第七章 原子壳层结构

第七章原子壳层结构与X射线§7.2原子的电子壳层结构§7.1元素周期表§7.4X射线的发射谱§7.3X射线的产生§7.5同X射线有关的能级§7.6康普顿效应§7.7X射线的吸收§7.1元素周期表一、元素性质周期变化规律根据元素周期律，按核电荷数递增的顺序把元素从左至右排列，每当元素性质重复出现时，就把它折回来排列，使性质相同的元素处于同一纵行里（列）。这样就构成了元素周期表。1869年，门捷列夫提出元素性质随原子量的增加而呈现周期性的变化。二、元素周期表元素的性质是随着原子的核电荷数的变化而周期性变化原子中：核电荷数＝原子序数＝核外电子数同一周期各元素的性质有很大差异。左边金属，右边惰气1.周期第一2个元素第二8个元素第三8个元素第四18个元素第五18个元素第六32个元素第七不完全2.族（18个纵行）:分主族和副族既有短周期中的元素又有长周期中的元素的族是主族。只有长周期中元素的族是副族。同一族元素的性质是相似的。(1)元素的化学性质周期性变化(2)元素光谱性质周期性变化(3)元素的电离能显著地呈现出周期性变化(4)元素一些物理性质也显出周期性变化3.周期表中元素性质周期性变化规律§7.2原子的电子壳层结构描述电子状态的四个量子数：n：主量子数，代表电子运动轨道的大小及能量的主要部分l：角量子数，代表轨道形状和轨道角动量，也同电子能量有关。l＝0，1，…，n－1，有n个取值，ml：轨道方向量子数，代表轨道角动量在某一特殊方向（如磁场方向）的分量。ml＝l,l-1,…，0，…，-l，有2l+1个取值。ms：自旋方向量子数，代表电子自旋角动量在某一特殊方向（如磁场方向）的分量。，有2个取值。21,21sm一、原子中电子状态的描述次壳层l：1.主壳层和次壳层n=12345符号：KLMNO为了便于研究电子在原子中的结构，通常我们按照主量子数n和角量子数l把电子的可能状态分成壳层。因电子的能量（或能级）主要决定与主量子数n，故对于能量相同的一些电子可以视为分布于同一壳层上。如果电子数较多，他们就分成几个壳层。二、原子的电子壳层结构主壳层n：在同一壳层中，可以有0，1，2，…（n-1）个次壳层。l=012345符号：spdfgh2.壳层中电子数目（泡利不相容原理）根据泡利不相容原理，在原子中不能有两个电子处在相同的状态，即不能有两个电子具有完全相同的四个量子数。下面我们就据次推算一下每一个壳层和次壳层上所能容纳的最多电子的数目:（1）次壳层中所能容纳的电子数（l给定）)12(2lNl（2）主壳层中所能容纳的电子数（n给定）1022]1)1(2531[2)12(2nlnnnlN例题1：原子的3d次壳层按泡利原理一共可以填多少电子？为什么？例题2：有一原子，n=1,2,3的壳层填满，4s支壳层也填满，4p支壳层填了一半，则该元素是：Ａ.Br(Z=35);Ｂ.Rr(Z=36);Ｃ.V(Z=23);Ｄ.As(Z=33)根据大气光谱分析结果，原子内部电子的能级排列大致如下图所示。（实际情况可能对各个不同原子稍有不同。如对于V、Cr、Mn、Fe原子）spdsEEEE4334,能量最低原理：原子系统处于正常状态时，每个电子总是尽先占有能量最低的状态。3.电子的填充次序（能量最低原理）核外电子填充轨道的一般规律：（1）对原子的外层电子而言，（n+0.7l)越大，能量越高；（2）对离子的外层电子而言，（n+0.4l)越大，能量越高；（3）对原子、离子的内层电子，其能量基本取决于n。总趋势是：同一l,n越大，能级越高；同一n，l越大，能级越高。但从n=4起，就出现了反常情况，即4s电子所处的能级反而比3d的低，5s的比4d低等。例：原子外层电子能量的高低次序：电子壳层1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p4fn+0.7l122.733.744.44.755.45.76.1三、不同周期元素各种原子的电子壳层结构1.第一周期（n=1,N1=2，实际2个电子，Z=1-2)氢：组态1s原子态氦：组态1s1s原子态212S01S2.第二周期（n=2,N2=8，实际8个电子，Z＝3-10)锂：组态1s22s原子态铍：组态1s22s2原子态硼-氖：组态1s22s22pN(N=1-6)原子态(氖)212S01S01S3.第三周期（n=3,N3=18，实际8个电子，Z＝11-18)钠-氩3s-3p64.第四周期（n=4,N4=32，实际18电子，Z＝19-36)钾(Z=19):组态1s22s22p63s23p64s钨4s2Sc-Ni3d氪4p6（1）4s轨道能量低于3d轨道能量4s轨道：偏心率很高的椭圆轨道，原子实极化和轨道贯穿使E降低3d轨道：圆形轨道，极化效应很小（2）等电子体系光谱的比较研究K等电子系列：K,Ga+,Sc2+,Ti3+,V4+,Cr5+,Mn6+等结构：原子实（原子核＋18电子）＋1个价电子谱项（不考虑精细结构）：22*nRZT令，，有ZZ*nZnZRT)()(22如果以为纵坐标，Z作为横坐标，把钾原子等电子系列的数据作图，具有相同n值的诸点会落在一条直线上，直线的斜度等于1/n，这样的图称为莫塞莱图。RT对中性原子：在1和Z之间对一次电离离子：在2和Z之间对二次电离离子：在3和Z之间*Z*Z*Z电子填补次序1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d各次壳层满额电子数22+62+62+10+62+10+62+14+10+62+14+10各周期电子增加数，元素数288181832未满原子序数Z1-23-1011-1819-3637-5455-8687-103周期1234567按周期表中元素排列的先后次序，原子逐一增加电子的次序5.第五周期（n=5,N5=50，实际18电子，Z＝37—54)铷（Z=37）：组态1s22s22p63s23p64s23d104p65s6.第六周期（n=6,N6=72，实际32电子，Z＝55—86)铯（Z=55）：组态1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s7.第七周期（n=7,N7=98，不确定，Z＝87—)ll-1…0…-l+1-l1/2-1/22.确定原子态时，仅考虑未满壳层和未满次壳层上电子的排布。1.原子核外电子的满壳层和满次壳层的角动量PL,PS,PJ均为零，即L=0，S=0，J=0。所以，具有满壳层和满次壳层结构的原子基态原子态为。01S（1）先制作一张有n，l，ml，ms量子数的表mlms四、基态原子态的确定（杨氏图法）3.杨氏图示法（2）填电子i)首先使电子占据ms=1/2的空格，使最大；ii)在满足上述条件情况下，使电子先占据ml大的空格，并使最大；iii)如果电子超过半满，J=L+S，倒序（J大，E低）如果电子小于半满，J=|L-S|，正序（J大，E高）smSlmL（3）根据上面得出的L，S，J，写出原子态JSL12例1：求氧原子基态的原子态？例2：求氯（Z=17）原子基态的原子态？例3：铌（Z=41）原子基态的原子态？Superheavyelement118and116discovedinBerkeleyLabScientistsfromtheBerkeleyLabandOregonStateUniversityreporttheobservationofsuperheavyelementsinthereaction86Kr+208PbperformedatLBNL's88-InchCyclotron.Thegroup,usingthenewlyconstructedBerkeleyGas-FilledSeparator,observedthreeeventsconsistingofachainofsixalphaparticles(4Henuclei)emittedsequentiallyfollowingthereaction,anunambiguoussignaloftheproductionandsubsequentdecayofElement118.我院开展的其他关于超重元素的研究工作•丁晓彬，董晨钟，超重元素Bh（Z=107）的激发态结构的理论预言，物理学报53，3326（2004）•LiJi-Guang,DongChen-Zhong,DingXiao-Bing,Resonanceenergies,absorptionoscillatorstrengthsandionizationpotentialsfortheelementhassium(Z=108),Chin.Phys.Lett.24,83(2007).•李冀光,董晨钟,俞友军,丁晓彬,S.Fritzsche,B.Fricke,Uub(Z=112)和Hg(Z=80)元素的原子结构和激发态性质,中国科学G辑,37,472(2007).•Y.J.Yu,J.G.Li,C.Z.Dong,X.B.Ding,S.Fritzsche,andB.Fricke,Theexcitationenergies,ionizationpotentialsandoscillatorstrengthsofneutralandionizedspeciesofUub(Z=112)andthehomologueelementsZn,CdandHg,Eur.Phys.J.D44,51–56(2007).•Y.J.Yu,C.Z.Dong,J.G.Li,andB.Fricke,Theexcitationenergies,ionizationpotentials,andoscillatorstrengthsofneutralandionizedspeciesofUuqZ=114andthehomologelementsGe,Sn,andPb,THEJOURNALOFCHEMICALPHYSICS128,124316（2008）TheProgressofObtainingSuper-heavyelements•2009年9月Z=114被再次证实–L.Stavestra,et.al..Phys.Rev.Lett,2009;103,132502•2009年6月Z=112即将正式被包括到元素周期表中•2006年LawrenceLivermore国家实验室再次提出116和118号元素有待验证–迄今为止，人类期待的最重的元素–1999年，有科学家谎称已合成116和118号元素–2002年，谎言被揭穿–YOganessianetal,Phys.Rev.C,2006,74,044602路漫漫其修远兮，吾终将上下而求索小结一、元素周期表1.元素周期律(按z排列)2.元素周期表(7个周期,8个主族)二、原子的电子壳层结构1.原子中电子状态的描述()与壳层结构,,,,slmmln2.各壳层中电子排布必须遵循的定律（1）泡利不相容原理（2）能量最低原理1022)12(2,;;12;2nllsnlnnllmm定个有个有个有4.电子在壳层中的填充次序321818882654654543433221pdfspdspdspspss3.各壳层中电子的分布数5.元素周期表中的原子基态(组态,原子态)（1）具有满壳层和满次壳层结构的原子基态原子态为。（2）具有未满壳层和次壳层结构的原子基态原子态的确定，仅考虑未满壳层和未满次壳层上电子的排布。01S（3）杨氏图示法①先制作一张有n，l，ml，m量子数的表ll-1…0…-l+1-l1/2-1/2mlms②填电子a)电子先抢占ms=1/2的空格，使（洪特定则）b)在上面情况下，电子尽可能占据ml大的空格，使最大（洪特定则）c)如果电子超过半满，J=L+S，倒序（J大，E低）如果电子小于半满，J=|L-S|，正序（J大，E高）smSlmL③根据上面得出的L，S，J，写出原子态JSL12§7.3X射线的产生1.实验装置（1）能使物体发荧光（2）能使照片感光（3）能使气体电离（4）能穿透一般光线透不过的物