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什么是屏蔽效应和钻穿效应?他们对原子轨道能量有何影响?

屏蔽效应 定义:在多电子原子中,一个电子不仅受到原子核的引力,而且还要受到其他电子的排斥力。

这种由于其他电子对某一电子的排斥作用而抵消了一部分核电荷对该电子的吸引力的作用,称为屏蔽效应。

可以把其他电子对指定电子的排斥作用,近似看作是这些电子抵消了一部分核电荷 。

被抵消后的核电荷称为有效核电荷,用 Z ∗ Z^{*} Z∗ 表示, Z ∗ = Z − σ Z^{*}=Z-\sigma Z∗=Z−σ,其中 Z Z Z 为核电荷数,σ \sigma σ 为屏蔽常数。

屏蔽常数 σ \sigma σ 越大,有效核电荷 Z ∗ Z^{*} Z∗ 越小,电子受到的吸引作用越弱。

对原子轨道能量的影响:屏蔽效应使得电子的能量升高。

因为电子受到的有效核电荷减小,核对电子的束缚力减弱,电子就更容易摆脱原子核的吸引,从而具有较高的能量。

例如,在同一电子层中,不同亚层的电子受到的屏蔽效应不同。

对于 n n n 相同的电子,l l l 越大,电子云分布越分散,受到其他电子的屏蔽作用越大,能量也就越高。

所以在多电子原子中,当 n n n 相同时,各亚层轨道的能量顺序为 E n s < E n p < E n d < E n f E_{ns}

钻穿效应(你提到的“穿穿效应”可能是笔误,实际应为钻穿效应 ) 定义:外层电子有机会钻到内层空间而靠近原子核,从而削弱其他电子对它的屏蔽作用,增强核对它的吸引作用,这种外层电子钻到内层空间靠近原子核的现象称为钻穿效应。

不同形状的电子云径向分布不同,s s s 电子云呈球形对称,在离核较近处有较多的概率密度,即 s s s 电子钻到内层的能力比 p p p、d d d、f f f 电子强;p p p 电子云有三个伸展方向,钻穿能力次之;d d d 电子云有五个伸展方向,钻穿能力更弱;f f f 电子云有七个伸展方向,钻穿能力最弱。

对原子轨道能量的影响:钻穿效应使电子的能量降低。

电子钻穿到内层空间,受到原子核的吸引增强,能量降低。

钻穿效应可以解释能级交错现象。

例如,在多电子原子中,4 s 4s 4s 轨道的能量有时低于 3 d 3d 3d 轨道的能量。

这是因为 4 s 4s 4s 电子的径向分布有三个峰,其中一个小峰离核很近,钻穿到内层空间的能力较强,受到原子核的吸引较大,能量降低;而 3 d 3d 3d 电子云径向分布只有一个主峰,离核较远,受内层电子屏蔽作用大,能量相对较高。

所以会出现 E 4 s < E 3 d E_{4s}

综上所述,屏蔽效应使电子能量升高,钻穿效应使电子能量降低,二者共同影响多电子原子中原子轨道的能量,决定了电子在核外的排布顺序。

 

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