原子的電子層結(jié)構(gòu)
實驗室k / 2019-04-29
原子是由質(zhì)子、中子等組成的原子核與核外電子所構(gòu)成的。由于單質(zhì)和化合物的化學性質(zhì)主要決定于核外電子運動的狀態(tài)。因此，在化學中研究原子結(jié)構(gòu)主要在于了解核外電子運動的規(guī)律。
（1）核外電子運動的特性
核外電子運動具有波粒二象性，又表現(xiàn)出量子化特性，因而無法知道核外電子運動的軌跡（測不準原理），也就不能用經(jīng)典的牛頓力學來描述核外電子的運動狀態(tài)。
（2）核外電子運動規(guī)律的描述
量子力學用統(tǒng)計學的原理來研究電子在核外空間運動的“統(tǒng)計性”，從而掌握電子運動的規(guī)律。
核外電子運動狀態(tài)用波函數(shù)φ來描述。φ為原子軌道函數(shù)，或稱為原子軌道。原子軌道通常用隨半徑r變化有關(guān)的徑向分布函數(shù)和隨角度θ、φ變化有關(guān)的角度分布函數(shù)來表示。|φ|2稱為幾率密度，|φ|2在空間的分布稱為電子云，所以波函數(shù)與電子云既有聯(lián)系又有區(qū)別。在電子運動狀態(tài)的各種表示的圖象中，原子軌道的角度分布在討論化學鍵和分子結(jié)構(gòu)時有重要的應用。
（3）電子運動狀態(tài)的確定——四個量子數(shù)
核外電子運動狀態(tài)是量子化的，它是由反映電子運動量子化特性的一套參數(shù)——四個量子數(shù)來決定。這四個量子數(shù)是主量子數(shù)n、角量子數(shù)l（通常用s、p、d、f…表示）、磁量子數(shù)m和自旋量子數(shù)ms。n、l、m三個量子數(shù)確定一個波函數(shù)φ（原子軌道），也即確定電子在空間運動的范圍。它們的取值有著相互制約的關(guān)系。
在n、l、m均相同的情況下，某電子運動狀態(tài)還可因其自旋方向不同而不同，這由ms確定，ms的取值為＋1/2或－1/2?？傊?，n、l、m、ms四個量子數(shù)確定電子的一種完整的運動狀態(tài)（包括空間運動范圍和自旋情況）。
（4）原子中核外電子的排布
在多電子原子中，原子核對某一電子的引力總是因其他電子的存在而減小。“其他電子”對核電荷的這種抵消作用稱為屏蔽作用。核電荷被部分屏蔽后剩余的部分稱為有效核電荷Z*
Z*=Z－σ
式中Z為核電荷數(shù)，σ為屏蔽常數(shù)。
原子中某電子的能量與其Z*對該電子的作用有關(guān)：
Ee=－2．719×10（-18次方）（Z*/n）（2次方）焦耳
根據(jù)斯萊特（slater）規(guī)則，可以算出指定電子的Z－σ（即Z*）值。
由于屏蔽效應，多電子原子核外電子的能量同時受n和l的影響。從而使得核外電子的能量出現(xiàn)交錯現(xiàn)象。鮑林（Pauling）根據(jù)光譜實驗事實，總結(jié)出基態(tài)原子電子填充順序的近似能級圖。核外電子填充（或稱排布）除依據(jù)近似能級圖外，還遵循能量最低原理、保里不相容原理和洪特規(guī)則。嚴格地講，是依據(jù)這些原理就能比較好地解釋周期表中絕大多數(shù)元素的基態(tài)原子的電子排布的光譜實驗事實。
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