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第2章 原子结构与电子排布

本章中心问题

原子为什么只吸收或发射某些特定能量的光？电子为什么不能被描述为沿固定经典轨道 运动的小球？量子数、轨道和占据规则怎样共同决定多电子原子的电子排布与磁性？

学习本章之前

必须掌握

  • 1.2：科学计数法、物质的量与粒子数；
  • 1.5：状态量与单位配套的基本意识；
  • 第1章复习中的单位、数量级和模型边界；
  • 物理补给：光、波、能量和静电作用的初步概念。

建议熟悉

  • 直线图像、反比例和平方关系；
  • 可见光只是电磁辐射的一小部分；
  • 概率不是“测量不够认真”的同义词。

3分钟诊断

  1. 波速\(c\)、波长\(\lambda\)和频率\(\nu\)应满足什么量纲关系？
  2. \(500\ \mathrm{nm}\)是多少米？
  3. 若光频率增大，单个光子能量怎样变化？
  4. “模型在某范围有效”是否要求它完整复制实物？
查看诊断答案
  1. \(c=\lambda\nu\)；
  2. \(5.00\times10^{-7}\ \mathrm{m}\)；
  3. 由\(E=h\nu\)，频率增大时光子能量增大；
  4. 不要求。模型保留与问题有关的变量，并必须说明证据、条件和局限。

本章学习成果

完成本章后，你应该能够：

  1. 在波长、频率和光子能量之间换算；
  2. 由线状光谱说明原子能量变化具有离散性；
  3. 使用玻尔模型处理氢原子能级和跃迁，并说明其局限；
  4. 用物质波和不确定性解释经典轨迹模型为什么失效；
  5. 区分波函数、概率密度、轨道和轨迹；
  6. 判断一组量子数是否允许；
  7. 识别基础轨道形状、节点和径向分布；
  8. 使用构造原理、泡利原理和洪特规则写出常见电子排布；
  9. 处理常见排布例外与离子电子排布；
  10. 根据未成对电子判断顺磁或抗磁。

核心单元

单元 标题 状态
2.1 光子与原子光谱 初稿完成
2.2 氢原子的玻尔模型 初稿完成
2.3 物质波与不确定性 初稿完成
2.4 波函数、轨道与量子数 初稿完成
2.5 轨道形状、节点与径向分布 初稿完成
2.6 多电子原子、电子排布与磁性 初稿完成
章末 知识地图、综合练习与章节测验 初稿完成

本章不负责

  • 求解薛定谔方程；
  • 完整原子光谱项与精细结构；
  • 相对论量子化学；
  • 多电子原子的高精度能级计算；
  • 分子轨道和配位场理论。

章末知识地图、综合练习和测验已完成。2.1～2.6已通过首轮章内整体复核，并已在 第3章周期趋势完成后回看穿透与轨道能量；后续在第4章成键和第11章配位化学写完后， 还会继续回看价电子与磁性边界。