原子與原子結(jié)構(gòu)

關(guān)于原子與原子結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容1.1原子的基本知識(shí)1.2原子結(jié)構(gòu)模型1.3量子力學(xué)基礎(chǔ)1.4原子內(nèi)電子的排布重點(diǎn)：玻爾原子模型難點(diǎn)：原子內(nèi)電子的排布第2頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1.1原子的基本知識(shí)第3頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

阿伏伽德羅定律阿伏伽德羅定律:一摩爾的任何核素物質(zhì)所包含的原子個(gè)數(shù)相同，都等于恒量。

第4頁,共86頁，2024年2月25日，星期天原子的質(zhì)量原子質(zhì)量是指單個(gè)原子的質(zhì)量，是原子的一個(gè)重要基本量。Ar-原子量第5頁,共86頁，2024年2月25日，星期天原子大小不論原子輕重如何，它們的大小在通常情況下都是差不多的。任何原子的半徑數(shù)量級(jí)都為 m或l。

第6頁,共86頁，2024年2月25日，星期天電子的發(fā)現(xiàn)1897年英國(guó)物理學(xué)家湯姆遜(J.J.Thomson)發(fā)現(xiàn)了電子(英,1906年獲諾貝爾物理獎(jiǎng))，開創(chuàng)了人類認(rèn)識(shí)原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的新紀(jì)元。確定了原子可以再分。但原子在化學(xué)反應(yīng)中是最小的微粒，無法再變化。第7頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1.2原子結(jié)構(gòu)模型第8頁,共86頁，2024年2月25日，星期天電子的發(fā)現(xiàn)1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子。原子是電中性的，而一切原子中都有帶負(fù)電的電子，說明原子內(nèi)部還有結(jié)構(gòu)，那么原子中就必然有帶正電的物質(zhì)，它們應(yīng)和電子所帶的負(fù)電中和，使原子呈中性。電荷是量子化的(密立根)。第9頁,共86頁，2024年2月25日，星期天物理學(xué)問題原子中除電子外還有什么東西?電子是怎么待在原子里的?存在多少電子(電荷)原子中什么東西帶正電荷?正負(fù)電荷是如何分布的?帶負(fù)電的電子和帶正電的東西如何相互作用?歸結(jié)為：原子結(jié)構(gòu)第10頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1.2.1湯姆遜原子結(jié)構(gòu)模型-布丁模型原子中正電荷以均勻的體密度分布在一個(gè)大小等于整個(gè)原子的球體內(nèi)，而帶負(fù)電的電子則一粒粒地分布在球內(nèi)的不同位置上，分別以某種頻率振動(dòng)著，從而發(fā)出電磁輻射。觀測(cè)到的原子光譜的各種頻率相當(dāng)于這些振動(dòng)的頻率。解決原子大小（10-8厘米）原子質(zhì)量問題困難：原子光譜解釋第11頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1.2.2a粒子散射實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)觀察到了散射的α粒子(2-3度)，而且觀察到了被金箔反射回來的α粒子(1/8000)。對(duì)著卷煙紙射出一顆15英寸的炮彈，卻被反射回來的炮彈擊中一樣地不可思議。

DFRa粒子鉛準(zhǔn)直器金箔蓋革計(jì)數(shù)器第12頁,共86頁，2024年2月25日，星期天電荷均勻分布電荷集中在球心第13頁,共86頁，2024年2月25日，星期天a粒子散射實(shí)驗(yàn)解釋由于核的線度很小，粒子越靠近核，r越小，粒子所受斥力就越大，因此就可能在一次散射中發(fā)生大角偏轉(zhuǎn)。庫侖斥力第14頁,共86頁，2024年2月25日，星期天行星模型1911年盧瑟福(英)的a粒子散射實(shí)驗(yàn)否定了湯姆遜原子模型。提出原子的中心是一個(gè)重的帶正電的核，與整個(gè)原子的大小相比，核很小。電子圍繞核轉(zhuǎn)動(dòng)，類似大行星繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)。這種模型叫做原子的核模型，又稱行星模型。行星模型示意圖第15頁,共86頁，2024年2月25日，星期天行星模型的不足解決的問題α散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果(原子核的存在)困難：原子的穩(wěn)定性原子的同一性

原子的再生性原子光譜第16頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1.2.3經(jīng)典物理的困惑19世紀(jì)末20世紀(jì)初，經(jīng)典物理在實(shí)驗(yàn)方面遇到困難，這些困難被看作是“晴朗天空的幾朵烏云”，正是這幾朵烏云引發(fā)了物理界的變革。黑體輻射問題-紫外災(zāi)難光電效應(yīng)原子的線狀光譜及原子的穩(wěn)定性第17頁,共86頁，2024年2月25日，星期天黑體輻射任何物體都具有不斷輻射、吸收、發(fā)射電磁波的本領(lǐng)。輻射出去的電磁波在各個(gè)波段是不同的，具有一定的譜分布。這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關(guān)，因而被稱之為熱輻射。黑體是指入射的電磁波全部被吸收，既沒有反射，也沒有透射(當(dāng)然黑體仍然要向外輻射)。第18頁,共86頁，2024年2月25日，星期天紫外災(zāi)難在短波紫外光區(qū)，理論值隨波長(zhǎng)的減少而很快增長(zhǎng)，以致趨向于無窮大，即在紫色一端發(fā)散；這顯然與實(shí)際不符。因?yàn)樵谝粋€(gè)有限的空腔內(nèi)，根本不可能存在無限大的能量。稱為“紫外災(zāi)難”。瑞利-金斯公式黑體輻射解釋：黑體空腔內(nèi)壁輻射電磁能量只能是量子化的，即E=hν第19頁,共86頁，2024年2月25日，星期天光電效應(yīng)由于紫外線照射，大量電子從金屬表面逸出。光電效應(yīng)特點(diǎn)：存在臨界頻率，只有入射光的頻率大于臨界頻率，才會(huì)有光電子逸出。每個(gè)光電子的能量只與照射光的頻率有關(guān)。入射光頻率大于臨界頻率時(shí)，只要光一照上，幾乎立刻觀測(cè)到光電子。第20頁,共86頁，2024年2月25日，星期天原子的線狀光譜任何物質(zhì)的原子光譜都由分立的線狀光譜而不是連續(xù)分布的譜線所組成，叫做線狀光譜(原子光譜)，如氫原子光譜。線狀光譜是原子受外界激發(fā)后發(fā)射的。不同的元素有不同的譜線分布。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原子光譜中，各譜線按波長(zhǎng)的排列和組成有一定的規(guī)律性，這種規(guī)律性與原子結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系。第21頁,共86頁，2024年2月25日，星期天原子的穩(wěn)定性盧瑟福提出核模型后，按照經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)，加速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子將不斷輻射而喪失能量。故圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子終會(huì)因大量喪失能量而’掉到’原子核中去。這樣原子也就崩潰了。但現(xiàn)實(shí)世界表明，原子是穩(wěn)定的存在著。第22頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1.2.4玻爾原子理論模型玻爾在行星模型的基礎(chǔ)上引入了普朗克的量子概念，認(rèn)為原子中的電子處在一系列分立的穩(wěn)態(tài)上。提出了原子軌道和能級(jí)概念，解釋了原子發(fā)光機(jī)理。第23頁,共86頁，2024年2月25日，星期天玻爾原子理論1.經(jīng)典軌道+定態(tài)假設(shè)電子作圓周運(yùn)動(dòng)(經(jīng)典軌道)電子只能處于一些分立的軌道上，只能在這些軌道上做圓周運(yùn)動(dòng)，且不輻射電磁波這些定態(tài)的能量不連續(xù)第24頁,共86頁，2024年2月25日，星期天2.頻率條件(躍遷假設(shè))原子內(nèi)電子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一定態(tài)，會(huì)發(fā)射或吸收一個(gè)光子，頻率第25頁,共86頁，2024年2月25日，星期天3.角動(dòng)量量子化假設(shè)軌道角動(dòng)量L電子只可能在軌道角動(dòng)量等于廣義普朗克常數(shù)的整數(shù)倍的圓軌道上運(yùn)動(dòng)。第26頁,共86頁，2024年2月25日，星期天4.

氫原子軌道半徑和能量的計(jì)算氫原子軌道半徑向心力是庫侖力(1)(2)第n個(gè)定態(tài)的軌道半徑

第27頁,共86頁，2024年2月25日，星期天氫原子軌道能量的計(jì)算電子能量(動(dòng)能+勢(shì)能)根據(jù)(1)式第28頁,共86頁，2024年2月25日，星期天第29頁,共86頁，2024年2月25日，星期天波爾模型示意圖第30頁,共86頁，2024年2月25日，星期天玻爾原子理論的意義1.成功的把氫原子結(jié)構(gòu)和光譜線結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來,從理論上說明了氫原子和類氫原子的光譜線結(jié)構(gòu)。2.揭示了微觀體系的量子化規(guī)律，為建立量子力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。第31頁,共86頁，2024年2月25日，星期天玻爾原子理論的缺陷1.不能處理復(fù)雜原子的問題。2.完全沒涉及譜線的強(qiáng)度、寬度等特征。3.以經(jīng)典理論為基礎(chǔ),是半經(jīng)典半量子的理論

對(duì)于電子繞核的運(yùn)動(dòng)，用經(jīng)典理論處理；

對(duì)于電子軌道半徑，則用量子條件處理。4.電子在定態(tài)時(shí)發(fā)射電磁波的能力為何消失？5.在E1和E2兩態(tài)之間電子處于什么狀態(tài)。第32頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1.3量子力學(xué)基礎(chǔ)第33頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1.3.1波粒兩象性經(jīng)典物理中的波和粒子它們是兩種僅有的又完全不同的能量傳播方式 聲音的傳播和石子擊碎玻璃。對(duì)于粒子：尤其是理想的粒子可精確定地測(cè)定能量、動(dòng)量、電荷、質(zhì)量、位置，在一定條件下，可視為質(zhì)點(diǎn)。對(duì)于波：它的特征量有波長(zhǎng)、頻率和振幅，干涉、衍射。不能同時(shí)用波和粒子這兩個(gè)概念去描寫同一現(xiàn)象。第34頁,共86頁，2024年2月25日，星期天光的波粒二象性

光的波動(dòng)性干涉、衍射現(xiàn)象光的粒子性光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)光的能量：E=hv動(dòng)量：由愛因斯坦提出光量子學(xué)說(限于光)光既不是經(jīng)典意義上的粒子，也不是經(jīng)典意義上的波。

第35頁,共86頁，2024年2月25日，星期天德布羅意假說觀點(diǎn)：任何物體不論其是否有靜止能量，都伴隨以波，而且不可能將物體的運(yùn)動(dòng)和波的傳播分開。1929年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。物質(zhì)波和德布羅意波長(zhǎng)給出粒子的動(dòng)量P與伴隨波的波長(zhǎng)關(guān)系：法國(guó)理論物理學(xué)家，波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，物質(zhì)波理論的創(chuàng)立者。(1892-1987)第36頁,共86頁，2024年2月25日，星期天主要成就波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，物質(zhì)波理論的創(chuàng)立者，量子力學(xué)的奠基人之一。博士論文Researchesonthequantumtheory，首次提出了“物質(zhì)波”概念。1924年，德布羅意建議用電子在晶體上做衍射實(shí)驗(yàn)，以證實(shí)電子的波動(dòng)性。1927年，德布羅意假設(shè)的思想為戴維遜和革末的電子衍射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。1929年德布羅意成為第一個(gè)以學(xué)位論文獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)的人。第37頁,共86頁，2024年2月25日，星期天德布羅意假說把波粒兩象性推廣到所有的物質(zhì)粒子。對(duì)于宏觀粒子，波動(dòng)性不明顯(λ太小)，由下式計(jì)算：電子既不是經(jīng)典意義下的粒子(無確定的軌道等)，也不是經(jīng)典意義下的波(而是幾率波)。一切實(shí)物粒子都有具有波粒二象性。第38頁,共86頁，2024年2月25日，星期天例：質(zhì)量m=50Kg的人，以v=15m/s的速度運(yùn)動(dòng)，試求人的德布羅意波波長(zhǎng)。人的德布羅意波波長(zhǎng)儀器觀測(cè)不到，宏觀物體的波動(dòng)性不必考慮，只考慮其粒子性。解：第39頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1.3.2海森堡不確定關(guān)系海森堡不確定關(guān)系是量子力學(xué)的一個(gè)基本原理(海森堡1927年提出)。第40頁,共86頁，2024年2月25日，星期天不確定關(guān)系假如：X的位置完全確定，即，則粒子的動(dòng)量就完全不能確定，即，假如粒子處于數(shù)值完全確定的狀態(tài)時(shí)( )，則無法在X方向上把粒子固定住，即X的位置是完全不確定的。第41頁,共86頁，2024年2月25日，星期天不確定關(guān)系即粒子在X方向被局限在一有限范圍內(nèi)時(shí)，則相應(yīng)的能量必有不確定的范圍若一粒子在能量狀態(tài)E只能停留Δt時(shí)間，則粒子的能量狀態(tài)并非完全確定，它有一個(gè)彌散 ，只有當(dāng)粒子的停留時(shí)間無限長(zhǎng)時(shí)(穩(wěn)態(tài))，它的能量狀態(tài)才能完全確定。揭示規(guī)律：粒子在客觀上不能同時(shí)具有確定的坐標(biāo)位置及相應(yīng)的動(dòng)量。

第42頁,共86頁，2024年2月25日，星期天不確定關(guān)系的問題該原理表明：一個(gè)微觀粒子的某些物理量(如位置和動(dòng)量，或方位角與動(dòng)量矩，還有時(shí)間和能量等)，不可能同時(shí)具有確定的數(shù)值，其中一個(gè)量越確定，另一個(gè)量的不確定程度就越大。玻爾模型關(guān)于電子軌道概念的敘述(位置固定)海森堡不確定關(guān)系指出玻爾模型中能級(jí)有一定的帶寬。第43頁,共86頁，2024年2月25日，星期天例：電子不能落入(被束縛在)核內(nèi)當(dāng)電子距核的距離越來越近時(shí)，將從原子的線度(0.1nm=10-8cm)過渡到原子核的線度(1fm=10-13cm)，由可知電子所需的平均動(dòng)能將越來越大，但電子無這樣大的能量(0.1GeV)補(bǔ)充，故而電子不能繼續(xù)靠近核，更不可能落入核內(nèi)。

束縛電子的平均動(dòng)能第44頁,共86頁，2024年2月25日，星期天問題根據(jù)不確定關(guān)系微觀粒子不能同時(shí)有確定的位置和動(dòng)量。如何描述微觀粒子第45頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1.3.3波函數(shù)量子力學(xué)中描述微觀系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)經(jīng)典力學(xué)的質(zhì)點(diǎn)的模型，僅有粒子性而無波動(dòng)性，通常用坐標(biāo)與動(dòng)量P描述其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。而微觀粒子具有波粒二象性，坐標(biāo)與動(dòng)量不能同時(shí)具有確定的值，因此，量子力學(xué)中用波函數(shù)來描述微觀粒子狀態(tài)。波函數(shù)是空間和時(shí)間的函數(shù)ψ=ψ(x,y,z,t)第46頁,共86頁，2024年2月25日，星期天波函數(shù)玻恩假定波函數(shù)是粒子的概率密度，即在時(shí)刻t，在點(diǎn)(x,y,z)附近單位體積內(nèi)發(fā)現(xiàn)粒子的概率。波函數(shù)ψ稱為概率幅。統(tǒng)計(jì)解釋：波函數(shù)在空間某一點(diǎn)的強(qiáng)度(振幅絕對(duì)值的平方)與t時(shí)刻在點(diǎn)(x,y,z)處單位體積找到粒子的幾率成正比。波函數(shù)本身并無物理意義，而波函數(shù)的模的平方(波的強(qiáng)度)代表時(shí)刻t、在空間r點(diǎn)處，微觀粒子出現(xiàn)的幾率。第47頁,共86頁，2024年2月25日，星期天波函數(shù)的作用波函數(shù)可以完全描述體系的量子狀態(tài)粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不可能同時(shí)具有確定的值，當(dāng)粒子處于某一量子態(tài)時(shí)，它的力學(xué)量(坐標(biāo)與動(dòng)量)一般有許多個(gè)可能值，這些可能值各以一定的幾率出現(xiàn)，而由波恩解釋，這些幾率可由波函數(shù)全部給出。第48頁,共86頁，2024年2月25日，星期天粒子在整個(gè)空間出現(xiàn)的幾率：(1)波函數(shù)具有歸一性(2)單值性

(3)連續(xù)性

(4)有限性

波函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化條件波函數(shù)的性質(zhì)

粒子在任何地方出現(xiàn)的概率只能有一個(gè)，因此在任何地方的波函數(shù)必須是單值，概率顯示不能無限大，波函數(shù)必須處處有限，概率不可能在某處發(fā)生突變，因此波函數(shù)必須隨處連續(xù)。第49頁,共86頁，2024年2月25日，星期天(5)態(tài)迭加原理它是量子力學(xué)的一個(gè)基本原理。若體系具有一系列不同的可能狀態(tài)，

1,

2···

，則它們的線性組合

=C1

1+C2

2+···也是該體系的一個(gè)可能的狀態(tài)。它與經(jīng)典波的迭加原理含義不同，當(dāng)粒子處于態(tài)ψ1和態(tài)ψ2的迭加態(tài)時(shí)，粒子既處于態(tài)ψ1(概率)，又處于態(tài)ψ2(概率)，這是經(jīng)典波所沒有的(新的狀態(tài))。第50頁,共86頁，2024年2月25日，星期天量子物理與經(jīng)典物理的區(qū)別量子物理的基本規(guī)律：統(tǒng)計(jì)規(guī)律經(jīng)典物理的基本規(guī)律：決定論、嚴(yán)格的因果律因果律是統(tǒng)計(jì)規(guī)律的極限第51頁,共86頁，2024年2月25日，星期天問題如何求解波函數(shù)？一個(gè)微觀系統(tǒng)的波函數(shù)，滿足薛定諤方程。處于具體條件下的微觀系統(tǒng)的波函數(shù)，可由相應(yīng)的薛定諤方程解出。第52頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1.3.4薛定諤方程物質(zhì)波-波動(dòng)方程，德布羅意并沒有告訴粒子的波函數(shù)，也沒有告訴波函數(shù)怎樣隨時(shí)間變化。1926年，奧地利物理學(xué)家薛定諤提出波動(dòng)方程—即薛定鄂方程。是量子力學(xué)的一個(gè)基本原理。

1933年薛定諤獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。(Schrodinger1887-1961)第53頁,共86頁，2024年2月25日，星期天建立薛定諤方程的兩個(gè)條件

薛定諤方程：描述波函數(shù)隨時(shí)間的變化方程。1.方程應(yīng)是線性微分方程根據(jù)態(tài)迭加原理的要求，若ψ1與ψ2是方程的解，那么aψ1+bψ2是方程的解。這是一種線性迭加，所以要求方程是線性方程。2.這個(gè)方程的系數(shù)不應(yīng)包括狀態(tài)參量(如動(dòng)量、能量)因?yàn)榉匠痰南禂?shù)如含有狀態(tài)的參量，則方程只能被粒子的部分狀態(tài)所滿足，而不能被各種狀態(tài)所滿足。

第54頁,共86頁，2024年2月25日，星期天貢獻(xiàn)：量子力學(xué)找到微觀粒子在不同條件下的波函數(shù)的方法，歸結(jié)為求各種條件下薛定諤方程的解。薛定諤方程一般形式定態(tài)第55頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1.4原子內(nèi)電子排布第56頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1.4.1元素的周期規(guī)律

1869年，俄國(guó)科學(xué)家門捷列夫發(fā)現(xiàn)，元素的性質(zhì)隨其原子量的增加呈現(xiàn)周期性的變化，創(chuàng)立了元素周期表。元素的周期性反映了原子內(nèi)部電子排列的周期性。第57頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1.4.2電子狀態(tài)描述主量子數(shù)n角量子數(shù)l磁量子數(shù)ml自旋量子數(shù)ms

第58頁,共86頁，2024年2月25日，星期天主量子數(shù)n和能量有關(guān)的量子數(shù)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(電子所處的能級(jí))，或者說它決定電子層數(shù)，大致決定了電子的能量。主量子數(shù)(n)1234567

電子層符號(hào)KLMNOPQ第59頁,共86頁，2024年2月25日，星期天角量子數(shù)l和能量有關(guān)的量子數(shù)電子在原子中具有確定的角動(dòng)量L，它的取值不是任意的，只能取一系列分立值，稱為角動(dòng)量量子化。l越大，角動(dòng)量越大，能量越高，電子云的形狀也不同。角量子數(shù)決定電子空間運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量，以及原子軌道或電子云的形狀。對(duì)于一定的n值，l可取0,1,2,3,4,…,n-1等共n個(gè)值角動(dòng)量第60頁,共86頁，2024年2月25日，星期天磁量子數(shù)ml和能量無關(guān)的量子數(shù)。 描述原子軌道或電子云在空間的伸展方向。某種形狀的原子軌道，可以在空間取不同方向的伸展方向，從而得到幾個(gè)空間取向不同的原子軌道。ml取值受角量子數(shù)l取值限制，對(duì)于給定的l值，ml=-l，...，-2，-1，0，+1，+2…+l，共2l+1個(gè)值第61頁,共86頁，2024年2月25日，星期天自旋磁量子數(shù)ms自旋磁量子數(shù)ms 描述軌道電子特征的量子數(shù)，ms=±1/2順時(shí)針和逆時(shí)針方向的自旋(自旋方向的量子數(shù))自旋量子數(shù)

s=1/2(表征自旋角動(dòng)量的量子數(shù))自旋角動(dòng)量

任何電子都有相同的自旋角動(dòng)量，并在z方向的分量只取兩個(gè)數(shù)值(1/2,-1/2)，經(jīng)典物理無法接受。第62頁,共86頁，2024年2月25日，星期天電子總角動(dòng)量軌道角動(dòng)量自旋角動(dòng)量總角動(dòng)量當(dāng)l>s時(shí)，2s+1個(gè)值當(dāng)l<s時(shí)，共2l+1個(gè)值因s=1/2當(dāng)l=0時(shí)，j=s=1/21個(gè)值當(dāng)l=1,2,3,…時(shí)，j=l+1/2，j=l-1/2兩個(gè)值第63頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1.4.3

原子中電子殼層結(jié)構(gòu)1916年，Kossel提出了電子殼層分布模型：n相同的電子處于同一殼層，n大則距離原子核越遠(yuǎn)，能量越高；同一殼層內(nèi)，l不同分為不同支殼層，l越大，相應(yīng)支殼層能量越高。主量子數(shù)n=1,2,3,4,5,6殼層符號(hào)KLMNOP副量子數(shù)l=0,1,2,3,4,5支殼層符號(hào)

spdfgh原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由四個(gè)量子數(shù)描述：第64頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1.4.4電子排布原理處于穩(wěn)定狀態(tài)的原子，核外電子盡可能地按能量最低原理泡利不相容原理洪特規(guī)則第65頁,共86頁，2024年2月25日，星期天能量最低原理電子在原子核外排布時(shí)，要盡可能使電子的能量最低。離核較近的電子具有較低的能量，隨著電子層數(shù)的增加，電子的能量越來越大；同一層中，各亞層的能量是按s、p、d、f的次序增高的。第66頁,共86頁，2024年2月25日，星期天能量最低原理原子系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)每個(gè)電子趨向占有可能的最低能級(jí)。主量子數(shù)n越低，離核越近的殼層首先被電子填滿。能級(jí)也與副量子數(shù)有關(guān)，有時(shí)n較小的殼層未滿，n較大的殼層上卻有電子填入。例：4s和3d狀態(tài)4sn+0.7l=4+0.7*0=43dn+0.7l=3+0.7*2=4.4先填4s態(tài)能級(jí)高低由半經(jīng)驗(yàn)公式?jīng)Q定n+0.7l第67頁,共86頁，2024年2月25日，星期天電子填充各殼層的次序是：

1s，2s，2p，3s，3p，4s，3d，4p，5s，4d，5p，6s…第68頁,共86頁，2024年2月25日，星期天泡利不相容原理2、如果兩個(gè)電子處于同一軌道，這兩個(gè)電子的自旋方向必定相反。第69頁,共86頁，2024年2月25日，星期天泡利不相容原理s亞層只有1個(gè)軌道，可以容納兩個(gè)自旋相反的電子；p亞層有3個(gè)軌道，總共可以容納6個(gè)電子；d亞層有5個(gè)軌道，總共可以容納10個(gè)電子，f亞層有7個(gè)軌道，總共可以容納14個(gè)電子。第一電子層(K層)中只有1s亞層，最多容納兩個(gè)電子；第二電子層(L層)中包括2s和2p兩個(gè)亞層，總共可以容納8個(gè)電子；第3電子層(M層)中包括3s、3p、3d三個(gè)亞層，總共可以容納18個(gè)電子……第n層總共可以容納2n^2個(gè)電子。

第70頁,共86頁，2024年2月25日，星期天“電子優(yōu)先占據(jù)最低能態(tài)”ZeSPDnl1021032103d3p3s2p2s1sn=1n=2n=3第71頁,共86頁，2024年2月25日，星期天洪特規(guī)則電子在原子核外排布時(shí)，將盡可能分占不同的軌道，且自旋平行。(量子力學(xué)證明，電子這樣排布可能使能量最低，所以洪特規(guī)則也可以包括在能量最低原理中)對(duì)于同一個(gè)電子亞層，當(dāng)電子排布處于全滿(s2、p6、d10、f14)半滿(s1、p3、d5、f7)全空(s0、p0、d0、f0)時(shí)比較穩(wěn)定。第72頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1.4.5電子組態(tài)電子組態(tài)：原子內(nèi)電子殼層排布的標(biāo)示。又稱電子構(gòu)型。原子中的電子排布組成一定的殼層，例如，硅原子的電子組態(tài)是1s22s22p63s23p2，表示其14個(gè)電子中2個(gè)排布在1s態(tài)，2個(gè)排布在2s態(tài)，6個(gè)排布在2p態(tài)，2個(gè)排布在3s態(tài)和最后2個(gè)電子排布在3p態(tài)。電子組態(tài)清楚地顯示出核外電子的排布狀況。第73頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

K

L

M

電子組態(tài)N核外電子數(shù)第74頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1.4.6原子態(tài)原子態(tài)指電子在核外運(yùn)動(dòng)的波函數(shù)滿足定態(tài)薛定諤方程，即呈不隨時(shí)間變化的