第三节不相容原理

第三节：泡利不相容原理第四节：原子的壳层结构1925年，奥地利物理学家Pauli提出了不相容原理，揭示了微观粒子遵从的一个重要规律。第三节：泡利原理一、泡利不相容原理的叙述及其应用1．描述电子运动状态的量子数主量子数n：n=1,2,3……，在玻尔理论中决定了电子的运动轨道和能量。轨道磁量子数ml：ml=0,±1…±l，描述轨道角动量的取向自旋量子数s：s=1/2,不能区别电子的状态。自旋磁量子数ms：ms=±1/2,描述自旋运动的取向。轨道角量子数l：描述轨道角动量的大小。2、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。设想内容：（1）原子内电子排列成若干壳层，同一壳层的电子具有相同的n（2）每一壳层可以容纳一定数目的电子。3、泡利不相容原理（1925年）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（），即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1）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。泡利不相容原理所反映的这种严格的排斥性的物理本质是什么？至今仍是未完全揭开之谜。5、适用范围只适用于费米子6、泡利不相容原理的应用举例（1）氦原子的基态（2）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基态，原子序数大，原子半径小。（见书221）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。（3）金属中的电子见书2211、定义：同科电子是指n、l相同的电子。说明：同科电子形成的原子态比非同科电子形成的原子态少。例：1s1s组态和1s2s组态不同。1s1s01S1s2s1301,SS2、两个p态同科电子形成的原子态。n不同（非同科）情况形成的原子态LS=0S=101211P21D01S2,1,03P3,2,13D13S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226）1869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。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。1925年泡利提出不相容原理后，才比较深刻地理解到，元素的周期性是电子组态周期性的反映。从而用物理知识解释了化学问题。一、原子中电子壳层结构决定电子所处状态的准则（1）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）.1、壳层的定义：主量子数n决定电子能量的主要部分，n相同的电子构成了一个壳层。原子中按能量分成许多壳层和支壳层2、支壳层的定义：同一壳层中不同的l形成支壳层。)12(2lNl3、支壳层l最多电子数（表见书232）2102)12(2nlNnln4、壳层n最多电子数各壳层可以容纳的最多电子数5、满（支）壳层（又称闭合壳层）定义：当（支）壳层上的电子数等于所能容纳的电子数目时，称为满（支）壳层。特点：（1）满（支）壳层电子的磁量子数为0llMm0ssMm（2）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，原子的角动量由未满壳层的电子所贡献。决定壳层次序的是能量最小原理。（电子填充的次序决定于哪个壳层能量最低）主量子数n：一般情况由小大见书233三、壳层的能量次序经验规律1：n+l相同时，先填n小的；n+l不相同时，若n相同，则先填l小的，若n不同，则先填n大的壳层。见书235经验规律2：电子大致按（n+0.7l）值的大小依次填充到各支壳层中。4f5f3d4d5d2p3p4p5p6p1s2s3s4s5s6s壳层和次壳层填充次序的经验规律四、原子基态已知壳层的能量顺序，电子组态则可以确定。电子组态形成的原子态对应的能级结构顺序有两条规律可循：洪特定则：1.同一电子组态形成的一组原子态中，（1）重数最高的，即S值最大的能级位置最低；（2）具有相同S值的能级中，具有最大L值的位置最低。2.对于同科电子，即同nl，不同J值的诸能级顺序是（1）当同科电子数≤闭壳层电子占有数一半时，以最小J值（|L－S|）的能级为最低，称正常次序。（2）同科电子数闭层占有数的一半时，以最大J（L+S）的能级为最低，称倒转次序。举例原子基态一些基本规律2、满（支）壳层外只有一个价电子（组态（nl））的原子，其基态由这个电子决定1,2sjls1、满（支）壳层的原子基态谱项均为10S3、x为最外层电子数，当时，原子的基态比为S态，原子的自旋角量子数为基态谱项为21xl1,2sxjs112xxS4、N为满支壳层的电子数，电子组态分别为和的两个原子的基态具有相同的L和S值，只是J值不一样。()xnl()Nxnl五、朗德间隔定则:1.表述:在三重能级结构中,一对相邻能级的间隔与两个J值中较大的那个值成正比。2.证明:Smes*23014ZeLBmcrlssUBlsUkSL21JJE)1(2Jk1211JJEEJJJJS,L相同而J不同,1()(1)JJlslsEUJUJ)]1()1([22JJJJkJk23.例子:33,2,1D1,2,3,2,1SLJ231223EE321J210J3321PP03P120112EE