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电子壳层

原子内的电子都各自处在由几个量子数所表征的确定能量状态中,电子壳层是所有具有同一给定主量子数(或具有同一给定主量子数及同一给定轨道角动量量子数)的电子态的集合体。

除了氢原子以外,其他原子中都包含有多个电子。在多电子原子中

在多电子原子中,决定电子所处状态的准则有两条:一是泡利不相容原理;二是能量最小原理(原子系统处于正常状态,电子填充壳层时,每一个电子部尽量占据最低空能级),即体系能量最低时,体系最稳定,它决定壳层的次序,元素周期表就是按照这两条准则排列的。

元素的性质决定于原子的结构,也就是原子中电子所处的状态,电子状态的具体内容是下列四个量子数所代表的一些运动情况:

①主量子数n=1,2,3,4,…代表电子运动区域的大小,它决定原子中电子能量的主要部分,前者按轨道的描述也就是电子运动轨道的大小(长半轴)。

对于能量相同的一些电子,可以视为均匀分布于同一壳层上。随着n数值的不同,可以把电子分布在许多壳层,具有相同n值的电子称为同一壳层的电子,相应于n=1,2,3,4,…的壳层,分别称为K壳层,L壳层,M壳层,N壳层,…等。

②轨道角动量量子数l=0,1,2,…。(n-1)代表轨道的形状(短半轴)和轨道角动量,这也同电子的能量有关。

在同一壳层中,可以有0,1,2,3,4,…。(n-1)个角量子数,于是,每一个壳层又分为几个不同的次壳层,并用符号s,p,d,f,g,h等来代表l=0,1,2,3,4,5等次壳层。

③轨道磁量子数m1=0,±1,±2,…。±l代表轨道在空间的可能取向,换一句话,它代表轨道角动量在某一特殊方向(外磁场方向)的分量(投影),引起原子能级的分裂。

④自旋磁量子数ms=+1/2,-1/2代表电子自旋的取向,它也代表电子自旋角动量在某一特殊方向(外磁场方向)的分量(投影)。 

1.泡利不相容原理

1925年泡利根据对光谱实验结果的分析总结出如下的规律:在一个原子中不能有两个或两个以上的电子处在完全相同的量子态.即一个原子中任何两个电子都不可能具有一组完全相同的量子数(挖,1,m,m。),这称为泡利不相容原理,如基态氦原子,它的两个核外电子都处于1s态,其(n,l,m)都是(1,0,0),则ms必定不同,即一个为+1/2,另一个为-1/2,根据泡利不相容原理不难算出各壳层上最多可容纳的电子数为

各支壳层上最多可容纳的电子数为

在n=1,2,3,4…的K,L,M,N…各壳层上,最多可容纳2,8,18,32…个电子,而在l=0,1,2,3…的s,P,d,f…各支壳层上,最多可容纳2,6,10,14…个电子。

实验证明,自旋量子数为1/2的奇数倍的粒子(称为费米子)均受泡利不相容原理的限制;自旋量子数为0或1的正整数倍的粒子(称为玻色子)则不受此限制。

2.能量最小原理

原子处于正常状态时,每个电子都趋向占据可能的最低能级,使原子系统的总能量尽可能的低。这一规律称为能量最小原理。因此,能级越低也就是离核越近的壳层首先被电子填充,其余电子依次向未被占据的最低能级填充,直至所有的Z个核外电子分别填入可能占据的最低能级为止,由于能量还和副量子数l有关,所以在有些情况下,n较小的壳层尚未填满时,下一个壳层上就开始有电子填入了。关于n和l都不同的状态能级高低问题,要在考虑电子轨道、自旋耦合作用后,通过求解薛定谔方程便可确定。对此,我国科学家徐光宪教授总结出这样的规律:对于原子的外层电子,能级高低可以用n+0.7l值的大小来比较,其值越大,能级越高.此规律称为徐光宪定则。例如,3d态能级比4s态能级高,因此钾的第19个电子不是填入3d态,而是填人4s态,等等。

按量子力学求得的各元素原子中电子排列的顺序,已在各元素的物理、化学性质的周期性中得到完全证实。 



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