原子物理第7章

1、第七章：原子的壳层结构第七章：原子的壳层结构Atomic Physics 原子物理学原子物理学结束结束第一节：元素性质的周期性变化第一节：元素性质的周期性变化门捷列夫发现元素按原子量次序排列化学性质出现周期性变化，门捷列夫发现元素按原子量次序排列化学性质出现周期性变化，但有少数不一致。但有少数不一致。周期表中，元素性质随原子序数周期性变化，同一列中不同元素有周期表中，元素性质随原子序数周期性变化，同一列中不同元素有相同化学性质，化合价等。相同化学性质，化合价等。此外，元素的物理性质也随原子序数周期性变化。此外，元素的物理性质也随原子序数周期性变化。第七章：原子的壳层结构第七章：原子的壳层结构通

2、过调整，完全按化学性质变化排列得到一元素序列，称为原通过调整，完全按化学性质变化排列得到一元素序列，称为原子序数。现在我们知道这个原子序数与原子核电荷数以及核外子序数。现在我们知道这个原子序数与原子核电荷数以及核外电子数相等。电子数相等。结束第一节：元素性质的周期性变化第一节：元素性质的周期性变化此外，元素的物理性质也随原子序数周期性变化。此外，元素的物理性质也随原子序数周期性变化。第七章：原子的壳层结构第七章：原子的壳层结构如：前面在不断研究的原子光谱。如：前面在不断研究的原子光谱。电离能：电离能：结束第二节：原子的电子壳层结构第二节：原子的电子壳层结构元素的性质取决于原子结构，也就是原子中

3、电子所处的状态。元素的性质取决于原子结构，也就是原子中电子所处的状态。第七章：原子的壳层结构第七章：原子的壳层结构描述电子状态的是如下量子数：描述电子状态的是如下量子数：1、主量子数、主量子数 n=1,2,3,4,. 反映电子运动区域，和原子总能量的主要部分。反映电子运动区域，和原子总能量的主要部分。 2、轨道角动量量子数、轨道角动量量子数反映电子运动角动量，轨道形状，和与轨道形状相关的原子反映电子运动角动量，轨道形状，和与轨道形状相关的原子部分能量。部分能量。 3、电子自旋角动量量子数、电子自旋角动量量子数4、轨道取向量子数、轨道取向量子数1, 3 , 2 , 1 , 0nl21slllml

4、, 1,5、自旋取向量子数、自旋取向量子数21,21sm结束第二节：原子的电子壳层结构第二节：原子的电子壳层结构原子中电子按泡利不相容原理处在不同状态：原子中电子按泡利不相容原理处在不同状态：第七章：原子的壳层结构第七章：原子的壳层结构具有相同主量子数的电子构成一个壳层，主壳层下按不同的轨道具有相同主量子数的电子构成一个壳层，主壳层下按不同的轨道量子数构成次壳层。量子数构成次壳层。2、轨道角动量量子数、轨道角动量量子数反映电子运动角动量，轨道形状，和圆轨道形状相关的原子部反映电子运动角动量，轨道形状，和圆轨道形状相关的原子部分能量。分能量。 3、电子自旋角动量量子数、电子自旋角动量量子数4、轨

5、道取向量子数、轨道取向量子数1, 3 , 2 , 1nl21slllml, 1,5、自旋取向量子数、自旋取向量子数21,21sm某一次壳层可以容纳的电子数：某一次壳层可以容纳的电子数：212l某一主壳层可以容纳的电子数：某一主壳层可以容纳的电子数：10212nll第二节：原子的电子壳层结构第二节：原子的电子壳层结构原子中电子按泡利不相容原理处分布在不同状态：原子中电子按泡利不相容原理处分布在不同状态：第七章：原子的壳层结构第七章：原子的壳层结构具有相同主量子数的电子构成一个壳层，主壳层下按不同的轨道具有相同主量子数的电子构成一个壳层，主壳层下按不同的轨道量子数构成次壳层。量子数构成次壳层。即使

6、没有外磁场，电子也会在自己的轨道磁场中取向，此即使没有外磁场，电子也会在自己的轨道磁场中取向，此时一个电子的量子状态描述参数为：时一个电子的量子状态描述参数为：某一次壳层可以容纳的电子数：某一次壳层可以容纳的电子数：212l某一主壳层可以容纳的电子数：某一主壳层可以容纳的电子数：10212nll22njmsjln,jjmj, 1, j其中21,21:,lljl 有两个对一个jmllll个有因而，对一个12212121212,一个主壳层的电子数也是：一个主壳层的电子数也是：22n结束第二节：原子的电子壳层结构第二节：原子的电子壳层结构第七章：原子的壳层结构第七章：原子的壳层结构但各周期的元素个数

7、与上面的数字不完全一致，分别为：但各周期的元素个数与上面的数字不完全一致，分别为：2，8，8， 18， 18， 32元素的周期性与原子核外电子组态有关，在元素周期性以及其与上元素的周期性与原子核外电子组态有关，在元素周期性以及其与上述壳层数字差异背后，是电子填充原子壳层的规律起作用。述壳层数字差异背后，是电子填充原子壳层的规律起作用。结束第三节：原子基态的电子组态第三节：原子基态的电子组态第七章：原子的壳层结构第七章：原子的壳层结构原子的电子数等于原子序数，每一种原子就核外部分来说，原子的电子数等于原子序数，每一种原子就核外部分来说，是前一原子加一个电子而成。是前一原子加一个电子而成。原子基态

8、是原子能量最低的状态：它的所有电子都处在原子基态是原子能量最低的状态：它的所有电子都处在各自可各自可能能的最低能量状态，按周期表逐个增加的电子尽可能填补最低的最低能量状态，按周期表逐个增加的电子尽可能填补最低能量的状态。能量的状态。第一周期：氢、氦第一周期：氢、氦电子填充：电子填充： 1s 1s填满第一壳层，所以第一周期只有两个原子。填满第一壳层，所以第一周期只有两个原子。基态原子态分别为：基态原子态分别为：2S1/2、1S0新加入的电子填补位置似乎不完全按前面的理论壳层顺序进行。新加入的电子填补位置似乎不完全按前面的理论壳层顺序进行。结束第三节：原子基态的电子组态第三节：原子基态的电子组态第

9、七章：原子的壳层结构第七章：原子的壳层结构第二周期：第二周期： 锂（锂（3）、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖（）、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖（10）电子填充：电子填充： 1s 1s基态原子态分别为：基态原子态分别为：2S1/2、1S0第一周期：氢、氦第一周期：氢、氦电子填充：电子填充： 1s 1s，2s2s，2p 2p 2p 2p 2p 2p基态原子态分别为：锂基态原子态分别为：锂 2S1/2、铍、铍1S0，硼，硼2P1/2，氖，氖1S0锂锂容易失去一个电子，成为一个完整结构；容易失去一个电子，成为一个完整结构；氟氟容易得到一个电子成为容易得到一个电子成为完整结构；完整结构；氖氖有完整壳层结构，稳

10、定。有完整壳层结构，稳定。每一个次壳层填满后，原子就会处在每一个次壳层填满后，原子就会处在 1S0 ，原子，原子 轨道角动量，自旋角轨道角动量，自旋角动量，总角动量都等于零。动量，总角动量都等于零。结束第三节：原子基态的电子组态第三节：原子基态的电子组态第七章：原子的壳层结构第七章：原子的壳层结构第二周期：第二周期： 锂（锂（3）、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖（）、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖（10）电子填充：电子填充： 1s 1s第一周期：氢、氦第一周期：氢、氦电子填充：电子填充： 1s2，2s2,2p6，3s,3s, 3p3p3p3p3p3p基态原子态分别为：基态原子态分别为：钠钠 2S1/2

11、、镁、镁 1S0，氩，氩1S0钠钠容易失去一个电子，成为一个完整结构；容易失去一个电子，成为一个完整结构；氯氯容易得到一个电子成为容易得到一个电子成为完整结构；完整结构；氩氩有完整壳层结构，稳定。有完整壳层结构，稳定。第三周期：第三周期： 钠（钠（11）、镁、铝、硅、磷、硫、氯）、镁、铝、硅、磷、硫、氯、氩（氩（18）电子填充：电子填充： 1s 1s，2s2s，2p 2p 2p 2p 2p 2p钠钠、氯、氩氯、氩等与元素周期表中对应的有类似壳层结构的原子有相同的等与元素周期表中对应的有类似壳层结构的原子有相同的性质。性质。结束第三节：原子基态的电子组态第三节：原子基态的电子组态第七章：原子的壳

12、层结构第七章：原子的壳层结构第二周期：第二周期： 锂（锂（3）、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖（）、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖（10）电子填充：电子填充： 1s 1s第一周期：氢、氦第一周期：氢、氦电子填充：电子填充： 1s2，2s2,2p6，3s,3s, 3p3p3p3p3p3p第三周期：第三周期： 钠（钠（11）、镁、铝、硅、磷、硫、氯）、镁、铝、硅、磷、硫、氯、氩（氩（18）电子填充：电子填充： 1s 1s，2s2s，2p 2p 2p 2p 2p 2p从上面可以看到，第从上面可以看到，第3周期的电子并没有将第周期的电子并没有将第3主壳层填满，还有主壳层填满，还有3d次壳次壳层空着。为什么就这

13、样结束第层空着。为什么就这样结束第3周期，下一个电子将填哪一电子态呢？周期，下一个电子将填哪一电子态呢？结束第三节：原子基态的电子组态第三节：原子基态的电子组态第七章：原子的壳层结构第七章：原子的壳层结构第二周期：第二周期： 锂（锂（3）、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖（）、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖（10）电子填充：电子填充： 1s 1s第一周期：氢、氦第一周期：氢、氦电子填充：电子填充： 1s2，2s2,2p6，3s,3s, 3p3p3p3p3p3p第三周期：第三周期： 钠（钠（11）、镁、铝、硅、磷、硫、氯）、镁、铝、硅、磷、硫、氯、氩（氩（18）电子填充：电子填充： 1s 1s，2s2s，

14、2p 2p 2p 2p 2p 2p第四周期：第四周期： 钾（钾（19）、钙、钪、钛、钒、铬、锰）、钙、钪、钛、钒、铬、锰、铁钴镍铁钴镍铜铜锌稼锗砷硒溴氪锌稼锗砷硒溴氪（36）钾的第钾的第19个电子并没有填充个电子并没有填充3d态，而是填充态，而是填充4s态。这是因为态。这是因为4s态比态比3d态有更低的能量。这种情况可以用轨道的贯穿来解释。态有更低的能量。这种情况可以用轨道的贯穿来解释。4s态轨道有比态轨道有比 3d态更大的轨道偏心率，发生轨道贯穿与原子实态更大的轨道偏心率，发生轨道贯穿与原子实激化使其能量更低。激化使其能量更低。结束第三节：原子基态的电子组态第三节：原子基态的电子组态第七章：

15、原子的壳层结构第七章：原子的壳层结构第二周期：第二周期： 锂（锂（3）、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖（）、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖（10）电子填充：电子填充： 1s 1s第一周期：氢、氦第一周期：氢、氦电子填充：电子填充： 1s2，2s2,2p6，3s,3s, 3p3p3p3p3p3p第三周期：第三周期： 钠（钠（11）、镁、铝、硅、磷、硫、氯）、镁、铝、硅、磷、硫、氯、氩（氩（18）电子填充：电子填充： 1s 1s，2s2s，2p 2p 2p 2p 2p 2p第四周期：第四周期： 钾（钾（19）、钙、钪、钛、钒、铬、锰）、钙、钪、钛、钒、铬、锰、铁钴镍铁钴镍铜铜锌稼锗砷硒溴氪锌稼锗砷硒溴氪（

16、36）钾的第钾的第19个电子并没有填充个电子并没有填充3d态，而是填充态，而是填充4s态。这是因为态。这是因为4s态比态比3d态有更低的能量。这种情况可以用轨道的贯穿来解释。态有更低的能量。这种情况可以用轨道的贯穿来解释。4s态轨道有比态轨道有比 3d态更大的轨道偏心率，发生轨道贯穿与原子实态更大的轨道偏心率，发生轨道贯穿与原子实激化使其能量更低。激化使其能量更低。结束第三节：原子基态的电子组态第三节：原子基态的电子组态第七章：原子的壳层结构第七章：原子的壳层结构等电子体系等电子体系光谱的比较研究说明了光谱的比较研究说明了4s态比态比3d态有更低的能量：态有更低的能量：22nZRZnRT122

17、nRZThcTE结束第三节：原子基态的电子组态第三节：原子基态的电子组态第七章：原子的壳层结构第七章：原子的壳层结构钾钙填补钾钙填补4s态后态后，从钪（，从钪（21）到镍）到镍（28）填补）填补3d态。这些元素是这个周态。这些元素是这个周期的过度元素。期的过度元素。到铜到铜(29)，新的电子不是简单填补某一空余电子态，而是，新的电子不是简单填补某一空余电子态，而是重组重组，获得低能状态：，获得低能状态：电子填充：电子填充： 1s2，2s2,2p6，3s2, 3p6，4s2,3d 3d 3d 3d 3d 3d 3d 3d电子填充：电子填充： 1s2，2s2,2p6，3s2, 3p6，4s,3d

18、3d 3d 3d 3d 3d 3d 3d 3d 3d填满填满3d态，留下一个态，留下一个4s态，成为一价元素。态，成为一价元素。铜后面的锌填补剩下的铜后面的锌填补剩下的4s态。态。从稼到的氪的剩余从稼到的氪的剩余6个元素填补个元素填补4p态。它们同第态。它们同第2、3周期中填补周期中填补p态电子态电子的元素有相仿的性质。惰性气体氪是满次壳层元素，结束第四周期。的元素有相仿的性质。惰性气体氪是满次壳层元素，结束第四周期。结束第三节：原子基态的电子组态第三节：原子基态的电子组态第七章：原子的壳层结构第七章：原子的壳层结构第二周期：第二周期： 锂（锂（3）、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖（）、铍、硼、碳

19、、氮、氧、氟、氖（10）电子填充：电子填充： 1s 1s第一周期：氢、氦第一周期：氢、氦电子填充：电子填充： 1s2，2s2,2p6，3s,3s, 3p3p3p3p3p3p第三周期：第三周期： 钠（钠（11）、镁、铝、硅、磷、硫、氯）、镁、铝、硅、磷、硫、氯、氩（氩（18）电子填充：电子填充： 1s 1s，2s2s，2p 2p 2p 2p 2p 2p第五周期：第五周期： 铷（铷（37）、锶）、锶 ，钇锆铌钼鍀钌铑钯银镉铟锡锑碘氙钇锆铌钼鍀钌铑钯银镉铟锡锑碘氙（54）第四周期：第四周期： 钾（钾（19）、钙、）、钙、钪钛钒铬锰铁钴镍钪钛钒铬锰铁钴镍 铜锌稼锗砷硒溴氪铜锌稼锗砷硒溴氪（36）电子填

20、充：电子填充： 1s2，2s2,2p6，3s2, 3p6，4s2,3d10，4p6第四周期结束时第四周期结束时4d、4f还空着，下一元素还空着，下一元素铷铷由于相同的理由不填由于相同的理由不填4d，而填而填5s,从钇（从钇（39）到钯（）到钯（46）填）填 补补4d态，这些是过度元素态，这些是过度元素，与第四周期的铜类似，第，与第四周期的铜类似，第47个元素银填满个元素银填满4d后剩余一个电子填后剩余一个电子填5s。随后的镉填。随后的镉填5s。之后，从铟（。之后，从铟（49）到）到氙（氙（54）填）填5p态，与其他周期填态，与其他周期填p态元素有类似性质。态元素有类似性质。第三节：原子基态的电

21、子组态第三节：原子基态的电子组态第七章：原子的壳层结构第七章：原子的壳层结构第二周期：第二周期： 锂（锂（3）、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖（）、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖（10）电子填充：电子填充： 1s 1s第一周期：氢、氦第一周期：氢、氦电子填充：电子填充： 1s2，2s2,2p6，3s2, 3p6第三周期：第三周期： 钠（钠（11）、镁、铝、硅、磷、硫、氯）、镁、铝、硅、磷、硫、氯、氩（氩（18）电子填充：电子填充： 1s2，2s2,2p6第五周期：第五周期： 铷（铷（37）、锶钇）、锶钇、锆铌钼鍀钌铑钯银镉铟锡锑碘氙、锆铌钼鍀钌铑钯银镉铟锡锑碘氙（54）第四周期：第四周期： 钾（钾（1

22、9）、钙、钪、钛、钒、铬、锰）、钙、钪、钛、钒、铬、锰、铁钴镍铜、铁钴镍铜锌稼锗砷硒溴氪锌稼锗砷硒溴氪（36）电子填充：电子填充： 1s2，2s2,2p6，3s2, 3p6，4s2，4p6,3d10电子填充：电子填充： 1s2，2s2,2p6，3s2, 3p6,3d10，4s2,4p6, 5s (37)4p6,3d10, 4d10,5s1 (47)4p6,3d10, 4d10,5s2 (48)4p6,3d10, 4d10,5s2, 5p(49) 4p6,3d10, 4d10,5s2, 5p6(54)4s2,4p6, 5s2 (38)4s2,4p6, 5s2 , 4d1(39) 4s2,4p6,

23、 5s2,4d8(46)结束第三节：原子基态的电子组态第三节：原子基态的电子组态第七章：原子的壳层结构第七章：原子的壳层结构第二周期：第二周期： 锂（锂（3）、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖（）、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖（10）电子填充：电子填充： 1s 1s第一周期：氢、氦第一周期：氢、氦电子填充：电子填充： 1s2，2s2,2p6，3s2, 3p6第三周期：第三周期： 钠（钠（11）、镁、铝、硅、磷、硫、氯）、镁、铝、硅、磷、硫、氯、氩（氩（18）电子填充：电子填充： 1s2，2s2,2p6第五周期：第五周期： 铷（铷（37）、锶钇）、锶钇、锆铌钼鍀钌铑钯银镉铟锡锑碘氙、锆铌钼鍀钌铑钯银镉铟

24、锡锑碘氙（54）第四周期：第四周期： 钾（钾（19）、钙、钪、钛、钒、铬、锰）、钙、钪、钛、钒、铬、锰、铁钴镍铜、铁钴镍铜锌稼锗砷硒溴氪锌稼锗砷硒溴氪（36）电子填充：电子填充： 1s2，2s2,2p6，3s2, 3p6，4s2，4p6,3d10第六周期：第六周期： 铯（铯（55）、钡镧系（）、钡镧系（57-71）铪钽钨铼锇铱（）铪钽钨铼锇铱（86）电子填充：电子填充： 1s2，2s2,2p6，3s2,3p6,3d10，4s24p6 4d10，5s2,5p6(54)1s2，2s22p6，3s23p63d10，4s24p6 4d10 ,4f，5s25p6,5d,5f,5g4f，5d,5f,5g空

25、着，但铯（空着，但铯（55）的最外一个电子填）的最外一个电子填6s.第三节：原子基态的电子组态第三节：原子基态的电子组态第七章：原子的壳层结构第七章：原子的壳层结构第五周期：第五周期： 铷（铷（37）、锶钇）、锶钇、锆铌钼鍀钌铑钯银镉铟锡锑碘氙、锆铌钼鍀钌铑钯银镉铟锡锑碘氙（54）第六周期：第六周期： 铯（铯（55）、钡镧系（）、钡镧系（57-71）铪钽钨铼锇铱，（）铪钽钨铼锇铱，（86）电子填充：电子填充： 1s2，2s2,2p6，3s2,3p6,3d10，4s24p6 4d10，5s2,5p6(54)铯（铯（55）的最外一个电子填）的最外一个电子填6s.1s2，2s22p6，3s23p63d10，4s24p6 4d10 ，5s25p6,6s(55)4s24p6 4d10 ，5s25p6,6s2(56) 4s24p6 4d10 ，5s25p6,6s2,5d(57) 4s24p6 4d10 ，5s25p6,6s2,5d,4f14(71) 稀土元素稀土元素4s24p6 4d10 ，5s25p6,6s2,5d2,4f14(72)铪铪5s25p6,6s2,5d8,4f14(78)铂铂5s25p6,6s1,5d10,4f14(79)金金5s25p6,6s2,5d10,4f14(80)汞汞5s25p6,6s2,5d10,4f1