电子结构

1、西昌学院第六章原子结构和元素周期表本章要求要求理解四个量子数的物理意义。理解近似能级图的意义，能够运用核外电子排布的三个原则，写出元素的原子核外电子排布式。学会利用电离势、原子半径等数据，讨论各种元素的某些性质与电子层结构的关系。重点掌握原子结构与元素同期律间的关系。西昌学院西昌学院第一节、人类认识原子结构简史公元前460-370,德莫克利特（Democritus）年提出万物原子构成说。中国的物质无限可分说：“一尺之椎，日取其半，万世不竭。”1756年，俄罗蒙诺索夫的质量守恒定律。1779年，法普劳斯特的定组成定律。1803年，英道尔顿的倍比定律。1808年，英道尔顿的原子学说。1811年，意阿佛加德罗的分子学说。1897年，小汤姆逊发现电子，提出汤姆逊原子模型。普朗克的量子理论。(黑体辐射)1905年，爱因斯坦的光电效应解释。1911年，英卢瑟福原子模型。1913年，丹玻尔原子模型。西昌学院第二节、核外电子运动状态n1=1时，在紫外光区,为拉曼系。n1=2时，在可见光区，为巴尔麦系。n1=3时，在红外光区，为帕邢系。一、氢原子光谱和玻尔理论1、。

2、氢原子光谱西昌学院2、玻尔原子模型核外电子运动有一定的轨道，在轨道上运动的电子不放出也不吸收能量。在一定轨道上运动的电子能量一定，不同轨道能量不同，且不连续，即量子化。对氢原子，其轨道能量满足：E=-13.6/n2eV=-2.179×10-18/n2J据第一假定，原子能稳定存在；据第二假定，电子在不同轨道间发生跃迁则产生原子光谱。△E=En2-En1=hh=6.626×10-34J.s-1西昌学院3、电子跃迁能量计算求氢原子电子由第四电子层跳回第三和第二电子层时放出的光子波长.解:E4=-2.179×10-18/42=-0.1362×10-18E3=-2.179×10-18/32=-0.2421×10-18E2=-2.179×10-18/22=-0.5448×10-1834=19.88×10-26/1.059×10-19=1.877×10-6m34=19.88×10-26/4.086×10-19=4.865×10-7m西昌学院二、核外电子运动的波粒二象性1、德布罗意的预言：若光具有波粒二象性，则物质具有二象性。λ=h/P=h/(mv)以8Km/s运行的火箭，质量1000T的运。

3、动波长和以1000km/s运动的电子，质量9.11×10-31Kg所产生的波长。解：λ火箭=6.63×10-34/8×109=8.29×10-44mλ电子=6.63×10-34/9.11×10-31/106=7.28×10-10m西昌学院2、电子衍射实验西昌学院3、测不准原理：微观粒子不能同时测定其位置和动量。△x△p≈h绕核运动的电子，其位置测定误差为10-11m,则其速度测定误差为多少？解：△v=6.63×10-34/10-11/9.11×10-31=7.28×107m/s从结果可以看出，其速度误差已超过其运动速度。西昌学院三、核外电子运动状态的描述1、薛定谔方程:•波函数n,l,m,ms(x,y,z,t)•主量子数n:1234…∞•角量子数l:01234…(n-1)•磁量子数m:0±1±2±3…±l西昌学院主量子数n:单电子原子中能量完全由它来决定,多电子运动的能量主要由它决定。E=-13.6Z/n2eV(单电子原子中)电子离核的平均距离也由它来决定.对同一原子来说，处于同一主量子数的电子，其离核的平均距离是相同的，其能量也比较接近。这一点正好说明核外电子是分层排布的。n。

4、1234567KLMNOPQ西昌学院角量数l:角量子数确定轨道的形状.l=0时轨道为球形对称，l=1时轨道为哑铃形，l=2时轨道为花瓣形。多电子原子中同主量子数一起决定能量l0123456spdfghi角量子数l说明了电子在核外排布时同一个电子层的电子能量是不一定相等的，即同一电子层中有电子亚层。尽管同一电子层离原子核的平均距离相同，但由于轨道形状上的差异，导致该轨道上的电子受原子核作用的能力不一样，电子之间的作用力不一样，而引起能量上的差异。当然也说明轨道的种类.西昌学院磁量子数m:磁量子数m决定轨道的伸展方向在外磁场或电场作用下，也参与决定能量。lm001-1，0，12-2，-1，0，1，23-3，-2，-1，0，1，2，34-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4西昌学院原子轨道不同的取向说明了每一个轨道是不同的即同一原子不可能有相同的轨道。因方向不同，故外加电场或磁场沿某一方向靠近时，该方向轨道上的电子所受作用力一定更加强烈，从而引起能量上的差异。在无外电场磁场作用的情况下，其能量完全由主量子数和角量子数决定。主量子数和角量子数都相同的轨道在能量上完全一样，这种。

5、轨道称为简并轨道。当主量子数、角量子数和磁量子数全确定时，则这个轨道就完全确定了。其能量，形状也完全确定了。用Ψn,l,m（x,y,z）确定轨道，更合适的说法是原子轨函。西昌学院自旋量子数ms从薛定厄方程得到的解最多到轨函，得不到第四个量子数。但在强磁场下的原子光谱的精细结构发现，每条谱线都是由靠得很近的两条谱线组成，这是因为在同一轨道上可以运行两个自旋方向相反的电子。引进了第四个量子数，自旋量子数ms自旋量子数的取值只能是±½，代表自旋的两个方向。西昌学院四个量子数间关系Nl|m|Ms=±½第n电子层有n种轨道第l电子亚层有2l+1个轨道第n电子层有n2=2l+1个轨道第n电子层最多可填充n2个电子西昌学院2、波函数角度部分将三维坐标函数转化为球坐标函数：Ψn,l,m（x,y,z）=Rn,l(r).Yl,m(θ,φ)s轨道无方向性Y0，0(θ,φ)p轨道有方向性，有两个部分一正一负反对称，共三个轨道Y1，m(θ,φ)，m=-1,0,1d轨道有方向性，有四个部分，两正两负中心对称，共五个轨道Y2，m(θ,φ),m=-2,-1,0,1,2。西昌学院轨道角度分布。

6、图++xyzzx+zx__y+_spxpypz++++____xzy+__xz+y+__z+ydxydxzdyzddxy22-z2西昌学院波函数的径向部分径向部分是任意角度下，随离核距离变化波函数值的变化。只有1s轨道径向部分在离核越近时值越大，其余离核越近并不是越大，而是在离核某一距离有最大值。径向部分值也有正负之分，正负只是表示位相的不同，其绝对值才表示其大小。对任意轨道其径向部分与r轴有n-l-1个交点。西昌学院波函数的径向部分图西昌学院几率密度和电子云电子运动测不准，故电子在何处运动无多大意义。几率密度：|ψ|2，几率：ω电子波动性只有通过其微粒性的统计结果来得到说明:dω=|ψ|2dτdτ=4πr2drω=∫0∞4πr2|ψ|2dr=1电子云的角度分布径向部分在方向上,电子云的角度分布图与波函数的角度分布图一致；但它们有重大差别，电子云值总是正值，而波函数有波峰波谷之分，波函数图形相对较胖，而电子云较细巧。西昌学院电子云的角度分布xyzzxzxyspxpypzxzyxzyzydxydxzdyzddxy22-z2_西昌学院•与波函数径向分布图比较，电子云出现n-。

7、l个峰，全是正值，而波函数有正有负。离核越近电子云值并不值越大。•电子云径向部分反映电子在离核某处的球面薄壳层内出现的可能性。电子云总体分布图和电子云界面图电子云图应是角度部分和径向部分的总合。电子云界面图是将电子云密度相等的等密度面画出，且包含其95%的电子云图。西昌学院电子运动状态小结经典力学中，能量、角动量是连续变化的，而在微观世界则是不连续的，电子运动用四个量子数来描述，其能量由两个量子数来描述。以典力学中，质点的运动状态可以同时测定其位置和动量，而在微观世界，则因具有波动性十分显著而有性测不准关系，故只有用波函数来描述，用统计法得出其运动规律，故用电子云来形象描述。波函数被形象地叫为原子轨道，它与宏观的轨道有很大差别，宏观轨道是指运动轨迹，而波函数则是指一个伸宿性很大的区域；而电子云则是电子在某区域出现的可能性。西昌学院第三节原子核外电子排布和元素周期律西昌学院一、多电子原子的能级单电子原子来说，核外电子只受原子核的吸引，无其它电子的排斥，其能量只与主量子数有关：E=-2.179×10-18Z2/n2多电子原子来说，还要受其它电子的排斥，故受核作用要相对减小，。

8、也即抵消部分核电荷，我们称这种作用为屏蔽:Z*=Z-σ,E=-2.179×10-18（Z-σ）2/n2,=-2.179×10-18Z*2/n2西昌学院Slater规则一套估算屏蔽常数的方法：先将电子按内外次序分组：ns,np一组nd一组nf一组如：1s;2s,2p;3s3p;3d;4s,4p;4d;4f;5s,5p;5d;5f。外组电子对内组电子的屏蔽作用=0同一组，=0.35(但1s，=0.3)对ns,np，(n-1)组的=0.85；更内的各组=1对nd、nf的内组电子=1注：•该方法用于n为4的轨道准确性较好，n大于4后较差。•主量子数越大，其离核平均距离越远，故能量越高。•主量子数一样的时候，角量子数越大能量越高。从电子云的径向部分可以看出，其在核附近出现的可能性越小，故能量越高。西昌学院Slater规则举例Ca的最后两个电子应排在何处？Ca1s22s22p63s23p63dx4syx=0,y=2σ1=10+8×0.85+0.35=17.15E1=-2×13.6×(20-17.15)2/42=-13.808eVx=1,y=1σ23d=18.00σ24s=。

9、10+9×0.85=17.65E2=-13.6×((20-18)2/9+(20-17.65)2/14)=-6.044-4.694=-10.738eVx=2,y=0σ3=18+0.35=18.35E3=-2×13.6×(20-18.35)2/9=-8.228eVE1E2E3Ca的两个电子应排在4S上。西昌学院屏蔽效应屏蔽效应是指电子对其它电子的排斥，减弱了原子核对其它电子的吸引力而导致能量升高的现象。内层电子的屏蔽能力强于外层电子；若为同层电子则s电子强于p电子,p电子强于d，d强于f。钻穿效应钻穿效应是指外层电子躲避内层电子屏蔽的现象。从电子云径向分布图可以看出，一些主量子数高的电子在核附近仍有小峰，故能量降低。角量子数大小决定钻穿能力，角量子数越小钻穿能力越强。与主量子数无关。屏蔽效应和钻穿效应的结果使核外电子排布时发生能级交错现象：EnsE(n-1)d，EnsE(n-2)f西昌学院西昌学院二、原子轨道填充顺序能级组能量相近的轨道组组成能级组，它相当于周期表中的一个周期。任意一能级组，其轨道为：ns,(n-3)g,(n-2)f,(n-1)d,np当n≥2时出现np轨道当n。

10、≥4时出现nd轨道当n≥6时出现nf轨道当n≥8时出现ng轨道。每一个能级组都有是以ns开始，以np结束。最外层最多8个电子，次外层最多18个电子，次次外层最多32个电子。1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f5g6s6p6d7s构造原理西昌学院核外电子排布三原则能量最低原理：电子优先占用能量最低的轨道，填满低能量轨道后，再填其余能量最低的轨道。保里不相容原理：在同一个原子内不可能出现四个量子数完全一样的电子。或句话说，每个轨道最多只能填两个电子而且自旋方向必须相反。洪特规则：电子在能量相同的简并轨道上填充时，尽量分占不同的轨道，且自旋方向相同。此状态能量很低，有时甚至舍低能量轨道而就洪特规则。西昌学院三、原子结构和元素周期系的关系元素周期律元素的性质随着核电荷的递增而呈周期性变化的规律。造成元素周期律的原因在于其核外电子的周期性变化，即总是从ns开始过渡到np结束，电子排布的周期性导致了元素性质的周期性。每个能级组就相当于一个周期。每周期的元素数目就等于该能级组轨道所能容纳的最大电子数。中性原子的最外层电子的主量子数就是该元素所在的周期。。