泡利不相容原理 原子的壳层结构

泡利不相容原理 能量最小原理
§4 泡利原理和原子的壳层结构
7
86
6
54
5
36
4
18
3
10
2
6d 5f
32
7s
6p
5d 4f
32
6s
5p
4d 18
5s
4p
3d 18
4s
3p 3s
8
2p
2s 8
2
1
1s 2
主壳层 次壳层
每一周期从填充 s 支壳层 开始，到填满 p 支壳层结 束（第一周期除外）。
开始填充 s 支壳层，化学 性质最活泼——碱金属原 子。
§4 泡利原理和原子的壳层结构
➢ 当前量子力学的重要应用
• 量子生物学 • 量子生命科学 • 量子神经网络 • 量子化学 • 量子材料科学 • 量子信息科学 • 量子计算机科学 • BEC器件、原子器件
目前，它正在向材料科 学、化学、生物学、信 息科学、计算机科学大 规模渗透。
预计不久的将来它将会 成为整个近代科学共同 的理论基础。
五种惰性气体的电子组态：
惰性气体
电子组态
He 1s2
Ne
1s22s22p6
Ar
1s22s22p63s23p6
Kr
1s22s22p63s23p64s23d104p6
Xe
…3s23p64s23d104p65s24d105p6
电子数（Z）
2 10
18 36 54
§4 泡利原理和原子的壳层结构
碱金属比惰性气体多一个电子，前四种碱金属 的电子组态：
——R. P. Feynman
碱金属
电子组态
Li (Z=3) 1s2 2s1
Na (Z=11) 1s22s22p6 3s1
惰性气体原子实
He Ne
K (Z=19) 1s22s22p63s23p6 4s1
Ar
Rb (Z=37) 1s22s22p63s23p64s23d104p6 5s1
Kr
§4 泡利原理和原子的壳层结构
五种卤族元素的电子组态：
§4 泡利原理和原子的壳层结构
(2) 泡利不相容原理
1924年泡利提出不相容原理：在一个原子中不可能有两个或
两个以上的电子处于完全相同的量子状态，也就是说，在一
个原子内部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, l, ml , ms。 费米子服从泡利不相容原理。
1869年门捷列夫：元素周期表; 1923年玻尔：用原子内部电子在轨
对单电子态的描述
s、p、d、f、g、h…
对应轨道角动量量子数
l 0, 1, 2, 3, 4, 5
§4 泡利原理和原子的壳层结构
2. 四个量子数
原子中电子的状态由4个量子数确定:
（n, l, ml , ms）
•主量子数n：
n=1, 2, 3,…
状态的能量主要由它决定;
•轨道角量子数l ： l = 0, 1, 2,…, (n-1) 它决定轨道角动量, 对能量也稍有影响;
支(次)壳层 ——按角量子数的不同而分的壳层。
支壳层符号 s p d f g h
角量子数 l 0 1 2 3 4 5
Zn
n1 l 0
2(2l
1)
2
2(2n 2
1)
n
2n2
原子中具有同一主量子数 n 的电子数最多为2n2
§4 泡利原理和原子的壳层结构
l0
1
2
3
4
5
6
Zn
ns
p
d
f
g
h
i
1,K 2(1s)
回顾：电子自旋
电子不是质点，有固有的自旋角动量 S / 2，
它在空间任何方向的投影只可能取两个值，即：
/ 2 。与自旋相联系的磁矩： e / 2m 。
自旋角动量: S2 s(s 1) 2, s 1 / 2
自旋角动量在z 方向的分量：
Sz ms ,
ms
s
1 2
§4 泡利原理和原子的壳层结构
1. 元素周期律
元素的周期性是原子内部电子的周期性排列的结果
§4 泡利原理和原子的壳层结构
4
§4 泡利原理和原子的壳层结构
原子的电离能随原子序数的变化
§4 泡利原理和原子的壳层结构
原子半径随原子序数的变化
§4 泡利原理和原子的壳层结构
原子中电子状态的描述及可能的状态数 早期光谱学用来标记光谱项的符号，也用来标记原子能级 和电子态,这套符号后来也应用于分子、原子核和粒子。 碱金属原子的光谱一般可观 测到四个线系：锐线系、主 线系、漫线系和基线系。 sharp, principal, diffuse and fundamental
2
2,L 2(2s) 6(2p)
8
3,M 2(3s) 6(3p) 10(3d)
18
4,N 2(4s) 6(4p) 10(4d) 14(4f)
32
5,O 2(5s) 6(5p) 10(5d) 14(5f) 18(5g)
50
6,P 2(6s) 6(6p) 10(6d) 14(6f) 18(6g) 22(6h)
§4 泡利原理和原子的壳层结构
光学—量子光学 电子学—量子电子学 电动力学—量子电动力学 统计力学—量子统计力学 经典场论—量子场论
化学—量子化学 生物学—量子生物学 宇宙学—量子宇宙学
网络—量子网络 信息论—量子信息论 计算机—量子计算机
就连国际投机家索罗斯的基金会也时髦的冠以 “量子”二字：“量子基金会”。
72
7,Q 2(7s) 6(7p) 10(7d) 14(7f) 18(7g) 22(7h) 26(7i) 98
原子中电子状态的表示:1s2--K壳层可容纳两个电子
§4 泡利原理和原子的壳层结构
4、能量最小原理: 每个电子优先占居能量最小的状态.
E
fd
f
d p
p s
f d
d p s
s
dp s
p s p s
§4 泡利原理和原子的壳层结构
小结：电子具有自旋，原子中电子态用四个 量子数来描述 ▪ 主量子数n: n=1,2,3,… ▪ 轨道角量子数l: l=0,1,2,…,(n-1) ▪ 轨道磁量子数ml: ml=0,1, 2,…, l ▪ 自旋磁量子数ms: ms=1/2
一组量子数（ n， l， ml ， ms ）决定一个状态
例、锂基态：3个电子： 1s2 2s1 硼基态：5个电子： 1s2 2s2 2 p1 钠基态：11个电子：1s2 2s2 2 p6 3s1 氯基态：17个电子：1s2 2s2 2 p6 3s2 3 p5 钾基态：19个电子：1s2 2s2 2 p6 3s2 3 p6 4s1
§4 泡利原理和原子的壳层结构
§4 泡利原理和原子的壳层结构
量子理论自20世纪20年代创立以来，直到现 在，已逐步成为核物理、粒子物理、凝聚态物理、 超流和超导物理、半导体物理、激光物理等众多 物理分支学科的共同理论基础。而且在量子理论 的框架内建立了弱电统一的标准模型；量子理论 进入了宇宙起源和黑洞理论。
总之，量子理论诞生后这80年来的发展，使 得：量子理论成为整个近代物理学的共同理论基 础。
原子中具有同一主量子数n的电子数最多为2n2
§4 泡利原理和原子的壳层结构
结束语
自从量子理论诞生以来，它的发展和应用一直广 泛深刻地影响、促进和触发人类物质文明的大飞跃。 一百多年的人类历史可以作证。
如果还不信，可以把所有学科名称前面冠以“量 子”二字，就会发现：已经形成或将要形成一门新 的理论和学问。除了物理学中以量子力学为主要理 论支柱的学科，其它学科也能直接添加“量子”二 字就形成新的理论和学问。
回顾：氢原子 氢原子中电子的库仑势能:
定态薛定谔方程：
2
2m
2
1 4 0
e2 r
E
En
mee4
2(40 )2
1 2 n2 ,
n 1,
2,
3,
n 1,2,3,
l 0,1, 2, , n 1 m 0, 1, 2, , l
氢原子能级的简并度为 n2，即对应主量子数n的能
级 En 有n2个本征态与之对应。
道上的排列来解释元素性质的周期性;
1924 年泡利：泡利不相容原理 元素性质的周期性变化， 来源于电子组态的周期性变化。
1945诺贝尔物理学 奖得主W. Pauli
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(3) 原子中电子的壳层结构 主壳层 ——具有相同主量子数n的状态构成一个主壳层
主量子数 n 1 2 3 4 5 6 壳层符号 K L M N O P
s
比较4s与3d
N= 1 2 3 4 5 6 7
一般讲n越小能量越 小，但是有时受 l 影 响，n壳层尚未填满， n+1 壳 层 已 经 开 始 有 电子填入了。
§4 泡利原理和原子的壳层结构
各能级的能量次序为：
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5. 原子的壳层结构 与元素周期律
电子填布原子中的各 个量子态遵循两个基 本原理：
•轨道磁量子数ml： ml=0, 1, 2, …, l 决定轨道角动量在外磁场方向的分量;
•自旋磁量子数ms： ms=1/2 决定自旋角动量在外磁场方向的分量;
§4 泡利原理和原子的壳层结构
3、泡利不相容原理 (1) 费米子和玻色子
实验表明，现在发现大多数微观粒子的自旋量子 数取半整数，如电子，中子，质子等的自旋均为 s=1/2； 此外也有一些基本粒子的自旋取整数，如：氘核、 光子（s=1）、 介子和K介子（s=0）等。 由此可以将微观粒子分为: 费米子：自旋量子数取半整数，即 s = 1/2, 3/2,… 玻色子：自旋为整数，即 s = 0，1，…
§4 泡利原理和原子的壳层结构
Anyone who is not shocked by quantum theory has not understood it.
——Niels Bohr
I think I can savely say, nobody understands quantum mechanics 。
卤族元素
电子组态
电子数（Z）
F
1s22s22p5
百度文库
9
Cl
1s22s22p63s23p5
17
Br
1s22s22p63s23p64s23d104p5
35
I
…3s23p64s23d104p65s24d105p5
53
At
…4p65s24d105p66s24f145d106p5
85
卤族元素的电子组态最外壳层加上电子才能形成闭合壳 层，所以容易从外界获得一个电子，形成闭壳层结构， 从而和其它原子形成稳定的分子，表现出强的非金属性。
填满 p 支壳层，构成满壳 层， Z=2, 10, 18, 36, 54, 86，化学性质最稳定— —惰性元素。
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6p
5d 4f
32
6s
5p
4d 18
5s
4p
3d 18
4s
3p 3s
8
2p
2s 8
2
1
1s 2
主壳层 次壳层
电子填充3d，4d态的元 素是过渡元素。
电子填充4f，5f 态的元 素是镧系和锕系，它们 的性质极为相近。
§4 泡利原理和原子的壳层结构
§4 泡利原理和原子的壳层结构
电子组态：对于由量子数（n,l）确定的支壳层，写 出n值，接着写出支壳层字母符号，然后把电子数 标示在右上角，指明这一支壳层中的电子数。把各 个轨道按顺序写，便是电子组态。