第七章 原子的壳层结构及 基态光谱项

原子物理学(Atomic Physics)
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2．电子排列的壳层结构
不论在强磁场中还是弱磁场中，主量子数相 同的电子构成一个壳层；同一壳层内，相同L的 电子构成一个支壳层（一个壳层内有几个支壳 层），壳层和支壳层表示为：
n= 1 2 3 4 5 6 7 … 壳层名称 K L M N O P Q …
(2) 物理性质 1) 电离能在同一周期中，自左向右总体
上由小变大，到稀有气体时达到最大值. 2)光谱具有周期性,例如:所有的碱金属
原子的光谱，具有相仿的结构，实验上可观 察的谱线一般分为四个线系.
3)原子体积:一摩尔物质碱金属原子的 体积最大.
4)体膨胀系数: 碱金属原子的体膨胀系 数最大.
logI/eV
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第七章 原子的壳层结构及 基态光谱项
§7.1 元素性质的周期性变化 及壳层结构
§7.2 电子的壳层构造 §7.3 原子基态光谱项的确定
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§7.1 元素性质的周期性 变化及壳层结构
一、元素性质的周期性
1.元素的周期律ห้องสมุดไป่ตู้
元素的物理、化学性质随原子序数逐渐变 化的规律叫做元素周期律。
1850年，德国人培顿科弗宣布，性质相似的元素并不 一定只有三个；性质相似的元素的原子量之差往往为8或8 的倍数。
1862年，法国化学家尚古多创建了《螺旋图》，他创 造性地将当时的62种元素，按各元素原子量的大小为序， 标志着绕着圆柱一升的螺旋线上。他意外地发现，化学性 质相似的元素，都出现在同一条母线上。
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门捷列夫 (1834~1907)， 俄罗斯化学家,生在 西伯利亚。他从小 热爱劳动，喜爱大 自然，学习勤奋。
门捷列夫的格言： “什么是天才？终 身努力，便成天 才！”
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2.门捷列夫的元素周期表
1867年，担任教授的门捷列夫正在着手著述 一本普通化学教科书《化学原理》。在著书过程中， 他遇到一个难题，即用一种怎样的合乎逻辑的方式 来组织当时已知的63种元素。 1869年3月1日这 一天，他先把常见的元素族按照原子量递增的顺序 拼在一起，之后是那些不常见的元素，最后只剩下 稀土元素没有全部“入座”，门捷列夫无奈地将它 放在边上。从头至尾看一遍排出的“牌阵”，门捷 列夫惊喜地发现，所有的已知元素都已按原子量递 增的顺序排列起来，并且相似元素依一定的间隔出 现。 第二天，门捷列夫将所得出的结果制成一张 表，这是人类历史上第一张化学元素周期表。
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3.元素性质的周期性
(1)化学性质 1) 各主族元素具有相同的化合价； 2）各主族元素其氧化值相似、化学性质
相似； 3) 同一周期元素，从左到右电负性加大；
同一族元素，从上到下电负性递减。(电负性 是指一个原子获得电子能力的大小 ).
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1863年，英国化学家欧德林发表了《原子量和元素符号 表》，共列出49个元素，并留有9个空位。
1864年,德国化学家迈尔早在就已发明了“六元素表”， 他对“六元素表”进行了递减，提出了著名的《原子体积周期 性图解》。该图解比门氏的第一张化学元素表定量化程度要强， 因而比较精确。但是，迈尔未能对该图解进行系统说明，而该 图解侧重于化学元素物理性质的体现。
（2）在作排列时，门捷列夫还发现有三处缺位, 他预言了这几种元素的存在以及它们的性质。后来 这些元素在实验中先后被发现，它们分别是钪(Sc)， 镓(Ga)和锗(Ge)。而且性质也与门氏的预言吻合。
（3）他还根据周期律更正了铟等元素的原子量。
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1865年，英国纽兰兹正在独立地进行化学元素的分类研 究，在研究中他发现了一个很有趣的现象。当元素按原子量递 增的顺序排列起来时，每隔8个元素，元素的物理性质和化学 性质就会重复出现。由此他将各种元素按着原子量递增的顺序 排列起来，形成了若干族系的周期。纽兰兹称这一规律为“八 音律”。这一正确的规律的发现非但没有被当时的科学界接受， 反而使它的发现者纽兰兹受尽了非难和侮辱。直到后来，当人 们已信服了门氏元素周期之后才警醒了，英国皇家学会对以往 对纽兰兹不公正的态度进行了纠正。
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（1）门捷列夫在创制周期表时，没有完全按照 原子量的大小排列，而是严格遵守了“同族元素性 质相近”这一规律。他调整了6个元素的位置:18 Ar 氩39.94 --19 K钾39.098 ，27 Co钴58.9332 --28 Ni镍 58.69 ，52 Te碲127.6 --53 I碘126.905 。
元素周期律的发现是许多科学家共同努力 的结果。 从1789年拉瓦锡开始到1869年门捷列 夫完成化学元素周期表,共用了80年的时间。
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1789年，拉瓦锡出版的《化学大纲》中发表了人类历 史上第一张《元素表》，在这张表中，他将当时已知的33 种元素分四类。
1829年，德贝莱纳在对当时已知的54种元素进行了系 统的分析研究之后，提出了元素的三元素组规则。他发现 了几组元素，每组都有三个化学性质相似的成员。并且， 在每组中，居中的元素的原子量，近似于两端元素原子量 的平均值。
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I1和I2与Z的关系
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二、壳层模型与玻尔的解释
1．核外电子排布的壳层模型
1916年德国物理学家瓦尔特·柯塞尔（电价理 论的创始人）提出了多电子原子中的电子分布主壳 层模型，即主量子数相同的电子处于同一主壳层中。 对应于n=1，2，3，4，…的主壳层分别用K，L， M，N，…来表示。在同一主壳层中，不同的轨道 角量子数l又分成几个不同的分壳层，常用s，p，d， f，…表示l=0,1,2,3,…的各种转动态。这就是我们 现在知道的角量子数。