第七章原子的壳层结构

特点：
1．按周期表排列的元素，原子序数＝核外电子数 ＝质子数或原子核的电荷数；
2．共有七个周期，每个周期元素2、8、8、18、18、 32、28；同周期的元素性质不同，周期性变化；
3．有过渡族元素和稀土元素。
4．每一竖列叫一族，有８个主族和８个副族； 同族元素的价电子数相同， 光谱、能级、物理和化学性质相似；
幻数 2 10 18 36 54 86
三． 元素性质的周期性变化
按周期表排列的元素，其性质出现周期性的 变化：
1．元素的化学性质出现周期性的变化； 2．元素的光谱性质出现周期性的变化； 3．元素的物理性质显示周期性的变化。
元素电离能的周期性变化
原子体积、体胀系数和压缩系数随Z的变化也都显示出相 仿的周期性的变化。
第七章 原子的壳层结构
§7.1 原子性质的周期性 §7.2 原子的电子壳层结构 §7.3 原子基态的电子组态 §7.4 原子基态光谱项的确定 §7.5 X射线光谱
§7.1 元素性质的周期性
一.门捷列夫的发现
1869年俄国化学家门捷列夫发现：
1、元素的性质随着原子量的递增而发生周期性 变化，他把当时已发现的63种元素按原子量的递 增顺序排成一 行，并将性质相似的元素排在一 个列中，编成了元素周期表。
ms
自旋
s=1/2 代表自旋角动量，对所有的电子是相
量子 数s
同的，不能成为区别电子态的参数。
二.原子中电子分布遵从的基本原理
1.泡利不相容原理 2.能量最低原理
1. 泡利不相容原理
同一个原子中，不可能有两个或两个以上的电子 处在同一个状态；
即，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同 的四个量子数 (n, , m , ms ) 。
推论:
1. 一个原子中，n, 同的电子只能有一个；
, m , ms这四个量子数完全相
2. 具有相同量子数n, , m 的电子最多能有两个，
其ms分别为 1/2 ；
3. 具有相同量子数n, 的电子最多有2(2 +1)个；
（因为对每一个 , m 可取（2 +1）个值， 而对每一个m , ms又可以取两个值。）
l =0，1，2，3……的支壳层分别用 s，p，d，f……表示，
这些支壳层上的电子分别叫做 s电子、 p电子、 d电子、 f电子 ……
n1 2
3
4
5
…
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壳K L
M
N
层
O
…
支 壳
1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 5g …
层
Nl 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 18 …
Nn 2 8
18
32
∑Nn 2 10
28
60
50 … 100 …
表7.1 原子各壳层、次壳层能够容纳的电子数
l 0 1 2 3 4 5 6 Nn n Nl s p d f g h i
1K 2
2
2L 2 6
8
3 M 2 6 10
18
4 N 2 6 10 14
32
5 O 2 6 10 14 18
50
6 P 2 6 10 14 18 22
72
7 Q 2 6 10 14 18 22 26 98
2、能量最低原理
原子在正常状态时，每个电子在不违背 泡利不相容原理的前提下，总是趋向占有 最低能量的状态，以使原子系统的能量具 有最小值。
二、元素周期表
■ 经过整理，按照排列顺序，每个元素有一个 原子序数Z，现在知道，原子序数等于原子中 的电子数，也等于核电荷数；
■ 到2006/10/17，共发现118种元素，1994年底 是111种。
■ 只有92种是天然存在的，其余是人工制造的。
■ 这些元素都被填在周期表的适当位置上，构成了元 素周期表。
5．每个周期从金属元素开始到惰性气体为止．表中 左下部大半是金属，右上半部分是非金属。
元素的性质随着原子量（或原子序数Z或核外 电子数或核电荷数）的增加而呈周期性变化
周期表： 第一周期 第二周期 第三周期 第四周期 第五周期 第六周期 第七周期
H(Z=1)-----He(Z=2) Li(Z=3)-----Ne(Z=10) Na(Z=11)-----Ar(Z=18) K(Z=19)-----Kr(Z=36) Rb(Z=37)-----Xe(Z=54) Cs(Z=55)-----Rn(Z=86) Fr(Z=87)-----
轨道 角量 子数
代表轨道的形状（即电子云的形状）和轨道 角动量，且也与能量有关：
l
对于相同的n不同的l，l 越小轨道的偏心率越
大，能量越低；
轨道
磁量 代表轨道在空间的可能取向，即轨道角动量 子数 在某一特殊方向（例如磁场方向）的分量。
m
自旋 磁量 子数
代表自旋的取向，也代表自旋角动量在某一特 殊方向（例如磁场方向）的分量。
4. 具有相同量子数n 的电子最多有
n1
Nn 2(2l1)2n2 个 l0
壳层结构
主壳层：我们把原子中n相同的一切电子的集合称 为一个主壳层。
n=1，2，3，4，5，6，7，8……的壳层分别叫做
K，L，M，N，O，P，Q……壳层
支壳层： 在每一主壳层中，具有相同角量子数 l 的电子 的集合称为一个支壳层（亚壳层、次壳层）。
问题：
1．为什么元素性质按周期表顺序会出现出现周期性 的变化？
2．为什么每个周期的元素为2，8，8，18， 18…
3．为什么有过渡族元素和稀土元素？
这些问题都必须从原子结构去了解．只有对原 子结构有了彻底的认识，才能从本质上认识元素周 期表。
§7.2 原子的电子壳层结构
一．确定电子状态的量子数
一个在原子核的库仑场中运动的核外电子的状态， 可用四个量子数来确定。
1．主量子数 n =1,2,3 … … 2. 轨道角动量量子数 =0,1,2,3… …(n-1)
3．轨道磁量子数 m = 0, ±1, ±2,······,± 4. 自旋磁量子数 ms = ±1/2
量子数的意义
主量 代表电子运动区域的大小（即轨道的大小）和
子数 总能量的主要部分:
n
n 越大，能量越高，轨道范围越大；
2．性质与原子量的递增次序有矛盾时，以 元素性质为主．如：
K(钾）和Ar（氩）；Co( 钴）和 Ni(镍）；Te(碲）和I(碘）均调换了位置
3．预言三种元素的存在，在表中留了空位， 预言了它们的性质：
Ga(镓），Sc(钪）， Ge(锗）1875－1886 年间被陆续发现。后人又陆续发现了许多新元 素，相继填充到周期表中。