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1、回顾：氢原子,定态薛定谔方程：,氢原子中电子的库仑势能:,氢原子能级的简并度为 n2，即对应主量子数n的能级 En 有n2个本征态与之对应。,回顾：电子自旋,自旋角动量:,自旋角动量在z 方向的分量：,4 泡利原理和原子的壳层结构,1. 元素周期律,元素的周期性是原子内部电子的周期性排列的结果,4,4 泡利原理和原子的壳层结构,原子的电离能随原子序数的变化,4 泡利原理和原子的壳层结构,原子半径随原子序数的变化,4 泡利原理和原子的壳层结构,原子中电子状态的描述及可能的状态数,早期光谱学用来标记光谱项的符号，也用来标记原子能级和电子态,这套符号后来也应用于分子、原子核和粒子。,碱金属原子的光谱
2、一般可观测到四个线系：锐线系、主线系、漫线系和基线系。,sharp, principal, diffuse and fundamental,对单电子态的描述,s、p、d、f、g、h对应轨道角动量量子数,4 泡利原理和原子的壳层结构,2. 四个量子数,原子中电子的状态由4个量子数确定:,主量子数n： n=1, 2, 3,（n, l, ml , ms）,状态的能量主要由它决定;,轨道角量子数l ： l = 0, 1, 2, (n-1),它决定轨道角动量,对能量也稍有影响;,轨道磁量子数ml： ml=0, 1, 2, , l,决定轨道角动量在外磁场方向的分量;,自旋磁量子数ms： ms=1/2,决定
3、自旋角动量在外磁场方向的分量;,4 泡利原理和原子的壳层结构,3、泡利不相容原理,实验表明，现在发现大多数微观粒子的自旋量子数取半整数，如电子，中子，质子等的自旋均为s=1/2；,(1) 费米子和玻色子,费米子：自旋量子数取半整数，即 s = 1/2, 3/2,玻色子：自旋为整数，即 s = 0，1，,由此可以将微观粒子分为:,此外也有一些基本粒子的自旋取整数，如：氘核、光子（s=1）、 介子和K介子（s=0）等。,4 泡利原理和原子的壳层结构,(2) 泡利不相容原理,1924年泡利提出不相容原理：在一个原子中不可能有两个或两个以上的电子处于完全相同的量子状态，也就是说，在一个原子内部不可能有
4、两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数n, l, ml , ms。,1945诺贝尔物理学奖得主W. Pauli,费米子服从泡利不相容原理。,1869年门捷列夫：元素周期表;,1923年玻尔：用原子内部电子在轨,道上的排列来解释元素性质的周期性;,1924 年泡利：泡利不相容原理,元素性质的周期性变化，,来源于电子组态的周期性变化。,4 泡利原理和原子的壳层结构,(3) 原子中电子的壳层结构,主壳层 具有相同主量子数n的状态构成一个主壳层,支(次)壳层 按角量子数的不同而分的壳层。,原子中具有同一主量子数 n 的电子数最多为,4 泡利原理和原子的壳层结构,原子中电子状态的表示:1s2-K壳
5、层可容纳两个电子,4 泡利原理和原子的壳层结构,4、能量最小原理:,每个电子优先占居能量最小的状态.,一般讲n越小能量越小，但是有时受 l 影响，n壳层尚未填满， n+1壳层已经开始有电子填入了。,比较4s与3d,4 泡利原理和原子的壳层结构,各能级的能量次序为：,4 泡利原理和原子的壳层结构,电子填布原子中的各个量子态遵循两个基本原理：,5. 原子的壳层结构与元素周期律,泡利不相容原理能量最小原理,4 泡利原理和原子的壳层结构,每一周期从填充 s 支壳层开始，到填满 p 支壳层结束（第一周期除外）。,开始填充 s 支壳层，化学性质最活泼碱金属原子。,填满 p 支壳层，构成满壳层， Z=2,
6、10, 18, 36, 54, 86，化学性质最稳定惰性元素。,4 泡利原理和原子的壳层结构,电子填充3d，4d态的元素是过渡元素。,电子填充4f，5f 态的元素是镧系和锕系，它们的性质极为相近。,4 泡利原理和原子的壳层结构,4 泡利原理和原子的壳层结构,硼基态：5个电子：,钾基态：19个电子：,钠基态：11个电子：,例、锂基态：3个电子：,氯基态：17个电子：,4 泡利原理和原子的壳层结构,五种惰性气体的电子组态：,4 泡利原理和原子的壳层结构,碱金属比惰性气体多一个电子，前四种碱金属的电子组态：,4 泡利原理和原子的壳层结构,五种卤族元素的电子组态：,卤族元素的电子组态最外壳层加上电子才
7、能形成闭合壳层，所以容易从外界获得一个电子，形成闭壳层结构，从而和其它原子形成稳定的分子，表现出强的非金属性。,4 泡利原理和原子的壳层结构,小结：电子具有自旋，原子中电子态用四个量子数来描述,主量子数n: n=1,2,3,轨道角量子数l: l=0,1,2,(n-1),轨道磁量子数ml: ml=0,1, 2, l,自旋磁量子数ms: ms=1/2,一组量子数（ n， l， ml ， ms ）决定一个状态,原子中具有同一主量子数n的电子数最多为2n2,4 泡利原理和原子的壳层结构,自从量子理论诞生以来，它的发展和应用一直广泛深刻地影响、促进和触发人类物质文明的大飞跃。一百多年的人类历史可以作证。
8、,如果还不信，可以把所有学科名称前面冠以“量子”二字，就会发现：已经形成或将要形成一门新的理论和学问。除了物理学中以量子力学为主要理论支柱的学科，其它学科也能直接添加“量子”二字就形成新的理论和学问。,结 束 语,4 泡利原理和原子的壳层结构,化学量子化学生物学量子生物学宇宙学量子宇宙学网络量子网络信息论量子信息论计算机量子计算机,光学量子光学电子学量子电子学电动力学量子电动力学统计力学量子统计力学经典场论量子场论,就连国际投机家索罗斯的基金会也时髦的冠以“量子”二字：“量子基金会”。,4 泡利原理和原子的壳层结构,量子理论自20世纪20年代创立以来，直到现在，已逐步成为核物理、粒子物理、凝聚
9、态物理、超流和超导物理、半导体物理、激光物理等众多物理分支学科的共同理论基础。而且在量子理论的框架内建立了弱电统一的标准模型；量子理论进入了宇宙起源和黑洞理论。,总之，量子理论诞生后这80年来的发展，使得：量子理论成为整个近代物理学的共同理论基础。,4 泡利原理和原子的壳层结构,当前量子力学的重要应用,量子生物学量子生命科学量子神经网络量子化学量子材料科学量子信息科学量子计算机科学BEC器件、原子器件,目前，它正在向材料科学、化学、生物学、信息科学、计算机科学大规模渗透。预计不久的将来它将会成为整个近代科学共同的理论基础。,4 泡利原理和原子的壳层结构,Anyone who is not shocked by quantum theory has not understood it. Niels Bohr,I think I can savely say, nobody understands quantum mechanics 。 R. P. Feynman,4 泡利原理和原子的壳层结构,
