第七章 原子的壳层结构.pptxVIP

第七章原子的壳层结构;各种元素的化学性质和物理性质的变化显示出高度的规律性。这实际反映了原子结构的情况。以上几章讨论了原子中电子所处的状态及有关原理，现在已有可能对原子的结构进行较全面地描述。本章将扼要地讨论原子的电子壳层结构和它同元素性质的周期性变化的关系。;§7.1元素性质的周期性变化;;第一个对周期表给予物理解释的是玻尔，他在1916年至1918年期间，把元素按电子组态的周期性排列成表。当时对未发现的第72号元素，按以前的周期表，人们认为它应属稀土元素，但按照玻尔的排列方法，它应该类似于锆。1922年，在哥本哈根大学的玻尔创立的研究所里，确实从锆矿中找到了这一新元素，并定名为铪(Hf，Hafnium，哥本哈根的拉丁拼法)。这里，玻尔依靠的是“直觉”。只是在1925年泡利提出不相容原理之后，才比较深刻地理解到，元素的周期性是电子组态的周期性的反映，而电子组态的周期性则联系于特定轨道的可容性。这样，化学性质的周期性用原子结构的物理图像得到了说明，从而使化学概念“物理化”，化学不再是一门和物理学互不相能的学科了。;按照化学性质和物理性质排定的元素周期表中，共有七个周期。

第一周期只有两种元素，氢和氦。

第二和第三周期各有八种元素。

第四和第五周期各有十八种元素。

第四周期从钪（Z=21）到镍（Z=28）八种元素和第五周期中从钇（Z=39）到钯（Z=46）八种元素种为过渡元素，有它们的特有性质，例如有较高的磁化率。

第六周期有32种元素。

其中包括一些过渡元素和从镧（Z=57）到镥（Z=71）一组稀土元素；这些稀土元素具有相仿的化学性质，都是三价的金属。;第七周期是没有满的一个周期，其中也有一组锕系元素，具有同前一周期中稀土元素相仿的性质。

元素周期系中所有各周期依次含有2、8、8、18、18、32、17种元素，而其中又有所谓过渡元素和稀土族这类元素的存在，这都得从原子的电子结构中去了解。

元素的光谱性质也显示周期性的变化。如碱金属元素有相仿的光谱结构。

;在多电子原子中，决定电子所处状态的准则有两条，一是泡利不相??原理；一是能量最小原理，即体系能量最低时，体系最稳定。周期表就是按照这两条准则排列的。我们先来考察一下，由第一条准则如何决定壳层中电子数目；然后，再看第二条准则如何决定壳层的次序。;原子中一个电子的状态;电子组态的能量—壳层的次序?;考察右图：当电子壳层确定时，原子中各壳层电子的结合能与原子序数Z的关系曲线（曲线来自实验结果，用量子力学也可以算出来）。图中用的能量单位是Ry（1Ry=13.6eV），即里德伯单位。由此可以看出，从电子壳层1s到3p，所示情况都与原子的电子组态和基态表或上图给出的结果相符。;但再往下（即3d以后的壳层）电子究竟先填入3d还是先填入4s则不一定。这是由于4s与3d的n大，致使轨道远了，故在一些区域中，4s壳层的能量低于3d壳层的能量，故电子先填入4s。

等电子体系光谱：如钾原子和具有同钾原子K相等电子数的离子的光谱。这些离子是Ca+，Sc2+，Ti3+，V4+，Cr5+，Mn6+。都是具有十九个电子的体系，结构相似，都有一个由原子核和十八个电子构成的原子实，并有一个单电子在这样的原子实的场中运动着；不同的是这些体系的核电荷数Z不同。;式中Z*是有效电荷数，它已经把轨道贯穿和原子实极化等效应都包含在内，Z*的数值对中性原子在1和Z之间；Z是原子核的电荷数。对一次电离的离子，Z*在2和Z之间；对二次电离的离子，在3和Z之间；余类推。因等电子的是不同的，故Z*可表示为Z-σ。;由上式可知，把上述等电子原子体系的数据作图，则具有相同n值的诸点会落在一条直线上，直线的斜率为1/n，如下图所示。从图中可以

看到，壳层32d的谱项值

与42s的究竟谁大是有区

别的。电子填充的次序

决定于哪个壳层的能量

最低，但根据现有的知

识，我们还无法确定究

竟哪个壳层的能量最低，

因为这要用到量子力学

才能在理论上给出，故

现在只要求对这种关系

有一个定性的了解。;为了便于记忆，我们把电子填入壳层次序的经验规律总结于下表（极个别情况例外）。这里必须说明一下，下表中给出的是外层电子的逐一填充次序，不能理解为内层电子能级的次序。;电子如何

填充壳层

能量最低;例如，sp电子组态可以产生

1P1，3P2，1，0四个原子态；

而np2（或者np4）电子组态可以产生

1S0，1D2，3P2，1，0五个原子态。

现在的问题是：这些原子态的能量次序怎么样？如何排列？哪一个能