第三节不相容原理

1、第三节：第三节：泡利不相容原理泡利不相容原理第四节：第四节：原子的壳层结构原子的壳层结构 19251925年，奥地利物理学家年，奥地利物理学家paulipauli 提出了不相容提出了不相容原理，揭示了微观粒子遵从的一个重要规律。原理，揭示了微观粒子遵从的一个重要规律。第三节：泡利原理第三节：泡利原理一、泡利不相容原理的叙述及其应用一、泡利不相容原理的叙述及其应用1 1描述电子运动状态的量子数描述电子运动状态的量子数主量子数主量子数n n：n=1,2,3n=1,2,3，在玻尔理论中决定了，在玻尔理论中决定了电子的运动轨道和能量。电子的运动轨道和能量。 轨道磁量子数轨道磁量子数m ml l：m m

2、l l=0,=0,1 1l l ，描述轨道角动量，描述轨道角动量 的取向的取向自旋量子数自旋量子数s s：s=1/2,s=1/2,不能区别电子的状态。不能区别电子的状态。自旋磁量子数自旋磁量子数m ms s：m ms s= =1/2,1/2,描述自旋运动的取向。描述自旋运动的取向。轨道角量子数轨道角量子数l l：描述轨道角动量的大小。：描述轨道角动量的大小。2、玻尔的电子分布设想、玻尔的电子分布设想原子中电子的状态和元素性质的周期性有怎样的联系原子中电子的状态和元素性质的周期性有怎样的联系呢？玻尔认为：元素性质的周期性源于原子内电子排呢？玻尔认为：元素性质的周期性源于原子内电子排列的周期性。列

3、的周期性。设想内容：设想内容：（1 1）原子内电子排列成若干壳层，同）原子内电子排列成若干壳层，同一壳层的电子具有相同的一壳层的电子具有相同的n n（2 2）每一壳层可以容纳一定数目的电子。）每一壳层可以容纳一定数目的电子。3、 泡利不相容原理泡利不相容原理（1925年）年） 在一个原子中，不可能有两个或两个以上的电子在一个原子中，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数（具有完全相同的四个量子数（ ），即），即原子中的每一个状态只能容纳一个电子。原子中的每一个状态只能容纳一个电子。slmmln,4、泡利不相容原理的物理意义、泡利不相容原理的物理意义1）是微观粒子运动的基本规律之一

4、。）是微观粒子运动的基本规律之一。 2）可以解释原子内部电子分布的状况和元素周期律。）可以解释原子内部电子分布的状况和元素周期律。 泡利泡利不相容原理不相容原理所反映的这种严格的排斥性的物理所反映的这种严格的排斥性的物理本质是什么本质是什么？至今仍是未完全揭开之至今仍是未完全揭开之谜谜。5 5、适用范围、适用范围只适用于费米子只适用于费米子6 6、泡利不相容原理的应用举例、泡利不相容原理的应用举例（1 1）氦原子的基态）氦原子的基态（2 2）原子的大小）原子的大小旧量子论的解释：所有的电子都处在能量最低的旧量子论的解释：所有的电子都处在能量最低的基态，原子序数大，原子半径小。（见书基态，原子序

5、数大，原子半径小。（见书221221）不相容原理的解释：每个轨道上只能容纳一定数不相容原理的解释：每个轨道上只能容纳一定数目的电子，因此各原子线度基本相同。目的电子，因此各原子线度基本相同。（3 3）金属中的电子）金属中的电子 见书见书2212211、定义：同科电子、定义：同科电子是指是指n、l 相同的电子。相同的电子。 说明：说明：同科电子形成的原子态比非同科电子形成的同科电子形成的原子态比非同科电子形成的原子态少。原子态少。例例：1s1s 组态和组态和 1s2s 组态不同。组态不同。1s1s01s1s2s1301,ss2、两个两个 p 态同科态同科电子形成的原子态。电子形成的原子态。 n

6、不同（非同科）不同（非同科）情况形成的原子情况形成的原子态态l s = 0 s = 101211p21d01s2, 1 , 03p3 , 2, 13d13s二、同科（等效）电子合成原子态二、同科（等效）电子合成原子态第四节：元素性质的周期变化（见书第四节：元素性质的周期变化（见书226） 1869年，门捷列夫首先提出元素周期表（按原年，门捷列夫首先提出元素周期表（按原子量的次序排列），反映元素性质的周期性变化。子量的次序排列），反映元素性质的周期性变化。 玻尔是第一个给予周期表物理解释，（玻尔是第一个给予周期表物理解释，（1916 1918年）把元素按电子组态的周期性排列成表。年）把元素按电子

7、组态的周期性排列成表。 1925年泡利提出不相容原理后，才比较深刻地年泡利提出不相容原理后，才比较深刻地理解到，元素的周期性是理解到，元素的周期性是电子组态电子组态周期性的反映。周期性的反映。从而用物理知识解释了化学问题。从而用物理知识解释了化学问题。一、一、 原子中电子壳层结构原子中电子壳层结构 决定电子所处状态的决定电子所处状态的准则准则（1）泡利不相容原理；（每状态允许容纳的电子数）泡利不相容原理；（每状态允许容纳的电子数）（2）能量最小原理（体系能量最低时，体系最稳定）能量最小原理（体系能量最低时，体系最稳定）.1、壳层的定义：、壳层的定义： 主量子数主量子数 n 决定电子能量的主要部

8、决定电子能量的主要部分，分， n相同的电子构成了一个壳层。相同的电子构成了一个壳层。 原子中按原子中按能量能量分成许多分成许多壳层壳层和和支壳层支壳层 2、支壳层的定义：、支壳层的定义：同一壳层中不同的同一壳层中不同的 l 形成形成支支壳层。壳层。)12(2lnl3、支壳层、支壳层 l 最多电子数最多电子数（表见书（表见书232）2102) 12(2nlnnln4、壳层、壳层 n 最多电子数最多电子数各壳层可以容纳的最多电子数各壳层可以容纳的最多电子数5 5、满（支）壳层（又称闭合壳层）、满（支）壳层（又称闭合壳层）定义：定义：当（支）壳层上的电子数等于所能容纳的电当（支）壳层上的电子数等于所

9、能容纳的电子数目时，称为满（支）壳层。子数目时，称为满（支）壳层。特点：（特点：（1 1）满（支）壳层电子的磁量子数为）满（支）壳层电子的磁量子数为0llmm0ssmm（2 2）满（支）壳层电子的各种角量子数为零。因）满（支）壳层电子的各种角量子数为零。因此，满壳层的电子各种角动量为零，原子的角动此，满壳层的电子各种角动量为零，原子的角动量由未满壳层的电子所贡献。量由未满壳层的电子所贡献。 决定壳层决定壳层次序次序的是的是能量最小能量最小原理。（电子填充原理。（电子填充的次序决定于哪个壳层能量最低）的次序决定于哪个壳层能量最低）主主量子数量子数 n ：一般情况由：一般情况由小小 大大见书见书2

10、33三、壳层的能量次序三、壳层的能量次序经验规律经验规律1 1：n+ln+l相同时，先填相同时，先填n n小的；小的； n+ln+l不相同时，若不相同时，若n n相同，则先填相同，则先填l l小的，若小的，若n n不不同，则先填同，则先填n n大的壳层。见书大的壳层。见书235235经验规律经验规律2 2：电子大致按（：电子大致按（n+0.7n+0.7l l）值的大小依次值的大小依次填充到各支壳层中。填充到各支壳层中。4f5f3d4d5d2p3p4p5p6p1s2s3s4s5s6s壳层和次壳层填充次序的经验规律壳层和次壳层填充次序的经验规律： 原子基态一些基本规律原子基态一些基本规律2 2、满

11、（支）壳层外只有一个价电子（组态（、满（支）壳层外只有一个价电子（组态（nlnl）的原子，其基态由这个电子决定的原子，其基态由这个电子决定1,2sjls1 1、满（支）壳层的原子基态谱项均为、满（支）壳层的原子基态谱项均为10s3 3、x x为最外层电子数，当为最外层电子数，当 时，原子时，原子的基态比为的基态比为s s态，原子的自旋角量子数为态，原子的自旋角量子数为 基态谱项为基态谱项为21xl1,2sx js112xxs4 4、n n为满支壳层的电子数，电子组态分别为为满支壳层的电子数，电子组态分别为 和和 的两个原子的基态具有相同的的两个原子的基态具有相同的l l和和s s值，值，只是只是j j值不一样。值不一样。 ()xnl()nxnl五、朗德间隔定则五、朗德间隔定则:1.1.表述表述: : 在三重能级结构中在三重能级结构中, ,一对相邻能级的间一对相邻能级的间隔与两个隔与两个j j值中较大的那个值成正比。值中较大的那个值成正比。