電子排布及原子軌道.doc

原子軌道百科名片原子軌道（Atomic orbital）是單電子薛定諤方程的合理解（x，y，z)。若用球坐標(biāo)來(lái)描述這組解，即（r，)R(r)Y(，)，這里R(r)是與徑向分布有關(guān)的函數(shù)，稱為徑向分布函數(shù)，用圖形描述就是原子軌道的徑向分布函數(shù)；Y(，)是與角度分布有關(guān)的函數(shù)，用圖形描述就是角度分布函數(shù)層次。能層（電子層）參見(jiàn)“電子層” 原子核外運(yùn)動(dòng)的電子繞核運(yùn)動(dòng)會(huì)受到原子核的吸引，他們運(yùn)動(dòng)能量上的差異可用他們運(yùn)動(dòng)軌道離核的遠(yuǎn)近表現(xiàn)出來(lái)。具有動(dòng)量較大的電子在離核越遠(yuǎn)的地方運(yùn)動(dòng)，而動(dòng)量較小的則在離核較近的地方運(yùn)動(dòng)。但是電子繞核運(yùn)動(dòng)與人造衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)不同。人造衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量是連續(xù)變化的，由于能量的消耗，它的軌道會(huì)逐漸接近地球。但原子的能量是量子化的，原子核外電子運(yùn)動(dòng)的軌道是不連續(xù)的，他們可以分成好幾層，這樣的層，稱為“電子層”，也稱“能層”1。 氫原子光譜的巴爾默系氫原子線狀光譜（右圖，巴爾默線系）的事實(shí)可以證明電子層的存在。根據(jù)經(jīng)典電磁學(xué)理論，繞核高速旋轉(zhuǎn)的電子將不斷從原子發(fā)射連續(xù)的電磁波，但從圖中可以發(fā)現(xiàn)，氫原子的光譜圖像是分立的，這與經(jīng)典電磁學(xué)的推算結(jié)果矛盾，之后，玻爾提出了電子層的概念，成功推導(dǎo)出了描述氫原子光譜的里德伯公式（=R(n-2)-(m-2)）將里德伯常量R與，普朗克常數(shù)聯(lián)系在一起，電子層的存在從此得到了公認(rèn)2。 通常情況下，氫原子的電子在離核最近的電子層上運(yùn)動(dòng)，這時(shí)并不放出能量，此時(shí)的電子所處的狀態(tài)稱為“基態(tài)”。當(dāng)氫原子從外界獲得能量（如灼熱、放電、輻射能等），它的電子可以遷躍到離核較遠(yuǎn)的電子層上，此時(shí)的電子所處的狀態(tài)稱為“激發(fā)態(tài)”。當(dāng)電子從離核較遠(yuǎn)的電子層遷躍回能量相對(duì)更低也離核更近的電子層時(shí)，就會(huì)以光的形式放出能量。光的頻率和兩電子層的能量差E2-E1有下列關(guān)系3： hv=E2-E1 其中，h為普朗克常數(shù)（6.6210-27爾格秒） 因?yàn)殡娮訉邮遣贿B續(xù)的所以電子遷躍放出的能量也是不連續(xù)的（量子化的），這種不連續(xù)的能量在光譜上的反映就是線狀光譜。 在現(xiàn)代量子力學(xué)模型中，描述電子層的量子數(shù)稱為主量子數(shù)（principal quantum number）或量子數(shù)n，n的取值為正整數(shù)1、2、3、4、5、6、7，對(duì)應(yīng)符號(hào)為K、L、M、N、O、P、Q。對(duì)氫原子來(lái)說(shuō)，n一定，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能量一定。一般而言：n越大，電子層的能量越高。 每個(gè)電子層所容納的電子個(gè)數(shù)有限，為2n2個(gè)，但當(dāng)一個(gè)電子層是原子的最外層時(shí)，它至多只能容納8個(gè)電子，次外層最多容納18個(gè)。 主量子數(shù)1 234567電子層KLMNOPQ0族電子數(shù)2 2,8 2,8,8 2,8,18,8 2,8,18,18,8 2,8,18,32,18,8 暫無(wú) 如果一個(gè)電子在激發(fā)態(tài)，一個(gè)有著恰當(dāng)能量的光子能夠使得該電子受激輻射，釋放出一個(gè)擁有相同能量的光子，其前提就是電子返回低能級(jí)所釋放出來(lái)的能量必須要與與之作用的光子的能量一致。此時(shí)，受激釋放的光子與原光子像同一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，也就是說(shuō)這兩個(gè)光子的波是同步的。利用這個(gè)原理，人們?cè)O(shè)計(jì)出了激光，它是可以產(chǎn)生頻率很窄的光的光源。 在越來(lái)越多的光譜實(shí)驗(yàn)中，人們發(fā)現(xiàn)，電子在兩個(gè)相鄰電子層之間發(fā)生遷躍時(shí)，會(huì)出現(xiàn)多條相近的譜線，這表明，同一電子層中還存在著能量的差別，這種差別，就被稱為“電子亞層”，也叫“能級(jí)”。 能級(jí)（電子亞層）如果用更加精細(xì)的光譜儀觀察氫原子光譜，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，原來(lái)的整條譜線又有裂分，這意味著量子化的兩電子層之間存在著更為精細(xì)的“層次”，這被稱為“能級(jí)”，每一電子層都由一個(gè)或多個(gè)能級(jí)組成，同一能級(jí)的能量相同。描述能級(jí)的量子數(shù)稱為角量子數(shù)（angular quantum number）用“l(fā)”表示。對(duì)于每一個(gè)電子層對(duì)應(yīng)的主量子數(shù)n，l的取值可以是0、1、2、n-1，也就是說(shuō)，總共有n個(gè)能級(jí)，因?yàn)榈谝浑娮訉覭的n1，所以它只有一個(gè)能級(jí)，而n=2的L層就有兩個(gè)能級(jí)，表現(xiàn)在光譜上就是兩條非常相近的譜線。 從第一到第七周期的所有元素中，人們共發(fā)現(xiàn)4個(gè)能級(jí)，分別命名為s，p，d，f。從理論上說(shuō)，在第八周期將會(huì)出現(xiàn)第五個(gè)能級(jí)。 主量子數(shù)n1234電子層 KLMN角量子數(shù)（l）取值 00,10,1,20,1,2,3能級(jí)符號(hào) 1s2s,2p3s,3p,3d4s,4p,4d,4f 能級(jí)分裂 s，p，d，f能級(jí)的能量有大小之分，這種現(xiàn)象稱為“屏蔽效應(yīng)”，屏蔽效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因是核外電子間靜電力的相互排斥，減弱了原子核對(duì)電子的吸引：s能級(jí)的電子排斥p能級(jí)的電子，把p電子“推”離原子核，p、d、f之間也有類似情況 總的屏蔽順序?yàn)?nsnpndnf 因?yàn)殡x核越遠(yuǎn)，能量越大，所以能量順序與屏蔽順序成反比 能量順序?yàn)?nsnpndnf 鮑林的近似能級(jí)圖能級(jí)交錯(cuò) 同一電子層之間有電子的相互作用，不同電子層之間也有相互作用，這種相互作用稱為“鉆穿效應(yīng)”，其原理較為復(fù)雜，鉆穿效應(yīng)的直接結(jié)果就是上一電子層的d能級(jí)的能量高于下一電子層s的能量。即，d層和s層發(fā)生交錯(cuò)，f層與d層和s層都會(huì)發(fā)生交錯(cuò)。 我國(guó)化學(xué)家徐光憲提出了一條能級(jí)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)定律：能級(jí)的能量近似等于n+0.7l。 美國(guó)著名化學(xué)家萊納斯鮑林也通過(guò)計(jì)算給出了一份近似能級(jí)圖（見(jiàn)右圖）這幅圖近似描述了各個(gè)能級(jí)的能量大小，有著廣泛的應(yīng)用5。 軌道在外部磁場(chǎng)存在的情況下，許多原子譜線還是發(fā)生了更細(xì)的分裂，這個(gè)現(xiàn)象被叫做塞曼效應(yīng)（因電場(chǎng)而產(chǎn)生的裂分被稱為斯塔克效應(yīng)），這種分裂在無(wú)磁場(chǎng)和電場(chǎng)時(shí)不存在，說(shuō)明，電子在同一能級(jí)雖然能量相同，但運(yùn)動(dòng)方向不同，因而會(huì)受到方向不同的洛倫茲力的作用。這些電子運(yùn)動(dòng) 描述軌道的量子數(shù)稱為磁量子數(shù)（magnetic quantum number）符號(hào)“m”，對(duì)于每一個(gè)確定的能級(jí)（電子亞層），m有一個(gè)確定的值，這個(gè)值與電子層無(wú)關(guān)（任何電子層內(nèi)的能級(jí)的軌道數(shù)相同） 能級(jí)spdf磁量子數(shù) 1357軌道數(shù) 1357 軌道的形狀可以根據(jù)薛定諤方程球座標(biāo)的Y(，)推算，s能級(jí)為一個(gè)簡(jiǎn)單的球形軌道。p能級(jí)軌道為啞鈴形，分別占據(jù)空間直角坐標(biāo)系的x,y,z軸，即有三個(gè)不同方向的軌道。d的軌道較為復(fù)雜，f能級(jí)的七個(gè)軌道更為復(fù)雜。所有軌道的角度分布波函數(shù)圖像參見(jiàn)a gallery of atomic orbitals and molecular orbitals. 自旋高分辨光譜事實(shí)揭示核外電子還存在著一種奇特的量子化運(yùn)動(dòng)，人們稱其為自旋運(yùn)動(dòng)，用自旋磁量子數(shù)（spin m.q.n）表示，每個(gè)軌道最多可以容納兩個(gè)自旋相反的電子，記做“”但需要指出，這里的自旋和地球的自轉(zhuǎn)不同，自旋的實(shí)質(zhì)還是一個(gè)等待發(fā)現(xiàn)的未解之謎。 原子核也可以存在凈自旋。由于熱平衡，通常這些原子核都是隨機(jī)朝向的。但對(duì)于一些特定元素，例如氙-129，一部分核自旋也是可能被極化的，這個(gè)狀態(tài)被叫做超極化，在核磁共振成像中有很重要的應(yīng)用。 電子排布綜述電子在原子軌道的運(yùn)動(dòng)遵循三個(gè)基本定理：能量最低原理、泡利不相容原理、洪德規(guī)則。 能量最低原理能量最低原理的意思是：核外電子在運(yùn)動(dòng)時(shí)，總是優(yōu)先占據(jù)能量更低的軌道，使整個(gè)體系處于能量最低的狀態(tài)。 泡利不相容原理物理學(xué)家泡利在總結(jié)了眾多事實(shí)的基礎(chǔ)上提出：不可能有完全相同的兩個(gè)費(fèi)米子同時(shí)擁有樣的量子物理態(tài)。泡利不相容原理應(yīng)用在電子排布上，可表述為：同一軌道上最多容納兩個(gè)自旋相反的電子。該原理有兩個(gè)推論： 若兩電子處于同一軌道，其自旋方向一定不同； 若兩個(gè)電子自旋相同，它們一定不在同一軌道； 每個(gè)軌道最多容納兩個(gè)電子。 洪德規(guī)則(Hunds rule)洪德在總結(jié)大量光譜和電離勢(shì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出：電子在簡(jiǎn)并軌道上排布時(shí)，將盡可能分占不同的軌道，且自旋平行5。對(duì)于同一個(gè)電子亞層，當(dāng)電子排布處于 全滿（s2、p6、d10、f14） 半滿（s1、p3、d5、f7） 全空（s0、p0、d0、f0） 時(shí)比較穩(wěn)定。 電子排布式最初人們只是用電子結(jié)構(gòu)示意圖來(lái)表示原子的微觀結(jié)構(gòu)，但電子結(jié)構(gòu)示意圖只能表示出原子的電子層而不能表示出能級(jí)和軌道，電子排布式由此誕生。 電子排布式的表示方法為：用能級(jí)符號(hào)前的數(shù)字表示該能級(jí)所處的電子層，能級(jí)符號(hào)后的指數(shù)表示該能級(jí)的電子數(shù)，電子依據(jù)“能級(jí)交錯(cuò)”后的能級(jí)順序順序和“能量最低原理”、“泡利不相容原理”和“洪德規(guī)則”三個(gè)規(guī)則進(jìn)行進(jìn)行。另外，雖然電子先進(jìn)入4s軌道，后進(jìn)入3d軌道（能級(jí)交錯(cuò)的順序），但在書寫時(shí)仍然按1s 2s,2p 3s,3p,3d 4s的順序進(jìn)行。 示例 H：1s1 F：1s2 2s2,2p5 S：1s2 2s2,2p6 3s2,3p4 Cr：1s2 2s2,2p6 3s2,3p6,3d5 4s1 （注意