原子结构化学之原子核外电子的运动和排布

这是一篇关于原子结构化学原子核外电子的运动排布的思维导图。主要介绍了最低能量原理、泡利不相容原理等

《原子结构化学》 原子核外电子的运动和排布

• 关键词
  • 原子
  • 结构
  • 化学
  • 原子结构化学
  • 原子核
  • 电子
  • 运动
  • 排布
  • 原子核外电子的运动和排布
• 关键词
  • 原子
    • 定义
      • 原子是化学反应中不可再分的微粒
  • 结构
    • 概念
      • 结构是事物整体或部分的排列等
        • 注意这里说的是原子的结构
  • 化学
    • 定义
      • 化学是研究化学物质的组成、结构、性质、变化等的学科
        • 注意这里说的是原子结构化学
  • 原子结构化学
    • 定义
      • 原子结构化学是研究原子结构及其性质的结构化学
  • 原子核
    • 概念
      • 原子核是处于原子核心位置的微粒
        • 注意这里说的是化学上的原子核
  • 电子
    • 概念
      • 电子是原子核外运动的微粒
        • 注意这里说的是原子核外的电子
  • 运动
    • 概念
      • 运动是物体在空间上相对位置的变化
        • 主语这里说的是原子核外电子的运动
  • 排布
    • 概念
      • 排布是物体按照一定规律的排列
        • 注意这里说的是原子核外电子的排布
  • 原子结构化学之原子核外电子的运动和排布
    • 概念
      • 原子结构化学之原子核外电子的运动和排布是原子结构化学上的原子核外电子的运动和排布
        • 原子核外电子的运动和排布是量子态运动和排布
    • 原子核外电子运动和排布
      • 运动
        • 分类
          • 轨道运动、自旋运动
        • 特征
          • 能量量子化、波粒二象性、不确定性
        • 特点
          • 原子核外电子运动速度并非光速
          • 原子核外电子运动速度远远大于核运动速度
        • 描述运动的抽象轨迹
          • 原子轨道
            • * 定义 * 原子轨道是单电子波函数ψ（x,y,z）或ψ（r,θ,Φ）或ψ（R,Y）或ψ（n,l,m）的解 * 概念 * 原子轨道并非原子核外电子运动的具体轨道，而是原子核外电子概率分布的轨迹（或区域），是抽象概念的具体描述 * 一般的原子轨道只包含有电子轨道波函数，而不包含电子自旋波函数 * 分类 *
        • 描述运动的量子数
          • 分类
            • * 分类及其简写 * 主量子数(n)、角量子数（l）、磁量子数（m/ml）、自旋磁量子数（ms）（一般4个量子数才能完整描述原子核外电子的运动） * 主量子数(n)、(轨道)角量子数(l)、(轨道)磁量子数(m/ml)、自旋角量子数(s)、自旋磁量子数(ms) * 取值与符号 * n * 1,2,...,n * 总数n * K,L,M,N,O,P,Q * l * 0,1,...,n-1 * 总数n-1 * s,p,d,f,g,h * ml * 0,±1,...±l * 总数2l+1 * s * 1/2 * 总数1 * ms * ±1/2,即±s * 总数2
          • 产生
            • * 考虑电子轨道运动 * n * l * m * 解径向函数R(r) * 解角度函数Y(θ,Φ) * 考虑电子自旋运动 * ms
      • 排布
        • 排布原理
          • 能量最低原理、泡利不相容原理、洪特规则
            • * 能量最低原理 * 电子优先排布到能级较低的轨道上，使得体系能量最低 * 泡利不相容原理 * 每一个轨道上最多只能容纳两个自旋状态相反的电子 * 洪特规则 * 电子优先单独占据每一个简并轨道上，且自旋状态相同，使得体系能量最低
        • 描述排布的具体形状
          • 电子云
            • * 定义 * 电子云是单电子波函数ψ的平方或模平方 * 形状 * s * 球形 * p * 哑铃形 * d * 四花瓣形 * f * 六花瓣形 * * * * * * * * * * 意义 * 描述原子核外电子出现概率区域，也描述电子运动出现和排布的区域形状
        • 描述排布的量子数
          • 分类
            • * 主量子数(n)、角量子数（l） * 主量子数 * 名称 * 别称 * 电子层 * 能层 * 角量子数 * 名称 * 别称 * 电子亚层 * 能级 * 特点 * 主量子数和角量子数决定原子体系中电子的能量，对于单电子原子，n决定，对于多电子原子n和l共同决定，即对于单电子原子不发生能层能级交错现象，对于多电子原子发生能层能级交错现象 * 能层能级交错现象 * 原因 * 多电子原子体系中电子之间存在相互作用，导致屏蔽效应和钻穿效应等发生，从而出现能层能级交错 * 能层能级大小判断 * 徐光宪规则 * *
        • 排布式
          • 名称
            • * 别称 * 组态 * 电子组态
          • 基本结构
            • * (n-2)f^0-14（n-1）d^0-10ns^0-2np^0-6
      • 意义
        • 表示原子的状态
          • 原子的状态
            • * 定义 * 原子的状态是原子核外电子运动状态的总和 * 总和 * 总和并非简单的加和，而是矢量和 * 名称 * 简称 * 原子状态 * 别称 * 原子能态 * 原子能级 * 原子光谱项 * 表达式 * 2S+1L * 原子光谱支项 * 表达式 * 2S+1LJ * 原子微能态 * 原子微能态是实际原子状态 * 描述原子状态的量子数(或称原子量子数或多电子原子量子数) * 分类 * （总轨道）角量子数(L)，（总轨道）磁量子数（ML）、总自旋角量子数（S）、总自旋磁量子数（MS）、总角量子数（J）、总磁量子数（MJ） * 取值、符号、计算 * L * 取值 * S,P,D,F,G,H * 计算 * l1+l2+...+ln(矢量和) * ml1+ml2+...+mln(代数和) * ML * 计算 * ±L * S * 计算 * s1+s2+...+sn(矢量和) * ms1+ms2+...+msn(代数和) * MS * 计算 * ±S * J * L-S耦合 * 计算 * L+S * 取值 * L+S，L+S-1，...，|L-S| * J-J耦合 * 计算 * J1+J2 * 取值 * J1+J2，J1+J2-1，...,|J1-J2| * MJ * 计算 * ±J * 注意，上述只能表示单电子原子的状态，不能表示多电子原子的状态。因为单电子原子的核外电子运动和排布只涉及单个电子作用，而多电子原子的核外电子的运动和排布涉及到电子之间的相互作用。同时这也只能表示无外加磁场和外加电场作用下的原子状态，具有磁距的原子核和电子在外加磁场作用会发生核自旋能级裂分或塞曼效应（即谱项裂分），原子在外加电场作用下也会发生斯塔克效应（即能级裂分）使得原子存在多个能级，多种状态。 * 电子之间的相互作用 * 分类 * 相同电子 * 电子轨道运动和自旋运动相互作用 * 不同电子 * 电子轨道运动和电子轨道运动相互作用 * 电子自旋运动和电子自旋运动相互作用 * 电子轨道运动和电子自旋运动相互作用 * 特点 * 相互作用复杂，且求多电子原子的电子总波函数ψ也复杂，一般做近似处理和耦合处理处理 * 近似处理 * 分类 * 单电子近似、非相对论近似 、波恩-奥本海默近似 * 单电子近似 * 名称 * 别称 * 轨道近似 * 内容 * 把N个多电子原子的电子总波函数写成N个单电子波函数的乘积 * 多电子原子中求多电子总波函数十分复杂困难，且电子之间存在相互作用。因此把其它所有电子对某一电子的相互作用换成由原子核和其它所有电子构成的有效平均场中作用 * 每个电子的运动状态可由单电子波函数描述，原子中单电子波函数称为原子轨道，分子中单电子波函数称为分子轨道 * 非相对论近似 * 内容 * 电子的运动质量等于静止质量 * 原子核外电子的运动速度远远小于光速，根据相对论效应，电子的运动质量可近似等于电子的静止质量 * 原子核的运动质量等于静止质量 * 原子核的运动速度又远远小于电子运动速度，同理相对论效应可近似认为原子核的运动质量等于原子核的静止质量 * 波恩-奥本海默近似 * 内容 * 原子核和电子的运动分开处理 * 原子核的质量远远大于电子质量，原子核的运动速度远远小于电子运动速度，因此近似认为电子在固定不变的原子核势场中运动，把电子和原子核的运动分开处理 * 特点 * 近似处理存在误差，特殊情况需要进行校正 * 耦合处理 * 分类 * L-S耦合处理、j-j耦合处理 * L-S耦合处理 * j-j耦合处理 * 适用范围 * L-S耦合处理 * 原子核数＜40 * j-j耦合处理 * 原子核数≥40 * 特点 * 闭壳层耦合J=0，开壳层J不一定为O，空壳层耦合J=0 * 闭壳层 * 定义 * 闭壳层是电子层上都按三个排布原理排满电子的电子亚层 * 开壳层 * 定义 * 开壳层是电子层上未排满电子的电子亚层 * 空壳层 * 定义 * 空壳层是电子层上未排有电子的电子亚层 * 电子组态、原子光谱项、原子光谱支项、原子微观态（这里考虑的是外加磁场的塞曼效应的微能态，当然原子微能态还包括外加电场的斯塔克效应）考虑的方向（np2为例） * 电子组态 * 不考虑电子相互作用 * 原子光谱项 * 考虑相同电子轨道运动和自旋运动的相互作用 * 原子光谱支项 * 考虑不同电子轨道运动和自旋运动等相互作用 * 原子微能态 * 考虑外加磁场作用下的耦合作用（即塞曼效应） * * 微能态数=2J+1
          • 原因
            • * 根据单电子近似、非相对论近似、波恩-奥本海默近似可近似认为原子核电子的运动状态就是原子的状态，但是随着原子核和原子核外电子数目的增多，相互作用复杂，原子核质量的增大相对论效应的显著。原子核外电子运动状态并不能很好表示整个体系（原子）的状态
• 主题