第七章原子的壳层结构

1、Applied Physics1 前面，我们研究了前面，我们研究了氢原子氢原子、碱金属原子碱金属原子和和多电子原子多电子原子及其及其的特点，并由此得出了能级的特点：的特点，并由此得出了能级的特点：能级能级、能级能级、能级能级，进一步发现了决定能级特点的，进一步发现了决定能级特点的（）电子电子角动量与角动量与角动量的角动量的(或或 )，对光谱及其精细结构给出了圆满的理论解释。，对光谱及其精细结构给出了圆满的理论解释。 本章，我们接下来对一般原子的光谱和能级特点进行总结本章，我们接下来对一般原子的光谱和能级特点进行总结并得出原子结构的一般特点。并得出原子结构的一般特点。 以上几章讨论了几类原子的结

2、构特点及物理化学以上几章讨论了几类原子的结构特点及物理化学，可发现各元素的物理性质和化学性质的变化显示出，可发现各元素的物理性质和化学性质的变化显示出，这实质上是，这实质上是的反映。这就是本章的主要内的反映。这就是本章的主要内容。容。Applied Physics21 元素性质的周期性元素性质的周期性2 原子的电子壳层结构原子的电子壳层结构3 原子基态的电子组态原子基态的电子组态Applied Physics3 实验发现，实验发现，元素的性质元素的性质具有具有周期性周期性的变化规律。的变化规律。 接下来，我们具体分析一下。接下来，我们具体分析一下。 早在早在1869年，门捷列夫就发现，如果把年

3、，门捷列夫就发现，如果把元素按原子量元素按原子量的次的次序排列起来，它们的序排列起来，它们的性质显示出周期性性质显示出周期性的变化规律。进一步研的变化规律。进一步研究表明，完全按原子量排列，还不能把元素的性质排列成一个究表明，完全按原子量排列，还不能把元素的性质排列成一个完善的系统；个别几处（完善的系统；个别几处（K和和Ar、Co和和Ni等）的次序必须颠倒，等）的次序必须颠倒，才能组成一个合理的顺序。才能组成一个合理的顺序。 这样处理后，按排列的次序，每个元素有一个这样处理后，按排列的次序，每个元素有一个。现在知道，这个原子序数就等于现在知道，这个原子序数就等于，也就是，也就是。Applied

4、 Physics41、基本特点、基本特点一、元素周期表一、元素周期表 如图。一如图。一称为一个称为一个，一，一称为一称为一（特殊的（特殊的VIIIB族包含族包含3列）。所有已知元素组成列）。所有已知元素组成、的的表表。2、周期数、周期数 所包含的元素数目不完全相同，依次为所包含的元素数目不完全相同，依次为 、 、 、，（未满）。这一数目也反映了原子结构的特点，（未满）。这一数目也反映了原子结构的特点，后面我们要仔细讨论这一问题。后面我们要仔细讨论这一问题。Applied Physics5二、元素性质的周期性二、元素性质的周期性1、同一、同一（同一（同一）的元素具有相似的化学性质。）的元素具有相

5、似的化学性质。2、同一、同一元素具有相似的光谱，元素具有相似的光谱，元素光谱呈现元素光谱呈现变变化规律（如化规律（如和和的的）。）。3、同一、同一元素元素变化（书变化（书P201）。）。4、元素的某些宏观物理性质，如、元素的某些宏观物理性质，如“”、等也都呈现等也都呈现的变化规律（书的变化规律（书P201）。）。Applied Physics6 前面，我们揭示了前面，我们揭示了的的变化规律，为什么有变化规律，为什么有这样的规律呢？我们可得到这样的规律呢？我们可得到的一般特点。的一般特点。 元素的性质，应由其元素的性质，应由其的特点决定。所以，元素化的特点决定。所以，元素化学性质和物理性质的学性

6、质和物理性质的变化规律，说明了变化规律，说明了的的。 接下来，我们利用前面接下来，我们利用前面的分析方法，来研究原子结的分析方法，来研究原子结构的特点。构的特点。Applied Physics7 原子中电子的运动状态可由几个量子数原子中电子的运动状态可由几个量子数 、 、 、反映，其中自旋量子数反映，其中自旋量子数为常数，所以，实际上电子状态由为常数，所以，实际上电子状态由个量子数反映。个量子数反映。 反映反映和和的的，对电子的，对电子的也也。一、原子中的电子状态一、原子中的电子状态1、主量子数、主量子数 （） 反映原子中电子反映原子中电子和其和其，按，按轨道的描述方法就是轨道的描述方法就是。

7、2、轨道角动量量子数、轨道角动量量子数 （）Applied Physics8 反映电子自旋的反映电子自旋的，即代表电子自旋角动量在某特殊方，即代表电子自旋角动量在某特殊方向的向的。 反映电子运动轨道的反映电子运动轨道的，也就是轨道角动量在某一，也就是轨道角动量在某一（如（如）的分量。）的分量。4、自旋方向量子数、自旋方向量子数（）3、轨道方向量子数、轨道方向量子数（） 如上如上 个量子数综合起来，反映电子的一个个量子数综合起来，反映电子的一个，只要，只要有有1个变化，电子的运动状态就发生改变。个变化，电子的运动状态就发生改变。Applied Physics9二、原子壳层与最大电子数二、原子壳层

8、与最大电子数1、Pauli原理原理 的电子，在的电子，在运动，运动，的的，我们称这样的电子构成一个，我们称这样的电子构成一个（）；）； 相同相同 不不同的电子，同的电子，称这样的电子，称这样的电子构成一个构成一个。原子中任意两电子的状态不能完全相同。也就是说反映电原子中任意两电子的状态不能完全相同。也就是说反映电子运动状态的子运动状态的4个量子数个量子数 、 、不能完全相同。不能完全相同。2、原子壳层、原子壳层Applied Physics103、最大电子数、最大电子数（1）磁场中）磁场中 、 相同的电子构成一次壳层，在磁场作用下，相同的电子构成一次壳层，在磁场作用下，可取可取个值，个值，可取

9、可取 个值个值。因此，一次壳层中电子可有。因此，一次壳层中电子可有个状态，即次壳层最多可容纳电子数为个状态，即次壳层最多可容纳电子数为 一定时，一定时， 可取可取，所以，一主壳层可容纳的最大，所以，一主壳层可容纳的最大电子数为电子数为Applied Physics11（2）无磁场）无磁场 原子中电子的轨道角动量和自旋角动量之间相互作用（耦原子中电子的轨道角动量和自旋角动量之间相互作用（耦合）会形成磁场，这时反映电子状态的量子数为合）会形成磁场，这时反映电子状态的量子数为 。 相同时，相同时，可取可取 共共个值，个值，和和取取 个值。个值。所以，一次壳层最多可容纳电子数为所以，一次壳层最多可容纳

10、电子数为 一主壳层可容纳的最大电子数为一主壳层可容纳的最大电子数为Applied Physics124、最大电子数与周期的对应、最大电子数与周期的对应 有如上公式，我们可得出，各主壳层可容纳的最大电子数有如上公式，我们可得出，各主壳层可容纳的最大电子数依次为依次为，这应该与元素周期表中各周期的元素数，这应该与元素周期表中各周期的元素数目相同，而各周期元素数依次为目相同，而各周期元素数依次为，与上式不完全，与上式不完全符合。符合。 如何解释上述差异呢？这是我们下一步的主要任务。如何解释上述差异呢？这是我们下一步的主要任务。Applied Physics13 元素性质的周期性是电子壳层结构的表现。

11、电子在填充原元素性质的周期性是电子壳层结构的表现。电子在填充原子态时要遵从子态时要遵从和和。（1）原子中的电子数等于原子序数，每种）原子中的电子数等于原子序数，每种就核外电子来说，就核外电子来说，是周期表中是周期表中加加而成的。而成的。（2）是原子是原子的状态。的状态。都处于各自可能都处于各自可能的的中，按周期表顺序逐个中，按周期表顺序逐个也尽可能也尽可能在在。一、基态的一般特点一、基态的一般特点Applied Physics14二、基态的电子组态二、基态的电子组态1、第一周期（、第一周期（ ） ，只有，只有取取 值，最多只能容纳值，最多只能容纳 个电个电子，故只有子，故只有。 电子在填充原子

12、各壳层时要遵从电子在填充原子各壳层时要遵从和和。应用应用时注意时注意（同一电子组态形成的原子（同一电子组态形成的原子态，态， 、 越越的能级的能级越越）的运用，所以，填充各次壳层）的运用，所以，填充各次壳层时应使时应使最大（最大（）。）。Applied Physics152、第二周期（、第二周期（ ）,最 多 可 容最 多 可 容纳纳 个电子，个电子，故有故有。已 满 ，已 满 ，填充填充,最后最后为为Applied Physics163、第三周期（、第三周期（ ），前，前10个电子填充在个电子填充在，形成类似于，形成类似于的结的结构。然后开始填充构。然后开始填充，最后的元素，最后的元素（号）

13、形成号）形成。 现在现在还空着，还空着， 号元素号元素 的第的第个电子是否填充在个电子是否填充在呢？呢？实验发现，实验发现，的第的第个电子没有填充在个电子没有填充在，而是填在了，而是填在了，这，这是因为是因为能级比能级比低。低。 为什么为什么 能级比能级比能级低呢？能级低呢？ 轨道是一个偏心率很高轨道是一个偏心率很高的椭圆，它在的椭圆，它在和引起和引起都使其能级都使其能级下降；而下降；而是圆形轨道，是圆形轨道，能级接近于氢，能级接近于氢能级。因此，能级。因此， 能级比能级比能级低。这一点，由莫塞莱图也可以能级低。这一点，由莫塞莱图也可以理解。（书理解。（书P215）所以，第所以，第周期以元素周

14、期以元素结束，从结束，从开始进入第开始进入第周期。周期。 ZnRT1Applied Physics17实际填充顺序实际填充顺序Applied Physics184、第四周期（、第四周期（）。由。由到到，填充，填充，其中对，其中对的填充形成的填充形成族（族（），最后的元素），最后的元素（号）形成号）形成。5、第五周期（、第五周期（）填充填充，其中对，其中对的填充形成的填充形成 族（族（），最后的），最后的元素元素（号）形成号）形成。6、第六周期（、第六周期（）填充填充，其中对，其中对的填充形成的填充形成（个），对个），对的填充形成的填充形成 族，最后的元素族，最后的元素（）形成）形成。7、第七周

15、期（、第七周期（未满）未满）填充填充，其中对，其中对的填充形成的填充形成（个）。个）。Applied Physics19 指原子能级最低的状态。从指原子能级最低的状态。从确定确定时，注意运用时，注意运用（ 、 越越的能级的能级越越）及）及规律（规律（， 的能级的能级），找出原子的基态。），找出原子的基态。定基态的简便法定基态的简便法:、计算、计算、令、令、将、将 （表示自旋取向）按右图（表示自旋取向）按右图填充填充各值各值(如如)，可保，可保证证。 三、基态原子态的得出三、基态原子态的得出Applied Physics20例例1：钒的基态电子组态钒的基态电子组态例例2：的基态电子组态的基态电子组态实例实例Applied Physics21例例3：()的基态电子组态的基态电子组态练习练习Applied Physics22 练习二十八练习二十八作作 业业(3)氩（）原子基态的电子组态及原子态是：氩（）原子基态的电子组