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1、1 Atomic Structure and Periodic Properties of Elements 內(nèi) 容 提 要1. 量 子 力 學(xué) 基 礎(chǔ) 及 核 外 電 子 運(yùn) 動(dòng) 特 性 氫 光 譜 和 氫 原 子 的 Bohr模 型 電 子 的 波 粒 二 象 性 不 確 定 原 理2. 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 波 函 數(shù) 及 三 個(gè) 量 子 數(shù) 的 物 理 意 義 原 子 軌 道 和 電 子 云 的 角 度 分 布 圖 徑 向 分 布 函 數(shù) 圖 內(nèi) 容 提 要3. 多 電 子 原 子 的 結(jié) 構(gòu) 多 電 子 原 子 的 能 級(jí) 電 子 的 自 旋 原 子 的 電

2、 子 組 態(tài) 4. 元 素 周 期 表 與 元 素 性 質(zhì) 的 周 期 性 原 子 的 電 子 組 態(tài) 與 元 素 周 期 表 元 素 性 質(zhì) 的 周 期 性 變 化 規(guī) 律 內(nèi) 容 提 要5. 元 素 和 人 體 健 康 人 體 必 需 元 素 及 其 生 物 功 能 簡(jiǎn) 介 環(huán) 境 污 染 中 對(duì) 人 體 有 害 的 元 素 教 學(xué) 基 本 要 求1. 掌 握 四 個(gè) 量 子 數(shù) 的 取 值 限 制 和 它 們 的 物 理 意 義 ，量 子 數(shù) 組 合 和 軌 道 數(shù) 的 關(guān) 系 ； 原 子 軌 道 、 電 子 云的 角 度 分 布 ； 基 態(tài) 原 子 核 外 電 子 排 布 遵 守 的

3、三 條規(guī) 律 （ Pauli不 相 容 原 理 ， 能 量 最 低 原 理 ， Hund規(guī)則 ） 。2. 熟 悉 波 函 數(shù) ， 概 率 密 度 |2， 電 子 云 ； 多 電 子 原子 的 近 似 能 級(jí) ； 原 子 的 電 子 組 態(tài) 與 元 素 周 期 表 。3. 了 解 氫 原 子 的 Bohr模 型 ； 電 子 的 波 粒 二 象 性 ， 測(cè)不 準(zhǔn) 原 理 ； 電 子 云 的 徑 向 分 布 ； 元 素 性 質(zhì) 的 周 期性 變 化 規(guī) 律 ； 元 素 和 人 體 健 康 。 第 一 節(jié) 量 子 力 學(xué) 基 礎(chǔ) 及 核 外 電 子 運(yùn) 動(dòng) 特 性 一 、 氫 光 譜 和 氫 原 子

4、的 Bohr模 型1. Rutherford的 原 子 有 核 模 型 （ nuclear model） 一 、 氫 光 譜 和 氫 原 子 的 Bohr模 型2. 氫 原 子 的 線 狀 光 譜 （ line spectrum）白 光 散 射 時(shí) ， 觀 察 到 可 見(jiàn) 光 區(qū)的 連 續(xù) 光 譜 ， 但 H原 子 受 激 發(fā)射 所 得 光 譜 卻 是 不 連 續(xù) 的 線 狀光 譜 ， 在 可 見(jiàn) 光 區(qū) 有 四 條 譜 線 。 第 一 節(jié) 量 子 力 學(xué) 基 礎(chǔ) 及 核 外 電 子 運(yùn) 動(dòng) 特 性 一 、 氫 光 譜 和 氫 原 子 的 Bohr模 型3. 氫 光 譜 的 波 長(zhǎng) 規(guī) 律 2

5、221H 111 nnR 17H m10096776.1 R式 中 ， 是 波 長(zhǎng) ， n為 正 整 數(shù) ， 且 n2大 于 n1。 第 一 節(jié) 量 子 力 學(xué) 基 礎(chǔ) 及 核 外 電 子 運(yùn) 動(dòng) 特 性 4. Bohr 的 氫 原 子 模 型 電 子 沿 固 定 軌 道 繞 核 運(yùn) 動(dòng) ，不 吸 收 也 不 輻 射 能 量 ， 稱 為定 態(tài) 。 軌 道 能 量 稱 為 能 級(jí) 。 主 量 子 數(shù) n=1, 2, 3,。 n =1時(shí) 能 量 最 低 ， 為 基 態(tài) ，其 它 能 量 較 高 的 狀 態(tài) 都 稱為 激 發(fā) 態(tài) 。一 、 氫 光 譜 和 氫 原 子 的 Bohr模 型)eV(16.

6、13 22 nnRE 第 一 節(jié) 量 子 力 學(xué) 基 礎(chǔ) 及 核 外 電 子 運(yùn) 動(dòng) 特 性 請(qǐng) 觀 看 “ Bohr” 動(dòng) 畫(huà) 4. Bohr 的 氫 原 子 模 型 原 子 由 一 種 定 態(tài) （ 能 級(jí) E1） 躍 遷 到 另 一種 定 態(tài) （ 能 級(jí) E2） 。 躍 遷 所 吸 收 或 輻 射 光 子 的 能 量 等 于躍 遷 前 后 能 級(jí) 的 能 量 差 ：E = h = | E E | 普 朗 克 常 量 h = 6.626 10-34 Js， 是 光 子 頻 率 。 一 、 氫 光 譜 和 氫 原 子 的 Bohr模 型第 一 節(jié) 量 子 力 學(xué) 基 礎(chǔ) 及 核 外 電 子 運(yùn)

7、 動(dòng) 特 性 一 、 氫 光 譜 和 氫 原 子 的 Bohr模 型4. Bohr 的 氫 原 子 模 型 Bohr運(yùn) 用 量 子 化 觀 點(diǎn) ， 成 功 地 解 釋 了 氫 原 子 的 穩(wěn) 定 性 和 不 連 續(xù) 光 譜 。 但 未 能 沖 破 經(jīng) 典 物 理 學(xué) 的 束 縛 ， 不 能 解 釋 多 電 子 原 子 光 譜 ， 甚 至 不 能 說(shuō) 明 氫 原 子 光 譜 的 精 細(xì) 結(jié) 構(gòu) 。 Bohr理 論 屬 于 舊 量 子 論 。 電 子 等 微 觀 粒 子 的 運(yùn) 動(dòng) 不 遵 守 經(jīng) 典 物 理 學(xué) 規(guī) 律 ， 必 須 用 量 子 力 學(xué) 方 法 來(lái) 描 述 。第 一 節(jié) 量 子 力

8、 學(xué) 基 礎(chǔ) 及 核 外 電 子 運(yùn) 動(dòng) 特 性 二 、 電 子 的 波 粒 二 象 性1. 光 子 既 有 波 動(dòng) 性 又 有 粒 子 性 ， 稱 為 波 粒 二 象 性 （ particle-wave duality） 。 光 作 為 電 磁 波 ， 有 波 長(zhǎng) 或 頻 率 ， 能 量E= h 光 子 作 為 粒 子 ， 又 有 動(dòng) 量p=mc 運(yùn) 用 Einstein方 程 式 E=mc2及 =c/，得 到 =h/mc 第 一 節(jié) 量 子 力 學(xué) 基 礎(chǔ) 及 核 外 電 子 運(yùn) 動(dòng) 特 性 二 、 電 子 的 波 粒 二 象 性2. de Broglie關(guān) 系 式 （ de Brogli

9、e relation） 法 國(guó) 物 理 學(xué) 家 de Broglie 類 比 光 的 波 粒 二 象 性 ，指 出 微 觀 粒 子 如 電 子 、 原 子 等 ， 都 具 有 波 動(dòng) 性 ，并 導(dǎo) 出 了 其 關(guān) 系 式 ： p為 粒 子 的 動(dòng) 量 ， m為 質(zhì) 量 ， 為 速 度 ； 為 粒 子波 波 長(zhǎng) 。 微 觀 粒 子 的 波 動(dòng) 性 和 粒 子 性 通 過(guò) 普 朗 克 常 量 h聯(lián)系 和 統(tǒng) 一 起 來(lái) 。 mhph 第 一 節(jié) 量 子 力 學(xué) 基 礎(chǔ) 及 核 外 電 子 運(yùn) 動(dòng) 特 性 二 、 電 子 的 波 粒 二 象 性3. Davisson和 Germer實(shí) 驗(yàn) 1927年

10、 ， 美 國(guó) 物 理 學(xué) 家 Davisson C和Germer L用 電 子 束 代 替 X射 線 ， 用 鎳 晶 體 薄 層作 為 光 柵 進(jìn) 行 衍 射 實(shí) 驗(yàn) ， 得 到 與 X射 線 衍 射 類似 的 圖 像 ， 證 實(shí) 了 電 子 的 波 動(dòng) 性 。第 一 節(jié) 量 子 力 學(xué) 基 礎(chǔ) 及 核 外 電 子 運(yùn) 動(dòng) 特 性 二 、 電 子 的 波 粒 二 象 性4. 電 子 波 是 概 率 波 (probability wave) 電 子 波 是 統(tǒng) 計(jì) 性 的 。 讓 電 子 穿 越 晶 體 ， 每次 到 達(dá) 底 片 的 位 置 是 隨 機(jī) 的 ， 多 次 重 復(fù) 以 后 ，底 片

11、某 個(gè) 位 置 上 電 子 到 達(dá) 的 概 率 就 顯 現(xiàn) 出 來(lái) 。第 一 節(jié) 量 子 力 學(xué) 基 礎(chǔ) 及 核 外 電 子 運(yùn) 動(dòng) 特 性 例 電 子 質(zhì) 量 m = 9.1 10-31kg， 在 1V電 壓 下 的 速 度 為5.9 105 ms-1， h=6.626 10-34 Js ， 電 子 波 的 波 長(zhǎng) 是 多少 ？ 質(zhì) 量 1.0 10-8kg的 沙 粒 以 1.0 10-2 ms-1速 度 運(yùn) 動(dòng) ，波 長(zhǎng) 是 多 少 ？解 h = 6.626 10-34kgm2s-1； 根 據(jù) 德 布 羅 意 關(guān) 系 式 宏 觀 物 體 質(zhì) 量 大 ， 波 長(zhǎng) 小 ， 難 以 察 覺(jué) ，

12、僅 表 現(xiàn) 粒 子 性 。微 觀 粒 子 的 德 布 羅 意 波 長(zhǎng) 不 可 忽 略 。 pm2001m1012sm105.9kg109.1 smkg10626.6 101-531- -1234 mvh m106.6sm101.0kg101.0 smkg10626.6 241-2-8- -1234 第 一 節(jié) 量 子 力 學(xué) 基 礎(chǔ) 及 核 外 電 子 運(yùn) 動(dòng) 特 性 三 、 不 確 定 原 理 (uncertainty principle) Heisenberg指 出 ， 無(wú) 法 同 時(shí) 確 定 微 觀 粒 子的 位 置 和 動(dòng) 量 ： x pxh/4 x為 粒 子 在 x方 向 的 位 置

13、 誤 差 ， px為 動(dòng) 量 在 x方 向 的 誤 差 。 由 于 h是 極 小 的 量 ， 所 以 x越 小 ， px越 大 ， 反 之 亦 然 。 測(cè) 不 準(zhǔn) 原 理 是 粒 子 波 動(dòng)性 的 結(jié) 果 ， 意 味 著 微 觀 粒 子 運(yùn) 動(dòng) 不 存 在 既 確 定位 置 又 有 確 定 速 度 的 運(yùn) 動(dòng) 軌 跡 。 第 一 節(jié) 量 子 力 學(xué) 基 礎(chǔ) 及 核 外 電 子 運(yùn) 動(dòng) 特 性 第 一 節(jié) 量 子 力 學(xué) 基 礎(chǔ) 及 核 外 電 子 運(yùn) 動(dòng) 特 性 例 電 子 在 原 子 核 附 近 運(yùn) 動(dòng) 的 速 度 約 6 106 ms-1，原 子 半 徑 約 10-10 m。 若 速 度

14、誤 差 為 1%， 電 子的 位 置 誤 差 x有 多 大 ？解 v = 6 106 ms-1 0.01 = 6 104 ms-1， h = 6.626 10-34kgm2s-1； 根 據(jù) 測(cè) 不 準(zhǔn) 原 理 ： 即 原 子 中 電 子 的 位 置 誤 差 比 原 子 半 徑 大 10倍 ，電 子 在 原 子 中 無(wú) 精 確 的 位 置 可 言 。 m101sm106kg109.14 smkg10626.64 91-431- -1234 mhx 第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 一 、 波 函 數(shù) 及 三 個(gè) 量 子 數(shù) 的 物 理 意 義 1. 波 函 數(shù) （ wa

15、ve function） 原 子 中 電 子 具 有 波 動(dòng) 性 ， 奧 地 利 物 理 學(xué) 家Schrdinger導(dǎo) 出 Schrdinger方 程 ， 方 程 的 解 是波 函 數(shù) ， 用 來(lái) 描 述 電 子 的 運(yùn) 動(dòng) 狀 態(tài) 。2. | |2的 意 義 本 身 物 理 意 義 并 不 明 確 ， 但 | |2卻 有 明 確的 物 理 意 義 。 表 示 在 原 子 核 外 空 間 某 點(diǎn) 處 電 子出 現(xiàn) 的 概 率 密 度 （ probability density） ， 即 在該 點(diǎn) 處 單 位 體 積 中 電 子 出 現(xiàn) 的 概 率 。 a b一 、 波 函 數(shù) 及 三 個(gè) 量

16、子 數(shù) 的 物 理 意 義 3. 電 子 云 （ electron cloud） 圖 形 a是 基 態(tài) 氫 原 子 |2的 立 體 圖 ， b是 剖 面 圖 。黑 色 深 的 地 方 概 率 密 度 大 ， 淺 的 地 方 概 率 密 度小 。 概 率 密 度 的 幾 何 圖 形 俗 稱 電 子 云 圖 。第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 一 、 波 函 數(shù) 及 三 個(gè) 量 子 數(shù) 的 物 理 意 義4. 原 子 軌 道 （ atomic orbital） 描 述 原 子 中 單 個(gè) 電 子 運(yùn) 動(dòng) 狀 態(tài) 的 波 函 數(shù) 常 稱 作 原 子 軌 道 。 原 子 軌

17、道 僅 僅 是 波 函 數(shù) 的 代名 詞 ， 絕 無(wú) 經(jīng) 典 力 學(xué) 中 的 軌 道 含 義 。 嚴(yán) 格 地 說(shuō)原 子 軌 道 在 空 間 是 無(wú) 限 擴(kuò) 展 的 ， 但 一 般 把 電 子出 現(xiàn) 概 率 在 99%的 空 間 區(qū) 域 的 界 面 作 為 原 子 軌道 的 大 小 。第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 一 、 波 函 數(shù) 及 三 個(gè) 量 子 數(shù) 的 物 理 意 義 合 理 的 波 函 數(shù) 必 須 滿 足 一 些 整 數(shù) 條 件 ， 否 則 將 為 零 ， | |2也 為 零 ， 即 空 間 沒(méi) 有 電 子 出 現(xiàn) 。 這 些 整 數(shù) 條 件 分 是 n、

18、 l、 m， 稱 為 量 子 數(shù)（ quantum number） 。 n、 l 和 m 這 三 個(gè) 量 子 數(shù) 的 取 值 一 定 時(shí) ， 就 確 定了 一 個(gè) 原 子 軌 道 ， 即 波 函 數(shù) n,l,m。第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 一 、 波 函 數(shù) 及 三 個(gè) 量 子 數(shù) 的 物 理 意 義5. 主 量 子 數(shù) （ principal quantum number） 符 號(hào) n， 可 以 取 任 意 正 整 數(shù) 值 ， 即n = 1， 2， 3， 它 是 決 定 電 子 能 量 的 主 要 因 素 。 氫 原 子 只 有 一個(gè) 電 子 ， 能 量 只

19、由 n決 定 多 電 子 原 子 存 在 電 子 間 排 斥 ， 能 量 還 取 決 于 l。)eV(6.13 22nZE 第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 一 、 波 函 數(shù) 及 三 個(gè) 量 子 數(shù) 的 物 理 意 義5. 主 量 子 數(shù) （ principal quantum number） n 還 決 定 電 子 離 核 的 平 均 距 離 ， 或 者 說(shuō) 原 子 軌道 的 大 小 ， n 也 稱 為 電 子 層 （ shell） 。 n 愈 大 ，電 子 離 核 距 離 愈 遠(yuǎn) ， 原 子 軌 道 也 愈 大 。 電 子 層用 下 列 符 號(hào) 表 示 ：電 子

20、 層 n 1 2 3 4 符 號(hào) K L M N 第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 一 、 波 函 數(shù) 及 三 個(gè) 量 子 數(shù) 的 物 理 意 義6. 軌 道 角 動(dòng) 量 量 子 數(shù) （ orbital angular momentum quantum number） 符 號(hào) l ， 它 只 能 取 小 于 n 的 正 整 數(shù) 和 零 l = 0、 1、 2、 3 (n 1)， 共 可 取 n個(gè) 值 它 決 定 原 子 軌 道 的 形 狀 。第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 一 、 波 函 數(shù) 及 三 個(gè) 量 子 數(shù) 的 物 理 意 義6.

21、軌 道 角 動(dòng) 量 量 子 數(shù) （ orbital angular momentum quantum number） 在 多 電 子 原 子 中 l 還 和 n共 同 決 定 電 子 能 量 的 高低 。 當(dāng) n 給 定 ， l 愈 大 ， 原 子 軌 道 能 量 越 高 。 l 稱 為 能 級(jí) 或 電 子 亞 層 （ subshell 或 sublevel） 。電 子 亞 層 用 下 列 符 號(hào) 表 示 ：能 級(jí) 符 號(hào) s p d f l 0 1 2 3 第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 一 、 波 函 數(shù) 及 三 個(gè) 量 子 數(shù) 的 物 理 意 義7. 磁 量

22、子 數(shù) （ magnetic quantum number） 符 號(hào) m ， 可 以 取 l 到 +l 的 2l+1個(gè) 值 ， 即m = 0、 1、 2， ， l 它 決 定 原 子 軌 道 的 空 間 取 向 。 l 亞 層 共 有 2l+1個(gè) 不 同 空 間 伸 展 方 向 的 原 子 軌 道 。 例 如 l =1時(shí) ，m = 0、 1， p軌 道 有 三 種 取 向 ， 或 l 亞 層 有 3個(gè) p軌 道 。 相 同 能 級(jí) 的 軌 道 能 量 相 等 ， 稱 為 簡(jiǎn) 并 軌 道 或 等價(jià) 軌 道 （ equivalent orbital） 。 第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子

23、 力 學(xué) 解 釋 一 、 波 函 數(shù) 及 三 個(gè) 量 子 數(shù) 的 物 理 意 義量 子 數(shù) 組 合 和 原 子 軌 道 數(shù)主 量 子數(shù) n 軌 道 角動(dòng) 量 量子 數(shù) l 磁 量 子數(shù) m 波 函 數(shù) 同 層 軌道 數(shù) （ n2） 容 納 電子 數(shù)（ 2n2）1 0 0 1s 1 22 0 0 2s 4 81 0 1 2pz 2px 2py 第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 一 、 波 函 數(shù) 及 三 個(gè) 量 子 數(shù) 的 物 理 意 義量 子 數(shù) 組 合 和 原 子 軌 道 數(shù)主 量 子數(shù) n 軌 道 角 動(dòng)量 量 子 數(shù)l 磁 量 子數(shù) m 波 函 數(shù) 同 層 軌道

24、 數(shù) （ n2） 容 納 電子 數(shù)（ 2n2）3 0 0 3s 9 181 0 1 3p z 3px 3py2 0 1 2 3dz2 3dxz 3dyz3dxy 3dx2-y2 第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 例 (1) n = 3的 原 子 軌 道 可 有 哪 些 軌 道 角 動(dòng) 量 量 子 數(shù) 和 磁 量 子 數(shù) ？ 該 電 子 層 有 多 少 原 子 軌 道 ？ (2) Na原 子 的 最 外 層 電 子 處 于 3s亞 層 ， 試 用 n、 l、 m 、 ms量 子 數(shù) 來(lái) 描 述 它 的 運(yùn) 動(dòng) 狀 態(tài) 。解 (1) 當(dāng) n = 3， l = 0， 1，

25、2； 當(dāng) l = 0， m = 0； 當(dāng) l = 1， m = -1， 0， +1； 當(dāng) l = 2， l = -2， -1， 0， +1， +2； 共 有 9個(gè) 原 子 軌 道 。 (2) 3s亞 層 的 n = 3、 l = 0、 m = 0， 電 子 的 運(yùn) 動(dòng) 狀 態(tài) 可 表 示 為 3， 0， 0， + 1/2（ 或 - 1/2 ） 。 第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 二 、 原 子 軌 道 和 電 子 云 的 角 度 分 布 1. 徑 向 波 函 數(shù) （ radial wave function） 和 角度 波 函 數(shù) （ angular wave fu

26、nction） 波 函 數(shù) n,l,m(r,)有 三 個(gè) 自 變 量 r、 、 ， 可 表示 為 函 數(shù) R n,l (r)和 Yl ,m(,)的 積 ：n,l,m(r,)= Rn,l(r)Yl,m(,) Rn,l(r)稱 為 徑 向 波 函 數(shù) ， 它 是 電 子 與 核 的 距 離 r的 函 數(shù) ，與 n和 l有 關(guān) 。 Y l,m(,)稱 為 角 度 波 函 數(shù) ， 它 是 方 位 角 和 的 函 數(shù) ， 與 l和 m有 關(guān) ， 表 達(dá) 電 子 在 核 外 空 間 的 取 向 。 第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 二 、 原 子 軌 道 和 電 子 云 的 角

27、度 分 布2. 角 度 分 布 圖 ： 角 度 波 函 數(shù) 的 圖 形 ， 描 繪Yl,m(,)值 隨 方 位 角 改 變 而 變 化 的 情 況 。 氫 原 子 的 一 些 波 函 數(shù) 軌 道 R n， l (r) Y l,m(,) 能 量 /J 1s A1e-Br 1/4 -2.18 10-182s A 2(2-Br)e-Br/2 1/4 -2.18 10-18/222pz2px2py A3re-Br/2 3/4cos3/4sincos3/4sinsin 第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 二 、 原 子 軌 道 和 電 子 云 的 角 度 分 布 s軌 道 的 角

28、 度 波 函 數(shù) 是 常 數(shù) 。 離 原 子 核 (原 點(diǎn) )距 離 相 同的 點(diǎn) 函 數(shù) 值 處 處 相 等 (a)， 這 些 點(diǎn) 形 成 球 面 ， 球 面 所 在球 體 就 是 s軌 道 圖 形 (b)。 概 率 密 度 的 角 度 部 分 Y2l,m圖 形也 是 一 個(gè) 球 形 (c)。 a b c第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 二 、 原 子 軌 道 和 電 子 云 的 角 度 分 布 p軌 道 的 角 度 波 函 數(shù) 的 值 隨 和 的 改 變 而改 變 ， 如 pz， Ypz= cos。 據(jù) cos值 繪 出 雙 波 瓣 圖形 。 每 波 瓣 為 一

29、球 體 ， 沿 z軸 伸 展 。 在 xy平 面 上 下 ， 波 函 數(shù) 值 相 反 ， 平 面 上 為 零 ，此 平 面 稱 為 節(jié) 面 。 0 30 60 90 120 150 180Yp z 0.489 0.423 0.244 0 -0.244 -0.423 -0.4894/3 第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 二 、 原 子 軌 道 和 電 子云 的 角 度 分 布 右 圖 a是 三 個(gè) p軌 道 的角 度 分 布 圖 ， b是 電子 云 的 角 度 部 分 ； 電 子 云 圖 形 比 相 應(yīng) 的角 度 波 函 數(shù) 圖 形 瘦 ； 電 子 云 圖 形 兩 個(gè)

30、波 瓣不 再 有 代 數(shù) 符 號(hào) 區(qū) 別 ab第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 d軌 道 有 兩 個(gè) 節(jié) 面 ， 橄 欖 形 波 瓣 。 dz2負(fù) 波 瓣 呈環(huán) ， 但 和 其 它 d軌 道 等 價(jià) 。 dxy、 dxz和 dyz波 瓣 在45o坐 標(biāo) 軸 夾 角 伸 展 ， dx2-y2和 dz2在 坐 標(biāo) 軸 上 伸展 。 共 軸 線 的 波 瓣 代 數(shù) 符 號(hào) 相 同 。 電 子 云 圖 形相 應(yīng) 比 較 瘦 且 沒(méi) 有 符 號(hào) 的 區(qū) 別 。 第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 三 、 徑 向 分 布 函 數(shù) 圖 R2n,l(r)圖 R

31、21,0(r)對(duì) r作 圖 （ 右 上 ） 與 s電子 云 的 徑 向 分 布 圖 （ 右 下 ） 對(duì)比 。 離 核 越 近 ， 1s電 子 出 現(xiàn) 的概 率 密 度 越 大 。 在 原 子 核 處 概 率 密 度 將 達(dá) 最 大值 。 難 道 電 子 最 可 能 出 現(xiàn) 在 原子 核 上 ？ 注 意 ： 概 率 密 度 和 概率 的 區(qū) 別 。 第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 三 、 徑 向 分 布 函 數(shù) 圖 徑 向 分 布 函 數(shù) （ radial distribution function） 概 率 =概 率 密 度 體 積 徑 向 分 布 函 數(shù) ： D(

32、r) = r2R2n,l (r) 反 映 電 子 在 離 核 r 處 單 位 厚 度 球 殼 內(nèi) 出 現(xiàn) 的 概 率大 小 第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 三 、 徑 向 分 布 函 數(shù) 圖 徑 向 分 布 函 數(shù) 圖第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 三 、 徑 向 分 布 函 數(shù) 圖 從 徑 向 分 布 函 數(shù) 圖 可 以 看 出 ： 在 基 態(tài) 氫 原 子 中 電 子 概 率 的 極 大 值 在 r a0（ 52.9pm） 處 ， a0稱 為 玻 爾 半 徑 。 核 附 近 概 率 密 度 雖 大 ， 但 r極 小 ， 體 積 幾 乎

33、為 零 ，概 率 也 小 得 為 零 。 徑 向 分 布 函 數(shù) 圖 有 (n- l)個(gè) 峰 。 n一 定 時(shí) ， l 越 小 ，峰 越 多 ， 電 子 在 核 附 近 出 現(xiàn) 的 可 能 性 越 大 。 例 如 ，4s的 第 一 個(gè) 峰 甚 至 鉆 到 比 3d的 主 峰 離 核 更 近 的 距 離之 內(nèi) 去 了 。 外 層 電 子 也 可 以 在 內(nèi) 層 出 現(xiàn) ， 這 也 反 映了 電 子 的 波 動(dòng) 性 。第 二 節(jié) 氫 原 子 結(jié) 構(gòu) 的 量 子 力 學(xué) 解 釋 第 三 節(jié) 多 電 子 原 子 的 結(jié) 構(gòu)一 、 多 電 子 原 子 的 能 級(jí) 在 多 電 子 原 子 中 ， 每 個(gè)

34、電 子 都 各 有 其 波 函 數(shù) i ，同 樣 取 決 于 一 組 量 子 數(shù) n、 l、 m。 各 電 子 層 中的 軌 道 數(shù) 與 氫 原 子 中 各 電 子 層 軌 道 數(shù) 相 等 。 多 電 子 原 子 的 波 函 數(shù) 的 角 度 部 分 Y (,)和 氫 原子 的 相 似 ， 所 以 多 電 子 原 子 各 原 子 軌 道 角 度 分布 圖 與 氫 原 子 各 原 子 軌 道 的 角 度 分 布 圖 相 似 。電 子 云 的 角 度 分 布 圖 |Y | 2也 相 似 。 多 電 子 原 子 的 能 量 等 于 處 于 各 能 級(jí) 的 電 子 能 量的 總 和 第 三 節(jié) 多 電

35、子 原 子 的 結(jié) 構(gòu)一 、 多 電 子 原 子 的 能 級(jí)1. 屏 蔽 作 用 （ screening effect） 原 子 中 電 子 i受 其 它 電 子 排 斥 ， 抵 消 了 部 分 核 電荷 的 吸 引 ， 稱 為 對(duì) 電 子 i的 屏 蔽 。 用 屏 蔽 常 數(shù) （ screening constant） 表 示 抵 消 掉 的 部 分 核 電 荷 。 能 吸 引 電 子 i 的 核 電 荷 是 有 效 核 電 荷 （ effective nuclear charge） Z， 它 是 核 電 荷 Z和 屏 蔽 常 數(shù) 的 差 ： Z= Z 第 三 節(jié) 多 電 子 原 子 的 結(jié)

36、 構(gòu)一 、 多 電 子 原 子 的 能 級(jí)1. 屏 蔽 作 用 （ screening effect） 以 Z代 替 Z， 近 似 計(jì) 算 電 子 i的 能 量 外 層 電 子 對(duì) 內(nèi) 層 電 子 ， =0； 1s電 子 之 間 ， =0.30； 同 層 電 子 間 ， =0.35； 對(duì) ns或 np 電 子 ： n-1層 電 子 ， =0.85； 更 內(nèi) 層 電 子 ，=1.00； 對(duì) nd或 nf電 子 ： 即 使 其 同 層 s和 p電 子 ， = 1.00。 )eV(6.13 22nZE 第 三 節(jié) 多 電 子 原 子 的 結(jié) 構(gòu)一 、 多 電 子 原 子 的 能 級(jí)1. 屏 蔽 作

37、用 （ screening effect） l 相 同 ， n不 同 時(shí) ， n越 大 ， 電 子 層 數(shù) 越 多 ， 外 層 電子 受 到 的 屏 蔽 作 用 越 強(qiáng) ， 軌 道 能 級(jí) 愈 高 ：E1s E2s E3s E2p E3p E4p n相 同 ， l不 同 時(shí) ， l愈 小 ， D(r) 的 峰 越 多 ， 電 子 鉆穿 能 力 愈 強(qiáng) ， 在 核 附 近 出 現(xiàn) 的 可 能 性 越 大 ， 能 量就 愈 低 ： E ns Enp End Enf 第 三 節(jié) 多 電 子 原 子 的 結(jié) 構(gòu)一 、 多 電 子 原 子 的 能 級(jí)2. 能 級(jí) 交 錯(cuò) n 、 l 都 不 同 ， 一

38、般 n越 大 ， 能 級(jí) 愈高 。 但 有 反 常 現(xiàn) 象 ， 如 E4s E3d，這 一 現(xiàn) 象 稱 為 能 級(jí) 交 錯(cuò) 。 Pauling 的 近 似 能 級(jí) ：E1s E2s E2p E3s E3p E 4s E3d E4p 徐 光 憲 提 出 的 估 算 能 級(jí) 的 方 法 ：（ n+0.7l） 值 愈 大 ， 能 級(jí) 愈 高 。 二 、 電 子 的 自 旋 自 旋 角 動(dòng) 量 量 子 數(shù) （ spin angular momentum quantum number） 符 號(hào) s ， 取 +1/2和 -1/2兩 個(gè) 值 ， 表 示 電 子 自 旋 的 兩種 相 反 方 向 ， 也 可

39、用 箭 頭 符 號(hào) 和 表 示 。 兩 個(gè) 電 子 自 旋 方 向 相 同 稱 為 平 行 自 旋 ， 方 向 相 反稱 反 平 行 自 旋 。 原 子 軌 道 由 n、 l 和 m 決 定 ， 電 子 運(yùn) 動(dòng) 狀 態(tài) 由 n、 l、m、 s 確 定 。第 三 節(jié) 多 電 子 原 子 的 結(jié) 構(gòu) 第 三 節(jié) 多 電 子 原 子 的 結(jié) 構(gòu)三 、 原 子 的 電 子 組 態(tài) （ electronic configuration）基 態(tài) 原 子 的 電 子 排 布 三 原 則 ： Pauli不 相 容 原 理 (Pauli exclusion principle) 同 一 原 子 中 不 可 能

40、有 2個(gè) 電 子 具 有 四 個(gè) 完 全 相 同 的量 子 數(shù) 。 如 果 兩 個(gè) 電 子 的 n、 l、 m相 同 ， s必 然 相 反 。 即 一 個(gè)原 子 軌 道 中 不 存 在 自 旋 相 同 的 兩 個(gè) 電 子 。例 如 ： Ca原 子 的 兩 個(gè) 4s電 子 ， 一 個(gè) 是 （ 4,0,0,1/2） ， 另 一 個(gè) 則 是 （ 4,0,0,-1/2） 。 第 三 節(jié) 多 電 子 原 子 的 結(jié) 構(gòu)三 、 原 子 的 電 子 組 態(tài) （ electronic configuration） 能 量 最 低 原 理 又 稱 構(gòu) 造 原 理 （ building-up principle或

41、 Aufbau principle） 基 態(tài) 原 子 電 子 排 布 時(shí) ， 總 是 先 占 據(jù) 能 量 最 低 的 軌道 。 當(dāng) 低 能 量 軌 道 占 滿 后 ， 才 排 入 高 能 量 的 軌 道 ，以 使 整 個(gè) 原 子 能 量 最 低 。例 1： H ： 1s1； He ： 1s2； Li ： 1s22s1。例 2： 19K： 1s22s22p63s23p64s1（ K、 L、 M電 子 層 填 充 了 18個(gè) 電 子 以 后 ， 其 后 的 電 子不 是 填 充 3d軌 道 ， 而 是 占 據(jù) 4s軌 道 ， 因 為 E4s E3d ） 三 、 原 子 的 電 子 組 態(tài) （ el

42、ectronic configuration） Hund規(guī) 則 （ Hunds rule） 電 子 在 能 量 相 同 的 軌 道 （ 簡(jiǎn) 并 軌 道 ） 上 排 布 時(shí) ，總 是 盡 可 能 以 自 旋 相 同 的 方 向 ， 分 占 不 同 的 軌道 ， 因 為 這 樣 的 排 布 方 式 總 能 量 最 低 。例 ： 7N： 1s22s22p3， 三 個(gè) 2p電 子 的 運(yùn) 動(dòng) 狀 態(tài) ： （ 2,1,0, 1/2 ） ； （ 2,1,1, 1/2 ） ； （ 2,1,-1 , 1/2 ） 用 原 子 軌 道 方 框 圖 表 示 ：7N 第 三 節(jié) 多 電 子 原 子 的 結(jié) 構(gòu)1s 2

43、s 2p 第 三 節(jié) 多 電 子 原 子 的 結(jié) 構(gòu)三 、 原 子 的 電 子 組 態(tài) （ electronic configuration） Hund規(guī) 則 的 補(bǔ) 充 規(guī) 定 ： 簡(jiǎn) 并 軌 道 全 充 滿 、 半 充 滿 、 或 全 空 ， 是 能 量 較低 的 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 。例 ： 24Cr： 1s22s22p63s23p63d54s1 29Cu： 1s22s22p63s23p63d104s1 不 能 寫(xiě) 做 ： 24Cr： 1s22s22p63s23p63d44s2 29Cu： 1s22s22p63s23p63d94s2 第 三 節(jié) 多 電 子 原 子 的 結(jié) 構(gòu)三 、 原 子

44、的 電 子 組 態(tài) （ electronic configuration）電 子 組 態(tài) 的 寫(xiě) 法 原 子 的 電 子 組 態(tài) ： 書(shū) 寫(xiě) 20號(hào) 元 素 以 后 基 態(tài) 原 子 的 電 子 組 態(tài) 時(shí) 要 注意 ， 雖 然 電 子 填 充 按 近 似 能 級(jí) 順 序 進(jìn) 行 ， 但 電子 組 態(tài) 必 須 按 電 子 層 排 列 。例 ： 21Sc的 電 子 組 態(tài) 1s22s22p63s23p63d14s2 填 充 電 子 時(shí) ， 先 填 4s， 后 填 3d， 但 形 成 離 子 時(shí) ，先 失 去 4s電 子 ， 3d仍 然 是 內(nèi) 層 軌 道 。 電 離 時(shí) Sc失 去 1個(gè) 4s電

45、子 而 不 是 3d電 子 。 第 三 節(jié) 多 電 子 原 子 的 結(jié) 構(gòu)三 、 原 子 的 電 子 組 態(tài) （ electronic configuration） 原 子 的 電 子 組 態(tài) ： 把 內(nèi) 層 達(dá) 稀 有 氣 體 電 子 層 結(jié) 構(gòu) 部 分 用 稀 有 氣 體的 元 素 符 號(hào) 加 方 括 號(hào) 表 示 為 原 子 芯 (atomic kernel)。例 ： 20Ca： 1s22s22p63s23p64s2 寫(xiě) 作 Ar 4s2， 26Fe： Ar3d64s2； 47Ag： Kr4d105s1 第 三 節(jié) 多 電 子 原 子 的 結(jié) 構(gòu)三 、 原 子 的 電 子 組 態(tài) （ el

46、ectronic configuration） 離 子 的 電 子 組 態(tài) ： 仿 照 原 子 的 電 子 組 態(tài) 方 式 書(shū) 寫(xiě)例 如 ： 26Fe ： Ar3d 4s ； s軌 道 先 排 ， 先 失 第 三 節(jié) 多 電 子 原 子 的 結(jié) 構(gòu)例 按 電 子 排 布 的 規(guī) 律 ， 寫(xiě) 出 22號(hào) 元 素 鈦 的 基 態(tài) 電子 組 態(tài) 。解 根 據(jù) 能 量 最 低 原 理 ， 將 鈦 的 22個(gè) 電 子 從 能 量 最低 的 1s軌 道 排 起 ， 1s軌 道 只 能 排 2個(gè) 電 子 ， 第 3、4個(gè) 電 子 填 入 2s軌 道 ， 2p能 級(jí) 有 三 個(gè) 軌 道 ， 填 6個(gè) 電 子

47、。 再 以 后 填 入 3s、 3p。 3p填 滿 后 是 18個(gè)電 子 。 后 4個(gè) 電 子 應(yīng) 先 填 入 4s軌 道 兩 個(gè) ， 剩 下的 2個(gè) 電 子 填 入 3d 。 鈦 的 基 態(tài) 電 子 排 布 式 為 ： 1s 22s22p63s23p63d24s2 。 第 三 節(jié) 多 電 子 原 子 的 結(jié) 構(gòu)三 、 原 子 的 電 子 組 態(tài) （ electronic configuration） 價(jià) 電 子 （ valence electron） ： 化 學(xué) 反 應(yīng) 中 原 子 芯 部 分 的 電 子 結(jié) 構(gòu) 不 變 化 ， 改變 的 是 價(jià) 電 子 。 價(jià) 電 子 所 處 的 電 子

48、層 稱 為 價(jià) 電子 層 （ valence shell） 。例 ： Fe價(jià) 層 電 子 組 態(tài) 是 3d64s2 Ag的 價(jià) 層 電 子 組 態(tài) 是 4d105s1 原 子 芯 寫(xiě) 法 的 另 一 優(yōu) 點(diǎn) 是 指 明 了 元 素 的 價(jià) 層 電子 結(jié) 構(gòu) 。 第 四 節(jié) 元 素 周 期 表 與 元 素 性 質(zhì) 的 周 期 性 1. 能 級(jí) 組 和 元 素 周 期 能 級(jí) 組 ns到 np為 第 n能 級(jí) 組 ，(n-1)d或 (n-2)f也 屬 于第 n能 級(jí) 組 。 不 同 能 級(jí) 組 能 量 差 別大 ， 同 一 能 級(jí) 組 內(nèi) 各能 級(jí) 間 能 量 差 別 小 。一 、 原 子 的 電

49、 子 組 態(tài) 與 元 素 周 期 表 元 素 周 期 （ period） 能 級(jí) 組 對(duì) 應(yīng) 周 期 。 第 1周 期 僅 1s能 級(jí) 。第 n周 期 ns能 級(jí) 到 np能 級(jí) 。 元 素 的 外 層電 子 結(jié) 構(gòu) 從 ns1開(kāi) 始到 np6結(jié) 束 。 元 素 的 數(shù) 目 與 能 級(jí)組 最 多 能 容 納 的 電子 數(shù) 目 一 致 。第 四 節(jié) 元 素 周 期 表 與 元 素 性 質(zhì) 的 周 期 性 例 預(yù) 測(cè) 第 7周 期 完 成 時(shí) 共 有 多 少 個(gè) 元 素 。 解 按 電 子 排 布 的 規(guī) 律 ， 第 7周 期 從 7s能 級(jí) 開(kāi)始 填 充 電 子 ， 然 后 依 次 是 5f、

50、6d、 7p。 7s能 級(jí) 有 1個(gè) 原 子 軌 道 ， 5f有 7個(gè) 、 6d有 5個(gè) 、 7p有 3個(gè) ， 共 有 16個(gè) 原 子 軌 道 ， 最 多能 填 滿 32個(gè) 電 子 。 所 以 第 7周 期 完 成 時(shí) 共有 32個(gè) 元 素 。 第 四 節(jié) 元 素 周 期 表 與 元 素 性 質(zhì) 的 周 期 性 一 、 原 子 的 電 子 組 態(tài) 與 元 素 周 期 表2. 價(jià) 層 電 子 組 態(tài) 與 族 族 （ group） ： 周 期 表 根 據(jù) 價(jià) 層 電 子 組 態(tài) ， 把 性質(zhì) 相 似 的 元 素 歸 為 一 族 。第 四 節(jié) 元 素 周 期 表 與 元 素 性 質(zhì) 的 周 期 性

51、一 、 原 子 的 電 子 組 態(tài) 與 元 素 周 期 表2. 價(jià) 層 電 子 組 態(tài) 與 族 主 族 ： 周 期 表 中 共 有 IA A 8個(gè) 主 族 ， 其 中 A族 又稱 0族 。 主 族 元 素 的 價(jià) 層 電 子 組 態(tài) ： 內(nèi) 層 軌 道 是 全 充 滿的 ， 外 層 電 子 組 態(tài) 是 ns1到 ns2np6， 外 電 子 層 同時(shí) 又 是 價(jià) 層 。 外 層 電 子 的 總 數(shù) 等 于 族 數(shù) 。 H和He特 殊 一 些 ， H屬 于 IA族 、 He屬 于 0族 ， 它 們只 有 一 個(gè) 電 子 層 ， 電 子 組 態(tài) 是 ns1到 ns2。第 四 節(jié) 元 素 周 期 表

52、與 元 素 性 質(zhì) 的 周 期 性 一 、 原 子 的 電 子 組 態(tài) 與 元 素 周 期 表2. 價(jià) 層 電 子 組 態(tài) 與 族 副 族 ： IB B 8個(gè) 副 族 。 特 征 ： (n-1)d或 (n-2)f軌 道 填 充 電 子 ， (n-2)f、(n-1)d和 ns都 是 價(jià) 層 。 第 4、 5周 期 各 10個(gè) 副 族 元 素 (n-1)d軌 道 被 填 充 ； B B族 ， 族 數(shù) 等 于 (n-1)d及 ns電 子 數(shù) 的 總 和 ； B族 有 三 列 元 素 ， (n-1)d及 ns電 子 數(shù) 和 為 810；IB、 B族 ， 完 成 (n-1)d10結(jié) 構(gòu) ； ns電 子

53、數(shù) 等 于 族數(shù) 。 第 四 節(jié) 元 素 周 期 表 與 元 素 性 質(zhì) 的 周 期 性 一 、 原 子 的 電 子 組 態(tài) 與 元 素 周 期 表2. 價(jià) 層 電 子 組 態(tài) 與 族 第 6、 7周 期 ， B族 是 鑭 系 和 錒 系 各 15個(gè) 元 素 ，電 子 結(jié) 構(gòu) 是 (n-2)f軌 道 被 填 充 并 最 終 填 滿 ， 其(n-1)d軌 道 電 子 數(shù) 為 1或 0。 B族 到 B族 元 素的 (n-2)f軌 道 全 充 滿 ， (n-1)d和 ns軌 道 的 電 子 結(jié)構(gòu) 與 第 4、 5周 期 相 應(yīng) 的 副 族 元 素 類 似 。第 四 節(jié) 元 素 周 期 表 與 元 素

54、 性 質(zhì) 的 周 期 性 一 、 原 子 的 電 子 組 態(tài) 與 元 素 周 期 表3. 元 素 分 區(qū) 據(jù) 價(jià) 電 子 組 態(tài) ， 周 期 表 分 為 5個(gè) 區(qū) 。 s區(qū) ： 元 素 價(jià) 層 電 子 組 態(tài) 是 ns1和 ns2， IA和 A族 ，活 潑 金 屬 ， 易 形 成 +1或 +2價(jià) 離 子 。 沒(méi) 有 可 變 的 氧化 值 。 但 H不 是 金 屬 元 素 ， 在 化 合 物 中 的 氧 化 值是 +1， 在 金 屬 氫 化 物 中 是 -1。 p區(qū) ： 價(jià) 層 電 子 組 態(tài) 是 ns2np16， A A， 0族 元素 ， 大 部 分 是 非 金 屬 ， 0族 是 稀 有 氣

55、體 。 元 素 多 有可 變 的 氧 化 值 。 但 He的 電 子 組 態(tài) 是 1s2， 屬 稀 有 氣體 。 第 四 節(jié) 元 素 周 期 表 與 元 素 性 質(zhì) 的 周 期 性 一 、 原 子 的 電 子 組 態(tài) 與 元 素 周 期 表3. 元 素 分 區(qū) d區(qū) ： 價(jià) 層 電 子 組 態(tài) 為 (n-1)d18ns2或 (n-1)d9ns1或(n-1)d10ns0 ， 有 例 外 。 B B， 族 元 素 ，金 屬 ， 有 多 種 氧 化 值 。 ds區(qū) ： 價(jià) 層 電 子 組 態(tài) 為 (n-1)d10ns12， IB和 B族 ， 它 們 都 是 金 屬 ， 一 般 有 可 變 氧 化 值

56、 。 f區(qū) ： 價(jià) 層 電 子 組 態(tài) (n-2)f014(n-1)d02ns2， 鑭 系和 錒 系 。 最 外 層 電 子 數(shù) 、 次 外 層 電 子 數(shù) 大 都 相同 ， (n 2)層 電 子 數(shù) 目 不 同 ， 每 個(gè) 系 內(nèi) 元 素 化學(xué) 性 質(zhì) 極 相 似 。 都 是 金 屬 ， 有 可 變 氧 化 值 。 第 四 節(jié) 元 素 周 期 表 與 元 素 性 質(zhì) 的 周 期 性 一 、 原 子 的 電 子 組 態(tài) 與 元 素 周 期 表3. 元 素 分 區(qū) 0(n-1)d 18ns2或 (n-1)d9ns1或(n-1)d10ns0 第 四 節(jié) 元 素 周 期 表 與 元 素 性 質(zhì) 的

57、周 期 性 一 、 原 子 的 電 子 組 態(tài) 與 元 素 周 期 表4. 過(guò) 渡 元 素 （ transition element） 和 稀 土 元 素 全 部 副 族 元 素 都 稱 為 過(guò) 渡 元 素 。 包 括 d區(qū) 、 ds區(qū)和 f區(qū) 的 元 素 。 其 中 鑭 系 和 錒 系 元 素 稱 為 內(nèi) 過(guò) 渡元 素 （ inner transition element） 。 過(guò) 渡 元 素 原 子 的 最 外 層 電 子 數(shù) 較 少 ， 除 鈀 外 都只 有 12個(gè) 電 子 ， 所 以 它 們 都 是 金 屬 元 素 。 它 們 的 (n-1)d軌 道 未 充 滿 或 剛 充 滿 ， 或

58、 f軌 道 也 未充 滿 ， 所 以 在 化 合 物 中 常 有 多 種 氧 化 值 ， 性 質(zhì)與 主 族 元 素 有 較 大 的 差 別 。第 四 節(jié) 元 素 周 期 表 與 元 素 性 質(zhì) 的 周 期 性 二 、 元 素 性 質(zhì) 的 周 期 性 變 化 規(guī) 律1. 原 子 半 徑 （ atomic radius） 共 價(jià) 半 徑 rc： 共 價(jià) 單 鍵 結(jié) 合 的 兩 原 子 核 間 距 離的 一 半 van der Waals半 徑 rv： 單 質(zhì) 分 子 晶 體 中 相 鄰 分子 間 兩 個(gè) 非 鍵 合 原 子 核 間 距 離 的 一 半 金 屬 半 徑 是 指 金 屬 單 質(zhì) 的 晶

59、 體 中 相 鄰 兩 個(gè) 原 子核 間 距 離 的 一 半第 四 節(jié) 元 素 周 期 表 與 元 素 性 質(zhì) 的 周 期 性 1. 原 子 半 徑 （ atomic radius） 同 周 期 從 左 到 右 ， 主 族 元 素 電 子 層 數(shù) 不 變 ， 有效 核 電 荷 增 加 明 顯 ， 原 子 半 徑 逐 漸 減 少 。 過(guò) 渡元 素 原 子 半 徑 先 是 緩 慢 縮 小 ， 然 后 略 有 增 大 ；內(nèi) 過(guò) 渡 元 素 原 子 半 徑 幾 乎 不 變 。 相 鄰 元 素 原 子半 徑 減 小 的 平 均 幅 度 是 ：非 過(guò) 渡 元 素 過(guò) 渡 元 素 內(nèi) 過(guò) 渡 元 素10pm

60、5pm 1pm 同 一 主 族 從 上 到 下 ， 由 于 內(nèi) 層 電 子 的 屏 蔽 效 應(yīng) ，有 效 核 電 荷 增 加 緩 慢 ， 而 電 子 層 數(shù) 增 加 使 得 原子 半 徑 增 大 。第 四 節(jié) 元 素 周 期 表 與 元 素 性 質(zhì) 的 周 期 性 1. 原 子 半 徑 （ 主 族 元 素 ）第 四 節(jié) 元 素 周 期 表 與 元 素 性 質(zhì) 的 周 期 性 2. 元 素 的 電 離 能 、 電 子 親 和 勢(shì) 和 電 負(fù) 性 第 一 電 離 能 和 電 子 親 和 勢(shì) 第 一 電 離 能 （ I1） 是 氣 態(tài) 的 基 態(tài) 原 子 失 去 一 個(gè)電 子 ， 變 成 氣 態(tài) 的

61、 正 一 價(jià) 離 子 所 需 要 的 最 低 能量 。 同 一 周 期 左 到 右 I1增 加 ， 同 一 主 族 從 上 到下 I1減 小 。 電 子 親 合 勢(shì) 是 氣 態(tài) 的 基 態(tài) 原 子 結(jié) 合 一 個(gè) 電 子 形成 負(fù) 一 價(jià) 氣 態(tài) 離 子 所 放 出 的 能 量 。 總 的 說(shuō) 來(lái) ，鹵 族 元 素 的 原 子 結(jié) 合 電 子 放 出 能 量 較 多 ， 金 屬元 素 放 出 能 量 較 少 甚 至 吸 收 能 量 。 說(shuō) 明 鹵 族 原子 易 于 結(jié) 合 電 子 ， 而 金 屬 原 子 難 于 與 電 子 結(jié) 合成 負(fù) 離 子 。第 四 節(jié) 元 素 周 期 表 與 元 素 性

62、 質(zhì) 的 周 期 性 2. 元 素 的 電 離 能 、 電 子 親 和 勢(shì) 和 電 負(fù) 性 元 素 的 電 負(fù) 性 （ electronegativity） 分 子 中 的 原 子 吸 引 成 鍵 電 子 的 相 對(duì) 能 力 ， 用 符號(hào) X表 示 。 同 一 周 期 從 左 到 右 元 素 電 負(fù) 性 遞 增 ； 同 一 主 族中 從 上 到 下 元 素 電 負(fù) 性 遞 減 。 副 族 元 素 電 負(fù) 性沒(méi) 有 明 顯 變 化 規(guī) 律 。 金 屬 元 素 電 負(fù) 性 一 般 小 于 2。 但 電 負(fù) 性 小 于 或大 于 2并 不 是 區(qū) 分 金 屬 和 非 金 屬 的 嚴(yán) 格 界 限 。第

63、 四 節(jié) 元 素 周 期 表 與 元 素 性 質(zhì) 的 周 期 性 2. 元 素 的 電 離 能 、 電 子 親 和 勢(shì) 和 電 負(fù) 性第 四 節(jié) 元 素 周 期 表 與 元 素 性 質(zhì) 的 周 期 性 2. 元 素 的 電 離 能 、 電 子 親 和 勢(shì) 和 電 負(fù) 性第 四 節(jié) 元 素 周 期 表 與 元 素 性 質(zhì) 的 周 期 性 第 五 節(jié) 元 素 和 人 體 健 康 目 前 在 生 命 體 內(nèi) 已 檢 索 出 81種 ， 總 稱 為 生 命 元素 (biological element)。 占 人 體 質(zhì) 量 0.05%以 上 的 稱 為 常 量 元 素(macroelement)，

64、有 11種 。 含 量 低 于 0.05%為 微 量 或 痕 量 元 素(microelement or trace element)， 有 18種 。 按 元 素 對(duì) 人 體 正 常 生 命 的 作 用 可 將 元 素 分 為 必需 元 素 (essential element)和 非 必 需 元 素 (non-essential element)。 必 需 元 素 包 括 常 量 元 素 和 微量 元 素 。 第 五 節(jié) 元 素 和 人 體 健 康 “必 需 ” 和 “ 非 必 需 ” 的 界 限 是 相 對(duì) 的 。 人 體 必 需 微 量 元 素 的 不 同 價(jià) 態(tài) 會(huì) 對(duì) 生 物體 產(chǎn) 生 不 同 的 作 用 。 具 有 合 適 化 合 價(jià) 的 必 需 元 素 在 體 內(nèi) 也 有一 個(gè) 最 佳 營(yíng) 養(yǎng) 濃 度 。 元 素 的 生 物 效 應(yīng) 與 其 在 周 期 表 中 的 位 置有 密 切 關(guān) 系 。 第 五 節(jié) 元 素 和 人 體 健 康