原子结构(一)
搞清汤姆逊→卢瑟福→玻尔→薛定谔:每步解决了什么、被什么实验推翻、量子边界在哪
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原子结构(一)
搞清汤姆逊→卢瑟福→玻尔→薛定谔:每步解决了什么、被什么实验推翻、量子边界在哪
原子结构
你已经知道原子模型从道尔顿的实心球到玻尔的行星模型一路演变,但「原子究竟长什么样」还得从结构本身讲起——一个致密的核,加上一团几乎空荡荡的电子云。
原子核是中央那颗弹珠,电子在最外层看台飞舞,中间几乎全是真空
根据构造原理书写基态原子
前页我们认识了能层与能级——但一个原子有几十个电子时,它们究竟按什么顺序住进来?这就要靠构造原理来指挥排队。
电子=旅客,轨道=房间,能量=房价;先填低能=先抢便宜房
能层
写基态原子的电子排布式时,1s、2s、3p 字母前面的 1、2、3 标记着电子所在的「楼层」。这个「楼层」有个正式名字——能层,今天我们正式定义它,并看清它能告诉我们什么、不能告诉我们什么。
栋号越大整体位置越高,对应电子能量整体越高;但同栋楼内户型高度有差,所以栋号不能决定具体房间
画出基态原子的轨道表示式
能层告诉我们电子住在哪几层楼,轨道表示式要画清楚每层每个房间里住了几个人、怎么坐。
方框是座位,箭头是观众,↑↓一对是两人背靠背坐,自旋方向相反
能级
能层把电子按离核远近分层,但同一层里电子能量并不相等——再按轨道类型细分,就有了能级。
楼层=能层,教室=能级;第 n 层恰好有 n 间
利用原子光谱和电子跃迁解
节日焰火为什么有钠黄、钾紫、铜绿?霓虹灯为什么有不同颜色?这些颜色不是颜料调出来的,而是原子内部电子「下楼」时释放出的独特光芒。
上楼需用力(吸收能量),下楼层数差越大释放越剧烈;每级高度固定,对应特定波长
能级最大容电子数规律
上一页画出了 1s、2s、2p 这些能级格子。问题是:每个格子最多塞几个电子?下面两条容量规律加两个例外要记牢。
整层满座 = 2n²;单个包厢满座 = s/p/d/f 对应数字
基态原子
上一节按构造原理写出了基态排布。但判定它是「基态」的标准是什么?三条规则共同约束,违反任一条就不再算。这一页把判定边界收紧。
从最低楼层坐起,一桌≤2人反向坐,同层空桌先各坐1人再凑对——三条铁律一图看懂
激发态原子
激发态原子:定义、要点与典型应用
电子跃迁
前面我们看到,原子光谱是离散的线——每条线对应一个确定频率。现在追问:电子为什么不能任意吸收能量,而必须从一个台阶精确地跳到另一个台阶?这就是电子跃迁的核心机制。
每个键对应一个能级;电子只能在键间跳,光子频率严格等于两键频率差
原子光谱
上一页讲到电子在不同能级间跳跃时会吸收或释放能量。这些能量以光的形式出现时,就产生了原子光谱——它是人类窥探原子内部的第一扇窗。
每种元素的谱线组合独一无二,且都难以伪造
光谱分析
上一页我们画出了氢原子鲜艳的谱线——但这些彩色的'花纹'不只是好看,它就是元素的'身份证'。这一页我们来认识光谱分析这种让元素'自报家门'的技术。
商品条形码每件唯一,扫一下就知道是什么;元素特征谱线每种唯一,扫一下就能鉴定元素
构造原理
我们已经能写出基态原子的电子排布式了,但为什么是 1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d 这个怪顺序,而不是简单按 n 递增老老实实排?构造原理回答的就是「电子到底按什么规则往上垒」。
不是越高越贵:4 楼靠窗(4s)有时比 3 楼阁楼(3d)便宜
电子排布式
画完轨道表示式,每个电子占一个框——直观,但太繁琐。能不能用一行文字记录所有电子的归属?这就是电子排布式。
楼层→能层号,字母→能级,上标→电子数
能级交错
氢原子中能量只由 n 决定,n 越大能量越高——像一条直白的楼梯。但看多电子原子时,楼梯出现了错层。
4 号楼(4s)层数高,但因地基打得深(钻穿效应强),比 3d 区先盖好、先交付
本节要点
- ✓能层n对应1/2/3…,最大电子数2n²;s/p/d/f记能级
- ✓基态遵循能量最低、泡利互斥、洪特规则三原则
- ✓能级交错:填充顺序4s→3d→4p,非按能层递进
- ✓跃迁时吸收或释放光子,产生特征原子光谱
- ✓排布式压缩展示分布,轨道式显出单电子自旋
课后思考
先自己想,再对照参考答案回味一下。
参考答案4s 实测能量低于 3d,构造原理按能级能量顺序填电子。
参考答案3d⁵ 半满更稳定,洪特规则特例,整体能量更低。
参考答案无穷大——电子不必两两配对,全部可挤入同一轨道。