核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)課件.

1、核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)課件 核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 電子在原子中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) , 可 n,l,m,ms 四個(gè)量子數(shù)來描述 . （一）主量子數(shù) n 主量子數(shù) n 是用來描述原子中電子出現(xiàn)幾率最大區(qū)域離核的遠(yuǎn)近 , 或者說它是決定電 子層數(shù)的 . 主量子數(shù)的 n 的取值為 1,2,3, 等正整數(shù) . 例如 ,n=1 代表電子離核的平均距離 最近的一層 , 即第一電子層； n=2 代表電子離核的平均距離比第一層稍遠(yuǎn)的一層 , 即第二 電子層 . 余此類推 . 可見 n 愈大電子離核的平均距離愈遠(yuǎn) . 在光譜學(xué)上常用大寫拉丁字母 K,L,M,N,O,P ,Q 代表電子層數(shù) . 主量子數(shù)（ n ） 1 2 3 4

2、 5 6 7 電子層符號(hào) K L M N O P Q 主量子數(shù) n 是決定電子能量高低的主要因素 . 對(duì)單電子原子來說 ,n 值愈大 , 電子的 能量愈高 . 但是對(duì)多電子原子來說 , 核外電子的能量除了同主量子數(shù) n 有關(guān)以外還同原子 軌道（或電子云）的形狀有關(guān)因此,n值愈大，電子的能量愈高這名話，只有在原子軌 道（或電子云）的形狀相同的條件下 , 才是正確的 . （二）副量子數(shù) l 副量子數(shù)又稱角量子數(shù) . 當(dāng) n 給定時(shí) ,l 可取值為 0,1,2,3,（ n-1 ） . 在每一個(gè)主量 子數(shù) n 中, 有 n 個(gè)副量子數(shù) , 其最大值為 n-1. 例如 n=1 時(shí), 只有 一個(gè)副量子數(shù)

3、,l=0,n=2 時(shí), 有兩個(gè)副量子數(shù) ,l=0,l=1. 余此類推 . 按光譜學(xué)上的習(xí)慣 l 還可以用 s,p,d,f 等符號(hào)表示 . l 0 1 2 3 光譜符號(hào) s p d F 副量子數(shù) l 的一個(gè)重要物理意義是表示原子軌道（或電子云）的形狀 .L=0 時(shí)（稱 s 軌道） , 其原子軌道（或電子云）呈球形分布（圖 4-5 ）；l=1 時(shí)（稱 p 軌道） , 其原子 軌道（或電子云）呈啞鈴形分布（圖 4-6）；, 圖 4-5 s 電子云圖 4-6 p 電子 副量子數(shù) l 的另一個(gè)物理意義是表示同一電子層中具有不同狀態(tài)的亞層 . 例如 ,n=3 時(shí),1可取值為0,1,2.即在第三層電子層上有

4、三個(gè)亞層,分別為s,p,d亞層.為了區(qū)別 不同電子層上的亞層 , 在亞層符號(hào)前面冠以電子層數(shù) . 例如 ,2s 是第二電子層上的亞 層,3p是第三電子層上的p亞層.表4-1列出了主量子數(shù)n,副量子數(shù)I及相應(yīng)電子層、 亞層之間的關(guān)系 . 表 4-1 主量子數(shù) n, 副量子數(shù) l 及其相應(yīng)電子層亞層之間的關(guān)系 n 電子層 l 亞層 1 1 1s 2 2 0 2s 1 2p 3 3 0 3s 1 3p 2 3d 4 4 0 4s 1 4p 2 4d 3 4f 對(duì)于單電子體系的氫原子來說 , 各種狀態(tài)的電子能量只與 n 有關(guān) . 但是對(duì)于多電子原 子來說 , 由于原子中各電子之間的相互作用 , 因而當(dāng)

5、 n 相同 ,l 不同時(shí) , 各種狀態(tài)的電子 能量也不同 ,l 愈大 , 能量愈高 . 即同一電子層上的不同亞層其能量不同 , 這些亞層又稱 為能級(jí) . 因此副量子數(shù) l 的第三個(gè)物理意義是：它同多電子原子中電子的能量有關(guān) , 是決 定多電子原子中電子能量的次要因素 . （三）磁量子數(shù) m 磁量子數(shù) m 決定原子軌道（或電子云）在空間的伸展方向 . 當(dāng) l 給定時(shí) ,m 的取值為 從-到+1之間的一切整數(shù)（包括 0在內(nèi)）,即0, 1, 2, 3, , l, 共有 2l+1 個(gè)取值 . 即原子軌道（或電子云）在空間有 2l+1 個(gè)伸展方向 . 原子軌道（或電子云）在空間的每一個(gè)伸展方向稱做一個(gè)軌

6、道例如,1=0時(shí),s電子云呈 球形對(duì)稱分布，沒有方向性.m只能有一個(gè)值，即m=0,說明s亞層只有一個(gè)軌道為 s軌道. 當(dāng)1=1時(shí),m可有-1,0,+1三個(gè)取值,說明p電子云在空間有三種取向,即p亞層中有三 個(gè)以x,y,z軸為對(duì)稱軸的px,py,pz 軌道當(dāng)1=2時(shí),m可有五個(gè)取值，即d電子云在空 間有五種取向 ,d 亞層中有五個(gè)不同伸展方向的 d 軌道（圖 4-7） . 圖 4-7 s,p,d 電子云在空間的分布 n,l 相同 ,m 不同的各軌道具有相同的能量 , 把能量相同的軌道稱為等價(jià)軌道 . （四）自旋量子數(shù) ms 原子中的電子除繞核作高速運(yùn)動(dòng)外 , 還繞自己的軸作自旋運(yùn)動(dòng) . 電子的自

7、旋運(yùn)動(dòng)用自 旋量子數(shù) ms 表示 .ms 的取值有兩個(gè) ,+1/2 和 -1/2. 說明電子的自旋只有兩個(gè)方向 , 即順 時(shí)針方向和逆時(shí)針方向通常用“T”和表示. 綜上所述 , 原子中每個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以用 n,l,m,ms 四個(gè)量子數(shù)來描述 . 主量子 數(shù)n決定電子出現(xiàn)幾率最大的區(qū)域離核的遠(yuǎn)近（或電子層） ，并且是決定電子能量的主要 因素；副量子數(shù) l 決定原子軌道（或電子云）的形狀 , 同時(shí)也影響電子的能量；磁量子數(shù) m 決定原子軌道（或電子云）在空間的伸展方向；自旋量子數(shù) ms 決定電子自旋的方向 . 因此四個(gè)量子數(shù)確定之后 , 電子在核外空間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也就確定了 . 量子數(shù) , 電子

8、層 , 電子亞層之間的關(guān)系 每個(gè)電子層最多容納的電子數(shù) 2 8 18 2n A2 主量子數(shù) n 1 2 3 4 電子層 K L M N 角量子數(shù) l 0 1 2 3 電子亞層 s p d f 每個(gè)亞層中軌道數(shù)目 1 3 5 7 每個(gè)亞層最多容納電子數(shù) 2 6 10 14 核外電子的分布： 1. 原子中電子分布原理： （兩個(gè)原理一個(gè)規(guī)則）： （1）、泡利（ Pauli ）不相容原理 在同一原子中 , 不可能有四個(gè)量子數(shù)完全相同的電子存在 . 即每一個(gè)軌道內(nèi)最多只能 容納兩個(gè)自旋方向相反的電子 . （2）、能量最低原理 多電子原子處于基態(tài)時(shí) , 核外電子的分布在不違反泡利原理前提下 , 總是盡先分

9、布在 能量較低的軌道 , 以使原子處于能量最低狀態(tài) . （3）、洪特 （Hund） 規(guī)則 原子在同一亞層的等價(jià)軌道上分布電子時(shí) , 盡可能單獨(dú)分布在不同的軌道 , 而且自旋 方向相同（或稱自旋平行） . 基態(tài)原子中電子的分布 1 、核外電子填入軌道的順序 應(yīng)用近似能級(jí)圖 , 根據(jù)“兩個(gè)原理一條規(guī)則” , 可以準(zhǔn)確地寫出 91 種元素原子的核 外電子分布式來 . 在 110 種元素中 , 只有 19 種元素原子層外電子的分布稍有例外： 它們是若再對(duì)它們 進(jìn)一步分析歸納還得到一條特殊規(guī)律全充滿 , 半充滿規(guī)則：對(duì)同一電子亞層 , 當(dāng)電子 分布為全充滿（ P6、d10、f14 ）、半充滿（ P3、d

10、5、f7 ）或全空（ P0、d0、f0） 時(shí) , 電子 云分布呈球狀 , 原子結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定 , 可挑出 8種元素, 剩余 11種可作例外 . 多電子原子結(jié)構(gòu) 1 、核外電子排布三原理 （1）泡利不相容原理：解決各電子層電子數(shù)目問題. 在任何一個(gè)原子中，決不可能有兩個(gè)電子具有四個(gè)完全相同的量子數(shù)，即在同一 個(gè)原子中 , 不可能有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的電子 . 當(dāng)n 定時(shí)丄可?。╪-1）個(gè)值,而在L限定下,原子軌道可有（2L+1）個(gè)伸展方向 即（2L+1）個(gè)軌道，而每個(gè)軌道可容納兩個(gè)電子，所以每層最多容納電子數(shù)為 電子層 1 2 3 4 電子數(shù) 2 8 18 32 （2）最低能量原理：解決電子排布問題

11、多電子原子在基態(tài)時(shí) , 核外電子總是盡可能地先占據(jù)能量最低的軌道 , 以使體系 能量最低 . 軌道能級(jí)規(guī)律 當(dāng)角量子數(shù)相同時(shí) , 隨主量子數(shù)增加 , 軌道能級(jí)升高 1s 2p 當(dāng)主量子數(shù)相同時(shí) , 隨角量子數(shù)增加 , 軌道能級(jí)升高 ns 鮑林近似能級(jí)圖 鮑林根據(jù)大量光譜數(shù)據(jù)以及某些近似的理論計(jì)算 , 得到了多電子原子的原子軌道能級(jí) 的近似圖 能級(jí)組：按照能級(jí)高低的順序 , 把能量相近的能級(jí)劃成一組 , 稱為能級(jí)組 . 按照 1、2、 3 能級(jí)組順序 , 能量依次增高 . 電子分布式：核外電子的分布表達(dá)式 , 如 K ： Ti ： 鮑林近似能級(jí)順序并不是所有元素軌道能級(jí)的實(shí)際順序 , 它只不過是

12、表示在考慮電子 分布時(shí) , 隨核電荷數(shù)的增加的一個(gè)電子應(yīng)分布在一哪一個(gè)軌道的一般規(guī)律 , 它不代表核外 電子的實(shí)際分布情況 , 如鈦原子的近似能級(jí)順序?yàn)椋?而其電子分布式為： （3）洪特規(guī)則：解決同一電子層電子排布問題 處于主量子數(shù)和角量子數(shù)都相同的軌道中的電子，總是盡先占據(jù)磁量子數(shù)不同的 軌道, 而且自旋量子數(shù)相同（自旋平行） 兩個(gè)電子同占一個(gè)軌道 , 這時(shí)電子間的排斥作用會(huì)使系統(tǒng)能量升高 , 兩個(gè)電子只 有分占等價(jià)軌道時(shí) , 才有利于降低系統(tǒng)的能量 , 所以洪特規(guī)則可認(rèn)為是最低能量原理的補(bǔ) 充 如P : 3P軌道上的3個(gè)電子分布應(yīng)為：TTT （4）特殊情況 有 19 種元素原子的電子分布式不完全符合近似能級(jí)順序 , 如： 它們的 3d 軌道電 子分別為 10 和 5, 處于全滿或半滿狀態(tài) , 原子比較穩(wěn)定 , 對(duì)于 p 、f 軌道, 半滿狀態(tài)為 p3 和 f7, 全滿狀態(tài)為 p6 和 f14 外層電子構(gòu)型即外層電子分布式 , 對(duì)于原子來說： 主族元素：最外層的電子分布式