原子的壳层结构

那么哪个位置最好呢？前先肯定靠前 一点的更好，但并不是说前面的就比后面的 好，第一排最边上的位置肯定没有第二排中 间的位置好。
原子的能级高低也一样，并不是完全 由主量子数决定，轨道角量子数也会影响能 级的大小，某些n小而l大的能级可能要高于 n大而l小的能级。从而打乱了能级的正常次 序，电子的填充次序也跟着改变。
以上四个量子数知道后才能确定一个电子的状态。
1、根据泡利不相容原理：在原子中不能有两个 或两个以上电子处在同一状态。
比方：在一栋楼中，有不同的楼层（即为主壳层，这是一 个大的范围）；每层有不同的房间（次壳层，更小一点的范 围），而且第一层，只有一个房间0号，第二层有两个房间0 号和1号，第三层3个0号1号和2号；房间里有些双人桌（桌子 好比轨道，双人好比电子自旋），0号房间只有一张双人桌， 所以最多坐2个人，因为它只有两个位置（不能有两个以上的 人坐同一个位置），2号房间则有3张桌子，所以最多能坐6个 人。明白了吧？这里的同一状态是指4个量子数都相同，好比 这里的楼层、房间、桌号以及同一桌子的左和右。我们前面 讲过的同科电子就好比在同一个教室的同学（所处的主量子 数和轨道角量子数相同）
和7.2所示。
二、电子壳层结构

为了解释元素这些性质的周期规律，玻尔认 为原子内的电子按一定壳层排列，即第一主 壳层电子的主量子数为1，第二主壳层电子的 主量子数为2，依次类推，分别用大写的K，L， M，N，O，P，Q表示n=1，2，3，4，5，6，7 的主壳层。换句话说：我们前面学习的主量 子数其实是用来描述电子的运动区域或者说 轨道的大小，决定了电子能量的主要部分。
第1主壳层为2个第2主壳层8个第3主壳层能容纳18个电子第四主壳层能容纳32个电子周期表中第一周期两个元素第二周期8个元素这刚好和主壳层容纳的电子数相符但从第三周期开始就不相符了这是什么原因呢
内容提要： 1、第六章 元素性质的周期性变化； 2、原子的壳层结构。 目的要求： 1、掌握电子壳层填充所遵循的规律，理解泡 利原理和能量最小原理； 重点难点： 1、电子壳层填充所遵循的规律 教学内容：




内容提要： 1、 原子基态的电子组态 目的要求： 1、掌握原子基态的电子组态和原子基态确 定； 2、对原子结构有一个较全面的了解。 重点难点： 1、原子基态确定 教学内容：
三、原子基态的电子组态
第一周期：
元素原子中的电子处在第1主层，只有一 个支壳层，能容纳两个电子，所以只有两种元 素，氢和氦，氢只有一个电子，基态的组态是 2 1s．由此得到的原子态是 S 。氦有两个电子， 在基态时，都在1s态，L=0这是没问题的，S=0 是为什么呢？所以J=0，形成原子态 ．
在每一个主壳层中又有若干个次壳层，也就
是说有若干种轨道的形状。用轨道角量子数l 来描述，l=0，1，2，3，4，5，6…分别用小 写的s,p,d,f,g,h,i…表示。次壳层的数量由 主壳层决定，共有n个次壳层，l最大取(n-1)。
每一种形状的轨道又有若干种轨道的取向。
如：p电子的轨道有3种可取的方向，d电子 的轨道有5种可取的方向。用ml表示，ml最 大为l,最小为-l，中间依次差1。 而且每个电子的轨道确定后，还要考虑 它的自旋，有两种取向，一正一负，用 ms 表示，分别为1/2和-1/2。
原子的壳层结构
主壳层n K（1） L(2) M(3) N(4)
次壳层l 电子数 总电子数
s(0) 2 2
s(0) p(1) s(0) p(1) 2 8 6 2 6 18
d(2) s(0) p(1) d(2) f(3) 10 2 6 32 10
14
由上表就可以看出：每个次壳层最多容纳的 电子数为 2 2l+1 每个主壳层所能容纳的电子最 2 多数 2n 个 。
从表7．2和表7．3中可以看到，在第三壳层中，到 现在为止还有第三次壳层(3d电子3完全空着．下一个 元素是周期表中第十九位的钾，它的 第十九个电子 是否填补在3d上呢？光谱的观察和它的其他性质都显 示出最后填补的不是3d电子．钾原子中十八个电子已 经构成一个完整的壳层体系，第19个电子就要决定原 子态的性质，如果这是3d电子，原子的基态就得是2D， 2 S1 但由实验得出基态是 。足见钾的最外边的电子已 2 经进入第四壳层开始一个新周期．第三周期到氩已结 束。共有八种元素。
第五周期：
到了氪，第四壳层中还有4d和4f的地位完全空 着．下一种元素是铷(z＝37)．由于同钾相仿的理由， 它的第三十七个电子不进入4d而填5s态．这就开始了 第五周期．这个周期也有十八种元素．情况同第四周 期相仿．在头两种，铷和锶中填补了5s电子．从钇(z ＝39)起到钯(Z=46)陆续填补4d电子，这些是这个周 期的过渡元素．在第四十七元素银中，4d填满而有一 个5s电子，它同铜有相仿的电子结构，因而也有相仿 的性质．下一元素镉中5s填满．从铟(Z=49)到氙(z＝ 54)陆续填补5p电子．这些元素具有同前几个周期中 相应元素的性质．氙已是第五周期的最后一个元素。
因此锂原子的基态应为 这样的情况．
s1 1/ 2， s12 1,0 s2 1/ 2， S 1/ 2 s3 1/ 2
所以J=1/2，
2
S1
，光谱的观察证实了
2
做一做
第二周期的第二种元素是铍，它有四个电子，请 写出它的基态的电子组态和原子态？ 注释：它的基态的电子组态是 1s 2 2s 2 ，L=0，关键是求S
我们这里更关注的是它们的物理性质：如 光谱结构特点、电离能、原子的体积等。 光谱特点：第四章中我们知道，锂、钠、 钾等碱金属具有相似的 光谱结构（都 属于双线体系），第5章中我们又学了氦、 铍、镁等两个价电子的原子也具有类似的 光谱结构（它们都有两套光谱，一套单线， 一套三线）。
电离能、原子体积的周期性如图7.1
周期表中第一周期两个元素，第二周期8 个元素，这刚好和主壳层容纳的电子数相符， 但从第三周期开始就不相符了，这是什么原 因呢? 原子中每一个壳层能容纳这么多个电子， 那么如果原子中的电子不能排满时，这些 电子处在什么养成呢？比如说，你去看演 出，你进场的时候先坐哪个位置呢？你会 在剩余的位置中找一个视觉效果最好的位 置对吧。原子中电子的排列也是类似的。
1 2
1
S0
第二周期：
电子开始排第二壳层时进入第二周期， 第一种是锂．锂原子的原子序数是3，具有 三个电子．在基态时这三个电子中的两个填 满了第一壳层，第三个电子必须进入第二壳 层，并尽可能填在最低能级，所以是个2s电 子．这样，电子组态是 1s 2 2s ,
原子的基态应该是：
l1 0， L12 0 l2 0， L 0 l3 0
(2l+1)是指同一轨道角动量中有21个ml的 取值，2是指同一ml又有2个自旋方向。在同一 主壳层中所能容纳的电子数即为所有次壳层最 大电子数l之和
刚才我们在讨论时并没有考虑电子自旋 与轨道运动之间的相互作用。不过即使考虑 这一作用也不会影响到结论。只不过这时用 的是n,l,j,mj四个量子数来描述，其本质是 一样的，因为由两种自旋的取向，所以产生 了两个j=l+1/2,l-1/2，而此时总角动量的取 2 向又有 2n 种，即mj=j,j-1,…,-j,所以每个 次壳层所能容纳的最多电子数仍为2l+1,每一 2 2n 个主壳层能容纳的电子数仍为 个。第1主 壳层为2个，第2主壳层8个，第3主壳层能容 纳18个电子，第四主壳层能容纳32个电子，
1 2
如果原子中的电子刚好填满一个次壳层， 而无多余的电子时，原子态必定为 。 1 如表 中的 10 号元素、 12 号元素、 18 号、 S7.3 0 20号元素原子的基态都是 .
1
S0
第三周期：
也有八种元素、从钠起到氩止．钠有十一个电子， 其中十个填入第一、第二壳层，构成如氖原子一样 的完整结构．所以第十一个电子最低必须进入第三 壳层，在基态时这是3s电子．钠的基态是 ，它 2 S1 具有同锂相似的性质，这以后七种原子中电子逐一 2 填补的情况同第二周期的原子相同，只是现在填补 在第三壳层．到了氩，第三壳层的第一、第二次壳 1 S0 层已填满、它的基态是 ，氩具有同氖和氦相仿 的性质，它也是惰性气体。

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一、元素性质的周期性变化

元素性质的周期性变化大家在中学化学中就有了较 多的了解，就是1869年，俄国科学家门捷列夫发现： 元素的性质随着原子量（后来发现是原子核的电荷 数——原子序数）的增加呈现周期性的变化，在此 基础上，门捷列夫创立了元素周期表。大家看到表 7.1，其中列出了103种元素，在98版的新华字典上 有109种元素，据报道，目前已合成到了116号元素， （93号以后的元素自然界中不存在。美国劳伦 斯· 利弗莫尔国家实验室10月16日宣布，该实验室 科学家与俄罗斯科学家合作，利用俄方的回旋加速 器设备，成功合成了118号超重元素，并观察到其 存在了不到1毫秒时间）。元素周期表共列成7个周 期，其中排在同一列的元素称为同一族元素，它们 具有相类似的化学性质，这些大家在中学时都已经 知道了。
2、能量最小原理
在满足泡利不相容原理的基础上还应 满足能量最小原理：基态时原子中电子的 排布总是使整个原子的能量最小。
因为体系的能量越低，系统越稳定，这是物理学 中的普遍规律。换句话说，电子在原子中排布时， 总是先占据能量最低的壳层和位置。（好比你看电 子影时总是在不和别人争位置的基础上找一个最好 的位置。）
2s 3s
2p
3p
4p
3d
4s 5s 6s 7s
4d 5d 6d 7d
4 f 5 f 6 f 7 f
5p
6p 7p
5g 6g 7g
从这个图表中可以得出元素周期表中各 个周期的元素种数，分别为2，8，8，18， 18，32，与周期表中的数据完全相同。 有了以上的知识，我们可对任求出任意一 种元素处在基态时的电子组态（确定它的主 壳层我次壳层），至于更精细的能级结构， 则可依据洪特定则。
s1 1 / 2 S12 1, 0 s2 1 / 2 S 0 s3 1 / 2 S 1, 0 34 s4 1 二壳层(n＝2)的第 一次壳层(l＝0)已填满．
1
结论：
当一个次守壳层被填满时，其总的S=0， L=0，J=0，也就是说，这些电子的轨道角动 量的和为0，自旋角动量的和也为0（原因就 在于不同方向的角动量刚好完全相互抵消）。 由此可见，在推断原子态时，满壳层的电子 可以不加考虑。如硼有5个电子，电子组态为 1s22s22p，前面四个电子满壳层，总角动量为 0，对原子态起作用的只有一个p电子，所以 2 其原子态为 P （J=3/2，1/2，用正常次序， 所以J取1/2）。
只考虑主量子数和轨道角量子数时徐光宪总结出一条 规律：能级的高低可由n+0.7l来决定。也就是原子中的 电子是按n+0.7l值的大小依次填充到壳层中。电子的填 充顺序是：1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,…为便于记忆，列成如下图表 的顺序。 1s
第四周期：
有十八种元素，开始是钾、上文指出、钾的第 十九个电子不进入3d态而填补在4s态，这是什么 理由呢?这是由于4s的能量低于3d的能量．按照基 态是能量最低的状态，所以在基态队这个电子先 补在4s态，那么为什么4s会低于3d呢？按照以前 的讨论，4s的轨道是一个偏心事很高的椭圆轨道， 它大原子实中的贯穿和引起原子实的极化都能使 它的能级下降．3d是圆形轨道、不会有贯穿，极 化作用也小，它的能级应该接近氢原于的能级， 因此4s能级低于3d是完全可以理解的．
如表7.3所示，第四周期中元素从钪（Z=21） 到镍（Z=28）是陆续填充3d电子的过程，这些元 素是这个周期的过渡元素，到铜(Z＝29)，3d电子 填满（本来轮到9个），留下一个4s电子，所以成 为1价的元素．下一种元素是锌。4s补满两个．以 后从镓到氪共六种元素、是陆续填补4p的过 程．这些元素同第二、三周期中填补p电子的那些 元素行相传的性质．氪是惰性气体，在这原子中 4s和4p部已填满，形成原子态