某元素的原子，3p能级有两个未 成对电子，则该原子可能是？
能层、能级、电子云与原子轨道fyp
4、以下是表示铁原子的3种不同化学用语。 铁原子结构示意图
铁原子电子排布式 1s22s22p63s23p63d64s2
3d
d轨道电子分布和自旋情况正确的是（BDF）
能层、能级、电子云与原子轨道fyp
课堂练习
用轨道表示式表示出铁原 子的核外电子排布
泡利原理
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓
↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑
洪特规则
能量最低原理
能层、能级、电子云与原子轨道fyp
画出24Cr 的轨道排布式
↑↑ ↑ ↑ ↑
铁原子电子排布图 4S 3P
（轨道表示式） 3S
2P 2S 1S
能层、能级、电子云与原子轨道fyp
思考：写出Ne原子的轨道表示式 1s 2s 2p
那么O原子的轨道表示式 怎么写呢？
1s 2s 2p
能层、能级、电子云与原子轨道fyp
3.当碳原子的核外电子排布由
转变为
时，下列说法正确的是：
AC
A.碳原子由基态变为激发态
核电荷数=核内质子数=核外电子数 质量数=质子数+中子数
能层、能级、电子云与原子轨道fyp
核外电子的分层排布规律:
（1）先排能量低的电子层，由里往外再排能 量高的电子层。
（2）每一层最多容纳电子数：2n2个。
（3）最外层电子数不超过8个（K层为最外层 时不超过2个）。 （4）次外层电子数不超过18个，倒数第三层 不超过32个。
电子结构与原子的能级分布
电子结构与原子的能级分布原子是构成物质的基本单位，而电子结构则是决定原子性质的关键因素之一。
电子结构不仅决定着原子的化学性质，也对于原子的能级分布产生重要影响。
本文将探讨电子结构与原子的能级分布之间的关系，并探讨一些与此相关的重要概念和理论。
一、原子结构原子由质子、中子和电子组成，其中质子和中子位于原子核内部，而电子则分布在原子核外围的轨道中。
原子的质量主要由质子和中子贡献，而原子的化学性质则主要由电子决定。
二、电子的能级及分布电子在原子中沿着不同的轨道运动，每个轨道都对应不同的能级。
能级越高，电子的能量越大。
根据量子力学理论，每个轨道最多容纳一定数量的电子，这个数量由一条著名的规则所决定，即泡利不相容原理。
泡利不相容原理指出，在同一个原子中，每个轨道最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。
这意味着一个轨道中只能同时存在两个电子。
如果一个轨道中已经存在两个电子，我们称之为“满层”。
满层的特点是非常稳定，不容易发生反应。
三、壳层和亚层为了更好地描述电子的分布，我们引入了壳层和亚层的概念。
壳层代表着电子轨道的主要能级，通常用字母来表示，如K、L、M等；而亚层则代表了壳层下的更精细的能级划分，通常用字母加上数字（s、p、d、f）来表示，如2s、2p、3d等。
亚层的容量规则如下：- s亚层最多容纳2个电子- p亚层最多容纳6个电子- d亚层最多容纳10个电子- f亚层最多容纳14个电子壳层和亚层的容量规则使得我们可以清晰地描述原子中电子的分布情况。
四、电子排布的规则电子在原子中的排布遵循一系列的规则，主要有：1. 能级顺序规则：电子首先填充能级最低的轨道，然后逐渐向能级较高的轨道填充。
这意味着2s轨道会先于2p轨道被填充。
2. 能量最低规则：在同一个亚层中，s轨道的能级最低，p轨道次之，d轨道再次之，f轨道最高。
所以在填充电子时，会按照先填充s轨道，再填充p轨道，以此类推。
3. 泡利不相容原理规则：每个轨道最多容纳两个自旋方向相反的电子。
原子规道与能级图__XPS_光电子能谱分析
原子轨道近似能级图编辑美国化学家Pauling经过计算，将原子轨道分为七个能级组。
第一组：1s第二组：2s2p第三组：3s3p第四组：4s3d4p第亓组：5s4d5p第六组：6s4f5d6p第七组：7s5f6d7p特点：1、能级能量由低到高。
2、组与组之间能量差大，组内各轨道间能量差小，随n逐渐增大，这两种能量差逐渐减小。
3、第一能级组只有1s一个轨道，其余均有两个或两个以上，且以ns开始np结束。
4、能级组与元素周期相对应。
如题：最近有人问我XPS元素的右下角数字的含义。
这是我个人的理解，请大家多多指教。
1、四个量子数的物理意义：n为主量子数;l为角量子数；m为磁量子数；s为自旋量子数。
n＝1，2，3，4…，但不等于0，并且以K（n＝1），L(n＝2)，M(n＝3)，N（n＝4），…表示。
l＝0，1，2，3…。
并且以s（l＝0），p(l＝1)，d(l＝2)，f（l＝3），…表示。
s=1/2m=0,±1, ±2,…, ±l2、自旋－轨道分裂我们知道原子中的电子既有轨道运动又有自旋运动。
量子力学的理论和光谱试验的结果都已经证实电子的轨道运动和自旋运动之间存在着电磁相互作用。
自旋－轨道耦合的结果使其能级发生分裂，这种分裂可以用总量子数j来表示，其数值为：j＝l+s, l+s-1,…,|l-s|由上式可以知道：s轨道：当l＝0，s＝1/2时，j只有一个数值，即j＝1/2；p轨道：当l＝1，s＝1/2时，j＝1/2，3/2d轨道：当l＝2，s＝1/2时，j＝3/2，5/2f轨道当l＝3，s＝1/2时，j＝5/2，7/23、原子和分子轨道的符号表示原子中内层电子的运动状态可以用以描述单个电子运动状态的四个量子数来表征。
电子能谱试验通常是在无外磁场作用下进行的，磁量子数m是简并的，所以在电子能谱研究中通常用n，l，j三个量子数来表征内层电子的运动状态。
价电子用分子轨道符号来表示。
比较下列多电子原子的原子轨道能量的高低⑴2s2p4s3s3p4p2s
（三）电子自旋：
电子不仅在核外空间不停地运动，而且还做自旋 运动。电子的自旋有两种状态，通常采用↑↓ 来表示电子的不同自旋状态。电子自旋并非像地 球绕轴自旋，只是代表电子的两种不同状态。
电子平行自旋： ↑↑ 电子反向自旋： ↑↓
原子核外电子的运动特征
知识回忆：原子核外电子的运动有哪些特点？
1.可用统计(图示)的方法研究电子在核外出现的几率。 电子在核外空间一定范围内出现，好像带负电荷的云 雾笼罩在原子核周围，人们形象的称为电子云。 电子云图中小黑点的疏密表示电子出现的机会大小， 与其成正比关系。
思考：
我们已经知道电子是分层排布的，那么是什么原因导致
2．伸展方向
相同形状的原子轨道还可有不同的伸展方向，伸展方 向决定该种类型轨道的个数。
s轨道是球形对称的，只有1个轨道。
p轨道在空间有x、y、z3个伸展方向，所以p轨道含3 个轨道，分别记作：px、py、pz。 d轨道有5个伸展方向，即d轨道含5个轨道。
f轨道有7个伸展方向，即f轨道含7个轨道。
电子层 1 2
n
1
2
3
4
电子层 第一 第二 第三第四 Nhomakorabea原子轨道 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f
1．原子轨道物理意义：表示电子云的形状。
轨道类型不同，轨道的形状也不同。人们用小写的 英文字母s、p、d、f分别表示不同形状的轨道
轨道符号 s
p
d
f g ···
轨道形状 球形 纺锤形 花瓣型 ··· ··· ···
子
运
动
4、决定多电子原子轨道能量E的是（）
第五章物质的结构基础练习题一选择题1.决定多电子原子轨道能量E的是( )A. 量子数nB. 量子数n和lC. 量子数n、l和mD. 量子数l2. 24Cr的价电子构型为( )A. 1s22s22p63s23p63d44s2B. 1s22s22p63s23p63d54s1C. 3s23p63d54s1D. 3d54s13.下列各组量子数中合理的一组是( )A. n=3 l=1 m=1 m s=+1/2B. n=4 l=0 m=3 m s=+1/2C. n=3 l=4 m=-1 m s=－1/2D. n=4 l=3 m=-3 m s=04.下列说法正确的是( )A. 色散力仅存在非极性分子之间B. 凡是有氢原子的物质分子之间一定存在氢键C. 取向力存在于极性分子和非极性分子之间D. 诱导力存在于极性分子之间5. 下列量子数组合,合理的是( )A .2,1,-1,0 B. 2,1,1,0 C. 4,3,1,1/2 D. 4,1,2,-1/26. 下列量子数合理描述3d电子运动状态的是————A. (3,0,0,1/2)B. (4,2,0,1/2)C. (3,1,0,1/2)D.(3,2,0,1/2)7.水溶液中存在的分子间相互作用力是( )A.氢键，取向力B. 色散力，诱导力，取向力C．氢键，色散力，诱导力，取向力 D.氢键，色散力8.下列量子数合理描述2p电子运动状态的是————A.(2,0,0,1/2)B. (2,2,0,1/2)C. (2,1,0,1/2)D.(3,2,0,1/2)9.下列化合物中哪个是离子键（）A. HBrB. H2SC. NaClD. CCl410. 氦和水的分子之间有什么形式的作用力（）A. 色散力B. 诱导力、色散力C. 色散力、取向力D. 诱导力、色散力、取向力11.下列各组不同的分子间能形成氢键的有哪些（）A. CH4、H2OB. HBr、HClC. HF、H2OD. H2S、H2O12.I2的CCl4溶液中分子间主要存在的作用力是( )A. 色散力B. 取向力C. 取向力、诱导力和色散力D. 氢键、诱导力和色散力13.关于共价键的说法,下述说法正确的是( )A. 一般来说σ键键能小于π键键能B. 原子形成共价键的数目等于基态原子的未成对电子数C. 相同原子间的双键键能是单键键能的两倍D. 所有不同原子间的键至少具有弱极性14.下列分子中心原子是sp2杂化的是( )A. PBr3B. CH4C. BF3D. H2O15. 下列关于化学键正确的说法是( )A. 原子与原子之间的作用B. 分子之间的一种相互作用C. 相邻原子之间的强烈相互作用D. 非直接相邻的原子之间的相互作用16. 下列关于分子间力的说法正确的是( )A. 分子型物质的沸点总是随分子量的增大而增加的B. 大多数含氢化合物中都存在氢键C. 极性分子间仅存在取向力D. 色散力存在于所有相邻分子间17. 在酒精的水溶液中,分子间主要存在的作用力为( )A. 取向力 C. 色散力和诱导力、取向力B. 诱导力 D. 取向力、诱导力、色散力和氢键18. 某原子的电子结构式是1s22s22p63s23p63d104s24p2,该元素周期、族、区位置是( )A. 四、ⅣA、p区B. 四、ⅣA、d区C. 三、ⅡA、s区D. 三、ⅥA、p区19. 最外电子层的电子排布为3s23p6的元素的原子序数是：A. 14B. 16C. 18D. 2020. 下列关于σ键和π键的说法不正确的是( )A. 共价键即可以是σ键，也可以是π键B. s轨道和p轨道之间只能形成σ键C. 三键的键能是单键键能的三倍D. p轨道和p轨道之间既可形成σ键,也可形成π键二填空题1主量子数符号_____，当其为3时，角量子数可取____个数值，与最大角量子数组成的组态符号是__________，它有______个轨道。
多电子原子课件
0族（惰性气体） 所有支壳层全满 闭壳层
稳定性：
与
有较大能隙， 支壳层全满的原子不易激发。
内闭壳层电子总电荷分布球对称，与核构成原子实，对 价电子吸引强，价电子不易电离。
18
Na
Ne
IAIA族（碱金属）
价电子易电离，形成闭壳 层结构，性质活泼
VIIA族（卤素） 一个 空穴，易得电子，性质活泼
泡利原理（全同性原理）导致电子组态周期性，决定元素 周期律。
引起精细结构 原子态量子数
61
精细结构能级决定于谱项
满支壳层无贡献，只需考虑未满支壳层 同科电子构成的组态需考虑泡利原理的限制 两同科电子组态 ， 为偶数
与 具有相同谱项 洪特（Hund）定则 (1) 愈大，能量愈低 (2) 相同 ， 愈大，能量愈低 (3) 未满支壳层电子数未及（超过）半满，
愈小（大），能量愈低
满支壳层无贡献，只需考虑未满支壳层 全满
唯一取值
34
例5 组态
不能完全相同
35
36
jj耦合 LS耦合
37
例6 Pb的激发态 非同科电子， 泡利原理自动满足
C的激发态
jj耦合
LS耦合
38
C
Si
Ge
Sn
Pb
LS耦合
中间耦合
jj耦合
LS耦合：大部分元素的基态，轻元素的低激发态 jj耦合：重元素的激发态 中间耦合：轻元素的高激发态，中等元素的激发态
54
2. 连续谱 轫致辐射 高速电子被靶原子核散射，损失动能，发射X光子
与电子散射态有关的跃迁对应连续谱 量子极限
3. 特征谱 Barkla按波长分为线系 各线系包含多条谱线 Moseley经验公式（1913年） 线波数与元素在周期表中位置的关系 测定原子序数
多电子原子轨道能量
1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d
4f
1
K L
2 8
M
18
三 个 量 子 数 的 关 系
N
32
22
3 0,±1,±2,±3
综上所述： ★n,l,m一组量子数可以决定一个原子轨道的离核远近、形状 和伸展方向。例如由 n=2,l=0,m=0 所表示的原子轨道位于核外 第二层，呈球形对称分布即２s轨道；而n=3,l=1,m=0所表示的 原子轨道位于核外第三层，呈哑铃形沿 z 轴方向分布，即 3Pz 轨道。 ★而n,l,m,ms 一组量子数可以决定一个电子的运动状态，在一 个原子中不可能有两个相同运动状态的电子同时存在。 1,0,0 轨道： 1s 2,1,0 轨道： 2pz 薛定谔方程解出原子轨道举例: 2,0,0 轨道： 2s 3,2,0 轨道： 3dz2
成功之处:1.指出了原子结构量子化特征
2.成功的解释了氢原子光谱
不足之处:1.未完全冲破经典力学范畴(固定轨道),只是加上一
些人为的量子化条件 2.无法解释原子光谱的精细结构 1.3微观粒子的波粒二象性 一、光的二象性 1905年爱因斯坦光子说 :E=hv，普朗克常数h＝6.626×10-34J.S－1 相对论： E=mc2
E E2 E1 h
2.179 1018 1 1 h( E2 E1 ) ( ) h n1 n2
1 1 1 3.289 10 ( ) s n1 n2
15
常数 3.289×1015与里得堡常数 完全一致
12
n=6 n=5 n=4 n=3
帕邢线系
原子原子核核外电子质子中子质子中子电子的电性和电量1个质子带一个单位正电荷1个电子带一个单位负电荷中子不带电1核外电子运动状态?19世纪初英国科学家道尔顿提出近代原子学说他认为原子是微小的不可分割的实心球体
1多电子原子的轨道能量
6.3.2 核外电子的排布
1. 基态原子的核外 电子排布原则
（1）能量最低原理 电子在原子轨道
中的排布，要尽可能 使整个原子系统能量 最低。
（2）Pauli不相容原理(exclusion principle) 每个原子轨道中最多容纳两个自旋方
式相反的电子。 在同一个原子中，不可能有四个量子
数相同的两个电子。
)2
J
σ为屏蔽常数，可用 Slater 经验规则算得。
Z－σ= Z*，Z* ——有效核电荷数
2. Pauling近似能级图
E1s ＜ E2s ＜ E3s ＜ E4s …… l 相同的能级的能量随 n 增大而升高。 Ens ＜ Enp ＜ End ＜ Enf …… “能级分裂” n 相同的能级的能量随 l 增大而升高。 E4s ＜ E3d ＜ E4p …… “能级交错”。
（3）Hund 规则 在 n 和 l 相同的轨道上分布的电子,将
尽可能分占 m 值不同的轨道, 且自旋平行。
C：1s2 2s2 2p2
2s
2p
1s
N：[He] 2s2 2p3
Z=24 Cr： 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s1
Ar3d 5 4s1
Z=29 Cu： Ar3d10 4s1
§6.3 多电子原子的结构
6.3.1 多电子原子的轨道能量 6.3.2 核外电子的排布
6.3.1 多电子原子的轨道能量
1. 屏蔽效应与有效核电荷
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
e+2 eHe
2-σ e-
假想He
屏蔽效应(screening effect)： ：由核外 电子云抵消一些核 电荷的作用。
E
2.179 10 18 (Z n2
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基态 ：n=1, E＝－13.6eV
激发态：n=2, n=3,
13 .6 E eV 4
13 .6 eV 9
11
E
二、解释 （1）原子可稳定存在，在基态时不放出能量（n=1）
（2）线状光谱：电子受到激发，从基态跃迁到高能级（激发态）， 当电子从高能级（E2）跃迁回到低能级时（E1），以光子的形式释 放能量。
h X mv
原子半径为10－10 m 对相同速度的电子，位置的不准确值为： 数量级。
h 6.626 1034 4 X 2 . 424 m 31 4 4 mv 9.11 10 3 10 10
16
h 6.626 1034 33 X 4 . 42 m 3 4 4 mv 50 10 3 10 10
说明：对宏观物质来说，测不准情况是微不足道的。ΔX和 的值均小到可以被忽略的程度，即宏观物体的位置和动量是 可以同时准确测定的。
• 测不准关系反映了微观粒子的运动特征，再次说明微观粒子不能 用经典力学来处理 ; • 测不准关系并不是说微观粒子的运动是虚无缥缈的，不可认识的， 而对微观世界的微观规律有了更全面的认识。
E E2 E1 h
2.179 1018 1 1 h( E2 E1 ) ( ) h n1 n2
1 1 1 3.289 10 ( ) s n1 n2
15
常数 3.289×1015与里得堡常数 完全一致
12
n=6 n=5 n=4 n=3
帕邢线系
9
波尔原子模型
10
一、玻尔理论 主要内容 1.核外电子运动取一定的轨道，在基态轨道上电子不吸收也不放
出能量。
2.一定轨道上的电子具有一定的能量，该能量只能取某些由量子
化条件决定的正整数倍的值。
推导出氢原子核外轨道能量： k 2 2 m Z 2 e 13.6 2.179 1018 (eV=1.602×10－19J) E eV J 2 2 2 2 h n n n 式中k,h,e均为常数,m为电子质量，Z为核电荷数
B 2n
2
n 4
ν＝C/λ，n为整数,B为常数
1913年，里得堡频率经验公式 ；氢光谱频率符合下列关系式：
1 1 1 R ( 2 ) s λ＝C/ν，n＝3,4,5… 4 n
里得堡常数 R＝3.289×1015s-1.
1.2玻尔理论
•1900年，Plank提出量子概念，能量象物质微粒一样是不连续 的,能量包括大量微小分子的能量单位称为量子。物质吸收或 发射的能量是量子整数倍。 •1913年，27岁丹麦科学家提出以下原子模型，成功解释了氢 原子光谱
(红外光区)
1 1 1 3.289 10 ( )s n1 n2
15
n1=1,赖曼线系 n2=1,巴尔麦线系
n=2
巴尔麦线系
(可见光区)
n3=1,帕邢线系
n=1Biblioteka 赖曼线系 （紫外区）410.2 434.1 486.1
656.3
λ/nm
Hδ Hγ
Hβ
Hα
13
图8.2 氢原子光谱产生示意图
三、玻尔理论得失
不能回答的两个问题：
⊙原子线状光谱 ⊙原子的稳定性
7
1.1氢原子光谱和玻尔理论 一、氢原子光谱 图 8 1 氢 原 子 光 谱 示 意 图
.
投影
光电管 狭缝
410.2 434.1 486.1
棱镜
656.3 λ/nm
名称 Hδ Hγ Hβ Hα
紫外
可见光
红外
8
1883年，巴尔麦波长经验公式；氢光谱波长符合下列关系式：
左边表示粒子性(动量、能量等)：与实物能量交换、光电效 应。 14 右边表示波动性（波长、频率）：干涉、衍射现象。
二、德布罗意的预言（微观粒子的波粒二象性） 1924年法国的De.Broglie大胆提出电子、原子等实物微观粒子也 具有二象性, 这种波叫物质波或德布罗薏波
例：已知电子质量m=9.11×10-31Kg，其速度为1×106,计算电子波长 34 h h 6 . 626 10 9 解： 0 . 728 10 m 728pm 31 6 P m v 9.1110 110 1927年Davisson和Germer电子衍射实验：证明电子的波动性
电子束 电子发 射 源
金属箔
15
三、海森堡测不准原理 测不准原理是微观粒子波粒二象性的必然结果 ，1927年德国 Heisenberg提出微观粒子测不准关系式： ∆X为微观粒子位置测不准量， ∆v为微观粒子速度测不准量 。 宏观物质：已知了运动方程就可确定唯一时刻物体的位置与速度， 对微观粒子，由于其运动的二象性不可能同时准确地测知其位置 和动量。 例：质量为50g的子弹，运动速度变为3×104m.s-1，若速度测不准 量为原速度的0.01%,则其位置的不准确值为：
成功之处:1.指出了原子结构量子化特征
2.成功的解释了氢原子光谱
不足之处:1.未完全冲破经典力学范畴(固定轨道),只是加上一
些人为的量子化条件 2.无法解释原子光谱的精细结构 1.3微观粒子的波粒二象性 一、光的二象性 1905年爱因斯坦光子说 :E=hv，普朗克常数h＝6.626×10-34J.S－1 相对论： E=mc2
原子结构 Atomic Structure
0、前言 1、核外电子运动状态 2、核外电子排布和元素周期律 3、元素性质的周期性
苏州大学化学化工学院
贾定先
0、前言
19世纪初，英国科学家道尔顿提出近代原子 学说，他认为原子是微小的不可分割的实心 球体。
2
1897年，英国科学家汤姆生发现了电子。
3
卢瑟福原子模型
4
原子的构成、原子核的构成是怎样的?
原子
{ 核外电子
原子核 {
质子 中子
5
质子、中子、电子的电性和电量
1个质子带一个单位正电荷 中子不带电 1个电子带一个单位负电荷
6
1、核外电子运动状态
•19世纪初，英国科学家道尔顿提出近代原子学说，他认为原 子是微小的不可分割的实心球体； •1897年，测试电子的荷质比，英国科学家汤姆生发现了电子； •1911年，卢瑟福（Rutherford）α粒子散射实验，提出行星式 原子模型。如根据经典电磁理论，绕核做加速运动的电子要向 外辐射电磁波，电磁波的频率等于电子绕核旋转的频率等。