電子屏蔽與鉆穿效應.doc

屏蔽效應和鉆穿效應 化學化工學院應用化學2010級01班 20006130519王濟敏摘要：對屏蔽效應和鉆穿效應進行了研究，從宏觀上解釋了屏蔽效應、鉆穿效應、屏蔽現(xiàn)象和鉆穿現(xiàn)象，也從量子力學角度計算出了屏蔽效應和鉆穿效應的有關確定的值。闡述了屏蔽效應和鉆穿效應的重難點，推薦了屏蔽效應和鉆穿效應的更精確的計算方法，以便人們更容易理解和掌握。關鍵詞：屏蔽效應、鉆穿效應、屏蔽常數(shù)、量子力學、原子、電子、能級交錯。 Screening Effect and Penetrating Effectclass 2010 grade 01 Chemical engineering applied chemistry Director : Wang jiminAbstract: Do a researth for screening effect and penetrating effect, screening phenomenon and penetrating phenomenon in macroscopic angle ,and figure out definite numerical valueabout screening effect and penetrating effect in quantum mechanics . Set out the majorpoint and difficulty of screening effect and penetrating effect , and recommentd calulationmenhod to work out screening effect and penetrating effect more accurately , So that people can understand and acquire it easily.Keywords: screening effect.penetrating effect. screening constant. quantum mechanics. atom. electron. energy counterchange. 電子之間的相互作用可以從屏蔽效應和鉆穿效應兩方面去認識，這兩種效應有著密切的聯(lián)系，它們都是根據(jù)單電子波函數(shù)和中心力場的近似模型提出來的6，是在多電子原子中由于各個電子的量子數(shù)，1不同，電子云分布不同，電子和電子之間，電子和核之間的相互作用不同，引起原子軌道能和電子結合能發(fā)生變化的能量效應。屏蔽效應是指核外某個電子i感受到核電荷的減小，使能級升高的效應；鉆穿效應則是指電子i避開其余電子的屏蔽，其電子云鉆到近核區(qū)而感受到的較大的其余電子的屏蔽，其電子云鉆到近核區(qū)而感受到的較大的核電荷作用，使能級降低的效應。這兩中效應從不同的角度提出：鉆穿效應把電子作為主體，從它的自身分布特點來理解；屏蔽效應把電子看作客體，考察它受其它電子的屏蔽影響。 一 屏蔽效應多電子原子中，其他電子對指定電子的排斥作用看作部分地抵消（或削弱）核電荷對該電子的吸引 即其他電子起到了部分地屏蔽核電荷對某電子的吸引力，而該電子只受到“有效核電荷”Z* （Z*= Z-，Z為原子的核電荷數(shù)，為其它電子的屏蔽常數(shù)，它代表了電子之間的排斥作用，相當于個電子處于原子核上的原有核電荷抵消的部分2）的作用。 因此，可以認為，其余電子屏蔽了或削弱了原子核對該電子的吸引作用，這就是屏蔽效應。屏蔽效應使該電子的能量升高。計算電子能量的公式也相應的變?yōu)?屏蔽常數(shù)的計算法則： 1. 分組：按以下次序(1s), (2s,2p), (3s,3p), (3d),(4s, 4p), (4d), (4f), (5s, 5p), (5d), (5f)等。 2. 處于電子外層的各軌道中的電子對該電子不產生屏蔽作用，即各組的=0。 3. 同組中每一個電子屏蔽同組電子為0.35e，而1s 組內的電子相互屏蔽0.30e。 4. 第(n-1)組中每一個電子對第n 組(ns, np)上電子的電子屏蔽為0.85e。 5. 第(n-2)組中每一個電子對第n 組(ns, np)上電子的電子屏蔽為1.00e 。 6. 當被屏蔽電子是 (nd) 組 (nf) 組電子時，同組電子屏蔽為0.35e,左邊各組電子屏為1.00e 。 該方法用于主量子數(shù)為4的軌道準確性比較好，n大于4后比較差。有一種更精確的法則：斯萊特徐光憲法就提供了每一個電子屏蔽常數(shù)的確定規(guī)則1 。該規(guī)則包括以下幾點：（1） 屏蔽電子的主量子數(shù)大于屏蔽電子，=0，即外層電子對內層電子不發(fā)生屏蔽作用，等等。（2） 同層電子的屏蔽作用的屏蔽常數(shù)如下表所示。表中np指充滿前的p電子(p1-p3),p指充滿后的p電子(p4-p6)。表1 同層電子的屏蔽常數(shù)被屏蔽電子屏 蔽 電 子nsnpnp ndnfns0.300.250.230.000.00np0.350.310.290.000.00np 0.410.370.310.000.00nd1.001.001.000.350.00nf1.001.001.001.000.39（3） 內層電子屏蔽相鄰外層電子的屏蔽常數(shù)見表2。 表2 電子對相鄰外層電子的屏蔽常數(shù)被屏蔽電子屏 蔽 電 子(n-1)s(n-1)p(n-1)d(n-1)fns1.00*0.900.930.86np1.000.970.980.90nd1.001.001.000.94nf1.001.001.001.00 *1 s對2 s的屏蔽常數(shù)例外，為0.85.（4） 內層電子屏蔽非相鄰外層電子的屏蔽常數(shù)，一般均為1.00，只有（n-2）f對ns（如4f對6 s）的屏蔽常數(shù)為0.98。二. 鉆穿效應 從量子力學觀點來看，電子可以出現(xiàn)在原子內任何位置上。因此最外層電子也可能出現(xiàn)在離核很近處。也就是說，外層電子可鉆入內電子殼層而更靠近核，這種電子滲入原子內部空間而更靠近核的本領稱為鉆穿效應。 對于同一個原子而言，s、p、d、f軌道的鉆穿效應按s、p、d、f的順序增強。鉆穿效應使該電子的能量降低。對于主量子數(shù)n相同，角量子數(shù) 不同的軌道，主量子數(shù)的影響是一樣的，能量不同的原因是其鉆穿效應不同，得到能級由低到高的順序為：E(ns)E(np)E(nd)E(nf) 6 。 。 在多電子原子中，原子軌道的能級變化大體有以下三種：）n不同、l相同的能級，n愈大，軌道離核愈遠，外層電子受內層的屏蔽效應也愈大，能級愈高，核對該軌道上的電子吸引力就愈弱。如：EEEE。）n相同、l不同的能級，當n相同時，角量子數(shù)小的，峰越多，鉆的就越深，離核就越近，受核的吸引力就越強，由于鉆穿能力nsnpndnf，所以核對電子的吸引能力nsnpndnf，或l增大，軌道離核較遠，受同層其它電子的屏蔽效應就大，能級升高，核對該軌道上的電子吸引力相應減弱。如：EEEE。）n不同，l不同的能級，原子軌道的能級順序較為復雜。如：EE；EE；EEE等。這可用鉆穿效應加以解釋。例如4s的能級低于3d，從殼層幾率徑向分布圖可以看出，4s離核最近的小峰，鉆的很深，核對它的吸引力增強，使軌道能級降低的作用超過了主量子數(shù)增大使軌道能級升高的作用，故EE，使能級發(fā)生錯位。同樣也能解釋EE；EEE等。屏蔽效應和鉆穿效應均能對多電子原子的原子軌道能級高低變化加以說明，而后者對能級交錯的現(xiàn)象能進行圓滿的解釋。例如：主量子數(shù)n相同的各個軌道中角量子數(shù)l小的軌道，如l=0的s軌道，他的徑向分布圖中峰的數(shù)目最多，主峰離核最遠，小峰離核最近，即鉆得最深。隨核電荷數(shù)的增加，最靠近核的小峰在能量上的作用越越明顯。三. 結論 1. 屏蔽作用 EnsEnpEndEnf這是因n相同，電子離核的平均距離雖相同，但電子云形狀可不同，當被屏蔽電子本身l值小時，其電子云分布比較集中，而其它電子云分布比較分散對其屏蔽小，即小，因而Z*大，該電子受到較大核電荷的吸引，所以能量低。從本質上來看，這與不同電子的幾率徑向分布不同有密切關系，即是受鉆穿效應影響的結果。 鉆穿作用 EnsEnpEndEnf外層電子有機會鉆到內部空間而靠近原子核的現(xiàn)象，電子的l越小，鉆穿作用越大，受到的越小，受核的吸引力越大，能量越低。本質是s、p、d、f等狀態(tài)的幾率徑向分布不同而引起的能量效應。屏蔽效應和鉆穿效應是其它電子（屏蔽電子）對某軌道上電子（被屏蔽電子）的屏蔽能力和某軌道上電子（被屏蔽電子）回避其它電子屏蔽的能力的兩個側面（被動和主動）來描述多電子原子中電子之間的相互作用對軌道能級的影響，著眼點不同，但本質都是一種能量效應。 2. 能級交錯E4sE3dE4p E5sE4dE5p E6sE4fE5dE6p（1）n相同l不同的軌道能量不同EnsEnpEndEnf，從而發(fā)生了能級分裂，構成了不同的能級，從而打破了氫原中n相同l不同的軌道構成一個能級的關系。（2）不同軌道的鉆穿能力不一樣，其鉆穿效應導致對軌道能量的降低作用有時會超過主量子數(shù)對軌道能量的升高作用。能級分裂和能級交錯是鉆穿效應和屏蔽效應共同作用的結果。上述屏蔽效應和鉆穿效應引起的能量效應,，可以幫助我們理解核外電子排布的軌道順序。參考文獻：1 楊德壬、朱福森、趙泓等.無機化學（中冊）.上海：上?？茖W技術出版社.1982.54-58.2 北京師范大學、華中師范大學、南京師范大學無機化學教研室.無機化學（上冊）.第三版.北京：高等教育出版社.1992.5.219-2