第七章原子的壳层结构

1、第七章第七章 原子的壳层结构原子的壳层结构u7.1 原子性质的周期性原子性质的周期性u7.2 原子的电子壳层结构原子的电子壳层结构u7.3 原子基态的电子组态原子基态的电子组态u7.4 原子基态光谱项的确定原子基态光谱项的确定u7.5 X射线光谱射线光谱 他把当时已发现的他把当时已发现的63种元素按原子量的递种元素按原子量的递增顺序排成一增顺序排成一 行，并将性质相似的元素排在一行，并将性质相似的元素排在一个列中，编成了元素周期表。个列中，编成了元素周期表。一一. .门捷列夫的发现门捷列夫的发现1869年俄国化学家年俄国化学家门捷列夫门捷列夫发现：发现：1 1、元素的性质随着原子量的递增而发生

2、元素的性质随着原子量的递增而发生周期性周期性变化变化， Ga(镓），镓），Sc(钪），钪）， Ge(锗）锗）18751886年间被陆续发现。后人又陆续发现了许多新元年间被陆续发现。后人又陆续发现了许多新元素，相继填充到周期表中。素，相继填充到周期表中。 2性质与原子量的递增次序有矛盾时，以性质与原子量的递增次序有矛盾时，以元素性质为主如：元素性质为主如： K(钾）和钾）和Ar（氩）；（氩）；Co( 钴）和钴）和Ni(镍）；镍）；Te(碲）和碲）和I(碘）均调换了位置碘）均调换了位置3预言三种元素的存在，在表中留了空位，预言三种元素的存在，在表中留了空位，预言了它们的性质：预言了它们的性质： 经

3、过整理，按照排列顺序，每个元素有一个经过整理，按照排列顺序，每个元素有一个原子序数原子序数Z，现在知道，原子序数等于原子中，现在知道，原子序数等于原子中的电子数，也等于核电荷数；的电子数，也等于核电荷数； 5每个周期从金属元素开始到惰性气体为止表中每个周期从金属元素开始到惰性气体为止表中 左下部大半是金属，右上半部分是非金属。左下部大半是金属，右上半部分是非金属。特点：特点：1按周期表排列的元素，原子序数核外电子数按周期表排列的元素，原子序数核外电子数 质子数或原子核的电荷数；质子数或原子核的电荷数；2共有七个周期，每个周期元素共有七个周期，每个周期元素2、8、8、18、18、 32、28；同

4、周期的元素性质不同，周期性变化；同周期的元素性质不同，周期性变化；3有过渡族元素和稀土元素。有过渡族元素和稀土元素。 4每一竖列叫一族，有个主族和个副族；每一竖列叫一族，有个主族和个副族； 同族元素的价电子数相同，同族元素的价电子数相同， 光谱、能级、物理和化学性质相似；光谱、能级、物理和化学性质相似； 元素的性质随着原子量（或原子序数元素的性质随着原子量（或原子序数Z Z或核外或核外电子数或核电荷数）的增加而呈周期性变化电子数或核电荷数）的增加而呈周期性变化三元素性质的周期性变化三元素性质的周期性变化按周期表排列的元素，其按周期表排列的元素，其性质性质出现出现周期性周期性的的变化变化：1元素

5、的元素的化学性质化学性质出现周期性的变化出现周期性的变化；2元素的元素的光谱性质光谱性质出现周期性的变化出现周期性的变化；3元素的元素的物理性质物理性质显示周期性的变化显示周期性的变化。原子体积、体胀系数和压缩系数随原子体积、体胀系数和压缩系数随Z的变化也都显示出的变化也都显示出相仿的周期性的变化。相仿的周期性的变化。2为什么每个周期的元素为为什么每个周期的元素为2，8，8，18， 18问题：问题：1为什么元素性质按周期表顺序会出现出现周期性为什么元素性质按周期表顺序会出现出现周期性 的变化？的变化？3为什么有过渡族元素和稀土元素？为什么有过渡族元素和稀土元素？ 这些问题都必须从原子结构去了解

6、只有对原这些问题都必须从原子结构去了解只有对原子结构有了彻底的认识，才能从本质上认识元素周子结构有了彻底的认识，才能从本质上认识元素周期表。期表。4. 自旋磁量子数自旋磁量子数 ms = 1/2 一确定电子状态的量子数一确定电子状态的量子数一个在原子核的库仑场中运动的核外电子的状态，一个在原子核的库仑场中运动的核外电子的状态，可用四个量子数来确定。可用四个量子数来确定。1主量子数主量子数n =1,2,3 2. 轨道角动量量子数轨道角动量量子数 =0,1,2,3 (n-1)3轨道磁量子数轨道磁量子数 m = 0, 1, 2, 代表电子运动区域的大小（即轨道的大小）和代表电子运动区域的大小（即轨道

7、的大小）和总能量的主要部分总能量的主要部分: :n 越大，能量越高，轨道范围越大；越大，能量越高，轨道范围越大；代表轨道的形状（即电子云的形状）和轨道代表轨道的形状（即电子云的形状）和轨道角动量，且也与能量有关：角动量，且也与能量有关：对于相同的对于相同的n不同的不同的l，l 越小轨道的偏心率越越小轨道的偏心率越大，能量越低；大，能量越低；主量主量子数子数 n轨道轨道角量角量子数子数 l 量子数的意义量子数的意义代表轨道在空间的可能取向，即轨道角动量代表轨道在空间的可能取向，即轨道角动量在某一特殊方向（例如磁场方向）的分量。在某一特殊方向（例如磁场方向）的分量。 s=1/2 代表自旋角动量，对

8、所有的电子是相代表自旋角动量，对所有的电子是相同的，不能成为区别电子态的参数同的，不能成为区别电子态的参数。 代表自旋的取向，也代表自旋角动量在某一代表自旋的取向，也代表自旋角动量在某一特殊方向（例如磁场方向）的分量。特殊方向（例如磁场方向）的分量。轨道轨道磁量磁量子数子数m 自旋自旋磁量磁量子数子数ms 自旋自旋量子量子数数s 同一个原子中，不可能有两个或两个以上的电子同一个原子中，不可能有两个或两个以上的电子处在同一个状态；处在同一个状态； 1. 泡利不相容原理泡利不相容原理即，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同即，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的四个量子数 (

9、n, , m , ms ) 。 1. 一个原子中，一个原子中，n, , m , ms这四个量子数完全相同这四个量子数完全相同的电子只能有一个；的电子只能有一个； 2. 具有相同量子数具有相同量子数n, , m 的电子最多能有两个，的电子最多能有两个，其其ms分别为分别为 ； 3. 具有相同量子数具有相同量子数n, 的电子最多有的电子最多有2(2 +1)个；个；2/14. 具有相同量子数具有相同量子数n 的电子最多有的电子最多有 个个1022)12(2nlnnlN （因为对每一个（因为对每一个 , m 可取（可取（2 +1）个值，而对）个值，而对每一个每一个m , ms又可以取两个值。）又可以取

10、两个值。）推论推论: :支壳层：支壳层： 在每一主壳层中，具有相同角量子数在每一主壳层中，具有相同角量子数 l 的电子的电子 的集合称为一个支壳层的集合称为一个支壳层（亚壳层、次壳层）（亚壳层、次壳层）。壳层结构壳层结构主壳层：主壳层：我们把原子中我们把原子中n相同的一切电子的集合称相同的一切电子的集合称 为一个主壳层。为一个主壳层。 n=1，2，3，4，5，6，7，8的壳层分别叫做的壳层分别叫做 K，L，M，N，O，P，Q壳层壳层l =0，1，2，3的支壳层分别用的支壳层分别用 s，p，d，f表示，表示，这些支壳层上的电子分别叫做这些支壳层上的电子分别叫做 s电子、电子、 p电子、电子、 d

11、电子、电子、 f电子电子表表7.1 2. 考虑原子实的极化和轨道的贯穿：考虑原子实的极化和轨道的贯穿： E是是 的函数：的函数： n相同而相同而 不同不同, 越小能量越低；越小能量越低；1. 原子能量的主要部原子能量的主要部 分：分： ，n 越小越小， 能量越低；能量越低；22*ZnRhcEnl 3. 当当n， 都不同时，考虑都不同时，考虑 n 和和 的共同影响，可能出现的共同影响，可能出现 能级交错现象能级交错现象: 即即n大大 小的能级，低于小的能级，低于n小小 大的能级。大的能级。 推论：推论：) 经验公式经验公式：(徐光宪定则）徐光宪定则） 1、（、（n+0.7 ）值值小小的能级较的能

12、级较低低能级填充顺序能级填充顺序： 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p 或或 2、（n+ ）值值越小，能量越低；越小，能量越低； （n+ ）值值相同时，相同时， n 越小能量越低越小能量越低。n10234567123451s2s2p3s4s5s6s7s3p4p5p6p7p3d4d5d6d4f5f6f5g6g6hl电子填入壳层的次序电子填入壳层的次序7.3 原子基态的电子组态原子基态的电子组态w第一周期第一周期w1.H w2.He原子处于基态时，核外电子的排布情况原子处于基态时，核外电子的排布情况1s11s21s22s

13、11s22s21s22s22p11s2s2p1s22s22p21s22s22p31s22s22p41s22s22p51s22s22p6因为因为3d空着空着, 所以第三所以第三周期只有周期只有8个元素而不个元素而不是是18个元素个元素第四周期第四周期: :从从 K 开始填充开始填充4s因为能级交错现象因为能级交错现象, E4sE3dE4p 所以所以K 开始了第四个主壳层的填充开始了第四个主壳层的填充, 开始了第四周期。开始了第四周期。 特点特点 :各元素的原子都占有四个主壳层各元素的原子都占有四个主壳层;多出一组填充多出一组填充3d支壳层的支壳层的10个元素个元素;到第到第36号元素氦为止填满号

14、元素氦为止填满4p支壳层支壳层;共有共有18个元素。个元素。特点特点: : 各元素的原子都占有五个主壳层；各元素的原子都占有五个主壳层； 多出一组填充多出一组填充4d支壳层的支壳层的10个元素个元素； 到氙到氙(Z= 54)元素为止填满元素为止填满5p支壳层支壳层； 共有共有18个元素。个元素。第五周期第五周期: :从元素铷从元素铷(Ru, Z=37) 开始填充开始填充又因又因为能级交错现象为能级交错现象，4d、4f支壳层支壳层未填（留下未填（留下24个个空位），而开始填充第五壳层，开始了第五周期。空位），而开始填充第五壳层，开始了第五周期。 各元素的原子都占有六个主壳层；各元素的原子都占有六

15、个主壳层；比第比第4、第、第5周期多出一组填充周期多出一组填充4f支壳层的支壳层的14个元素，称为稀土族元素或镧系元素个元素，称为稀土族元素或镧系元素；到到氡氡(Z= 86) Rn元素为止填满元素为止填满6p支壳层支壳层；共有共有32个元素。个元素。第六周期第六周期: :从元素铯从元素铯(Cs, Z=55) 开始填充。开始填充。又因又因为能级交错现象为能级交错现象, 4f、5d等支壳层等支壳层空着空着, 开始了开始了第六个主壳层的填充。第六个主壳层的填充。特点特点: :各元素的原子都占有七个主壳层；各元素的原子都占有七个主壳层；一组填充一组填充5f支壳层的支壳层的14个元素，称为锕系元素个元素

16、，称为锕系元素；本周期未填满。本周期未填满。第七周期第七周期: :从元素钫从元素钫(Fr, Z=87) 开始开始又因又因为能级交错现象为能级交错现象, 5f、6d等等支壳层支壳层空着，开始了空着，开始了第七个主壳层的填充。第七个主壳层的填充。特点特点: :一、基本原则一、基本原则多重态的能级次序多重态的能级次序:NliLNsismMLmMS111011例如：例如： Si（硅）基态电子组态是（硅）基态电子组态是3p2, 是两个同科是两个同科p电子，填充方式为：电子，填充方式为：m: +1 0 - 1由此可知 求出最大求出最大S和最大的和最大的L（按洪特定则）后（按洪特定则）后, J=2, 1,

17、0； 但但Si的基态电子组态是的基态电子组态是3p2, 为半满以下，正常次序，为半满以下，正常次序，所所以以Si的基态为的基态为J=0， 3p0 是它的基态的原子态。是它的基态的原子态。 光学光谱：原子受激发,价电子跃迁所获得的谱 ( 从红外线-可见光-紫外线： 10-310-9米）一一. .电磁波谱电磁波谱原子原子光谱光谱X射线光谱：原子内壳层电子跃迁所产生的光谱二二X射线的产生射线的产生1、发现：、发现：1895年德国维尔茨堡大学伦琴年德国维尔茨堡大学伦琴W. C. Rntgen 在做气体放电实验时首先发现。在做气体放电实验时首先发现。 2、产生：、产生：在真空玻璃管中，热阴极产生的电子经

18、过在真空玻璃管中，热阴极产生的电子经过 104105V的电压加速后，高速轰击阳极金属的电压加速后，高速轰击阳极金属 靶，产生靶，产生X射线。射线。3、本质：、本质： X射线具有光所具有的一切性质：反射、折射线具有光所具有的一切性质：反射、折 射、偏振等，是一种波长很短的电磁波射、偏振等，是一种波长很短的电磁波; 1，与加速电压和靶材有关。，与加速电压和靶材有关。热阴极热阴极K电子真空管X射线图图5.6 X 射线管示意图射线管示意图+高压电源-(104105V)阳极阳极A(需冷却)4、性质、性质：穿透性很强；穿透性很强； 使荧光屏发出荧光；使荧光屏发出荧光； 对动植物组织有刺激作用。对动植物组织

19、有刺激作用。 使气体电离；使气体电离； 使照相底片爆光；使照相底片爆光；层dAB图图7.7 布拉格公式推导布拉格公式推导S1S2AA1OCP 图图 7.8( (一一) )、连续谱、连续谱1.特征特征: 存在一个最短波长存在一个最短波长 0 ， 0 与靶材料无关与靶材料无关, 只与只与加速电压有关加速电压有关：eVheVhc00,即 eV 是电子到达阳极的动能是电子到达阳极的动能，h0是光子的最大是光子的最大可能的能量，当电子的全部动能转化为辐射能时，可能的能量，当电子的全部动能转化为辐射能时，产生波长最短的光子。产生波长最短的光子。 0、V，而求，而求hn这是早年叶企孙（这是早年叶企孙（192

20、0年）测量年）测量h的方法的方法2. 产生机制产生机制: 快速电子射到阳极上快速电子射到阳极上, 受到阳极中原子核的库仑场作受到阳极中原子核的库仑场作用而骤然减速，由此伴随产生的辐射称用而骤然减速，由此伴随产生的辐射称之为轫致辐射；之为轫致辐射； 由于由于不同不同电子电子穿进靶表面的深度不同，损失的动能穿进靶表面的深度不同，损失的动能连续变化，连续变化，轫致辐射产生的轫致辐射产生的X X射线光子能量连续变化射线光子能量连续变化，所以产生连续谱。所以产生连续谱。nmVeVhc810.12390电子离子光子图5.11 轫致辐射 2. 标识谱：每种元素都有一套特定波长的线状标识谱：每种元素都有一套特

21、定波长的线状X光谱，光谱， 成为这种元素的标识，叫成为这种元素的标识，叫X射线标识谱。射线标识谱。( (二二) )、标识谱、标识谱1. 产生产生： 当电子的能量当电子的能量(加速电压加速电压) 超过某一临界值时，超过某一临界值时， 除有连续谱外，还在连续谱的背景上迭加一除有连续谱外，还在连续谱的背景上迭加一 些线状谱些线状谱。3. 特点：特点： 各元素的标识谱有相似的结构，各元素的标识谱有相似的结构，但波长不同；但波长不同； 可分为可分为K、L、M、N等线系；等线系； K线系波长最短，可观察线系波长最短，可观察K、K、K等；等； Ka a最强，波长最长，为双线；最强，波长最长，为双线； 不同元

22、素的靶发射的线状光谱按原子序数顺序排列时，不同元素的靶发射的线状光谱按原子序数顺序排列时， 波长依次变化，不显示周期性变化；波长依次变化，不显示周期性变化； 线状谱的位置和结构与阳极材料有关，线状谱的位置和结构与阳极材料有关， 但是与化合状态无关；但是与化合状态无关； 只有用高压（几万伏）才能激发只有用高压（几万伏）才能激发X射线，射线， X射线光子的能量为几万射线光子的能量为几万eV直进射线直进射线As 33Se 34Br 35Rb 37Sr 38Nb 41Rh 45图 7、13 几种元素的 线系谱，按原子序数 的次序上下排列 4.4. 产生机制产生机制: : 从阴极发出的高速电子打到阳极上，从阴极发出的高速电子打到阳极上， 由于电子由于电子能量很高，它能深入到原子的内层，将内壳层电子能量很高，它能深入到原子的内层，将内壳层电子之一击出原子之外，使原子