原子结构

结构化学第二章原子结构笔记，包括量子数的物理意义、波函数的电子云图形、多电子原子结构、原子光谱项等内容。

原子结构

• 氢原子光谱和Bohr理论
  • 原子结构理论发展历史
  • 氢原子光谱
  • Bohr理论
    • 定态假设：处于定态的原子的能量是量子化的，原子并不辐射能量，是稳定的
    • 跃迁规则：原子的能量变化只能在两定态之间以跃迁的方式进行-发射出来的射线有确定的频率
    • 阐释了原子的稳定性、氢原子光谱的产生和不连续性
    • 氢原子其他比n=∞低的能级，能量皆低于零，均为负值
    • 当n1=1，n2=∞时，氢原子的电离能
• 微观粒子运动的基本特征
  • 波粒二象性
    • de Broglie波或物质波
    • 衍射是波动的典型特征
  • 不确定原理与 微观粒子运动的统计规律
    • Heisenberg不确定原理：对运动中的微观粒子来说，不能同时准确确定它的位置和动量
    • 不确定原理解揭示了Bohr原子理论的缺陷（电子轨道和动量是确定的），原子中的电子没有确定的轨道
    • 微观粒子所具有的的波动性可以与粒子行为的统计性规律联系在一起，以“概率波”和“概率密度”来描述原子中电子的运动特征
• 氢原子结构的量子力学描述
  • 薛定谔方程与三个量子数：每个合理的解都描述该电子运动的某一稳定状态，与这个解相应的E值就是粒子在此稳定状态下的能量
  • 波函数与原子轨道
  • 量子数与核外电子的运动状态
    • 主量子数n：对于氢原子和类氢原子，电子的能量只取决于n；n对应K，L，M...
    • 角量子数l：原子轨道的角动量大小由l确定。l取值为0,1，...,（n-1），对应s,p,d,...角量子数l的不同还表明了原子轨道的角度分布形状不同
    • 磁量子数m：m决定轨道角动量在磁场方向分量，其取值受l限制，从-l...0...l共（2l+1）个取值。m决定原子轨道在核外空间的取向
    • 自旋磁量子数
  • 概率密度与电子云
  • 氢原子的径向分布函数图
• 多原子电子结构
  • 多电子原子轨道能级
    • 电荷屏蔽
      • 屏蔽常数，有效核电荷数，屏蔽效应
      • 内层电子对外层电子的屏蔽作用较大，同层电子的屏蔽效应较小，外层电子对内层电子近似无屏蔽作用
    • Pauling近似能级图：能级分裂，能级交错
    • Cotton原子轨道能级图：概括了理论和实验的结果，定性表明原子序数改变时原子轨道能量的相对变化
    • 钻穿效应进入原子内部空间而更多的回避其他电子屏蔽的作用
  • 核外电子的排布
    • 基态原子
      • 能量最低原理
      • pauli不相容原理：同一原子轨道最多容纳两个自旋方式相反的电子
      • Hund规则：在相同n和l的轨道上分布的电子，将尽可能分别占据m值不同的轨道且自旋平行
      • 全满半满规则
    • 基态原子核外电子排布式的书写
• 元素周期表
  • 周期、族、分区
• 元素性质的周期性
  • 原子半径
  • 电离能
    • 定义
    • 电离能大小的判断
  • 电子亲和能
    • 定义
    • 电子亲和能大小的判断
  • 电负性
    • 电负性不是一个孤立原子的性质，而是在周围原子影响下的分子中原子的性质
    • 电负性标度有多种，数据各有不同，但变化规律一致