结构化学原子结构和性质

结构化学原子结构和性质概述，包含了量子数物理意义、波函数和电子云图形、元素周期表和元素性质等。

结构化学原子结构和性质

• 量子数物理意义
  • 主量子数n
    • 单电子原子能级公式
  • 角量子数l
    • 角动量平方算符
  • 磁量子数m
    • Z方向上的分量算符
    • φnlm代表的状态其角动量在 Z方向上的分量Mz有确定值
  • 自旋量子数s
    • 电子自旋磁矩μ；电子自旋磁矩磁场方向分量μsz
  • 总量子数j
    • 总量子数j规定总角动量Mj
    • 总磁量子数mj规定总角动量沿磁场方向分量Mjz
• 波函数和电子云图形
  • φ-r图
    • φ-r
    • φ²-r图
  • 径向分布图
  • 原子轨道等值线图
    • 1.电子云分布图
    • 2.原子轨道网格线图
    • 3.电子云界面图
    • 4.原子轨道轮廓图
  • f轨道轮廓图
    • 图示
    • 轨道波函数
• 原子光谱
  • 原子光谱和光谱项
    • 激发态
      • 原子受外来作用时，其电子吸收外界 能量后跃迁至较高能级后使原子达到 高能量状态
    • 基态
      • 原子最低能量状态
  • 电子状态和原子能态
    • 例子：原子角动量=电子角动量+ 原子自旋角动量
      • 1.L-S耦合法：每电子轨道角动加和得到原子角动量后，将每电子自旋角动量加和得到原子自旋角动量，两者加和得到原子总角动量
      • 2.j-j耦合法：优先计算电子总角动量，后对每电子总角动量合成为原子总角动量
      • 3.L-S耦合法适用于M<40的原子，j-j耦合法适用于重原子
    • 原子光谱项和原子能态相对应， 能态与原子量子数相对应
  • 单电子原子光谱项和原子光谱
    • 1.氢原子光谱项推引
    • 2.氢原子（2p）¹→（1s）¹跃迁的光谱
      • 电子跃迁满足一定选律
    • 3.碱金属原子光谱
  • 多电子原子光谱项
    • 1.多电子原子光谱项推求
      • L
      • L→S
      • (1)非等价电子组态
        • 至少一个量子数不同
      • （2）等价电子组态
        • 受Pauli原理和费米子不可分辨性约束 光谱项和微观数目大大减少
    • 2.多电子原子能级
      • Zeeman效应：原子置于磁场中时，每一光谱支项 进一步裂解为（2J+1）个不同微观能态
        • 原子角动量和磁场相互作用的结果
    • 3.谱项能级高低判断
      • 原子在同一组态时，S值最大者稳定
      • S值相同时，L值最大者稳定
      • 一般的，L值，S值相同时
        • 电子<半充满时：J值小，E低
        • 电子>半充满时：J值大，E低
        • 电子=半充满时：L=0，J=S，只有一个支项
  • 原子光谱的应用
    • 1.原子发射光谱和原子吸收光谱
      • A=kcL
    • 2.原子的X射线谱
    • 3.X射线荧光分析
      • 不破坏样品原态，用量少
      • 除最轻几种元素外，固液相样品均可
      • 谱线数目少，波长和原子序数关系简单
      • 便捷快速，对不易分离元素探测更快
    • 4.电子探针
• 元素周期表和元素性质
  • 元素周期表
    • 周期
      • 与基态原子核外电子填充 最高量子数n相对应
      • 能级层：K,L,M,N,O,P,Q
      • 原子轨道：s,p,d,f,g,h
    • 族
      • 以阿拉伯数字和罗马数字 为主对主族元素和副族元素分类
    • 标准原子量
      • 相对原子质量
    • 元素分区
      • s区，p区，d区，ds区，f区
  • 原子结构参数
    • 原子半径，原子核核电荷量，有效核电荷， 电离能，电子亲核能，电负性，化合价，电 子结合能等
  • 原子电离能
    • 基态原子（g）移去一个电子成为一价气态 正离子所需最低能量
      • 1 稀有气体电离能总处于极大值，碱金属电离能处于极小值
      • 2 除过渡元素金属，同周期元素第一电离能基本随原子序数的增加而增加
      • 3 过渡金属元素第一电离能可以不规则地随原子序数的增加而增加
      • 4 同周期元素中，第一电离能的变化具有起伏性
  • 电子亲和能
    • 气态原子获得一个电子变成 一价负离子放出的能量
  • 电负性
    • Pauling标准电负性标度
    • Mulliken电负性标度
    • Allred-Rochow计算电负性标度
    • L.C.Allen光谱电负性标度
  • 相对论效应对元素周期性的影响
    • 1 基态原子组态
      • 第六周期元素6s电子相对论 稳定效应大，易从4dn5s1 变成5dn-16s2
    • 2 （6s）²惰性电子对效应
      • 6s能级下降幅度大于5s能级，是 出现6s惰性电子对效应的主要因素
    • 3 金和汞性质差异
      • 结构相似，但由于Au的6s轨道收缩， 能级显著下降且与5d轨道一起形成 最外层价电子轨道，具有了拟于卤素 的电子组态
    • 4 金属熔点
      • 6s轨道收缩，能级降低且与5d共同组成 6个价电子轨道，轨道与相同配位原子 价轨道相互叠加作用后各轨道参与成键
        • 价电子<6，电子数增加，熔点增加； 价电子>6, 电子数增加，熔点降低
• 多电子原子结构
  • Schroödinger方程 及近似解
    • ：方程式
      • Eφ=φ[-h²/8π²m*(Θ₁²+Θ₂²)-Ze²/4πε₁*(1/r₁ +1/r₂)+e²/4πε₁r12]
    • ：Hamilton算符
      • Õ=-1/2∑Θ²₁-∑Z/ri+∑∑1/rij
    • 体系能量
      • 自洽场法
      • 中心力场法
  • 单电子原子轨道能和电子结合能
    • 屏蔽效应
      • 核外电子i收核电荷吸引力减小
    • 钻穿效应
      • 电子i避开其余电子屏蔽后 进入近核区收核电荷吸引力 增大
    • 由单电子波函数和中心力场 近似模型得出的能量效应
    • 屏蔽常数近似计算 单电子原子轨道能
      • 估算屏蔽常数σ的方法
        • 1.将电子以内外次序分组
          • 1s/2s,2p/3s,3p/3d/4s,4p/4d/4f/5s,5p/等
        • 2.外层电子对内层电子无屏蔽作用，σ=0
        • 3.同组电子σ=0.35（1s组σ=0.30）
        • 4.对s,p电子，相邻电子屏蔽常数为0.85， 对d,f电子，相邻电子屏蔽常数均为1.00
    • 电子结合能
      • 中性原子从原子轨道上电离出一个电子 且其余电子排布不变的负值电离能
    • 电子互斥能
      • 由原子中同号电荷的库仑排斥作用引出
  • 基态原子的电子分布
    • Pauli原理：
      • 一个原子中不存在4个量子数完全相同的两个电子
    • 能量最低原理：
      • 不违背Pauli原理的前提，电子优先填充能量 较低的原子轨道
    • Hund规则：
      • 能量高低相等的轨道上，电子优先占据空轨道
• 原子极化
  • 分子或基团中在外电场作用下发生位移
  • 原子极化过程
    • 相位可控光场和二能级原子相互作用
      • 描述激发态布局概率在时域的量子衍射现象
    • 波函数Cornu蜷线和 波函数虚数和实数随时间变化
      • 阐明相位可控光场对波函数时域的演化， 原子极化，光场传输操控机理
  • 原子极化相干
    • FWM光谱缀饰场产生Autlere-Townes分裂
      • 分裂峰及缀饰场对FWM信号的抑制与增强
      • 探测处受限系统的高激发态 原子特性和非线性光学器件设计
  • 原子极化半径
    • 多重散射X₁法
      • 键长优化
      • 计算部分分子电离能
      • 优化电离能计算值和实验数据吻合
  • 原子极化测量
    • 器件：正六级磁铁
      • 极化原子束及原子频率研究