原子结构(二)
搞清四个量子数的物理含义,看懂屏蔽与穿透效应下的能级分裂与排布边界
按 空格/→ 演示下一步
全部页面点击任意一页,跳回舞台从这页播放
原子结构(二)
搞清四个量子数的物理含义,看懂屏蔽与穿透效应下的能级分裂与排布边界
理想化模型
上页我们看到卢瑟福把原子比作「小太阳系」。这其实是物理学家处理复杂问题的经典套路——先建一个理想化模型。但这模型到底「理想」在哪里?又为什么偏偏要用理想化的东西?
把弯曲的真实地理压成直线和节点——能帮你找换乘站,但和实际距离无关
概率
天气预报说「降水概率70%」——没人追问「概率具体落在哪一片云上」,因为概率本来就不是描述确切位置的。电子在原子中的位置同样如此:只能说「在某处出现的可能性多大」。
都说「可能性多大」,都不说「确切在哪」
概率密度
上一页说到电子不再有确定轨道,而是用「概率」描述出现位置。但概率只是一个数字——电子到底在哪儿「更密」、哪儿「更疏」?这就需要概率密度登场。
喷头近味浓(密度高),远处味淡(密度低);闻到的总气味才是概率
电子云
上一页讲到概率密度——一个数学量。这页把它'画'出来,就是电子云:电子可能出现的位置及其出现概率密度的可视化图像。
蜜蜂停得越久的地方照片越亮——概率越大的地方电子云越密
电子云轮廓图
上一页用「小黑点疏密」表示电子出现的概率密度:点越密,位置越可能。但点图画起来麻烦、边界也模糊。这一页我们换成更干净的方式——把概率密度相等的点连成线,画出嵌套的轮廓。
海拔相同的点连成等高线围出山体;概率密度相同的点连成轮廓线围出电子云——本质都是「分层切片」
原子轨道
上一页看到的'花瓣'、'球壳'等电子云轮廓,只是概率密度的等值面——只画出了形状,丢失了波函数的相位正负。这些形状在数学上由什么描述?就是这一页的原子轨道。
波形有正负相位;|ψ|² 轮廓图只显示强度,丢失相位——而相位决定轨道重叠时增强或抵消
s轨道和p轨道的形状及取向
上页把原子轨道定义为单电子的波函数。它不是抽象符号,而是有确定的空间形状。本页看最基础的两类:s轨道和p轨道。
s向四面八方均匀发光(无方向偏好);p只朝两个相反方向发光(中间是暗的节面)
电子自旋
电子自旋:定义、要点与典型应用
泡利原理
上页说电子自旋有上下两种取向。一个原子里的几十个电子,能都挤进能量最低的 1s 轨道吗?不行——泡利原理划定了更精细的规则。
房号(n,l,ml)标定房间,每房两张自旋床(↑↓);两人占同一张床 = 不允许
轨道表示式
上一节我们学到电子有自旋、泡利原理说同轨道两电子自旋必须相反。现在要问:怎么把这套规则画出来?——这就轮到轨道表示式。
一间最多两人,箭头反向=两人对头睡;同向就住不下
简并轨道
上页轨道表示式中p层画三个方框、d层画五个——这些能量相同的轨道互称简并轨道。
楼层和户型都相同,只有朝向不同,房租(能量)相同
洪特规则
俩电子、仨 p 方框——画完轨道表示式你一定发过这个愣:先挤一格还是各占一格?洪特规则管的就是「同能轨道怎么住」的事。
没人爱紧挨陌生人;都各占一排、留出空位,整车最舒服
能量最低原理
上一页讲了洪特规则——简并轨道上电子要先单占再成对。但这只是局部规则:为什么电子总体上要这样排?背后是更根本的能量最低原理。
系统自然倾向能量最低态;水往洼地流,电子往低能轨道落
主族元素与副族元素基态电
沿用能量最低、泡利原理和洪特规则,Na写成[Ne]3s¹,Fe写成[Ar]3d⁶4s²。看似只是位置不同,价电子范围与成键方式也随之改变。
主族多由外层前台直接接活;副族的前台ns与内务d部门常一起参与
元素周期律的微观基础
前几页我们把电子排进轨道:1s、2s、2p、3s……如果把118个元素全排一遍,会发现每隔一定数量,元素的化学性质又开始重复——这不是巧合,是电子排布周期性的体现。
每开一层楼就是一个新周期;同号房间户型相似,所以同族性质相似
本节要点
- ✓「轨道」是单电子波函数的图像,|ψ|² 才是可观测量
- ✓n、l、m、ms 四量子数 + 三大规则共同决定基态排布
- ✓周期律本质是核外电子排布的周期性重复
- ✓边界提醒:多电子原子的轨道是近似,自旋没有经典类比
课后思考
先自己想一想,再对照参考答案——三个问题层层递进。
参考答案不是同一个问题。玻尔模型问'电子此刻在哪',量子力学承认位置与动量不可同时精确测得,只能回答'在某区域出现的概率多大'。这是从决定论到概率论的认识跃迁。
参考答案碳2p²:两个电子分占两个不同轨道,自旋平行;氮2p³:三个电子各占一个轨道。这体现洪特规则——等价轨道上电子优先单独占据,且自旋平行。
参考答案一般主族副族仍成立。但超重元素6s收缩、5d/4f膨胀,能级顺序可能反转,'能量最低'需重新定义。泡利原理源于费米子波函数反对称性,作为基本物理约束不会失效。