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原子的壳层结构简1第1页，本讲稿共22页 图中峰值对应的图中峰值对应的Z值称为值称为幻数幻数，它们是，它们是2,10,18,36,2,10,18,36,54,8654,86等。这预示着元素性质周期性的等。这预示着元素性质周期性的深层深层实质，即原实质，即原子中电子的子中电子的壳层结构壳层结构。二、原子中电子的壳层结构二、原子中电子的壳层结构 (shell structure of electron in atom)元素性质由原子中电子所处状态决定，电子状态由元素性质由原子中电子所处状态决定，电子状态由四个量子数四个量子数 n、l、m和和ms 表征。表征。（1 1）主量子数主量子数n：依原子中电子能量由低到高：依原子中电子能量由低到高n取从取从1开始的一系列正整数，即开始的一系列正整数，即n=1,2,3,；（2 2）轨道量子数轨道量子数l：也称角量子数，在：也称角量子数，在n值一定时，值一定时，l 取取n个可能值，即个可能值，即l=0,1,2,n-1；（3）磁量子数磁量子数m：在给定：在给定l 值时，值时，m取取2l+1个可能值，个可能值，即即m=0,1,2,l；2第2页，本讲稿共22页 (4)自旋磁量子数自旋磁量子数ms：自旋角动量向上，：自旋角动量向上，ms 取取1/2，自旋角动量向下，自旋角动量向下，ms 取取-1/2。如氢原子，按能量的不同，核外电子处于由任如氢原子，按能量的不同，核外电子处于由任意一组量子数意一组量子数(n,l,m,ms)所表示的状态中，处于所表示的状态中，处于由能量最低的一组量子数表示的状态，基态由能量最低的一组量子数表示的状态，基态1s。元素的物理和化学性质随原子中电子数的增加元素的物理和化学性质随原子中电子数的增加而逐渐表现出差异。例如，氟、氖和钠这三种元素而逐渐表现出差异。例如，氟、氖和钠这三种元素的原子中，核外电子数分别为的原子中，核外电子数分别为 9、10 和和11，它们的，它们的物理和化学性质是有很大差异的。物理和化学性质是有很大差异的。事实说明，在多电子原子中，电子不可能都处于事实说明，在多电子原子中，电子不可能都处于能量最低的状态，电子在状态上的分布必须遵从下能量最低的状态，电子在状态上的分布必须遵从下面两个原理。面两个原理。3第3页，本讲稿共22页电子在状态上的分布遵从下面两个原理：电子在状态上的分布遵从下面两个原理：（1 1）泡利泡利 (W.Pauli)不相容原理不相容原理：在原子中不可能在原子中不可能有两个或两个以上的电子占据同一个状态，既不可能有两个或两个以上的电子占据同一个状态，既不可能有相同的一组量子数有相同的一组量子数(n,l,m,ms)；（2）能量最低原理：能量最低原理：原子处于基态时，电子所占据原子处于基态时，电子所占据的状态总是使原子的能量为最低。的状态总是使原子的能量为最低。可见，原子中每个由一组量子数可见，原子中每个由一组量子数(n,l,m,ms)决决定的状态只允许一个电子占据，同时，电子先占据能定的状态只允许一个电子占据，同时，电子先占据能量最低的状态，即主量子数量最低的状态，即主量子数n最小的状态。最小的状态。对多电子原子，随着电子数增加，被电子占据的状对多电子原子，随着电子数增加，被电子占据的状态的主量子数态的主量子数n大体上是逐渐增大的。大体上是逐渐增大的。4第4页，本讲稿共22页 依主量子数依主量子数n不同，把电子的状态分为许多不同，把电子的状态分为许多壳层壳层，n 相同的各状态属同一个壳层。相同的各状态属同一个壳层。n=1,2,3,4,5,的壳的壳层表示为层表示为 K,L,M,N,O,壳层，处于这些壳层上的壳层，处于这些壳层上的电子称为电子称为K层层,L层层,M 层层,N层层,O层电子层电子 在一个壳层中，轨道量子数在一个壳层中，轨道量子数l 不同又划分不同又划分n个支壳层，个支壳层，对应对应 l=0,1,2,3,4,5,各支壳层用各支壳层用s,p,d,f,g,h,表表示，处于这些支壳层上的电子，称为示，处于这些支壳层上的电子，称为s 电子电子,p电子电子,d电电子子,f电子电子,g电子电子,h电子电子 对一定的轨道量子数对一定的轨道量子数l，磁量子数，磁量子数m有有 2l+1个可能数个可能数值；给定值；给定n、l 和和 m 时，自旋磁量子数时，自旋磁量子数 ms 取取 1/2 两个两个可能数值。于是，算得主量子数为可能数值。于是，算得主量子数为 n 的壳层上所能容的壳层上所能容纳的电子数，为纳的电子数，为5第5页，本讲稿共22页 由上式可得，由上式可得，K壳层可容纳壳层可容纳2个电子，个电子，L壳层可容纳壳层可容纳8个电子，个电子，M壳层可容纳壳层可容纳18个电子，等等。个电子，等等。l n 0 1 2 3 4 5 6 Zn S p d f g h I 1 2 3 4 5 6 7 K L M N O P Q 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 18 2 6 10 14 18 22 2 6 10 14 18 22 26 2 8 18 32 50 72 98原子的壳层和子壳层所能容纳的电子数原子的壳层和子壳层所能容纳的电子数电子数电子数6第6页，本讲稿共22页 每一个周期都从电子填充新壳层开始，决定元每一个周期都从电子填充新壳层开始，决定元素物理和化学性质的最外壳层素物理和化学性质的最外壳层 的电子数将出现周期的电子数将出现周期性，这是性，这是门捷列夫发现的元素周期律的本质门捷列夫发现的元素周期律的本质。三、原子的基态三、原子的基态(ground state of atom)在在LS耦合下，由电子组态形成的各能级高低次耦合下，由电子组态形成的各能级高低次序，根据序，根据洪德定则洪德定则确定：确定：(1）同一电子组态形成的具有相同）同一电子组态形成的具有相同L值的能级中，重值的能级中，重数最高的，即数最高的，即S值最大的能级位置最低。值最大的能级位置最低。例如：例如：p146 氦的氦的 比比 都要高。这里都要高。这里L值为值为1，因，因为都是为都是P态。他们可以有相同的电子组态，比如态。他们可以有相同的电子组态，比如1s 2s 2p,等。等。7第7页，本讲稿共22页（2）同一电子组态形成的具有不同）同一电子组态形成的具有不同L值的能级中，值的能级中，具有最大具有最大L值的能级位置最低。例如，值的能级位置最低。例如，p154，P能级高于能级高于D能级，能级，D能级又高于能级又高于F能级。能级。（3）如果电子组态为）如果电子组态为(nl)v，对同一，对同一l 值、不同值、不同 j 值的各值的各能级的次序，有两种情形：当价电子数能级的次序，有两种情形：当价电子数v (2l+1)时，具有最大时，具有最大 j 值的能级位置最低，这称为值的能级位置最低，这称为倒倒转次序转次序。8第8页，本讲稿共22页 如果电子正好填满支壳层，m与ms 的正值和负值成对出现，原子的自旋角动量、轨道角动量和总角动量都等于零，这种原子的基态为 。对于未满支壳层的原子，其原子态只决定于未满支对于未满支壳层的原子，其原子态只决定于未满支壳层上的电子组态。壳层上的电子组态。同一支壳层上的电子称为同一支壳层上的电子称为同科电子同科电子。其四个量子数。其四个量子数中有两个相同，据泡利不相容原理，中有两个相同，据泡利不相容原理，m和和ms 中至少有中至少有一个是不相同的。一个是不相同的。9第9页，本讲稿共22页第一周期第一周期第一周期第一周期1.H 1.H 2.He2.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1s11s2四、元素周期表四、元素周期表10第10页，本讲稿共22页第二周期第二周期第二周期第二周期w3.Li w4.Bew5.Bw6.Cw7.Nw8.Ow9.Fw10.Ne1s22s11s22s21s22s22p11s22s22p21s22s22p31s22s22p41s22s22p51s22s22p61s2s2p11第11页，本讲稿共22页w11.Na 1s22s22p63s1w12.Mg 1s22s22p63s2w 13.Al 1s22s22p63s23p1w 14.si 1s22s22p63s23p2w 15.P 1s22s22p63s23p3w 16.S 1s22s22p63s23p4w 17.Cl 1s22s22p63s23p5w 18.Ar 1s22s22p63s23p6因为因为3d空着空着,所以所以第三周期只有第三周期只有8个个元素而不是元素而不是18个元个元素素第三周期第三周期第三周期第三周期12第12页，本讲稿共22页第四周期第四周期第四周期第四周期 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,也就开始了第也就开始了第四周期。四周期。特特 点点:各元素的原子都占有第四主壳层。各元素的原子都占有第四主壳层。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，它们个元素，它们大多有两大多有两 个没满的壳层，个没满的壳层，过渡元素。过渡元素。到第到第36号元素氦为止填满号元素氦为止填满4p支壳层。支壳层。共有共有18个元素。个元素。13第13页，本讲稿共22页特特 点点:各元素的原子都占有第五主壳层，多出一组各元素的原子都占有第五主壳层，多出一组 填充填充4d支壳层的支壳层的10个元素个元素过渡元素。过渡元素。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为能级交错现象又因为能级交错现象,(4d支壳层支壳层10个个,4f支壳层支壳层14个空着个空着).在在4壳层留下壳层留下24个空位个空位,而开始填充第五而开始填充第五壳层，所以壳层，所以Ru开始了第五个主壳层的填充开始了第五个主壳层的填充,也就也就开始了第五周期。开始了第五周期。14第14页，本讲稿共22页各元素的原子都占有第六主壳层。各元素的原子都占有第六主壳层。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，称为稀土族元素或称为镧系个元素，称为稀土族元素或称为镧系元素，到氙元素，到氙(Z=86)Rn元素为止填满元素为止填满6p支壳层共有支壳层共有32个元素。个元素。第六周期第六周期第六周期第六周期 从元素铯从元素铯(Cs,Z=55)开始填充。开始填充。又因为能级交错现象又因为能级交错现象,(4f支壳层支壳层.5d等支壳层等支壳层 空着空着,始了第六个主壳层的填充始了第六个主壳层的填充,也就开始了第也就开始了第六周期，所以六周期，所以 铯是第六周期的第一个元素。铯是第六周期的第一个元素。特特 点点:15第15页，本讲稿共22页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。多出一组多出一组填充填充5f支壳层的支壳层的14个元素，称为锕系元素。个元素，称为锕系元素。第七周期第七周期第七周期第七周期 从元素钫从元素钫(Fr,Z=87)开始填开始填充充又因为能级交错现象又因为能级交错现象,5f支壳层支壳层14个空着，所个空着，所以在以在 O 壳层留下壳层留下14个空位。个空位。6d支壳层支壳层10个空个空位，在位，在 P 壳层留下壳层留下10个空位。个空位。所以所以Fr开始了开始了第七个主壳层的填充第七个主壳层的填充,也就开始了第七周期。也就开始了第七周期。特特 点点 元素周期律的实质在于：随着原子序数的递增，原元素周期律的实质在于：随着原子序数的递增，原子核外的电子在原子的各个能级上周期性有规律的子核外的电子在原子的各个能级上周期性有规律的排列，便造成了元素的化学和物理性质的周期性变排列，便造成了元素的化学和物理性质的周期性变化。化。16第16页，本讲稿共22页五、原子基态光谱项的确定 电子组态形成封闭壳层结构时，ML=0，MS=0。因此闭合壳层角动量为零，即L=0,S=0,J=0（原子实正是这样）形成 态，且l=1的p子壳层中的np1和np5；np2和np4具有相同的角动量大小（方向相反），因而有相同的原子态。即壳层中有一个电子和满壳层缺一个电子形成即壳层中有一个电子和满壳层缺一个电子形成相同的原子态相同的原子态17第17页，本讲稿共22页(1)满壳层的电子不考虑满壳层的电子不考虑(2)考虑泡利原理考虑泡利原理(3)考虑能量最低原理考虑能量最低原理(4)考虑洪特定则考虑洪特定则1、基本原则、基本原则18第18页，本讲稿共22页2、确定原子基态光谱项的简易方法确定原子基态光谱项的简易方法 (1)由泡利原理和能量最低原理求一由泡利原理和能量最低原理求一定电子组态的最大定电子组态的最大S。(2)求上述情况上的最大求上述情况上的最大L。(3)由半数法则确定由半数法则确定J。(4)按按2s+1Lj 确定基态原子态（光谱项）确定基态原子态（光谱项）。19第19页，本讲稿共22页 其它元素的原子态都有可按上述方法求得。下面给出了由氢到其它元素的原子态都有可按上述方法求得。下面给出了由氢到氖的原子基态。氖的原子基态。例：例：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电电子，填充方式为：子，填充方式为：m:+1 0 -1由此可知由此可知 这样便求出了最大这样便求出了最大S和最大的和最大的L（按洪特定则要求）（按洪特定则要求）再由半数法则确定再由半数法则确定J=L-S=0,所以硅（所以硅（Si）的基态）的基态 为为L=1,S=1,J=0，可得，可得，3p0 是它的基态的原子态。是它的基态的原子态。20第20页，本讲稿共22页21第21页，本讲稿共22页(W.Pauli,19001958)22第22页，本讲稿共22页