对于元素周期表的详细介绍,电子轨道排列怎么写?
化学元素周期表最早是由门捷列夫在1869年编制的。
课本上标注的是原子的价电子,也就是外围电子。
1s(1)是外围电子层的排列(括号中的1表示1电子层),(氢)是元素,“5f⑶6d⑷⑶7s⑷⑶”中的d s f表示不同的电子子层。
子层电子层
,n,l,m和ms表明薛定谔方程是描述微观粒子运动的基本方程。1927年,奥地利物理学家薛定谔将光的波动方程推广到描述原子中单个电子的运动规律,这是一个二阶偏微分方程。在求解方程时,为了使求解的函数具有合理的物理意义,还必须引入一组参数N、L、M作为限制条件。这组参数在量子化学中称为量子数。它的价值准则是:
N = 1,2,3,…, ∞ n为自然数。
l≤n–1 l = 0,1,2,…,(n -1)
|m| ≤ l m = 0,1,2,…,l
1,主量子数(n)
描述电子离原子核的距离,确定原子的能级或确定轨道能量。决定了轨道或电子云的分布范围。一般n值越大,电子离原子核越远,能量越高。由主量子数决定的电子云的致密区域或能态称为电子层(或主层)。
主量子数n = 1,2,3,4,5,6,7,...(总共n个值)。
电子层符号k,l,m,N,O,P,Q,…
2、角量子数(量子数)(L)
同一个电子层(n)由于附属量子数(L)不同而被分成若干个电子子层(简称子层,有时称为能级)。l确定同一电子层中不同原子轨道的形状。在多电子原子中,它和n一起决定了轨道能量。
附属量子数l = 0,1,2,3,4,…,n-1(可以取n个值)
子图层符号s、p、d、f、g...
3、磁量子数(m)
确定原子轨道在空间的延伸方向。
M = 0,1,2,3,…,L可以取(2l +1)个值。
S,P,D,F轨道的空间延伸方向数分别为1,3,5,7(M的值的个数)。
m的每个值代表一个具有一定空间方向的电子轨道,同一子层L中m的值对应子层的不同延伸方向。在无外磁场的条件下,同一子层的能量相同,即N和L相同的不同轨道的能量相同,能量相同的轨道称为等效轨道或简并轨道。
n和L决定了电子的能量,L决定了电子运动的动量。因为N和L是量子化的,电子的能量和动量是量子化的,M决定了同一个角动量L在空间的不同分布。
角动量方向不同,轨道磁矩不同,与外磁场的相互作用不同。由于轨道磁矩的方向被量子化,外磁场的作用能量被量子化,m的附加能量值不同,原来的2l+1轨道在外磁场中分裂,称为塞曼效应。m用来计算在外磁场作用下,动量在磁场方向的投影。
4,ms每个电子都在旋转。量子力学计算自旋动量时,取1/2,有两个方向。计算外磁场时,自旋动量在磁场方向上的投影大小降为1/2。
根据波利不相容原理,原子中不存在四个量子数相同的电子,所以同一个子层L可以容纳的电子数为2(2l+1)。
2,n,l,j,mj
从上面可以看出,存在轨道角动量和自旋角动量,所以会产生轨道磁矩和自旋磁矩,轨道磁矩在原子范围内形成磁场,自旋磁矩相对于磁场有两种不同的取向,从而产生不同的附加能量。
电子运动:轨道运动+自旋运动
电子的总角动量:J=L+S(矢量)说明总角动量也是量子化的。
量子力学表明,J=根号J(J+1)H J = | L+-S | S = 1/2。
l=0时,是S轨道电子,j=1/2。量子力学计算的轨道磁矩为0,只有自旋磁矩存在。
L=0 J=S=根号3/4h
L=1,j =1/2,3/2在P轨道上,J有两个值。
同样,D轨道分裂成j =3/2,5/2,F轨道分裂成j =5/2,7/2,...
从上面可以看出,总角动量与J有关,当有外磁场时,动量在磁场方向的投影由mj计算,mj的取值范围为–J,-J+1,…,-1/2,1/2,…,J-1,J。
如果j=l+1/2,则有2l+2个mj,j=l-1/2,则有2l个mj。
电子的稳态可以用量子数N,L,M,Ms表示,自旋条件下每个子层的L量子数为2(2l+1),也可以用量子数N,L,J,MJ表示,自旋耦合条件下有2(2l+1)个量子数。
不考虑轨道-自旋耦合时,在外磁场下动量由L决定,方向由M决定。当考虑轨道-自旋耦合时,在外磁场下动量由J决定,方向由mj决定。
耦合后,当没有外部磁场时,电子的能量表示为:
E=E(n,l)+δE(j,n,l)
能量主要由主量子数和角量子数决定。l=0时,S轨道不耦合,δ E = 0,j=l+1/2时,δ E > 0,j=l-1/2时,δ E < 0。
光谱分析中考虑了自旋耦合。除了S轨道,P,D,F轨道都分裂成两个能级,能量从低到高分别是:
s——p 1/2——P3/2——D3/2——D5/2——F5/2——F7/2