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1、讲稿-5.4 原子轨道能级顺序-韩玮娜 同学们好！这节课的内容包括：屏蔽效应、钻穿效应和原子轨道能级顺序。上次课学习了量子数，知道了不同的轨道可以用主量子数和亚层符号表示，比如3d1s5p2s2p4f等。这些轨道的能量显然是不相等的，并且根据n和l已经大致排列出了轨道能量高低，但是如果再结合电子在轨道中的填充，就不能仅依据主量子数和轨道角动量量子数，还要考虑电子的相互作用和运动特点，此时轨道能量大小该如何排列呢？这就要看关于电子还存在哪些作用。第一个是屏蔽效应。在多电子原子中，如果以某个电子为研究对象，它除了要受到原子核的吸引外，还要受到其余电子对它的排斥，这种排斥作用可以看成其余电子削弱或者
2、屏蔽了原子核对该电子的吸引，也就是说，该电子实际上所受到的核的吸引力比原先降低了。这种把其他电子对指定电子的排斥作用归结为核电荷降低的作用，就称为屏蔽效应。其他电子所抵消掉的核电荷数称为屏蔽常数。而实际能吸引电子的核电荷称为有效核电荷Z*，用公式表示为Z*= Z - = Z - i。总结来看，外层电子比内层电子离核心更远，不能对内层电子产生屏蔽效应，为0。（n-1）层对n层的 =0.85，（n-2）对 n 层， = 1.00，同层电子间的屏蔽效应较小， =0.35。因此，考虑屏蔽效应只需要看内层和同层电子对指定电子的排斥。第二个是钻穿效应，根据实验发现，n较大l 较小的外层轨道电子，可以穿透内
3、层电子，钻入原子核附近，从而避开其他电子的屏蔽作用，使有效核电荷增加，能量降低，把这种现象称为钻穿效应。比如，4s的第一个主峰进入到了3d主峰的内部，主峰所代表的是电子出现概率极大的位置，4s是第四电子层，3d是第三层，但是4s的电子比3d电子更容易离核心更近，自然能量也就越低，这与只看电子层的结论是不一致的。外层电子可在内层出现，也体现了电子的波动性。前面讲过电子波是一种概率波，电子可能出现在核外空间任何的位置，但是却有更多的机会出现在内层，形成钻穿效应。不同l “钻穿”到核附近的能力不同，l越小越容易钻穿nsnpndnf。综合考虑屏蔽效应和钻穿效应，当l相同，n不同时，n越大的能量越高，E
4、1s E2s E3s ，E2p E3p E4p ，这是因为n越大电子层数多，外层电子受屏蔽大，轨道能级高；当n相同，l不同时，l越小的能量越低，Ens Enp End ，这是因为l越小的电子钻穿能力强，离核近受屏蔽小，轨道能级低。当n, l 都不同时，情况较复杂，有能级交错，不能只看n或l的大小，比如5s反而比4d能量小，但是又比3d能量大。根据以上的情况，1939年，pauling根据大量实验总结出了轨道的近似能级顺序，1956年我国化学家徐光宪利用公式也总结出了关系式，通过计算来划分能级组，将n+0.7l整数部分相同的划分为一个能级组，共得到七个能级组。这两位科学家所提出的能级顺序是一致的
5、，可以用Pauling近似能级图表示如下。从下往上能量逐渐升高，不同的能级组之间能量差值较大，同一能级组中的轨道能量近似但不完全相等，因此才称为近似能级顺序。这个顺序一定要熟练掌握，它是核外电子排布的基础。用一个动图能帮助记忆这个顺序。顺着箭头的方向，轨道能量依次升高。先是1s轨道，下一个指向2s，2s是第二电子层，与第一层能量差别较大，划分为第二能级组，2p与2s能量近似，仍然是第二能级组，3s又成为下个能级组，同时还有3p，以此类推，第四个能级组有。每个能级组都开始于ns轨道，结束于np轨道，至于中间有哪些轨道，同学们可以自己找规律找窍门。从这节课我们了解到，由于屏蔽效应和钻穿效应的存在，使各原子轨道能量不同，有高低之分。将多电子原子的轨道能量近似的划分为同一个能级组，共七个能级组。这里不再赘述七个能级组中的轨道，要求同学们课后熟练掌握轨道能级顺序，为核外电子排布的学习打好基础。谢谢！