南醫(yī)大無機化學09原子結構

1、1Chap.9 原子結構原子結構 (Atomic Structure)主要內容主要內容1.1.原子結構理論原子結構理論 氫光譜，玻爾理論氫光譜，玻爾理論2.2.氫原子的量子力學模型氫原子的量子力學模型 波粒二象性，測不準原理，波函數，量子數，波波粒二象性，測不準原理，波函數，量子數，波函數圖形表示函數圖形表示3.3.核外電子的排布和元素周期系核外電子的排布和元素周期系屏蔽效應和鉆穿效應，多電子原子軌道能級，屏蔽效應和鉆穿效應，多電子原子軌道能級，核外電子排布，電子層結構和元素周期系核外電子排布，電子層結構和元素周期系4.4.元素基本性質的周期性元素基本性質的周期性有效核電荷，原子半徑，電離能，

2、電子親和能，有效核電荷，原子半徑，電離能，電子親和能，電負性電負性9.1 9.1 原子結構理論原子結構理論1.古代希臘哲學家德?？死氐脑诱摴糯ＥD哲學家德模克利特的原子論 任何物質都是由不可分的原子構成。任何物質都是由不可分的原子構成。2.道爾頓道爾頓(J.Dolton)的原子理論的原子理論-19世紀初世紀初 化學元素是用物理方法不能再分割的最基本的物化學元素是用物理方法不能再分割的最基本的物質組分，每一種化學元素有一種原子；同種原子質組分，每一種化學元素有一種原子；同種原子質量相同，不同種原子質量不同；原子不可再分，質量相同，不同種原子質量不同；原子不可再分，一種原子不會轉變?yōu)榱硪环N原子

3、。一種原子不會轉變?yōu)榱硪环N原子。3.盧瑟福盧瑟福:粒子散射實驗粒子散射實驗 有核原子模型有核原子模型原子結構理論簡史原子結構理論簡史原子結構的基本組成原子結構的基本組成原子原子（10-10米）米）原子核原子核（10-14米）米）電子電子（10-15米）米）帶負電帶負電質子（帶正電）質子（帶正電）中子（不帶電）中子（不帶電）原子結構內微觀粒子的基本情況原子結構內微觀粒子的基本情況 質子質子 中子中子 電子電子相對于電子的質量相對于電子的質量 1836 1839 1相對于電子的電量相對于電子的電量 +1 0 -1經典理論的原子模型經典理論的原子模型無法解釋原子光譜無法解釋原子光譜無法解釋為何原子能

4、穩(wěn)定無法解釋為何原子能穩(wěn)定地存在地存在盧瑟福的有核模型盧瑟福的有核模型（穩(wěn)定）（穩(wěn)定）經典的電磁理論經典的電磁理論(牛頓力學牛頓力學)（不穩(wěn)定）（不穩(wěn)定）矛盾矛盾An unsatisfactory atomic model4.1913年，玻爾將量子論用于原子，提出玻爾模型年，玻爾將量子論用于原子，提出玻爾模型5.1924年，德布羅意提出物質波假設年，德布羅意提出物質波假設6.1926年，薛定諤建立微觀粒子波動方程年，薛定諤建立微觀粒子波動方程7.1927年，戴維、革默電子衍射實驗證實物質波年，戴維、革默電子衍射實驗證實物質波8.1927年，海森堡提出測不準原理年，海森堡提出測不準原理9.1 9

5、.1 原子結構理論原子結構理論原子結構理論簡史原子結構理論簡史連續(xù)光譜和線狀光譜連續(xù)光譜和線狀光譜一束白光通過三棱鏡折射后，可以分解成赤橙一束白光通過三棱鏡折射后，可以分解成赤橙黃綠青藍紫等不同波長的光譜，稱為連續(xù)光譜。黃綠青藍紫等不同波長的光譜，稱為連續(xù)光譜。例如：雨后天空的彩虹例如：雨后天空的彩虹以火焰、電弧、電火花等灼燒化合物時，發(fā)出以火焰、電弧、電火花等灼燒化合物時，發(fā)出不同頻率的光線，通過三棱鏡折射，由于折射率不同頻率的光線，通過三棱鏡折射，由于折射率不同，在屏幕上得到一系列不連續(xù)的譜線，稱為不同，在屏幕上得到一系列不連續(xù)的譜線，稱為線狀光譜。線狀光譜。9.1 9.1 原子結構理論原

6、子結構理論一、氫原子光譜一、氫原子光譜連續(xù)光譜（自然界）連續(xù)光譜（自然界）連續(xù)光譜連續(xù)光譜( (實驗室）實驗室）線線 狀狀 光光 譜譜紫外紫外 可見可見 紅外紅外 氫原子光譜氫原子光譜在裝有氫氣的放電管兩極加高壓電，管中發(fā)在裝有氫氣的放電管兩極加高壓電，管中發(fā)出的光線經分光得到氫原子光譜出的光線經分光得到氫原子光譜氫原子光譜是線狀光譜氫原子光譜是線狀光譜可見光區(qū)有四條特征譜線（可見光區(qū)有四條特征譜線（Balmer線系），線系），在紫外光區(qū)和紅外光區(qū)多條特征譜線在紫外光區(qū)和紅外光區(qū)多條特征譜線氫原子光譜譜線氫原子光譜譜線可見光部分可見光部分18sm102.998c c 光速 /nmH3656.4

7、.57H486.16.07H434.06.91H410.27.311 /s)10 (14 可見光區(qū)：可見光區(qū)：氫原子光譜譜線氫原子光譜譜線15氫原子光譜的規(guī)律氫原子光譜的規(guī)律瑞典物理學家里德堡（瑞典物理學家里德堡（J. R. Rydberg)將氫原子的將氫原子的譜線頻率歸納為一個通式來表達譜線頻率歸納為一個通式來表達里德堡公式：里德堡公式： RH為里德堡常數；為里德堡常數；1.097107m-1； n1,n2為整數，為整數， n2n1)11(2221nnRH 能量量子化能量量子化1900年，年，M.Planck為解釋黑體輻射定律，首次提為解釋黑體輻射定律，首次提出能量量子化假設，即：出能量量子

8、化假設，即：E=n0=nh式中，式中，E為黑體輻射的能量；為黑體輻射的能量； 0為最小能量單位，即能量子為最小能量單位，即能量子 h為為Planck量子常數，量子常數，=6.62610-34Js 為黑體輻射頻率為黑體輻射頻率意義：黑體輻射的能量是不連續(xù)的，只能為某最意義：黑體輻射的能量是不連續(xù)的，只能為某最小單位的整數倍，即：能量是量子化的。小單位的整數倍，即：能量是量子化的。光子學說光子學說v為解釋光電效應，為解釋光電效應，1905年年Einstein在在Planck量子論量子論的基礎上提出了關于光的本性的光子理論。理論的基礎上提出了關于光的本性的光子理論。理論認為：光是由一個個具有一定動量

9、、質量和能量認為：光是由一個個具有一定動量、質量和能量的粒子組成的粒子流。這些微粒叫光子。的粒子組成的粒子流。這些微粒叫光子。v一個頻率為一個頻率為的光子具有的能量為：的光子具有的能量為： 0= hv光在空間傳播時也具有粒子性，光子可獨立存在光在空間傳播時也具有粒子性，光子可獨立存在于自由空間。光不僅是一種波動，而且是實體。于自由空間。光不僅是一種波動，而且是實體。* 由于該貢獻，由于該貢獻，Einstein獲獲1912年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎三個基本假設：三個基本假設：定態(tài)假設：定態(tài)假設：定態(tài)的電子不輻射定態(tài)的電子不輻射能量。最低為基態(tài)能量。最低為基態(tài)(ground state)，其

10、其余為激發(fā)態(tài)余為激發(fā)態(tài)(excited state)。9.1 9.1 原子結構理論原子結構理論二、玻爾理論二、玻爾理論能級躍遷（頻率）假設：能級躍遷（頻率）假設：原子由一定態(tài)躍遷到另一定態(tài)時要吸收或放出一原子由一定態(tài)躍遷到另一定態(tài)時要吸收或放出一定頻率的光。光的能量定頻率的光。光的能量E=h=E2-E1。)(Nn 量子化能量假設：量子化能量假設： 電子運動的角動量為：電子運動的角動量為：L = mvr =nh/2 對于氫原子：對于氫原子：E = -13.6/n2 (eV) 9.1 9.1 原子結構理論原子結構理論二、玻爾理論二、玻爾理論（1）原子的穩(wěn)定性）原子的穩(wěn)定性（2）闡明了氫原子光譜的不

11、連續(xù)性）闡明了氫原子光譜的不連續(xù)性112345頻率頻率氫原子光譜的一部分氫原子光譜的一部分玻爾理論解決的問題玻爾理論解決的問題32玻爾理論的局限性玻爾理論的局限性只限于解釋氫原子或類氫離子（單電子體只限于解釋氫原子或類氫離子（單電子體系）光譜，不能解釋多電子原子的光譜。系）光譜，不能解釋多電子原子的光譜。沒有正確描述電子的微觀狀態(tài)。沒有正確描述電子的微觀狀態(tài)。（一）光的波粒二象性（一）光的波粒二象性 波動性：光能發(fā)生衍射和干涉等波的現象。波動性：光能發(fā)生衍射和干涉等波的現象。 粒子性：光的性質可以用動量來描述。粒子性：光的性質可以用動量來描述。 p = mc = h / c = h / 9.2

12、 9.2 氫原子的量子力學模型氫原子的量子力學模型一、電子的波粒二象性一、電子的波粒二象性 德布羅意受光的波粒二象性啟發(fā)，提出假設：德布羅意受光的波粒二象性啟發(fā)，提出假設：任何實物粒子都具有波動性，其物質波波長任何實物粒子都具有波動性，其物質波波長 電子衍射環(huán)紋及其解釋電子衍射環(huán)紋及其解釋(證實物質波假設證實物質波假設)（二）德布羅意的物質波假設（二）德布羅意的物質波假設9.2 9.2 氫原子的量子力學模型氫原子的量子力學模型一、電子的波粒二象性一、電子的波粒二象性電子衍射環(huán)紋電子衍射環(huán)紋電子衍射圖電子衍射圖 例：子彈的例：子彈的m= 2.5 10-2 kg, = 300 ms-1;電子的電子

13、的me= 9.110-31 kg, = 5.910-5 ms-1。 求波長：求波長：解解:子彈子彈 = h / mv = 6.62610-34 / (2.5 10-2 300) = 8.8 10-35 (m)可忽略，主要表現為粒子性?？珊雎?，主要表現為粒子性。 電子電子 = h / (mv) = 6.62610-34 / (9.1 10-31 5.910-5) = 12 10-10 (m) = 1.2 nm由于微觀粒子具有波粒二象性，所以不可能同時由于微觀粒子具有波粒二象性，所以不可能同時精確地測出它的位置和速度。精確地測出它的位置和速度。 x：粒子位置的不準量粒子位置的不準量 p：粒子動量的

14、不準量粒子動量的不準量 h：普朗克常數，普朗克常數， h=6.6261034Js注：宏觀物質同樣有物質波和測不準原理，只是注：宏觀物質同樣有物質波和測不準原理，只是與自身大小相比不顯著與自身大小相比不顯著9.2 9.2 氫原子的量子力學模型氫原子的量子力學模型二、二、測不準原理測不準原理顯然，顯然， x ,則則 p ; x ,則則 p 測不準原理意義：應用測不準關系，可以測不準原理意義：應用測不準關系，可以檢驗經典力學適用的范圍，區(qū)分宏觀世界檢驗經典力學適用的范圍，區(qū)分宏觀世界和微觀世界。和微觀世界。9.2 9.2 氫原子的量子力學模型氫原子的量子力學模型二、二、測不準原理測不準原理電子運動的

15、規(guī)律電子運動的規(guī)律1.量子化量子化 電子的某些物理量只能是某個基本量的電子的某些物理量只能是某個基本量的 整數倍，只能做不連續(xù)變化。整數倍，只能做不連續(xù)變化。2.波粒二象性波粒二象性 電子的行為有時表現其粒子性，有時電子的行為有時表現其粒子性，有時 表現其波動性。電子在核外空間的出表現其波動性。電子在核外空間的出 現有幾率現有幾率 。3.測不準關系測不準關系 無法同時準確測量電子動量及位置無法同時準確測量電子動量及位置薛定諤薛定諤方程方程9.2 9.2 氫原子的量子力學模型氫原子的量子力學模型三、波函數和原子軌道三、波函數和原子軌道直角坐標直角坐標( x,y,z)與球坐標與球坐標 (r, ,

16、) 的轉換的轉換 222cossinsincossinzyxrrzryrx (x, y, z)= (r, , )=R(r) Y( , )1.是電子的波函數表達是電子的波函數表達 2 是電子在某點是電子在某點(r, , ) 的幾率密度的幾率密度 2 dv v = dP 的意義：描述電子運動規(guī)律的函數的意義：描述電子運動規(guī)律的函數 2. 波函數波函數=原子軌道原子軌道3.值的正負影響成鍵時電子波的疊加值的正負影響成鍵時電子波的疊加4.每個波函數每個波函數(運動狀態(tài)運動狀態(tài))對應一種能量對應一種能量9.2 9.2 氫原子的量子力學模型氫原子的量子力學模型三、波函數和原子軌道三、波函數和原子軌道四、量

17、子數四、量子數得到薛定諤方程的合理解，必須引入三個量子數：得到薛定諤方程的合理解，必須引入三個量子數：n、l、m，一組量子數確定波函數的一個合理解。一組量子數確定波函數的一個合理解。此時，其解及電子的幾率密度此時，其解及電子的幾率密度2 為：為：9.2 9.2 氫原子的量子力學模型氫原子的量子力學模型),()(),(),()(),(2,2,2, mllnmlnmllnmlnYrRrYrRr 主量子數主量子數n物理意義：物理意義：決定電子出現幾率最大區(qū)域離核距離決定電子出現幾率最大區(qū)域離核距離決定電子能量的主要因素決定電子能量的主要因素取值：取值： 1、2、3、4 (電子層數電子層數) 光譜學符

18、號：光譜學符號： K，L，M，N 可描述為：可描述為：n 越大，電子能量越高，離核平均距越大，電子能量越高，離核平均距離越遠。離越遠。 (電子層電子層) *對于單電子原子或離子，電子能量只決定于對于單電子原子或離子，電子能量只決定于nNn 角角(副副)量子數量子數 l物理意義：物理意義：決定波函數決定波函數(原子軌道原子軌道)圖象的形狀圖象的形狀在多電子原子中，是決定電子能量的次要因素。在多電子原子中，是決定電子能量的次要因素。n相同，則相同，則 l 越大能量越高。越大能量越高。取值：取值： 0、1、2、3(n-1)，共共n個個光譜學符號：光譜學符號： s，p，d，f* n、l 值相同的軌道能

19、量相同，稱簡并或等價軌道。值相同的軌道能量相同，稱簡并或等價軌道。結合量子數n值和l值來判定具體的代表軌道v1 0 1s 1種種 n l 代表軌道代表軌道 每層軌道種類每層軌道種類(能級）能級）v4 0 4s 4種種 1 4p 2 4d 3 4fv3 0 3s 3種種 1 3p 2 3dv2 0 2s 2種種 1 2p結結 論論n：電子層電子層 l：亞層，即軌道亞層，即軌道 (1)n層有層有n個個l值，有值，有n種軌道。種軌道。 (2)n值相同，值相同，l值不同的電子，值不同的電子，l值越大，電子的能值越大，電子的能量越高。量越高。 (3)n、l值相同的電子，能量相同，能級相同。值相同的電子，

20、能量相同，能級相同。磁量子數磁量子數m物理意義：物理意義： 決定波函數圖象在空間的伸展方向決定波函數圖象在空間的伸展方向取值：取值： 0、1、2、l，共共(2l+1)個個 *n,l,m ： n、l、m 一定，就可以表示一個原子軌一定，就可以表示一個原子軌道。如道。如1，0，0表示表示1s軌道。軌道。結合量子數n,l,m值來判定具體的代表軌道v1 0 0 1s 1種種 n l m 代表軌道代表軌道 每層軌道種類每層軌道種類(能級）能級）v4 0 0 4s 4種種 1 +1,0,-1 4p 2 +2,+1,0,-1, -2 4d 3 +3,+2,+1,0,-1, -2,-3 4fv3 0 0 3s

21、 3種種 1 +1,0,-1 3p 2 +2,+1,0,-1, -2 3dv2 0 0 2s 2種種 1 +1,0,-1 2p自旋量子數自旋量子數ms物理意義：表征電子的自旋方向。物理意義：表征電子的自旋方向。取值：取值：+1/2 或或 -1/2。符號：符號：(正自旋正自旋) (逆自旋逆自旋)*四個量子數一旦確定，電子的運動狀態(tài)就完全確定。四個量子數一旦確定，電子的運動狀態(tài)就完全確定。離核平均距離離核平均距離(n)、在核外空間出現的幾率分布在核外空間出現的幾率分布(2n,l,m )、能量高低、能量高低(n、l及核電荷數及核電荷數)、自旋方向、自旋方向(ms)四個量子數描述核外電子運動的可能狀態(tài)

22、四個量子數描述核外電子運動的可能狀態(tài)41五、波函數的圖形表示五、波函數的圖形表示9.2 9.2 氫原子的量子力學模型氫原子的量子力學模型電子云電子云 電子在核外空間出現的幾率密度分布情況，用電子在核外空間出現的幾率密度分布情況，用小黑點的疏密程度形象化地表示，所得到的圖形小黑點的疏密程度形象化地表示，所得到的圖形稱電子云。稱電子云。電子云界面：電子云界面： 在一界面內，電子出現的總幾率在一界面內，電子出現的總幾率95%，則該，則該空間面稱電子云界面?？臻g面稱電子云界面。42a.電子云圖電子云圖b.電子云界面圖電子云界面圖電電 子子 云云分開討論：分開討論：1.角度波函數部分角度波函數部分(要求

23、記住圖形要求記住圖形) 2.徑向波函數部分徑向波函數部分(一般了解一般了解) 五、波函數的圖形表示五、波函數的圖形表示9.2 9.2 氫原子的量子力學模型氫原子的量子力學模型),()(),(, mllnmlnYrRr S軌道的角度分布：軌道的角度分布：l=0，m=0 410,0 YYS S波函數與角度無關，所以分布圖是一個球面。波函數與角度無關，所以分布圖是一個球面。+yzx1.1.角度波函數部分角度波函數部分(1)(1)波函數的角度分布波函數的角度分布s 軌道軌道(l = 0, m = 0 ) : m 一一種取值種取值,一種空間取向一種空間取向,一條一條s軌道軌道。+s : 球形，函數值無負

24、值球形，函數值無負值1.1.角度波函數部分角度波函數部分(1)(1)波函數的角度分布波函數的角度分布pz軌道的角度分布：軌道的角度分布：l=1，m=0 cos430, 1 YYpz求節(jié)面：求節(jié)面： =900極大值：極大值： =00， =1800作圖：作圖：yzx+-1.1.角度波函數部分角度波函數部分(1)(1)波函數的角度分布波函數的角度分布p 軌道軌道 (l = 1, m = +1, 0, -1) m 三種取值三種取值, 三種三種空間空間取向取向, 三條等價三條等價(簡并簡并) p 軌軌道。道。-+-+-p : 啞鈴形，啞鈴形，3個軌道個軌道(px，py，pz) 分布與對稱性：沿軸方向，正

25、軸為分布與對稱性：沿軸方向，正軸為+ +，負軸為，負軸為- -。1.1.角度波函數部分角度波函數部分(1)(1)波函數的角度分布波函數的角度分布d : 花瓣形，花瓣形，5個軌道個軌道 (l = 2, m = +2, +1, 0, -1, -2) 1.1.角度波函數部分角度波函數部分(1)(1)波函數的角度分布波函數的角度分布1. 波函數角度分布圖中的正負號表示波函數波函數角度分布圖中的正負號表示波函數的值為正或為負，不要誤以為是正電荷或的值為正或為負，不要誤以為是正電荷或負電荷。負電荷。由于波函數角度分布圖與由于波函數角度分布圖與r（或或n）無關，無關，所以所以1s、2s、3s其角度分布圖都是

26、相同的其角度分布圖都是相同的球曲面。球曲面。2p、3p、4p也是完全相同的。也是完全相同的。2.原子軌道組合形成分子軌道時常用到波函原子軌道組合形成分子軌道時常用到波函數的角度分布圖。數的角度分布圖。強強 調調 注注 意意角度波函數的平方角度波函數的平方|Yl,m( , ) |2稱為電子云的角度稱為電子云的角度分布圖分布圖如如s, p, d電子云的角度分布圖電子云的角度分布圖1.1.角度波函數部分角度波函數部分(2)(2)電子云的角度分布電子云的角度分布電子云角度分布特點：電子云角度分布特點：a. 形狀與原子軌道角度分布圖相似形狀與原子軌道角度分布圖相似b. 無負值無負值c. 電子云角度分布圖

27、比原子軌道角度分布圖電子云角度分布圖比原子軌道角度分布圖“瘦小瘦小”1.1.角度波函數部分角度波函數部分(2)(2)電子云的角度分布電子云的角度分布原子軌道徑向波函數原子軌道徑向波函數 Rn,l(r) 2.2.徑向波函數部分徑向波函數部分R(r)R(r)R(r)R(r)R(r)R(r)rrrrrr1s2s3s2p3p3d 半徑為半徑為r，厚度為，厚度為dr的薄球殼電子出現的概率。的薄球殼電子出現的概率。D=4r2R2dr; 稱為徑向分布函數。稱為徑向分布函數。Drrrrrr1s2s3s2p3p3dDDDDD2.2.徑向波函數部分徑向波函數部分電子云的徑向分布圖：電子云的徑向分布圖：電子云徑向分

28、布特點：電子云徑向分布特點：a. n值相同，離核平均距離一致值相同，離核平均距離一致b. n越大，最大幾率處越大，最大幾率處(主峰主峰)越遠越遠c. 曲線曲線極大值極大值(峰峰)數目數目 = (n-l)2.2.徑向波函數部分徑向波函數部分薄球殼剖面圖薄球殼剖面圖D（r）r52.9pm氫原子氫原子1s電子云的徑向分布圖電子云的徑向分布圖 9.3 9.3 核外電子的排布和元素周期系核外電子的排布和元素周期系（一）屏蔽效應（一）屏蔽效應: 在多電子原子中，由于受同層及內層電子排斥在多電子原子中，由于受同層及內層電子排斥影響，可認為被考察電子所感受到的核電荷減少。影響，可認為被考察電子所感受到的核電荷

29、減少。則電子能量為：則電子能量為：一、屏蔽效應與鉆穿效應一、屏蔽效應與鉆穿效應能級與能級與n、l的關系的關系 如如: E1sE2s E3s E4s E2p E3p E4p E5p E3d E4d E5d 一方面，一方面，n越大，電子離核的平均距離越遠，核越大，電子離核的平均距離越遠，核對其吸引力減弱，使能級升高；對其吸引力減弱，使能級升高；另一方面，另一方面，n越大，內層電子越多，原子中其它越大，內層電子越多，原子中其它電子對它的屏蔽作用則越大，即電子對它的屏蔽作用則越大，即越大，有效核越大，有效核電荷越少，使能級升高。電荷越少，使能級升高。（1）l相同相同: n，E 如：如：Ens Enp

30、End E4f E3s E3p E3d E4s E4p E4d E4f 因電子的角量子數因電子的角量子數l的不同而不同，的不同而不同，4s ，4p ，4d ，4f受到其它電子的屏蔽作用依次增大，故在多電子受到其它電子的屏蔽作用依次增大，故在多電子體系中，體系中，n 相同而相同而l不同的軌道，發(fā)生能級分裂。不同的軌道，發(fā)生能級分裂。（2）n相同相同: l，E 能級與能級與n、l的關系的關系 n4,Ens E(n-1)d Enp n6,Ens E(n-2)fE(n-1)d Enp主量子數主量子數n相同時，電子離核的平均距離相同，為相同時，電子離核的平均距離相同，為什么能量會有高低之分呢？什么能量會

31、有高低之分呢？n、l都不同時，為什都不同時，為什么會出現能級交錯現象呢？這個問題可以從電子么會出現能級交錯現象呢？這個問題可以從電子的鉆穿效應來解釋。的鉆穿效應來解釋。 （3）n、l均不同，出現能級交錯均不同，出現能級交錯能級與能級與n、l的關系的關系（二）鉆穿效應（二）鉆穿效應v從電子云徑向函數圖從電子云徑向函數圖(圖圖9-8)可以看出，可以看出，l 較小的電較小的電子鉆到核附近的能力較強，使屏蔽效應減弱，以至子鉆到核附近的能力較強，使屏蔽效應減弱，以至電子能量降低。該現象稱鉆穿效應。電子能量降低。該現象稱鉆穿效應。9.3 9.3 核外電子的排布和元素周期系核外電子的排布和元素周期系一、屏蔽

32、效應與鉆穿效應一、屏蔽效應與鉆穿效應 鉆穿效應的結果，使核對電子的吸引力增大，電鉆穿效應的結果，使核對電子的吸引力增大，電子的能量降低。子的能量降低。 當當 n 同而同而 l 不同，不同，l 越小的電子越小的電子鉆穿效應越強，鉆穿效應越強，E 越低。越低。 對對n相同，相同，l 不同的軌道能級解釋不同的軌道能級解釋l鉆穿能力順序為：鉆穿能力順序為：ns np nd nfl因此，因此，Ens Enp End Enf以以4s和和3d軌道為例：軌道為例：4s：l小，鉆穿效應大，降低軌道能量小，鉆穿效應大，降低軌道能量 n大，半徑大，升高軌道能量大，半徑大，升高軌道能量 （前者占主導因素）（前者占主導

33、因素）3d：l大，鉆穿效應小，升高軌道能量大，鉆穿效應小，升高軌道能量 n小，半徑小，降低軌道能量小，半徑小，降低軌道能量 （前者占主導因素）（前者占主導因素） 結果：結果： E4s E3d對對n相同、相同、l不同的軌道能級交錯順序解釋不同的軌道能級交錯順序解釋3d 與與 4s電子云的徑向分布圖電子云的徑向分布圖1s、2s、3s電子云的徑向分布圖電子云的徑向分布圖能級交錯能級交錯由于由于ns電子很強的鉆穿能力，使得電子很強的鉆穿能力，使得ns電子能量反而電子能量反而低于低于(n-1)d電子及電子及(n-2)f電子能量的現象。電子能量的現象。一般來說：一般來說：Ens E(n-2)f E(n-1)d E4s b. 3d、4s軌道上都有電子時，軌道上都有電子時，E3d 金屬半徑金屬半徑 共價半徑共價半徑原子半徑周期變化規(guī)律原子半徑周期變化規(guī)律對于主族元素：對于主族元素： 從左至右從左至右 (同周期同周期) ， r 逐漸減小，但稀有氣體最大逐漸減小，但稀有氣體最大 從上至下從上至下(同主族同主族)， r 增大增大鑭系共鑭系共15種元素占據周期表的一個縱行，原子半徑種元素占據周期表的一個縱行，原子半徑收縮，其結果：使得其后的第六周期元素原子半徑收縮，