泡利不相容原理、洪特規(guī)則、構(gòu)造原理

物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

一、基態(tài)與激發(fā)態(tài)原子光譜

1.基態(tài)與激發(fā)態(tài)

處于最低能量的原子叫做基態(tài)原子(ground state atom)，基態(tài)是原子最基本的狀態(tài)，是穩(wěn)定的狀

態(tài)；當(dāng)基態(tài)原子的電子吸收能量后，電子會(huì)躍遷到較高能級(jí)，變成激發(fā)態(tài)原子(excited atom)；

激發(fā)態(tài)原子不穩(wěn)定，電子又會(huì)躍遷到能量較低的能級(jí)，并釋放能量；其轉(zhuǎn)化關(guān)系如下：

光(輻射)是電子釋放能量的重要形式之一，在日常生活中，我們看到的許多可見光，如燈光、

激光、焰火……都與原子核外電子發(fā)生躍遷釋放能量有關(guān)；

2.原子光譜atomic spectrum

①原子光譜：不同元素的原子發(fā)生躍遷時(shí)會(huì)吸收或釋放不同的光，可以用光譜儀攝取各種元素

的電子的吸收光譜或發(fā)射光譜，總稱原子光譜；

②發(fā)射光譜(emission spectrum)是暗色背景的明亮譜線，吸收光譜(absorption spectrum)則是明亮

背景的暗色譜線，兩者譜線一一對應(yīng)(因?yàn)閮蓚€(gè)能級(jí)之間電子躍遷，吸收的能量和釋放的能量

相同)；

※銫cesium，1860年發(fā)現(xiàn)，其光譜圖中有特征的藍(lán)光，在拉丁語里，銫的含意是天藍(lán)色；

※銣rubidium，1861年發(fā)現(xiàn)，其光譜圖中有特征的紅光，在拉丁語里，銣的含意是深紅色；

※氦helium，1868年分析太陽光譜發(fā)現(xiàn)的，來源于希臘文，原意是“太陽”；

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物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

③原子光譜的應(yīng)用

不同元素產(chǎn)生不同的原子光譜，在現(xiàn)代化學(xué)中，常利用原子光譜上的特征譜線來鑒定元素，

稱為光譜分析(spectrum analysis)，歷史上，利用光譜分析也曾發(fā)現(xiàn)了許多新元素；

二、構(gòu)造原理與電子排布式

1.多電子原子核外電子的排布順序

在多電子原子中，電子在能級(jí)上的排布順序是：電子最先排布在能量低的能級(jí)上，然后依次排

布在能量較高的能級(jí)上；

2.構(gòu)造原理aufbau principle

隨著原子核電荷數(shù)的遞增，絕大多數(shù)元素原子的核外電子是按照如圖所示的能級(jí)順序填充的，

填滿一個(gè)能量低的能級(jí)后，再填一個(gè)能量高的新能級(jí)，這種規(guī)律稱為構(gòu)造原理；

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物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

3.能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象energy level overlap phenomenon

由構(gòu)造原理可知，從第三能層開始各能級(jí)不完全遵循能層順序，產(chǎn)生了能級(jí)交錯(cuò)排列，即產(chǎn)生

“能級(jí)交錯(cuò)”現(xiàn)象；【產(chǎn)生原因：鉆穿效應(yīng)、屏蔽效應(yīng)】

【H原子由于核外只有一個(gè)電子，沒有屏蔽效應(yīng)，不存在能級(jí)交錯(cuò)，所以能級(jí)的能量高低只取

決于主量子數(shù)；對于3d4s4p，顯然3d小于4s等于4p】

、、

4.電子排布electronic configuration

①根據(jù)構(gòu)造原理可表示出一些元素原子的電子排布式，先按能量由低到高的順序依次寫出能級(jí)

符號(hào)，再用數(shù)字在能級(jí)符號(hào)右上角表明各能級(jí)上排布的電子數(shù)，這就是原子的電子排布式；

【在書寫電子排布式時(shí)，能層低的能級(jí)要寫在左邊，不能按填充順序?qū)懀玮?/span>Sc的電子排

布式為：1s2s2p3s3p3d4s

226261221

，而不能按照填充順序先寫4s后寫3d】

②電子排布式的簡化寫法

為了避免電子排布式過于繁瑣，可以把內(nèi)層電子達(dá)到稀有氣體元素原子結(jié)構(gòu)的部分以相應(yīng)的

稀有氣體元素符號(hào)外加方括號(hào)表示，例如：K的電子排布式可表示為：[Ar]4s

1

，其中[Ar]叫

做原子實(shí)(atomic kernel)，4s

1

叫做價(jià)電子(valence electron)；

原子序數(shù) 元素符號(hào) 電子排布式 原子序數(shù) 元素符號(hào) 電子排布式

1 H 1s

12

2 He 1s

3 Li 1s2s2s

2122

4 Be 1s

5 B 1s2s2p2s2p

221222

6 C 1s

7 N 1s2s2p2s2p

223224

8 O 1s

9 F 1s2s2p2s2p

225226

10 Ne 1s

11 Na [Ne]3s

12

12 Mg [Ne]3s

13 Al [Ne]3s3p3p

2122

14 Si [Ne]3s

15 P [Ne]3s3p3p

2324

16 S [Ne]3s

17 Cl [Ne]3s3p3p

2526

18 Ar [Ne]3s

19 K [Ar]4s

12

20 Ca [Ar]4s

21 Sc [Ar]3d4s4s

1222

22 Ti [Ar]3d

23 V [Ar]3d4s4s

3251

24 Cr [Ar]3d

25 Mn [Ar]3d4s4s

5262

26 Fe [Ar]3d

27 Co [Ar]3d4s4s

7282

28 Ni [Ar]3d

29 Cu [Ar]3d4s4s

101102

30 Zn [Ar]3d

31 Ga [Ar]3d4s4p4s4p

10211022

32 Ge [Ar]3d

33 As [Ar]3d4s4p4s4p

10231024

34 Se [Ar]3d

35 Br [Ar]3d4s4p4s4p

10251026

36 Kr [Ar]3d

37 Rb [Kr]5s

12

38 Sr [Kr]5s

39 Y [Kr]4d5s5s

1222

40 Zr [Kr]4d

41 Nb [Kr]4d5s5s

3251

42 Mo [Kr]4d

43 Tc [Kr]4d5s5s

5262

44 Ru [Kr]4d

45 Rh [Kr]4d5s5s

7282

46 Pd [Kr]4d

47 Ag [Kr]4d5s5s

101102

48 Cd [Kr]4d

49 In [Kr]4d5s5p5s5p

10211022

50 Sn [Kr]4d

三、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理

1.電子自旋與泡利原理spin of the electron & Pauli exclusion principle

①電子自旋spin of the electron

量子力學(xué)告訴我們，電子除了空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)外，還有一種狀態(tài)叫做自旋；

電子自旋可比喻成地球的自轉(zhuǎn)；

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物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

電子的自旋有順時(shí)針和逆時(shí)針兩種相反的狀態(tài)，常用上下箭頭“↑”“↓”表示；

【電子自旋(spin of the electron)是電子的基本性質(zhì)之一，屬于量子物理學(xué)科，電子自旋先由實(shí)

驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)，然后才由狄拉克(Dirac)方程從理論上導(dǎo)出的】

【自旋量子數(shù)(spin quantum number)是描述電子自旋運(yùn)動(dòng)的量子數(shù)，自旋磁量子數(shù)用m表示，

s

即↑代表正方向自旋電子，↓代表逆方向自旋電子】

②泡利原理Pauli exclusion principle

1925年，泡利正式提出，在一個(gè)原子軌道里，最多只能容納2個(gè)電子(通常稱為電子對)，

而且它們的自旋狀態(tài)相反，稱為泡利原理(也稱泡利不相容原理)；

Pauli1900--1958 Dirac1902--1984 Hund1896--1997

，，，

2.電子排布圖

原子核外電子排布可利用電子排布圖來表示，這是用方框(或圓圈)和箭頭表明核外電子排布的另

一種方法，也叫軌道表示式；每一個(gè)方框表示一個(gè)軌道，能量相同的軌道連在一起，與電子排

布式相比，它具有軌道上自旋方向和成鍵時(shí)電子變化明晰的特點(diǎn)，但是稍微麻煩些，書寫時(shí)先

寫元素符號(hào)，再根據(jù)能量最低原理、泡利原理、洪特規(guī)則等書寫，例如：

3.洪特規(guī)則Hund rule

基態(tài)原子中，填入簡并軌道的電子總是先單獨(dú)分占，且自旋平行，稱為洪特規(guī)則；

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物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

洪特規(guī)則不僅適用于基態(tài)原子，也適用于基態(tài)離子；

【洪特規(guī)則特例】

在等價(jià)軌道(同一能級(jí))上的電子排布為全充滿(p)、半充滿(p)和全空(p

6101435700

、、、、、

dfdf、d

f)狀態(tài)時(shí)，具有較低的能量和較大的穩(wěn)定性，可以理解為洪特規(guī)則特例；

0

例如：鉻(Cr)：[Ar]3d4s4s

24

51

正確，[Ar]3d錯(cuò)誤；

42

銅(Cu)：[Ar]3d4s4s

29

101

正確，[Ar]3d錯(cuò)誤；

92

4.能量最低原理lowest energy principle

①基態(tài)是能量最低的狀態(tài)，基態(tài)原子的電子排布式能量最低的原子軌道組合；

②在構(gòu)建基態(tài)原子時(shí)，電子將盡可能地占據(jù)能量最低的原子軌道，使整個(gè)原子的能量最低，這

就是能量最低原理lowest energy principle；

③多電子原子的核外電子要先占據(jù)能量低的能層，在能量低的能層中又優(yōu)先占據(jù)能量低的能級(jí)，

然后再依次進(jìn)入能量較高的能層，這樣使整個(gè)原子處于最低的能量狀態(tài)，原子軌道能量的高

低依據(jù)構(gòu)造原理來判斷；

5.補(bǔ)充：Fe：1s 2ssp 3s3p3d 4s

26

2262662

①電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)=電子數(shù)；(26)

②電子的空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)=電子所占的軌道數(shù)；(15)

③電子的運(yùn)動(dòng)范圍=能層數(shù)；(4)

④電子的能量=能級(jí)數(shù)；(7)

By H.L.

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