电子构型
原子的电子构型告诉我们电子在原子的不同壳层中是如何排列的。它给出了原子价的概念,原子价决定了一个原子与其他原子的反应方式。确定电子构型最简单的系统是 系统,由玻尔设计。
根据这个理论,原子的壳层被命名为 等,或 等等,所能容纳的最大电子数由公式给出 在哪里 .例如, 壳可以容纳 电子。为了熟悉价格,请您阅读八隅体规则.
波函数的对称性
我们必须为相同粒子的系统构造波函数,这样它才能反映粒子之间不可区分的要求。从数学上讲,这意味着交换占据任意一对状态的粒子不应该改变系统的概率密度。这一简单的陈述具有将自然界中的所有粒子分为两类的巨大后果。
两个不相互作用的相同粒子的例子将说明这一点。两个粒子波函数的概率密度必须与相互交换的波函数的概率密度相等。
事实上,所有自旋为半整数的粒子,如电子、质子、中子等,都是用反对称波函数描述的,并且服从排斥原理。这些粒子被称为费米子,因为它们遵循费米和狄拉克发现的统计分布定律。具有整数自旋的粒子,如光子、粒子等,用对称波函数描述,不服从排斥原理。这些粒子被称为玻色子,因为它们遵循玻色-爱因斯坦统计。
泡利不相容原理的
该规则规定两个自旋为半整数的粒子不能同时占据相同的量子态。换句话说,在一个轨道上运动的两个电子不可能有相同的自旋量子数或简单的自旋。
半整数自旋:自旋是所有基本粒子的固有属性。构成普通物质的费米子具有半整数自旋。
例如,在氦原子中,我们有两个电子,它们不以相同的自旋出现,也就是氦原子:
注意:自旋量子数有两个值 而且 这意味着电子的自旋可以顺时针表示为 ,或逆时针表示为 .
量子数
主要文章:轨道和量子数.
量子数决定了粒子在特定环境条件下的行为,也描述了电子在特定轨道上的行为。从泡利不相容原理,我们知道两个粒子不能以同一量子态存在,因此有一组 区分电子的量子行为的量子数。它们列举如下:
1.主量子数:
主量子数指向能量水平电子存在的位置。它用字母表示
的值
自然的数字。所以,当主量子数的值增加时,能级也会增加,值也会增加
指示壳牌(将很快讨论)其中有电子。例如,
2.角量子数:
角动量量子数是一个描述形状告诉我们主壳层中有哪些亚壳层。它用字母表示
它的价值从何而来
来
;也就是说,如果电子的主量子数是
那么可能的值是
找出角量子数的可能值,如果电子存在于 能量水平。
因为电子在 壳,它意味着它的主量子数的值是 .因此,电子可能的角量子数值为 来 :
但是这些值代表什么呢?如前所述,它代表亚层(将很快讨论)其中有电子。
3.磁量子数:
磁量子数告诉我们一个电子所占据的轨道——它决定了一个亚壳层中有多少个轨道以及它们的方向。它被表示为
它将电子在磁场影响下(如地球)的行为可视化。
我们知道运动电荷可以生成一个磁场在外部磁场的影响下,电子倾向于在原子核周围的某些区域(称为轨道)定位自己,这就是为什么这个量子数给出了特定亚壳层中的轨道数。磁量子数的值取决于角量子数 .例如,如果一个原子的角量子数是 ,则磁量子数范围为:
所以,有 的值 的给定值 ,即会有 轨道。
求一个电子的磁量子数的所有可能值 壳。
如前所述,电子的主量子数存在于 外壳 .的值 当 是 .的值 当 将如下:
4.自旋量子数:
在原子物理学中,自旋量子数是一个量子数,它参数化了给定粒子的固有角动量(或自旋角动量,或简称自旋)。它被表示为
或很少
.我们发现电子不仅围绕原子核旋转,而且还围绕自己的轴自旋,因此自旋量子数有了自己的意义。
显然,电子的自旋只能有两种类型,顺时针或逆时针,自旋的值用表示 当它是顺时针时,和 当反时针。有时也用箭头表示:
贝壳和轨道
根据量子力学,原子的每个壳层都被定义为一个能级。壳体如下:
电子在特定壳层中的电子构型用
在哪里 是主量子数, 角量子数,和 是电子层的电子数。
它还有助于写出任何特定元素的电子构型。例如, - .
构造原理
这个定律说的是,电子在向更高能级移动之前,占据尽可能低的能级。能级增加的顺序由 ,在那里
这个规则是基于原子轨道中节点的总数, ,这与能量有关。在相等的情况下 值较低的轨道 首先填充值。中性原子的大部分基态构型都是沿着这个轨道填充的 , 根据元素的光谱特征,通过实验得到了图案。
洪特定律
这为原子中电子的内部排列奠定了基础,它处理了电子进入同一亚壳层轨道的顺序。当有多个能量相等的轨道可用时(例如。 ),电子首先占据与平行旋转或相同的自旋。只有到那时电子的配对才会发生。
这是因为如果我们把两个自旋相反的电子放在同一个轨道上,排斥性就会增加;然而,如果电子被放置在平行自旋的独立轨道上,斥力就会大大减小。此外,电子占据了自旋相同的轨道,从而减少了斥力。
让我们来看看氮和氧的例子:
如果我们按照亨德定律计算氮原子,它的电子构型是这样的:注意,电子被放置在自旋平行的轨道上,在每个轨道至少有一个电子占据之前是不会成对的。
但我们不能把自旋相反的电子放在一起(如下例),也不能在每个轨道至少填满一个电子之前就开始配对电子(如下例):
观察到未配对电子的总自旋在正确的构型中是最大的,这就是为什么这个规则也被称为洪德最大多重规则倍数是电子的自旋,即。 .
氧原子中的电子按下列方式排列,这符合洪德定律。电子在 轨道首先被至少一个电子填满(平行自旋),然后最后一个电子才配对:
与此相反的是,这个配对的顺序是错误的,违背了洪德法则:
再次观察,未配对电子的总自旋在正确的构型中是最大的。