1、原子物理学原子物理学(Atomic Physics)第七章第七章 原子的壳层结构及原子的壳层结构及 基态光谱项基态光谱项7.1 元素性质的周期性变化元素性质的周期性变化 及壳层结构及壳层结构7.2 电子的壳层构造电子的壳层构造7.3 原子基态光谱项的确定原子基态光谱项的确定原子物理学原子物理学(Atomic Physics)7.1 元素性质的周期性元素性质的周期性 变化及壳层结构变化及壳层结构 1.1.元素的周期律元素的周期律原子物理学原子物理学(Atomic Physics)原子物理学原子物理学(Atomic Physics)原子物理学原子物理学(Atomic Physics)。原子物理学原
2、子物理学(Atomic Physics)2.2.门捷列夫的元素周期表门捷列夫的元素周期表 原子物理学原子物理学(Atomic Physics)原子物理学原子物理学(Atomic Physics)原子物理学原子物理学(Atomic Physics)原子物理学原子物理学(Atomic Physics)3.3.元素性质的周期性元素性质的周期性原子物理学原子物理学(Atomic Physics)原子物理学原子物理学(Atomic Physics)I1和I2与Z的关系logI/eV原子物理学原子物理学(Atomic Physics)1 1核外电子排布的壳层模型核外电子排布的壳层模型原子物理学原子物理学(
3、Atomic Physics)原子物理学原子物理学(Atomic Physics)2 2电子排列的壳层结构电子排列的壳层结构 不论在强磁场中还是弱磁场中，主量子数相不论在强磁场中还是弱磁场中，主量子数相同的电子构成一个壳层；同一壳层内，相同同的电子构成一个壳层；同一壳层内，相同L的的电子构成一个支壳层（一个壳层内有几个支壳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：层），壳层和支壳层表示为：n=1 2 3 4 5 6 7n=1 2 3 4 5 6 7 壳层名称壳层名称 K L M N O P QK L M N O P Q L=0 1 2 3 4 5 6 L=0 1 2 3
4、 4 5 6 支壳层名称支壳层名称 s p d f g h is p d f g h i原子物理学原子物理学(Atomic Physics)3.3.玻尔对周期性的解释玻尔对周期性的解释原子物理学原子物理学(Atomic Physics)原子物理学原子物理学(Atomic Physics)原子物理学原子物理学(Atomic Physics)玻尔，N(Niels Henrik David Bohr 18851962)丹麦物理学家，哥本哈根学派的创始人。1885年10月7日生于哥本哈根，1903年入哥本哈根大学数学和自然科学系，主修物理学。1913年玻尔任曼彻斯特大学物理学助教，1916年任哥本哈根
5、大学物理学教授 1922年玻尔荣获诺贝尔物理学奖。原子物理学原子物理学(Atomic Physics)4 4、壳层中的电子数、壳层中的电子数描述电子的状态的量子数描述电子的状态的量子数1,2,3n 原子物理学原子物理学(Atomic Physics)0,1,2,3,1.ln原子物理学原子物理学(Atomic Physics),1,0,.lml ll lzlPm原子物理学原子物理学(Atomic Physics)1.2sm szsPm原子物理学原子物理学(Atomic Physics)泡利原理的限制泡利原理的限制 在一个原子中，不可能有两个或两在一个原子中，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相
6、同的四个量子个以上的电子具有完全相同的四个量子数。或者说，原子中的每一个状态只能数。或者说，原子中的每一个状态只能容纳一个电子。容纳一个电子。PauliPauli原理更一般的描述是，在费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统中不能有两个或多个粒子处于完全相同的状态。同的状态。原子物理学原子物理学(Atomic Physics)当当n,Ln,L一定时，一定时，可取可取(2L+1)(2L+1)个值，对每一个值，对每一个个 ，可取二个值，所以可取二个值，所以L L支壳层内所能支壳层内所能容纳的最大电子数为容纳的
7、最大电子数为(,)lsn l m m壳层中所能容纳的最多电子数壳层中所能容纳的最多电子数lmsmlm2(21)lNl0,1,2,3,4,l 2,6,10,14,18,lN 原子物理学原子物理学(Atomic Physics)n n一定时，一定时，；可取可取n n个个值。所以值。所以n n壳层内所能容纳的最大电子数为壳层内所能容纳的最大电子数为:lN0,1,21ln2(2 0 1)(2 1 1)(2 2 1)(2(1)1)n 11002(21)nnlllNNl22 1 352(1)112(1)12 22nnnn 原子物理学原子物理学(Atomic Physics)当当 n,l n,l 一定时，一
8、定时，对每一个，对每一个j j，可取可取2j+12j+1个值，所以个值，所以 支壳层内所能容纳的最支壳层内所能容纳的最大电子数为：大电子数为：12jl(,)jn l j mljNllN 1)21(2 1)21(22112()1 2()1,222jljlNllNNNNnjm2max2Nnmax2(21)lNl 壳层和支壳层中所能容纳的最大电子数不壳层和支壳层中所能容纳的最大电子数不受外磁场的影响。受外磁场的影响。（a）壳层：）壳层：（b）支壳层）支壳层：原子物理学原子物理学(Atomic Physics)73图 各 支 壳 层 的 能 量 关 系原子物理学原子物理学(Atomic Physics
9、)7.2 电子的壳层建造电子的壳层建造原子物理学原子物理学(Atomic Physics)纵观元素周期表中各元素核外电子的分布，电子在填充过程中遵循如下规律。1 1核外电子数等于该原子的原子核外电子数等于该原子的原子序数序数 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。原子物理学原子物理学(Atomic Physics)2 2各壳层的最大电子容量各壳层的最大电子容量 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 3基态是原子能量最低状态
10、基态是原子能量最低状态 逐一增加电子时，被加电子要尽可能填在能量最低的状态。原子物理学原子物理学(Atomic Physics)（1）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；（2）第三周期一直到18号元素Ar(氩)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？（3）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。这是为什么呢？1 1问题的提出问题的提出原子物理学原子物理学(Atomic Physics)3d轨道是轨道是(n=3,L=2)圆轨道，没
11、有轨道贯穿圆轨道，没有轨道贯穿和极化效应，而和极化效应，而4s轨道是很扁的椭圆轨道，轨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量下降而低于3d能级。能级。2 2定性说明定性说明 出现上述情况的原因，出现上述情况的原因，是由于电子在是由于电子在填充过程中要遵循能量最小原理。填充过程中要遵循能量最小原理。下面我下面我们从定性和定量两方面对此予以说明。们从定性和定量两方面对此予以说明。原子物理学原子物理学(Atomic Physics)通过等电子系光谱的比较，可以清楚地看通过等电子系光谱的比较，可以清楚地看到，第到，第19号
12、电子为什么放弃号电子为什么放弃3d而进入而进入4s轨道。轨道。基本思想：取基本思想：取19号元素号元素K及类及类K离子进行离子进行研究，即（钾，钙，钪，钛，铬，锰）研究，即（钾，钙，钪，钛，铬，锰）它们具有相同的结构，即原子实（核与它们具有相同的结构，即原子实（核与18个核个核外电子构成）加外电子构成）加1个价电子；不同的是核电荷个价电子；不同的是核电荷数不同数不同,K和类和类K离子的光谱项可表示为离子的光谱项可表示为 22 (7-1)RZTn3 3定量分析定量分析23456,K CaScTiVCrM原子物理学原子物理学(Atomic Physics)式中式中 是原子实的有效电荷数，它已经将轨
13、道是原子实的有效电荷数，它已经将轨道贯穿和原子实的极化效应都包含在内。于贯穿和原子实的极化效应都包含在内。于 是是*,119,1 20,aK ZCZ*Z 定义定义 ，称为屏蔽常数。则（，称为屏蔽常数。则（7-1）式化为）式化为22()RTZn1()(7-2)TZRnZZ（7-2）式称为）式称为原子物理学原子物理学(Atomic Physics)n是最外层价电子的主量子数，是最外层价电子的主量子数，把（把（7-2）式的实验结果画在图上，就得到莫塞莱）式的实验结果画在图上，就得到莫塞莱(Moseley)图。由此图可以判定能级的高低，图。由此图可以判定能级的高低，从而确定电子的填充次序。当等电子系最
14、从而确定电子的填充次序。当等电子系最外层价电子位于外层价电子位于3d时，相应的原子态为时，相应的原子态为3 3D D；此时由实验测出此时由实验测出Z Z取不同值时的光谱项取不同值时的光谱项T T，从而得到等电子系对于态从而得到等电子系对于态3 3D D的的 (Moseley)(Moseley)曲线。曲线。4莫塞莱莫塞莱(Moseley)图图原子物理学原子物理学(Atomic Physics)同理，当价电子位于同理，当价电子位于4S 时，相应的原子时，相应的原子态为态为4S，又可得到一，又可得到一 条条(Moseley)曲线；由曲线；由两条曲线的两条曲线的(Moseley)图可以比较不同原子态图
15、可以比较不同原子态时（时（3S和和4D）谱项值的大小，而）谱项值的大小，而E=-hcT因此，因此，T 越大，相应的能级越低。对同一元越大，相应的能级越低。对同一元素来说，最外层电子当然先填充与低能态对素来说，最外层电子当然先填充与低能态对应的轨道。应的轨道。由图可见，由图可见，n=3 和和 n=4 的两条直线交于的两条直线交于Z=2021，所以，对于，所以，对于19，20号元素号元素22(4)(3)TSTD原子物理学原子物理学(Atomic Physics)原子物理学原子物理学(Atomic Physics)21号之后元素号之后元素22(3)(4)TDTS 由此可见：由此可见：19，20号元素
16、最外层电子号元素最外层电子只能先填只能先填4S 轨道；而轨道；而21号之后的元素才号之后的元素才开始进入开始进入3D 轨道。除第三周期外，后面轨道。除第三周期外，后面的各个周期也都存在这类似的情况，前一的各个周期也都存在这类似的情况，前一周期的壳层未填满，而又进入下一壳层，周期的壳层未填满，而又进入下一壳层，这都是由能量最小原理决定的这都是由能量最小原理决定的.原子物理学原子物理学(Atomic Physics)我国科学家徐光宪总结出的规律为：我国科学家徐光宪总结出的规律为：能级高低以能级高低以(n+0.7l)值来确定，该值越值来确定，该值越大，能级越高。例如大，能级越高。例如4s和和3d两个
17、状态，两个状态，4s的的(n+0.7l)=4，3d的的(n+0.7l)=4.4，所以所以4s能级低于能级低于3d能级，这样，能级，这样，4s态应态应比比3d态先为电子占有。态先为电子占有。原子物理学原子物理学(Atomic Physics)1 1基态原子的电子排布原则基态原子的电子排布原则（1）Pauli不相容原理；不相容原理；（2）能量最低原理；能量最低原理；Hund规则：在能级简并的轨道上，电规则：在能级简并的轨道上，电子尽可能自旋平行地分占不同的轨道；全子尽可能自旋平行地分占不同的轨道；全充满、半充满、全空的状态比较稳定，因充满、半充满、全空的状态比较稳定，因为这时电子云分布近于球形。为
18、这时电子云分布近于球形。原子物理学原子物理学(Atomic Physics)2 2、电子的壳层结构和周期系的构成、电子的壳层结构和周期系的构成 1)第一周期第一周期 第一周期即的壳层有两种元素，氢和第一周期即的壳层有两种元素，氢和氦氢只有一个电子，基态电子组态为，由氦氢只有一个电子，基态电子组态为，由此得其基态是氦有两个电子，在基态时都此得其基态是氦有两个电子，在基态时都在态，形成基态是到此第一电子壳层已填在态，形成基态是到此第一电子壳层已填满而形成闭合壳层，则第一周期到比结满而形成闭合壳层，则第一周期到比结束所以氦的化学性质很不活泼束所以氦的化学性质很不活泼 原子物理学原子物理学(Atomi
19、c Physics)2)第二周期第二周期 第二周期即的壳层有第二周期即的壳层有8种元素第一种是锂，有三个种元素第一种是锂，有三个电子在基态时两个电子填满壳层，第三个电子必须进入电子在基态时两个电子填满壳层，第三个电子必须进入第二个壳层，并尽可能填在最低能级，所以填在支壳第二个壳层，并尽可能填在最低能级，所以填在支壳层这样锂原子的基态是铍原子有四个电子，它的基态层这样锂原子的基态是铍原子有四个电子，它的基态电子组态是，形成原子基态而硼、碳、氮、氧、氟、氖电子组态是，形成原子基态而硼、碳、氮、氧、氟、氖分别有分别有5，6，7，8，9，10个电子，前四个电子填充类个电子，前四个电子填充类似于铍原子，
20、而新增电子依次填在支壳层，到氖为止，支似于铍原子，而新增电子依次填在支壳层，到氖为止，支壳层填满，同时壳层亦填满而形式闭合壳层，其电子组态壳层填满，同时壳层亦填满而形式闭合壳层，其电子组态是，相应原子基态为到此第二周期结束是，相应原子基态为到此第二周期结束 在此周期中，锂的结构是一个满壳层之外加一个电子，在此周期中，锂的结构是一个满壳层之外加一个电子，此电子在原子中结合最不牢固最易被电离，所以锂原子易此电子在原子中结合最不牢固最易被电离，所以锂原子易成为带一个单位正电荷的离子而氟的第二壳层差一个电成为带一个单位正电荷的离子而氟的第二壳层差一个电子就要填满，所以氟易俘获一个电子成为一个具有完满壳
21、子就要填满，所以氟易俘获一个电子成为一个具有完满壳层的体系，而成为层的体系，而成为“带一个单位负电荷的离子元素周期带一个单位负电荷的离子元素周期表中靠近左边的元素具有正电性，右边元素具有负电性原表中靠近左边的元素具有正电性，右边元素具有负电性原因就在此因就在此 原子物理学原子物理学(Atomic Physics)3)第三周期第三周期 第三周期即的壳层也有第三周期即的壳层也有8种元素钠有种元素钠有11个电子，象个电子，象氖一样填满了壳层和壳层在基态时第氖一样填满了壳层和壳层在基态时第11个电子只能填在个电子只能填在第三壳层的支壳层，形成钠的基态，它具有同锂相仿的性第三壳层的支壳层，形成钠的基态，
22、它具有同锂相仿的性质，这以后七种原子中电子逐一填充的情况同第二周期的质，这以后七种原子中电子逐一填充的情况同第二周期的原子相同，只是此处填充在第三壳层到了氩，第三壳层原子相同，只是此处填充在第三壳层到了氩，第三壳层的第一、二支壳层已填满，它的基态是氩具有同氖和氦的第一、二支壳层已填满，它的基态是氩具有同氖和氦相仿的性质，它也是惰性元素相仿的性质，它也是惰性元素 由以上可见，第二周期和第三周期都是从碱金属元素由以上可见，第二周期和第三周期都是从碱金属元素开始到惰性气体元素终止在第三壳层中的支壳层完全空开始到惰性气体元素终止在第三壳层中的支壳层完全空着，下一个元素钾的第着，下一个元素钾的第19个电
23、子是否填充在上呢？光谱的个电子是否填充在上呢？光谱的观察及其他性质都显示出最后填充的不是而是支壳层钾观察及其他性质都显示出最后填充的不是而是支壳层钾原子中原子中18个电子已经构成一个完整的壳层体系，第个电子已经构成一个完整的壳层体系，第19个电个电子就要决定原子态的性质，如是电子，原子基态应是，但子就要决定原子态的性质，如是电子，原子基态应是，但实验得出基态是可见钾的第实验得出基态是可见钾的第19个电子已进入第四壳层而个电子已进入第四壳层而开始新的周期则第三周期到氩结束开始新的周期则第三周期到氩结束原子物理学原子物理学(Atomic Physics)4)第四周期第四周期 第四周期即的壳层有第四
24、周期即的壳层有18种元素开始的是钾，它的第种元素开始的是钾，它的第19个电子不是填充在而是支壳层，这是为什么呢个电子不是填充在而是支壳层，这是为什么呢?这是由于这是由于的能量低于的能量按第四章的讨论，轨道是一个偏心率很的能量低于的能量按第四章的讨论，轨道是一个偏心率很大的椭圆轨道，原子实的极化和轨道贯穿都能使它的能级下大的椭圆轨道，原子实的极化和轨道贯穿都能使它的能级下移是圆轨道，不会有贯穿，极化作用也很小，它的能级应移是圆轨道，不会有贯穿，极化作用也很小，它的能级应接近氢原子的能级，因此能级低于能级按接近氢原子的能级，因此能级低于能级按Mosely图也可解图也可解释，由图释，由图7-4又知，
25、基本平行的四条线是属于的，线的斜度又知，基本平行的四条线是属于的，线的斜度同这些线显然不同，它与线相交于和之间当和时，的谱项同这些线显然不同，它与线相交于和之间当和时，的谱项值大于的值，因能量与谱项值满足关系，可见值大于的值，因能量与谱项值满足关系，可见K和和Ca的的能级低于能级，这就解释了能级低于能级，这就解释了K和和Ca的第的第19个电子应先填而不个电子应先填而不填支壳层填支壳层Ca的第的第20个电子也应先充态到了个电子也应先充态到了Sc及其余及其余等电子离子中，才被态低，所以从钪到镍为止，第等电子离子中，才被态低，所以从钪到镍为止，第19个电子个电子才填充在支壳层这些元素称为过渡元素到铜
26、，它和钾原才填充在支壳层这些元素称为过渡元素到铜，它和钾原子相似正说明它的第子相似正说明它的第29个电子填在态，其余个电子填在态，其余28个电子把各壳个电子把各壳层都填满了，从铜起开始正常填充第四壳层到氧为止，支层都填满了，从铜起开始正常填充第四壳层到氧为止，支壳层填满，形成原子态，第四周期结束壳层填满，形成原子态，第四周期结束,但此时第四壳层和支但此时第四壳层和支壳层还空着壳层还空着原子物理学原子物理学(Atomic Physics)5)第五周期第五周期 第五周期即的壳层共有第五周期即的壳层共有18种元素从铷种元素从铷(Z=37)开始，开始，它与钾原子有相仿的性质，它的第它与钾原子有相仿的性
27、质，它的第37个电子不是填在而是个电子不是填在而是填在支壳层，从此开始了第五周期此周期填充与第四周填在支壳层，从此开始了第五周期此周期填充与第四周期相仿铷和锶填充支壳层从钇期相仿铷和锶填充支壳层从钇(Z=39)到钯到钯(Z=46)陆陆续填充支壳层，与钪到镍类似构成另一组过渡族元素，此续填充支壳层，与钪到镍类似构成另一组过渡族元素，此时支壳层已被填满，但支壳层还完全空着从银时支壳层已被填满，但支壳层还完全空着从银(Z=47)到到氙氙(Z=54)又恢复正常填充次序，新增电子依次填满了和支又恢复正常填充次序，新增电子依次填满了和支壳层，形成和氖、氩、氪类似的外壳层结构，成为第五个壳层，形成和氖、氩、
28、氪类似的外壳层结构，成为第五个惰性气体元素惰性气体元素Xe，从而结束了第五周期，从而结束了第五周期 原子物理学原子物理学(Atomic Physics)6)第六周期第六周期 第六周期即的壳层共有第六周期即的壳层共有32种元素到第五周期末，第种元素到第五周期末，第四壳层的和第五壳层的，都还空着下一元素铯又是一个四壳层的和第五壳层的，都还空着下一元素铯又是一个碱金属元素，它的最外边一个电子填充在支壳层，从而开始碱金属元素，它的最外边一个电子填充在支壳层，从而开始了第六周期钡和第四周期的钙、第五周期的锶都是二价碱了第六周期钡和第四周期的钙、第五周期的锶都是二价碱土金属，所以新增电子仍然填充支壳层从铈
29、到镥这土金属，所以新增电子仍然填充支壳层从铈到镥这14个个元素新增电子都陆续填充支壳层，直到填满为止这元素新增电子都陆续填充支壳层，直到填满为止这14个个元素自成一体系，具有相仿性质，称其为稀土元素从铪到元素自成一体系，具有相仿性质，称其为稀土元素从铪到铂，支壳层被依次填充，这些元素与镧一起称为第六周期的铂，支壳层被依次填充，这些元素与镧一起称为第六周期的过渡元素到金，填满而余一个，所以它具有同银和铜相仿过渡元素到金，填满而余一个，所以它具有同银和铜相仿的性质下一元素是汞，支壳层填满铊到氡电子依次将支的性质下一元素是汞，支壳层填满铊到氡电子依次将支壳层填满，从而完成了第六周期壳层填满，从而完成
30、了第六周期 原子物理学原子物理学(Atomic Physics)7)第七周期第七周期 第七周期即的壳层共有第七周期即的壳层共有23种元素此周期是一个种元素此周期是一个不完全周期钫和镭的最外边一个电子填充支壳层到不完全周期钫和镭的最外边一个电子填充支壳层到满锕和钍填充支壳层，直到铹主要是填补支壳层这满锕和钍填充支壳层，直到铹主要是填补支壳层这些元素同稀土族元素相仿，自成一体系，具有相仿的性些元素同稀土族元素相仿，自成一体系，具有相仿的性质从钅卢开始到质从钅卢开始到109号元素，新增电子依次填充支壳号元素，新增电子依次填充支壳层第七周期中钫到铀是自然界存在的，其余都是人造层第七周期中钫到铀是自然界
31、存在的，其余都是人造的的 原子物理学原子物理学(Atomic Physics)（1）电子组态：由电子组态：由n，l表示的电子排布方式。表示的电子排布方式。（2）多电子原子核外电子的填充顺序：多电子原子核外电子的填充顺序：1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d,7p（3）过渡元素在周期表中为何延迟出现？过渡元素在周期表中为何延迟出现？3d排排在在4s之后，之后，4d在在5s后，后，4f,5d在在6s后，后，5f,6d在在7s之之后。后。2.基态原子的电子排布基态原子的电子排布原子物理学原子物理学(Atomic Physics)电
32、子在原子轨道中的填充顺序，并不是电子在原子轨道中的填充顺序，并不是原子轨道能级高低的顺序，原子轨道能级高低的顺序，填充次序遵循的填充次序遵循的原则是使原子的总能量保持最低原则是使原子的总能量保持最低。原子轨道。原子轨道能级的高低随原子序数而改变，对于同一原能级的高低随原子序数而改变，对于同一原子，电子占据的原子轨道变化之后，各电子子，电子占据的原子轨道变化之后，各电子间的相互作用情况改变，各原子轨道的能级间的相互作用情况改变，各原子轨道的能级也会发生变化。也会发生变化。原子物理学原子物理学(Atomic Physics)Fe 1s22s22p63s23p63d64s2。常用原子实。常用原子实加
33、价电子层表示：加价电子层表示：FeAr3d64s2。表达式中。表达式中n小的写在前面。小的写在前面。电子在原子轨道中填充时，最外层的不规电子在原子轨道中填充时，最外层的不规则现象：部分原因是由于则现象：部分原因是由于d,f轨道全充满、半轨道全充满、半充满、全空或接近全满、半满、全空时更稳定充满、全空或接近全满、半满、全空时更稳定所致。但仍有解释不了的。所致。但仍有解释不了的。3.核外电子组态排布示例核外电子组态排布示例原子物理学原子物理学(Atomic Physics)Cr(铬铬)(3d54s1)，Cu(铜铜)(3d104s1)，Nb(铌铌)(4d45s1)，U(铀铀)(5f36d17s2)这
34、些不规则填充的情况只能由实验来决定，这些不规则填充的情况只能由实验来决定，这也反映了原子结构的复杂性和这一理论的不这也反映了原子结构的复杂性和这一理论的不完备性。完备性。原子物理学原子物理学(Atomic Physics)7.3 原子基态光谱项原子基态光谱项原子物理学原子物理学(Atomic Physics)（1）对于单电子原子，核外只有一个电子，对于单电子原子，核外只有一个电子，原子的运动状态就是电子的运动状态，描述电原子的运动状态就是电子的运动状态，描述电子运动状态的量子数就是描述原子运动状态的子运动状态的量子数就是描述原子运动状态的量子数。即，量子数。即，L=l，S=s，J=j，mJ=m
35、j，mL=m，mS=ms；L，S，J，mJ，mL 和和 mS 分别分别为为原子的原子的角量子数、自旋量子数、总量子数、角量子数、自旋量子数、总量子数、总磁量子数、磁量子数和自旋磁量子数总磁量子数、磁量子数和自旋磁量子数。1.LS 耦合中的量子数回顾耦合中的量子数回顾原子物理学原子物理学(Atomic Physics)（2）对于多电子原子，可近似地认为原子）对于多电子原子，可近似地认为原子中的电子处于各自的轨道运动（用中的电子处于各自的轨道运动（用n，l，m描描述）和自旋运动（用述）和自旋运动（用s和和ms描述）状态，整个原描述）状态，整个原子的运动状态应是各个电子所处的轨道和自旋子的运动状态应
36、是各个电子所处的轨道和自旋运动状态的总和。但绝不是对描述电子运动的运动状态的总和。但绝不是对描述电子运动的量子数的简单加和，而需对各电子的轨道运动量子数的简单加和，而需对各电子的轨道运动和自旋运动的角动量进行矢量加和，得出一套和自旋运动的角动量进行矢量加和，得出一套描述整个原子运动状态（原子的能态）的量子描述整个原子运动状态（原子的能态）的量子数。数。原子物理学原子物理学(Atomic Physics)原子的运动状态需用一套原子的量子数描述：原子的运动状态需用一套原子的量子数描述：原子的角量子数原子的角量子数L规定原子的轨道角动量：规定原子的轨道角动量：1 21P，LL L1 L0n-原子的磁
37、量子数原子的磁量子数mL规定原子轨道角动量在磁场方向规定原子轨道角动量在磁场方向的分量：的分量：0,1,2,L mLLzPmL 原子物理学原子物理学(Atomic Physics)原子的自旋量子数原子的自旋量子数S规定原子的自旋角动量：规定原子的自旋角动量：0,1,2,1 3 5,2 2 21 ssps s原子的自旋磁量子数原子的自旋磁量子数mS规定原子的自旋角动量在磁场方向规定原子的自旋角动量在磁场方向的分量：的分量：0,1,2,S135,222 mSsSzSpm 原子物理学原子物理学(Atomic Physics)原子的总量子数原子的总量子数J规定原子的总角动量（轨道和自旋）：规定原子的总
38、角动量（轨道和自旋）：(1)JPJ J，JLSLS1LS原子的总磁量子数原子的总磁量子数mJ规定原子的总角动量在磁场方向的分规定原子的总角动量在磁场方向的分量：量：0,1,2,135,222JJJJzJPmm 原子物理学原子物理学(Atomic Physics)原子的光谱支项原子的光谱支项：2S+1LJ 原子的光谱项：可由原子的量子数来表示，原子的光谱项：可由原子的量子数来表示，L值值为为0，1，2，3，4 的能态用大写字母的能态用大写字母S，P，D，F，G 表示，将（表示，将（2S+1）写在）写在 L 的左上角。的左上角。原子的光谱支项将原子的光谱支项将 J 写在写在 L 的右下角。的右下角
39、。原子的总角动量等于电子的轨道角动量和自旋角动量原子的总角动量等于电子的轨道角动量和自旋角动量的矢量和的矢量和.原子的光谱项原子的光谱项：2S+1L2.原子光谱项的表示原子光谱项的表示原子物理学原子物理学(Atomic Physics)原子的总角动量等于电子的轨道角动量和自旋角原子的总角动量等于电子的轨道角动量和自旋角动量的矢量和动量的矢量和.有两种加和法：有两种加和法：将每一电子的轨道角动量加：将每一电子的轨道角动量加和得到原子的轨道角动量，将每一电子的自旋角动量和得到原子的轨道角动量，将每一电子的自旋角动量加和得到原子的自旋角动量，然后再将原子的轨道角加和得到原子的自旋角动量，然后再将原子
40、的轨道角动量和自旋角动量合成为原子的总角动量。动量和自旋角动量合成为原子的总角动量。(适用于原适用于原子序数小于子序数小于40的轻原子的轻原子)：先把每一电子的轨道角动量：先把每一电子的轨道角动量和自旋角动量合成为该电子的总角动量，然后再将每和自旋角动量合成为该电子的总角动量，然后再将每个电子的总角动量合成为原子的总角动量。个电子的总角动量合成为原子的总角动量。(适用于重适用于重原子原子)原子物理学原子物理学(Atomic Physics)全充满的电子层，称为闭合壳层；全充满的支壳层，称全充满的电子层，称为闭合壳层；全充满的支壳层，称为闭合支壳层。为闭合支壳层。2.闭合支壳层基态光谱项为闭合支
41、壳层基态光谱项为1.闭合壳层与闭合支壳层闭合壳层与闭合支壳层10S 当当n、l给定以后，由泡利原理知道，所有电子其自旋相互给定以后，由泡利原理知道，所有电子其自旋相互抵消，各电子的轨道角动量的矢量和也正好抵消，光谱抵消，各电子的轨道角动量的矢量和也正好抵消，光谱项项 。10S10S原子物理学原子物理学(Atomic Physics)3.闭合壳层基态光谱项为闭合壳层基态光谱项为10S 当当n给定以后，对于各个支壳层均有给定以后，对于各个支壳层均有2110sJLS0,00 ,0sSLmMmMiiSiiL00 ,0JSLPPP00 ,0JSLPPP于是，闭合壳层于是，闭合壳层基态光谱项为基态光谱项为
42、原子物理学原子物理学(Atomic Physics)1.基态光谱项的确定方法基态光谱项的确定方法原子物理学原子物理学(Atomic Physics)解：解：（1）C的基态电子组态的基态电子组态 。例例7-1 求碳（求碳（C，Z=6）原子和氧（）原子和氧（O，Z=8）原）原 子的基态光谱项。子的基态光谱项。222122ssp（2）C的基态由的基态由 确定确定。22p0,1,21;0,1,2 ,1,12121SssLll原子物理学原子物理学(Atomic Physics)（3）由）由洪特定则确定原子基态洪特定则确定原子基态S=1，再，再由泡利原理由泡利原理确定确定L。21212121,21,1,l
43、lmmssllnn.0,1,1.1;0,2;1,0,1;1,1,0212121llllllmmLLmmmm原子物理学原子物理学(Atomic Physics)（4）J的的确定，因为确定，因为26/2,所以能级是所以能级是正序正序,J小的能级低。小的能级低。0SLJ（5）基态光谱项基态光谱项03P原子物理学原子物理学(Atomic Physics)由于受由于受Pauli原理和电子不可分辨性的限制，原理和电子不可分辨性的限制，的光谱项和微观状态数会大大减少的光谱项和微观状态数会大大减少,在这里在这里等价电子轨等价电子轨道可以理解为同科电子轨道道可以理解为同科电子轨道。2.等价电子组态的基态光谱项等
44、价电子组态的基态光谱项只有一个等价轨道只有三个等价轨道则有五个等价轨道其它类推 s1 0 -1pdd21 0-1-2d原子物理学原子物理学(Atomic Physics)1）自旋：）自旋：1 0 1“先占位，后配对先占位，后配对”iiSmMs S 2）轨道：）轨道：1 0 1iilLmM L“先占高位，后配对先占高位，后配对”0,23:1,0,1:3LSmPl1,21:2,1,0,1,2:5LSmPl原子物理学原子物理学(Atomic Physics);,212211ssssiiSissMMMSmMmM.,212211lllLiiLilLMMMLmMmMa）支壳层低于半满，正序，）支壳层低于半
45、满，正序，J=L-Sb）支壳层超过半满，倒序，）支壳层超过半满，倒序，J=L+Sc）双低于半满，正序，）双低于半满，正序，J=L-Sd）一低半，一等半，正序，）一低半，一等半，正序，J=L-Se）一超半，一等半，倒序，）一超半，一等半，倒序，J=L+Sf）两等半满，）两等半满，J=L-S=L+S原子物理学原子物理学(Atomic Physics)解：解：（1）C的基态电子组态的基态电子组态 。例例7-2 求碳（求碳（C，Z=6）原子和氧（）原子和氧（O，Z=8）原）原 子的基态光谱项。子的基态光谱项。222122ssp 1 0 12p.12121 ,101iisilmSmL支壳层低于半满，正序，支壳层低于半满，正序，J=L-S=030P原子物理学原子物理学(Atomic Physics)Ti(3d)2，mS1，S1；mL3，L3；L-S2；3F2Br(4p)5，mS1/2，S1/2；mL1，L1；L+S3/2；2P3/2H(1s)1，mS1/2，S1/2；mL0，L0；L-S1/2；2S1/2N(2p)3，mS3/2，S3/2；mL0，L0；L-S3/2；4S3/2F(2p)5，mS1/2，S1/2；mL1，L1；L+S3/2；2P3/2Ne(2p)6，mS0，S0；mL0，L0；LS0；1S0原子物理学原子物理学(Atomic Physics)
