4-物質結構基礎-上

1、材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry物質結構基礎物質結構基礎材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry 詩人們總說，科學家看不見星星的美麗星星在科學家眼里僅僅是一堆聚集的氣體原子。沒有什么是“僅僅是”。我能看見沙漠夜空里的星星，也能感覺到他們。但是我是不是看見耳朵比別人少，或者多些？廣袤的太空激起了我的幻想盯著這個旋轉的蒼穹，我用我的小眼睛能夠捕捉10

2、0萬年以前的光線宇宙比以前任何一個藝術家所能想象到的都要奇妙的多 請允許我說明我講這門課的主要目的。我的目的不是教你們如何應付考試，甚至不是讓你們掌握這些知識，以便更好的為今后的你們面臨的工作服務。我最希望的是你們能夠欣賞到這個世界的美妙你們學會的不僅僅是如何欣賞這種文化，甚至也愿意參加到這個人類思想誕生以來最偉大的探索中來。理查德費曼材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry黑白二色，代表陰陽兩方，天地兩部；黑白兩方的的界限就是劃分天地陰陽界的人部。白中黑點表示陽中有陰，黑

3、方白點表示陰中有陽。 4.1 物質結構理論發(fā)展簡介 公元前四世紀，古希臘德謨克利特提出樸素的原子論，亞里士多德提出四元素土、氣、水、火說；后來增加了第五元素“以太” 古代印度提出五元素水、地、火、風、空材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry原子-分子論經典原子模型玻爾氫原子模型量子力學1803-1811年1900-1911年道爾頓-阿佛迦德羅盧瑟福量子論海森伯，薛定諤，普朗克 1661年，英國的波義耳在懷疑派化學家書中給元素下了科學的定義 1789年，法國的拉瓦錫發(fā)表普通

4、化學原理與牛頓的自然哲學的數(shù)學原理齊名1913年1925-1926年材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry1927年第五屆索爾維會議參加者合照年第五屆索爾維會議參加者合照材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical

5、Chemistry 1900年，英國物理學家開爾文在贊美19世紀物理學成就的同時，指出：“在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵小小的、令人不安的烏云?！边@兩朵烏云，指的是當時物理學無法解釋的兩個實驗，一個是黑體輻射實驗，另一個是邁克耳孫莫雷實驗。正是這兩朵烏云導致了量子論與相對論量子論與相對論的誕生。 電子的發(fā)現(xiàn),打破了原子不可分的傳統(tǒng)觀念,開辟了原子研究的嶄新領域;放射性的發(fā)現(xiàn),導致了放射學的研究,為原子核物理學作好必要的準備;黑體輻射的研究導致了普朗克黑體輻射定律的發(fā)現(xiàn).由此提出了能量子假說關鍵是采用了玻爾茲曼的幾率概念和統(tǒng)計方法1905年,愛因斯坦針對經典理論解釋光電效應所遇到的困難,提出了

6、一個嶄新的觀點-光量子假說.上帝在擲骰子嗎？普朗克和愛因斯坦的工作在物理學史上有其重要的地位,但使量子理論產生深遠影響的是玻爾解決了光譜問題還有德布羅意（物質波）、薛定諤（波動力學）、海森堡（矩陣力學）、狄拉克（相對論量子力學和量子場論）材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry自然界的電磁輻射 射射線線X|射射線線真真空空紫紫外外近近紫紫外外可可見見光光近近紅紅外外基基本本紅紅外外遠遠紅紅外外微微波波無無線線電電波波0.01-1010-200200-400400-80080

7、0-25002500-50005000-300003E4-5E45E4-3E7波長（波長（nm）連續(xù)光譜連續(xù)光譜材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry氫原子光譜氫原子光譜18sm10998. 2 cc光光速速 /nmH3 .65657. 4H1 .48607. 6H0 .43491. 6H2 .41031. 71 /s)10 (14 材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytica

8、l ChemistryFe在電弧中發(fā)光顯影光源 狹縫 光柵 照相 譜圖 波長標尺波長標尺 無論何時、何地，測得的譜線位置和強度完全吻合！無論何時、何地，測得的譜線位置和強度完全吻合！材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry1. 玻爾玻爾理論理論 1) 核外電子只能在有確定半徑和能量的軌道上運動，且不輻能量。2) 通常，電子處在離核最近的軌道上，能量最低基態(tài);原子得到能量后,電子被激發(fā)到高能軌道上，原子處于激發(fā)態(tài)。3) 從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)釋放光能 ，光的頻率取決于軌道間的能量差

9、。 玻爾理論的局限：玻爾理論的局限：1) 多電子原子光譜多電子原子光譜 2)氫原子的精細光譜氫原子的精細光譜材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry 1. 微觀粒子的三種基本屬性 E2 - E1 = E = h h 普朗克常數(shù)（6.62610 -34 J S）基態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)定態(tài)定態(tài)能量最低能量最低 最穩(wěn)定最穩(wěn)定能量較高能量較高 不太穩(wěn)定不太穩(wěn)定E = 2.1810-18 / n2n 主量子數(shù)主量子數(shù) 1913年，丹麥物理學家年，丹麥物理學家 NBohr 提出氫原子結構

10、模型提出氫原子結構模型:1234（1）量子化）量子化氫光譜氫光譜材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry1924年，法國物理學家德布羅意(louis de broglie)受光的波粒二象性的啟發(fā)，提出微觀粒子也具有波粒二象性。 （2）微觀粒子的波粒二象性）微觀粒子的波粒二象性德布羅意關系式：德布羅意關系式： = hmv 粒子性粒子性: 實物粒子實物粒子波動性波動性: 1927年年, 電子衍射實驗電子衍射實驗材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一

11、頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry戴維遜和湯姆遜戴維遜和湯姆遜波粒二象性是微觀粒子運動的基本屬性波粒二象性是微觀粒子運動的基本屬性電子發(fā)射器電子發(fā)射器晶體鎳晶體鎳照相底片照相底片幾率波幾率波說明：此性質同樣適用于宏觀世界，只是因為宏觀物質的質量太大，其波長太小，無實際意義。材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry 粒子在客觀上不能同時具有確定的坐標位置及相應的動量。測不準原理來源于微觀粒子的波粒二象性，是微觀粒子的

12、基本屬性測不準原理來源于微觀粒子的波粒二象性，是微觀粒子的基本屬性，所謂的，所謂的測不準與測量儀器的精度無關測不準與測量儀器的精度無關。 （3）測不準原理）測不準原理 (the Uncertainty principle) 由 量子力學創(chuàng)始人 海森堡 （Heisenberg）1927年提出的。測不準原理測不準原理 現(xiàn)也通常被稱作不確定關系。現(xiàn)也通常被稱作不確定關系。hpx 速度的不準量速度的不準量動量的不準量動量的不準量位置的不準量位置的不準量常量常量:vpxPlanckh vmhx 材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic

13、& Analytical Chemistry測不準原理是基于微觀世界的量子學說得到的。也同樣適用于宏觀世界，是普適的客觀規(guī)律。在現(xiàn)實中也是遵循測不準原理的，只是可以忽略不計而已。如：一顆子彈射擊出去，他的靶點不是固定在一個點上，而是在一個范圍內（約10-7米的一個范圍內），在這個范圍內，是不能確定。因為現(xiàn)實世界中，物體都比較大，速度也慢，所以測不準原理基本是沒有什么用的，因為測不準范圍很小。只有微觀世界才有用。與相對論和波粒二象性類似在現(xiàn)實世界中其效應可以忽略不計，采用經典物理學計算的結果和精度足以滿足我們的需要，而且非常簡單方便。說說 明明材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院

14、 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry2. 波函數(shù)與原子軌道說明：本節(jié)不討論薛定諤方程的求解過程，只是對解薛定諤方程中引入的三個量子數(shù)（ n, l , m）的意義作必要的探討。1926年，奧地利物理學家薛定諤年，奧地利物理學家薛定諤(E.schroding)提出了氫原子提出了氫原子體系的電子運動方程：體系的電子運動方程： 物理意義：物理意義：描述原子中電子運動狀態(tài)的數(shù)學函數(shù)式，描述原子中電子運動狀態(tài)的數(shù)學函數(shù)式， 又稱為又稱為原子軌道原子軌道。通常用。通常用(x , y , z)表示。表示。（原子軌道）（原子軌道）

15、 波函數(shù)波函數(shù)0)VE(hm8zyx22222222 x,y,z ：空間坐標，：空間坐標，E：體系的總能量，：體系的總能量，V：勢能：勢能材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry說 明1) 波函數(shù)波函數(shù)是描述核外電子運動狀態(tài)的數(shù)學函數(shù)式。是描述核外電子運動狀態(tài)的數(shù)學函數(shù)式。2) 波函數(shù)通常也叫原子軌道。原子在不同條件（波函數(shù)通常也叫原子軌道。原子在不同條件（n，l，m）下的波函數(shù)叫做不同的原子軌道，通常用）下的波函數(shù)叫做不同的原子軌道，通常用s，p，d，f等符號依次表示等符

16、號依次表示l0，1，2，3的軌道的軌道3) 波函數(shù)波函數(shù)描述了核外電子可能出現(xiàn)的一個空間區(qū)描述了核外電子可能出現(xiàn)的一個空間區(qū)域（原子軌道），不是經典力學中描述的某種確域（原子軌道），不是經典力學中描述的某種確定的幾何軌跡。定的幾何軌跡。4) 沒有明確的物理意義，但沒有明確的物理意義，但 | |2 表示空間某處單表示空間某處單位體積內電子出現(xiàn)的幾率（幾率密度）。位體積內電子出現(xiàn)的幾率（幾率密度）。材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry3. 量子數(shù)無外加磁場時，n、l 相同的

17、原子軌道能量相同。稱為等價軌道，如 (2 ,1 ,0) , (2 ,1 ,1) , (2 ,1 , -1) 主量子數(shù)主量子數(shù) 角量子數(shù)角量子數(shù)磁磁量子數(shù)量子數(shù)n= 1 ，2，3，. . . . . l= 0 ，1 ，2 ， n-1 m = 0，1，2， l (n，l，m)表示一個原子軌道表示一個原子軌道0a/ r30ea/1)0 , 0 , 1 ( n, l, m 三個量子數(shù)是薛定諤方程有合理解的必要條件。三個量子數(shù)是薛定諤方程有合理解的必要條件。材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Ch

18、emistry 22（4） 32（9） 42（16）總數(shù)總數(shù)n21 K2 L3 M4 N5 O6 P7 Qnml00010120123sspspdspdf00,100,10,100,1, 20,1, 2,30,1,2(1.0.0)(2.0.0)軌道數(shù)軌道數(shù) 名稱名稱1s2s3s4s2p3p4p3d4d4f131113 557312 l +1氫氫原原子子軌軌道道與與三三個個量量子子數(shù)數(shù)的的關關系系材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry( n , l , m , ms )可全

19、面描述核外電子的運動狀態(tài)主量子數(shù)主量子數(shù)(n)：代表電子離核的平均距離。代表電子離核的平均距離。電子層電子層角量子數(shù)角量子數(shù) (l ) ： 反映原子軌道的形狀。反映原子軌道的形狀。電子亞層電子亞層0s1p2d3f磁磁量子數(shù)量子數(shù) (m)： 反映原子軌道的空間取向。反映原子軌道的空間取向。 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù) (ms)：表征電子的自旋狀態(tài)，取值：表征電子的自旋狀態(tài)，取值：量子數(shù)的物理意義量子數(shù)的物理意義21 通常用：通常用：“ ”或或“ ”表示。表示。Electron spin visualized材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Ino

20、rganic & Analytical Chemistry4 電子云 反映電子在空間某位置上單位體積內出現(xiàn)的幾率大小。用波函數(shù)的平方(2)來描述。電 子 云 電子云是電子在空間幾率密度分布的形象化圖示。通常用通常用小黑點小黑點的疏密來表示。的疏密來表示。幾率密度幾率密度說明：光速是極限，光子無靜止質量，電子的運動速度肯定小于光速，由于電子具有波粒二象性，依據(jù)測不準原理無法如經典物理學那樣準確知道電子運動的軌道，具有不確定性。但是其在某個空間出現(xiàn)的概率可以知道。這是確定性與不確定性的辯證統(tǒng)一。這種不確定性也體現(xiàn)在生物進化論上（后達爾文主義中心進化與自然選擇）材料科學與化學工程學院材料科學

21、與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry圖片顯示有大約1.9萬個直徑超過4英寸(約10厘米)的人造物體正繞地球旋轉 圖片中每一個圓點表示在低地軌道運行的直徑超過4英寸(約10厘米)的少量已知太空垃圾材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry(x, y, z)(r, , ) zoxy PP x = r sin cos y = r sin sin z = r cos (r, , )= R(

22、 r ) Y( , ) 徑向部分徑向部分 角度部分角度部分 波函數(shù)和電子云的圖像可分解為兩部分波函數(shù)和電子云的圖像可分解為兩部分: 徑向分布圖和角度分布圖徑向分布圖和角度分布圖 將將Y( , )或或 Y2( , )隨隨 、 的變化關系的變化關系 作圖即得波函數(shù)或電子云的角度分布圖。作圖即得波函數(shù)或電子云的角度分布圖。 波函數(shù)和電子云的角度分布圖波函數(shù)和電子云的角度分布圖材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry是角度函數(shù)是角度函數(shù)Y l, m ( , )隨隨 , 變化的圖象。

23、變化的圖象。波函數(shù)角度分布圖：波函數(shù)角度分布圖：s軌道：軌道：材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry波函數(shù)角度分布圖: p軌道其中，淺色為其中，淺色為“”號，深色為號，深色為“”號（下面的號（下面的d軌軌道中同此）。正負號以及道中同此）。正負號以及Y的極大值空間取向將對原子的極大值空間取向將對原子之間能否成鍵及成鍵的方向性起著重要作用。之間能否成鍵及成鍵的方向性起著重要作用。材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inor

24、ganic & Analytical Chemistry波函數(shù)角度分布圖: d軌道材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry概率密度和電子云n電子云是幾率密度（電子云是幾率密度（| |2）的形象化圖示。）的形象化圖示。n處于不同運動狀態(tài)的電子，它們的波函數(shù)不同，處于不同運動狀態(tài)的電子，它們的波函數(shù)不同，| |2 表示的圖象（電子云圖象）也不一樣。表示的圖象（電子云圖象）也不一樣。材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20

25、Inorganic & Analytical Chemistry電子云的角度分布圖圖中的界面是指概率大于95%以上的部分，界面之外出現(xiàn)的概率很小，以此人為規(guī)定了一個界面！材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry電子云電子云無無 原子軌道原子軌道有有略略“瘦瘦 ” 略略“胖胖”電子云與原子軌道的角度分布圖區(qū)別電子云與原子軌道的角度分布圖區(qū)別:正負正負形狀形狀（1）原子軌道或電子云的角度分布圖不表示原子軌道或電子云的圖像。都只是反映函數(shù)關系的角度部分 （2）l , m

26、相同 n 不同，表示 R( r )不同, 但 Y(, )相同。（3）原子軌道角度分布有正、負號之分（只是代表波函數(shù)中Y部分的正負相位，并不表示波函數(shù)的正負），而電子云的角度分布均為正值。注注 意意注意：注意：s電子云除外電子云除外材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry量子力學原子模型的要點量子力學原子模型的要點 由于電子具有波粒二象性，所以核外電子運動沒有固定的軌道，由于電子具有波粒二象性，所以核外電子運動沒有固定的軌道，但具有按幾率分布的統(tǒng)計規(guī)律性。但具有按幾率分布的統(tǒng)

27、計規(guī)律性。 可用薛定諤方程描述核外電子的運動。可用薛定諤方程描述核外電子的運動。波函數(shù)（波函數(shù)（）是描述核外是描述核外電子運動狀態(tài)的數(shù)學表示式。方程的每一個合理的解就表示核電子運動狀態(tài)的數(shù)學表示式。方程的每一個合理的解就表示核外電子運動的某一種可能的穩(wěn)定狀態(tài)。外電子運動的某一種可能的穩(wěn)定狀態(tài)。 原子軌道為波函數(shù)（原子軌道為波函數(shù)（）的空間圖象。以波函數(shù)（）的空間圖象。以波函數(shù)（）角度分布）角度分布的空間圖象作為原子軌道角度分布的近似描述。的空間圖象作為原子軌道角度分布的近似描述。 以以 |2 的空間圖象的空間圖象電子云來表示核外電子出現(xiàn)的幾率密度。電子云來表示核外電子出現(xiàn)的幾率密度。 以四個量

28、子數(shù)來確定核外每一個電子的運動狀態(tài)。以四個量子數(shù)來確定核外每一個電子的運動狀態(tài)。 4.2 多電子原子結構和元素周期表 原子軌道的能級 核外電子分布 核外電子分布的周期系材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry 1. 原子軌道的能級e-e- 3Li +e-何謂屏蔽效應？何謂屏蔽效應？iZZZ 有效核電荷數(shù)：有效核電荷數(shù)： 屏蔽常數(shù)屏蔽常數(shù)（1）有效核電荷數(shù)）有效核電荷數(shù)材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic

29、 & Analytical Chemistry 在多電子原子中，電子不僅在多電子原子中，電子不僅受到原子核的引力，而且還存受到原子核的引力，而且還存在著電子之間的排斥力，這種在著電子之間的排斥力，這種排斥的存在，實際上相當于減排斥的存在，實際上相當于減弱了原子核對外層電子的吸引弱了原子核對外層電子的吸引力，這種作用稱為屏蔽作用或力，這種作用稱為屏蔽作用或屏蔽效應。屏蔽效應。各電子層電子屏蔽作用的大小順序為：各電子層電子屏蔽作用的大小順序為：K L M N O P 各電子層能級相對高低的順序為：各電子層能級相對高低的順序為：K L M N O P 在原子中，如果屏蔽效應大，在原子中，如果

30、屏蔽效應大，就會使電子受到的原子核的吸引就會使電子受到的原子核的吸引力減少，因而電子具有的能量就力減少，因而電子具有的能量就增大。增大。材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry 鉆穿效應 外層電子鉆到內部空間而靠近原子核的現(xiàn)象，外層電子鉆到內部空間而靠近原子核的現(xiàn)象，通常稱為鉆穿作用。由于電子的鉆穿作用的不同而通常稱為鉆穿作用。由于電子的鉆穿作用的不同而使它的能量發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為鉆穿效應。使它的能量發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為鉆穿效應。 鉆穿作用的大小對軌道的能量有明顯的影響。電子

31、鉆穿鉆穿作用的大小對軌道的能量有明顯的影響。電子鉆穿作用越大，它受其它電子的屏蔽作用就越小，受核的吸引力作用越大，它受其它電子的屏蔽作用就越小，受核的吸引力越強，因而能量也越低。越強，因而能量也越低。E4s E3d能級交錯現(xiàn)象能級交錯現(xiàn)象材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry （2）核外電子分布l 氫原子的軌道能級由氫原子的軌道能級由 主量子數(shù)主量子數(shù) n原子軌道的能級由低到高的順序：原子軌道的能級由低到高的順序：1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d

32、 5p 6s 4f 5dl 多電子原子軌道的能級由多電子原子軌道的能級由 主量子數(shù)主量子數(shù) n 決定。決定。 共同決定。共同決定。和角量子數(shù)和角量子數(shù) ll 規(guī)則與l規(guī)則(徐光憲)材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry1s2s3s4s5s6s2p3p4p5p6 (6s，4f，5d，6p)5 (5s，4d，5p)4 (4s，3d，4p)3 (3s，3p)2 (2s，2p)1 (1s)6p3d4d5d4f鮑林近似能級圖鮑林近似能級圖能能 級級 組組 n1 n=2 n=3 n=

33、4 n=5 n=6 n=7 周期周期 K L M N O P Q 能級組能級組 7654321能量能量1s2p2s3p3s4p3d4s5p4d5s6p5d4f6s7p6d5f7s原子軌道近似能級圖原子軌道近似能級圖材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry 規(guī)規(guī) 律律（1）n 相同：相同： E(s) E(p) E(d) E(f) （2） l 相同：相同： E(2p) E(3p) E(4p)（3）能級相錯：）能級相錯： E(4s) E(3d) 注 意（1）同一能級組）同一能級組

34、n不一定相同。不一定相同。（2）能級交錯現(xiàn)象只出現(xiàn)在個別元素中。）能級交錯現(xiàn)象只出現(xiàn)在個別元素中。材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry 2. 核外電子分布a. 泡利不相容原理b. 能量最低原理c. 洪特規(guī)則符合符合“兩原理一規(guī)則兩原理一規(guī)則”:（1）原則）原則 材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry a. 泡利不相容原理 每一電子層最多所容納的電子

35、數(shù)。 內 容： 同一個原子中沒有四個量子數(shù)完全 相同的兩個電子存在。 同一個原子軌道中最多只能容納兩 個電子，且自旋方向相反。 結論：軌道總數(shù)：n2 = 4 填充電子數(shù)：2n2 = 8 例如： n=2每一電子層最多所容納的電子數(shù)為 2n2解決問題:材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry電子在不同電子層上的填充順序依能量順序由低到高填充。b. 能量最低原理能量最低原理電子在不同電子層上的填充順序。電子在不同電子層上的填充順序。內內 容容: 結 論:6C 1s22s22p2解

36、決問題解決問題:填充時盡先占領能量最低的軌道。填充時盡先占領能量最低的軌道。1s22s22p63s23p63d64s226Fe1s22s22p63s23p64s23d6內層電子內層電子外層電子外層電子3d和4s軌道能級交錯決定電子填充順序，一旦填好以后，因屏蔽效應和鉆穿效應還是4s電子能量高處在最外層，在得失電子過程中也不能重新排列。注意寫法！材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry 電子盡可能分占不同的軌道且自旋相同 c. 洪特規(guī)則 解決問題解決問題:電子在電子亞層上的填

37、充順序電子在電子亞層上的填充順序內內 容容:結結 論論:電子盡可能分占不同的軌道，且保持自旋方向相同 6C 1s22s22p2 2p2 _ _ _ _ _ _ _ _ _ 材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry全全 空空:d. 特殊情況特殊情況 半充滿半充滿: 全充滿全充滿: p0， d0， f0p3， d5， f7p6， d10，f1424Cr 1s22s22p63s23p63d54s11s22s22p63s23p63d44s2 29Cu 1s22s22p63s23p6

38、3d94s2 1s22s22p63s23p63d104s1還有幾個特例P85-87中Nb、Ru、Rh、W、Pt可以用相對論效應解釋，參見北大周公度的物質結構教材材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry泡利不相容泡利不相容原理原理能量最低能量最低原理原理洪特規(guī)則洪特規(guī)則電子層最多容納電子層最多容納電子數(shù)電子數(shù)電子層電子層填充順序填充順序電子亞層電子亞層填充順序填充順序解決解決問題問題內容內容a (n, l , m ,ms)b盡先占領盡先占領能量最低軌道能量最低軌道電子分占不同

39、電子分占不同軌道軌道,且自旋相同且自旋相同結論結論2n2低低高高注：注：個別原子核外電子的排布不服從上述規(guī)則。個別原子核外電子的排布不服從上述規(guī)則。材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry 26Fe ： 1s22s22p63s23p63d64s2內層電子內層電子外層電子外層電子 外層電子構型外層電子構型 （2）核外電子分布式）核外電子分布式主 族 元 素主 族 元 素 ns12 ns2 np16 11Na 3s1 53I 5s2 5p5過 渡 元 素過 渡 元 素(n-1)

40、d110 ns12 26Fe 3d6 4s2鑭系鑭系-錒系元素錒系元素(n-2)f114 ns2 59Pr 4f3 6s2原子實，價電子層（組態(tài)）材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry注意：原子失去電子成為正離子時，先失去能量最高的最外層電子。Fe 3d64s2Fe2+ 3s23p63d6 3d6 Fe3+ 3s23p63d5 3d5 注意：原子得到電子成為負離子時，所得電子分布在最外電子層上。 Cl 3s2 3p5 Cl- 3s2 3p63d和和4s軌道能級交錯軌道能級

41、交錯決定了電子填充順序決定了電子填充順序，一旦填好以后，由，一旦填好以后，由于屏蔽效應和鉆穿效于屏蔽效應和鉆穿效應還是應還是4s電子能量高電子能量高，處在最外層，在得，處在最外層，在得失電子過程中也不能失電子過程中也不能重新排列重新排列材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry 3、核外電子分布與周期系 （1） 電子分布與周期系關系電子分布與周期系關系a. 周期號數(shù)周期號數(shù) = 電子層數(shù)電子層數(shù) 46Pd注意：注意：4d10 屬于第屬于第5周期周期元素周期律的發(fā)現(xiàn)使得幾百年來

42、大量零散的化學知識系統(tǒng)化，形成一個有內在聯(lián)系的統(tǒng)一體系，今兒使之上升為理論。很遺憾的是門捷列夫在1906年的諾貝爾化學獎候選人投票表決時，以一票之差而落選（莫瓦桑因氟元素研究獲獎），1907年2月2日逝世。1955年將101號元素命名為鍆以做紀念!材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry主族,B ,B: b. 族號

43、族號=最外層電子數(shù)B B :族號 = 最外層電子數(shù) + (n-1)d電子數(shù) (包括三列)：(n-1)d68 ns2 零 族： ns2np6材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical Chemistry A 0 A AA B B B c. 分分 區(qū)區(qū) s區(qū) d區(qū) ds區(qū) p區(qū) ns12 (n-1)d18 ns2 (n-1)d10 ns12 ns2np16 f 區(qū)(n-2)f 114 ns 2材料科學與化學工程學院材料科學與化學工程學院 上一頁上一頁下一頁下一頁2021-12-20Inorganic & Analytical