第5章-多电子原子只是课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第5章-多电子原子,能级,1谱线的特点,我们知道碱金属原子的光谱分为四个线系：,主线系：锐线系：,漫线系：基线系：,实验表明，氦原子的光谱也是由这些线系构成的，与碱金属原子光谱不同的是：氦原子光谱的上述四个线系都出现双份，即两个主线系，两个锐线系等。实验中发现这两套谱线的结构有明显的差异，一套谱线由单线构成，另一套谱线却十分,单线-四个线系均由单谱线构成,主,锐线系由三条谱线构成,复杂。具体情况是：光谱 多线-,漫,基线系由六条谱线构成,氦原子的光谱由两套谱线构成，,一套是单层的，另一套是三层，这两套能级之间没有相互跃迁，它们各自内部的跃迁便产生了两套独立的光谱，早先人们以为有两种氦，把具有复杂结构的氦称为正氦，而产生单线光谱的称为仲氦，现在认识到只有一种氦，只是能级结构分为两套。,5.1 He,原子的光谱和能级,一、光谱,分成主线系、第一辅线系、第二辅线系等，每个线系有两套谱线。,二、能级,He,原子的能级也分为两套，一套是单层的，一套是三层的。,能级和能级图,什么原因使得氦原子的光谱分为两套谱线呢？我们知道，原子光谱是原子在不同能级间跃迁产生的；根据氦光谱的上述特点，不难推,单层结构:,1,S,1,P,1,D,1,F,-仲,氦,测，其能级也分为两套：,三层结构:,3,S,3,P,3,D,3,F-,正,氦,3能级和能级图的特点,1）能级分为两套，单层和三层能级间没有跃迁；氦的基态是,1s1s,1,S,0,；,2）状态,1s1s,3,S,1,不存在，且基态,1s1s1S,0,和第一激发态,1s1s,3,S1,之间能差很大；,3）所有的,3,S,1,态都是单层的；,4）,1s2s,1,S,0,和,1s2s,3,S,1,是氦的两个亚稳态；（不能跃迁到更低能级的状态称为亚稳态,当原子处在亚稳态时，必须将其激发到更高能，方可脱离此态回到基态）,5）一种电子态对应于多种原子态。不仅氦的能级和光谱有上述特点，人们发现，元素周期表中第二族元素,的光谱都与氦有相同的线系结构。即原子实+2个价电子。,由此可见，能级和光谱的形成都是二个价电子各种相互作用引起的.,1,单层能级之间跃迁产生一组谱线,主线系：,第一辅线系：,第二辅线系：,基线系：,2,三层能级之间的跃迁产生一组复杂结构的谱线,主线系：,三个成份,第一辅线系：,六个成份,第二辅线系：,三个成份,基线系：,六个成份,3,两套能级之间不产生跃迁,5.2,角动量耦合和对,He,光谱的解释,电子的组态,1.定义：两个价电子处在各种状态的组合，称电子组态。,比如，氦的 两 个 电子都在,1s,态，那么氦的电子组态是,1s1s,；一个电子在,1s,，另一个到,2s 2p 3s 3d,构成激发态的电子组态。对于氦,两 个 电子的主量子数,n,都大于1，构成高激发态，实验上不容易观测，它需要很高的能量激发。,2.电子组态 与 能级的对应,电子组态一般表示为,n,1,l,1,n,2,l,2,；组态的主量子数和角量子数不同，会引起能量的差异，比如,1s1s,与,1s2s,对应的能量不同；,1s2s,与,1s2p,对应的能量也不同。一般来说，主量子数不同，引起的能量差异会更大，主量子数相同，角量子数不同，引起的能量差异相对较小一些。,在氦的第二族元素中，考虑自旋后，在一种电子组态,n,1,l,1,n,2,l,2,中，两个价电子分别有各自的轨道和自旋运动，因此存在着多种相互作用，使得系统具有的能量可以有许多不同的可能值。而每一种能量的可能值都与一种原子态，即一个能级相对应。我们说，这些原子态便是该电子组态可能的原子态。,同一电子组态可以有多种不同的能量，即一种电子组态可以与多种原子态相对应。我们知道，一种原子态和能级图上一个实实在在的能级相对应。对碱金属原子，如果不考虑自旋，则电子态和原子态是一一对应的，通常用,n,l,表示电子态，也表示原子态;如果考虑自旋，则由于电子的 与 的相互作用，使得一种电子态,n,l,（即原子态）可以对应于两种原子态,n,2,L,j1,n,2,L,j2,;,在碱金属原子中，我们曾讨论过价电子的轨道与自旋的相互作用，在那里我们看到 与 合成总角动量 ，；求得了 的可能值，就得到了能量的可能值E,nlj,；在 两 个 价电子的情形中，每一个价电子都有它自己的轨道 与自旋运动，因此情况比较复杂。设 两 个 价电子的轨道运动和自旋运动分别是,l,1,l,2,s,1,s,2,，则在 两 个 电子间可能的相互作用有六种：G,1,(,s,1,s,2,)G,2,(,l,1,l,2,),G,3,(,l,1,s,1,),G,4,(,l,2,s,2,),G,5,(,l,1,s,2,),G,6,(,s,2,l,1,),通常情况下，G,5,G,6,比较弱，可以忽略，下面我们从原子的矢量模型出发对G,1,G,2,和G,3,G,4,分别进行讨论。,一、不同电子组态,二、一种电子组态构成不同原子态,四种运动之间有六种相互作用：,一般来说，、比较弱，可以忽略。,当 、,、时，,L-S,耦合,1、,L-S,耦合,当 时，共 个,当 时，共 个,我们得到了整个原子的各种角动量(L,S,J)；从而得到各种不同的原子态，我们可以一般性地把原子态表示为:,总角动量 ，根据上述耦合法则,其中,对于两个价电子的情形：s=0,1.当s=0时，j=,l,s=1；,当,s=1时,。由此可见，在两个价电子的情形下，对于给定的,l,，由于s的不同，有四个j,而,l,的不同，也有一组j，,l,的个数取决于,l,1,l,2,；可见，一种电子组态可以与多重原子态相对应。此外，由于s有两个取值：s=0和s=1，所以2s+1=1,3;分别对应于单层能级和三层能级；这就是氦的能级和光谱分为两套的原因。,原子态及其状态符号,其中:分别是两个价电子的主量子数和角量子数,例,3,：,原子中有两个电子，当它们处于,3p4d,态时，原子有哪些可能的状态。,洪特定则,：从同一电子组态形成的能级中（1）重数最高即S值最大的能级位置最低,（2）重数相同即具有相同S值的能级中，那具有最大L值的位置最低,朗德间隔定则,：能级的二相邻间隔同有关的二J值中较大那一值成正比,二、,j-j,耦合,当 、,、时，,例,4,：,利用,j-j,耦合，求,3p4d,态的原子态。,解：,仍有,12,个态，且 值相同。,一般的原子态表示为：,三、电子组态和原子态,电子组态：,(),如：,原子态：,(),由元素组态的能级实际情况可判断原子态属哪种耦合。,JJ耦合一般出现在某些高激发态和较重的原子中,耦合和 耦合的关系,（1）元素周期表中，有些原子取 耦合方式，而另一些原子取,耦,合方式，还有的原子介于两者之间；,（2）同一电子组态，在 耦合和 耦合中，形成的原子态数目是相同的。,在前几章的学习中，我们就看到：一个价电子的原子，在不同能级间跃迁是受一定的选择定则制约的.对,l,和,j,的要求是，跃迁后,这就使得有些能级的跃迁是可能的，而有些跃迁又是不可能的。多电子原子的情形下，一种电子组态对应多种原子态。总体来说，这时的选择定则由两部分构成；,一是判定哪些电子组态间可以发生跃迁；如果可以，那么又有哪些能级间可以发生跃迁。,1.拉波特 定则:电子的跃迁只能发生在不同宇称的状态间,只能是偶性到奇性.,宇称守恒定律:孤立体系的宇称不会从偶性变为奇性,或做相反的改变,不过我们知道，形成光谱的跃迁只发生在价电子上，跃迁前后内,层电子的 值并不改变。因此判定跃迁能否发生只要看价电子的,值加起来是否满足（1）式即可。,对于一个价电子的情形，在奇偶数之间变化即可。对于两个价,电子的情形，在奇偶数之间变化即可，,Laporte,定则使得同,一种电子组态形成的各原子态之间不可能发生跃迁。,2选择定则,1）耦合,2）耦合,四、,He,原子能级的形成,1,能级分为两套：,2,L-S,耦合的辐射跃迁选择定则：,除外,),3,光谱分为两套,跃迁只能发生在不同宇称的状态间.,j j耦合:,5.3,泡利不相容原理,我们知道，电子在原子核外是在不同轨道上按一定规律排布的，从而形成了元素周期表。中学阶段我们就知道，某一轨道上能够容纳的最多电子数为2n,2,，为什么这样呢？,He原子的基态电子组态是1s1s；在 耦合下，可能的原子态是(1s1s),1,S,0,和(1s1s),3,S,1,;但在能级图上，却找不到原子态 ，事实上这个态是不存在的，这又是为什么？1925年，奥地利物理学家,Pauli,提出了不相容原理，回答了上,述问题。揭示了微观粒子遵从的一个重要规律。,一、在一个原子中，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的状态,(,完全相同的四个量子数,),。,原子中的每一个状态只能容纳一个电子,。,二、确定电子状态的量子数,1,主量子数,n,-,确定原子中电子在核外空间运动轨道的大小和能量的高低。一般说来，,n,大，能量,高，轨道半径,大。,2,轨道角量子数,l,l,决定电子轨道的形状和角动量的大小，同时也与能量有关.,n,相同时，,l,大，能量,高。,3,轨道磁量子数,表示轨道角动量在外场方向的投影：,4,自旋磁量子数,表示自旋角动量在外场方向的投影：,，共,2,个。,(,n,，,l,，,),Pauli,原理更一般的描述是，在费米子（自旋为半整数的粒子）组成的系统中,不能有两个或多个粒子处于完全相同的状态,泡利不相容原理的叙述及其应用,1描述电子运动状态的量子数,主量子数n：n=1,2,3 角量子数,l,：,l=,0,1,2(n-1),轨道磁量子数m,l,：m,l,=0,1,l,自旋量子数s：s=,自旋磁量子数m,s,：m,s,=,因为 对所有电子都是相同的，不能作为区分状态的量子,数，因此描述电子运动状态的是四个量子数 ；如同经典,力学中质点的空间坐标,完全确定质点的空间位置一样，一组量子数 可以完全确,定电子的状态。比如总能量，角动量，轨道的空间取向，自旋的空,间取向等物理量都可以由这组量子数确定。,3,Pauli,原理的应用,1）He原子的基态,He原子基态的电子组态是1s1s，按 耦合，可能的原子态是(1s1s),1,S,0,和 ,一般来说，同一电子组态形成的原子态中，三重态能级低于单态能级，因为三重态S=1，两个电子的自旋是同向的。,而在 的情况下，泡利原理要求 ,即两个电子轨道的空间取向不同。我们知道：电子是相互排斥的，空间距离越大，势能越低。体系越稳定，所以同一组态的原子态中，三重态能级总低于单态.而对于 态，,即是S,1,和S,2,同向的，否则不能得到S=1，可是它已经违反了,Pauli,不相容原理。所以这个状态是不存在的。,三、各壳层所能容纳的最大电子数,1,n,、,l,相同的次壳层：,2,n,相同的主壳层：,同科电子形成的原子态,定义,n 和,L,两个量子数相同的电子称为同科电子,表示为,n是主量子数,L,是角量子数，m 是同科电子的个数；例如:,等。同科电子形成的原子态比非同科有相同,L,值的电子形成的原子态要少。例如 1,S,2,形成的原子态为 ，,而非同科情况下，1s2s形成的原子态为 .,我们以 电子组态为例,四个量子数已有三个相同，必然不能相同即 ,则 或 ,.,反推出 可能的原子态是,需要指出的是,已知,L,s,，容易知道 ；反过来，即由 的取值推出 ，却不那么容易，因为反过来推存在着多对一的问题，上面的例子只是一种最简单的情况；对于较复杂的情况，我们用,slater,方法加以解决。,5,.4,元素周期表,一元素周期表,将元素按核电荷数的大小排列起来，其物理、化学性质将出现明显的周期性。,同族元素的性质基本相同。,玻尔：,原子内的电子按一定的壳层排列，每一壳层内的电子都有相同的主量子数，每一个新的周期是从电子填充新的主壳层开始，元素的物理、化学性质取决于原子最外层的电子即价电子的数目。,二电子填充壳层结构的原则,1,泡利不相容原理：在一个原子中，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的状态,(,完全相同的四个量子数,),。,n,、,l,相同的次壳层：,n,相同的主壳层：,2,能量最小原理：电子按能量由低到高的次序填充各壳层,3,原子实的贯穿和原子实极化对能级的影响,三各元素的原子壳层结构,1,第一周期：从,n=1,的,K,壳层填起。,2,第二周期：从,n=2,的,L,壳层填起。,3,第三周期：从,n=3,的,M,壳层填起。,Back,壳层与支壳层的表示,不论在强磁场中还是弱磁场中，主量子数相同的量子构成一个壳层，同一壳层内，相同 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,L,0,1,2,3,4,5,6,支壳层名称,s,p,d,f,g,h,i,壳层与支壳层中所能容纳的最多电子数,1)在强磁场中 ，当n,L,一定时，m,L,可取(2,L,+1)个值，对每一个m,L,，m,s,可取二个值，所以,L,支壳层内所能容纳的最大电子数为n,L,=2(2,L,+1).,Back,n一定时，；可取n个值。所以n壳层内所能容纳的最大电子数为:,2）在弱磁场中 ，当 一定时，对每一个j，可取2j+1个值，所以 支壳层内所能容纳的最大电子数为：,同理,可见壳层和在壳层中所能容纳的最大电子数不受外磁场的影响。,壳层：（1）支壳层：（2）,纵观元素周期表中各元素核外电子的分布，我们发现电子在填充过程中遵循如下规律：,1原子核外电子数等于该原子的原子序数，各壳层和支壳层所能容纳的最大电子数受上述规律制约。,2每个壳层的最大电子容量是：2、8、18、32、；而各周期的元素依次是：2、8、8、18、。可见两者并不一致；这说明：某一壳层尚未填满，电子会开始填一个新的壳层。,3基态是原子能量最低状态，因此，逐一增加电子时，被加电子要尽可能填在能量最低状态。,第一周期2个元素，第二周期8个元素，电子填充很有规律。逐一增加电子时，从内向外进行填充；第三周期一直到18号元素Ar为止，电子的填充都是从内向外进行，到氩时3p支壳层被填满，但3d支壳层还全空着，下一个元素的第19个电子是填3d还是填4s呢？我们看到，这个价电子放弃3d轨道。而进入4s轨道，从而开始了下一周期。这是由能量最小原理决定的，下面我们从定性和定量两方面对此予以说明。,定性说明,3d轨道是(n=3,L=,2)圆轨道，没有轨道贯穿和极化效应，而4s轨道是很扁的椭圆轨道，轨道贯穿和原子实的极化都很厉害，以致于其能量下降而低于能级。,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,