元素结构和原素周期系.ppt

5.6 基态原子的核外电子排布（ground-state  electron configuration） (1) 基态原子的电子组态 原子的电子组态(又称电子构型)是一种标示形式,这种形式能反映出该原子中所有电子占据的亚层轨道. 例如, 氩原子(Z=18)的基态电子组态标示为: Ar 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 钾原子(Z=19)的基态电子组态标示为: K 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 (或 [Ar]4s1 ) 根据原子光谱实验和量子力学理论, 基态原子的核外电子排布服从构造原理(building up principle). 构造原理是指原子建立核外电子层时遵循的规则. (2) 构造原理 ◆ 泡利不相容原理(Pauli exclusion principle)： ◆ 最低能量原理(Aufbau principle) : 电子总是优先占据可供占据的能量最低的轨道, 占满能量较低的轨道后才进入能量较高的轨道. 根据顺序图, 电子填入轨道时遵循下列次序： 1s 2s 2p 3s 3p 4s 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p 铬(Z = 24)之前的原子严格遵守这一顺序, 钒(Z = 23)之后的原 子有时出现例外. 同一原子中不能存在运动状态完全相同的电子, 或者说同一原子中不能存在四个量子数完全相同的电子.例如, 一原子中电子A和电子B的三个量子数n, l, m已相同, ms就必须不同. quantum number n l m ms electric A electric B 2 2 1 1 0 0 +1/2 -1/2 ◆ 洪特规则 (Hund’s rule)： 电子分布到等价轨道时, 总是尽先以相同的自旋状态分占轨道.即在 n 和 m 相同的轨道上 分布电子, 将尽可得分布在 m 值 不同的轨道上, 且自旋相同. 例如 Mn 原子3d 轨道中的 5 个电子按下面列出的方式(a) 而不是按方式(b)排布. 洪特规则导致的结果之一是, 电子总数为偶数的原子(分子和离子)也可能含有未成对电子.显然, s、p、d 和 f 亚层中未成对电子的最大数目为 1、3、5 和 7, 即等于相应的轨道数. 未成对电子的存在与否, 实际上可通过物质在磁场中的行为确定：含有未成对电子的物质在外磁场中显示顺磁性(paramagnetism), 顺磁性是指物体受磁场吸引的性质；不含未成对电子的物质在外磁场中显示反磁性(diamagnetism), 反磁性是指物体受磁场排斥的性质. (b) [Ar] (a) [Ar] 3d 4s Question 8 根据Hund’s rule, 下列三种排布中哪一种是氮原子的实际电子组态? 波动力学模型是迄今最成功的原子结构模型, 它是1920年代以海森堡(Heisenberg W)和薛定锷(Schrodinger E)为代表的科学家们通过数学方法处理原子中电子的波动性而建立起来的. 该模型不但能够预言氢的发射光谱(包括玻尔模型无法解释的谱线), 而且也适用于多电子原子, 从而更合理地说明核外电子的排布方式. Heisenberg W Schrodinger E 5.4.1 测不准原理和波动力学的轨道概念 ● 海森堡的测不准原理 （Heisenberg’ uncertainty principle ） 如果我们能设计一个实验准确测定微粒的位置, 那就不能准确测定其动量, 反之亦然. Δx ·Δp≥ h/(4π) 如果我们精确地知道微粒在哪里, 就不能精确地知道它从哪里来, 会到哪里去;如果我们精确地知道微粒在怎样运动, 就不能精确地知道它此刻在哪里. ● 重要暗示——不可能存在 Rutherford 和 Bohr 模型中行星绕太阳那样的电子轨道 ● 具有波粒二象性的电子，已不再遵守经典力学规律，它们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间几率分布，即电子的波动性与其微粒行为的统计性规律相联系. 因此, 实物的微粒波是概率波, 性质上不同于光波的一种波. 波动力学的轨道概念与电子在核外空间出现机会最多的区域相联系. 但是，测不准关系不是限制人们的认识限度，而是限制经典力学的适用范围，说明微观体系的运动有更深刻的规律在起作用，这就是量子力学所反应的规律. 即不可能同时测得电子的精确位置和精确动量 ！ （1）主量子数 n (principal quantum number)