2012年10月1日 星期一

多電子的原子模型進一步發展-穿透效應 penetration effect

化學原理啟迪334
Gustav Mahler - Symphony No. 5: Adagietto (Solti, CSO)

1.     元素週期表上的元素,隨著原子序(質子)增加,電子也一顆一顆地增加,增加的電子是依據一個特定的順序填入的,在能階都n的時候,電子會依照nsnpndnf的先後順序填入。
2.     SCF法計算出來的原子軌域的能量大小順序是:EnsEnpEndEnf 計算的結果顯示,同一個能階n下的spdf四種軌域的能量大小順序,是s軌域電子的能量小於p軌域電子的能量,p軌域電子的能量小於d軌域電子的能量,d軌域電子的能量小於f軌域電子的能量
3.     我們可利用穿透效應penetration effect去理解觀察到的軌域能量順序。鈉原子的3s3p3d軌域在原子的半徑分佈情形如下:
4.     雖然3s軌域的電子與原子核有一段距離,但是它的分佈區域是3s3p3d三種軌域中最接近原子核的,因此3s軌域的電子會遮蔽shields原子核對3p3d軌域電子的吸引力
5.     原子核的引力必須穿透3s軌域的電子雲遮蔽去吸引3p3d軌域的電子,因此3s軌域的電子應該會感覺到比較多的原子核正電荷,另一方面3p軌域的電子比較沒有那麼靠近原子核。
6.     因此我們可以說,3p軌域的電子穿透核電子到原子核的程度,比3s軌域的電子穿透核電子的程度低。同樣地,3d軌域的電子穿透性也低於3p軌域的電子。
7.     穿透效應的觀念幫助我們瞭解為什麼電子比較喜歡先填入3s軌域,3s軌域填滿之後再去3p軌域,3p軌域填滿之後才去3d軌域。這是因為這三個軌域的穿透效應順序是:E3sE3pE3d
8.     穿透效應也可以解釋為什麼電子先填入4s軌域,4s軌域填滿後,電子再填入3d軌域。鉀的電子組態是1s22s22p63s23p64s1,而不是1s22s22p63s23p63d1。為什麼電子先填入4s軌域,而沒有填入3d軌域呢?
9.     因為4s軌域的電子穿透性,比3d軌域強,說明如下圖:
10. 雖然「3d軌域電子出現機率最大的區域」與原子核之間的距離,比起「4s軌域電子出現機率最大的區域」與原子核之間的距離更短,但是4s的電子引力穿透到原子核的力量更強。這就是為什麼鉀原子在最低能量狀態下,它的最後一顆電子進入到4s軌域而不是3d軌域。
11. 徐弘毅:為什麼4s軌域穿透性較佳? 4s軌域的電子分佈是圓球型,3d軌域由5種長橢圓型軌域組成d軌域的電子並不像s軌域那樣均勻分佈在空間中,而是特別集中在某個區域,這應該會造成區域內的電子之間的斥力特別嚴重,這也使得d軌域的電子只能用一部份的力量穿透核電子吸引原子核。以上是我的推測。
n  翻譯編寫Steven S. Zumdahl Chemical Principles

5 則留言:

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  2. Thank u for elaborating "further development of the poly electronic model"

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  3. 用答案解釋答案,這很奇怪吧

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  4. 還是不大懂如何比較穿透力大小⋯

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  5. 對不起,最近太忙,所以沒有時間回信,很抱歉。
    首先,我們要了解原子的構造,原子的中心是帶正電的原子核,外層是帶負電的電子雲,電子雲又可分成好幾層,就像金莎巧克力那樣,為了清楚分辨每一層,化學家用能量階梯的概念去定義每一層,能階的符號為n。
    但是,同一個能階的電子雲,還可以再區分成好幾層,由內而外分別為s殼層、p殼層、d殼層、f殼層,這是四種不同能量的次殼層。
    那麼,什麼是穿透效應呢?舉例來說,原子核的正電引力要吸引p殼層的電子,一定要穿過s殼層電子,這就是穿透校應;相反方向來看,P殼層電子雲的負電荷要吸引原子核,也一定要穿過s殼層電子雲,這也叫做穿透效應。
    你的問題是,不知道如何比較穿透力的大小?很簡單,我們舉例說明,p軌域電子離原子核比較遠,它要穿透s軌域電子雲,才能夠吸引原子核,那麼,它有一部分的能量就在對抗s軌域的電子中消耗掉了,因此,p軌域電子抵達原子核的能量,必然要減掉s軌域的能量,這使得穿透力減弱。
    如果是s軌域的電子,它是最靠近原子核的電子次殼層,它不需要穿透其他殼層,就能直接抵達原子核,因此穿透力較強。所以,s軌域電子的穿透力,強於p軌域電子的穿透力。
    用同樣的方法類推,在同一個能階中,s軌域電子的穿透力,強於p軌域電子的穿透力;s軌域和p軌域電子的穿透力,強於d軌域電子的穿透力;s軌域、p軌域和d軌域電子的穿透力,強於f軌域電子的穿透力。
    如果是比較不同能階的電子,那就是最內層的第一能階軌域n=1,穿透力強於第二能階軌域n=2;第二能階軌域n=2的穿透力,強於第三能階軌域n=3……。
    你可以參考我所翻譯的化學原理啟迪304,波爾的氫原子模型:計算電子轉換軌域時吸收或釋放的能量,裡面有能階圖,另外本篇化學原理啟迪334所附的穿透效應圖,在說明在同一個第三能階n=3中,各殼層由內而外的順序是s、p、d。
    我們台灣的教科書寫得跟補習班的參考書一樣,有很多練習套公式例題,都只是在應付考試,沒有辦法引導思考,所以你才會被搞亂,你一定很聰明,加油!
    我在2007年有向李遠哲、翁啟惠反映這個問題,但是那兩個人過去讀書的過程都在死背書,所以他們這一生都沒有辦法編寫好的教科書,連他們都如此,更不要說其他台灣的化學學者。

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