同一壳层的电子屏蔽效应是如何影响原子或离子半径的?不同壳层的电子呢?6月12日中午12时,《张朝阳的物理课》第六十二期开播,搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳坐镇搜狐视频直播间,对6月10日刚结束的线下第五课的内容进行补充说明与答疑解惑。
他讲解了核外电子排布的一些基本规则,即泡利不相容原理与洪特规则。随后指出同一壳层电子的屏蔽效应可由类氦原子模型来理解,而不同壳层的屏蔽效应则可用类氢原子模型来处理,接着利用类氢处理与类氦处理定性分析了一些元素的电子排布,以及原子半径的变化规律。
张朝阳先带着网友们复习了上节课求解氢原子薛定谔方程的过程、解得的氢原子波函数,以及电子轨道的简并度。并再次强调多电子原子仍然有类似氢原子的轨道,只不过轨道及其能级会发生“变形”。随后,他开始讲解核外电子排布需要遵循的基本规则,即泡利不相容原理与洪特规则。泡利不相容原理使得每个轨道能容纳的电子不能超过它的简并度,而洪特规则使得电子按能量最低的方式排布。
接着,张朝阳开始分析不同元素的轨道半径。氦原子核外若只填充一个电子,对应的轨道半半为1/2倍的玻尔半径。若再加入1个电子使其成为中性氦原子,则由变分法可得轨道半径增大成16/27倍的玻尔半径,相比于只填充1个电子的氦离子,其轨道半径增大了18.5%。锂原子由于最外层电子会受到内层电子的强烈屏蔽,最外层电子看到的将是Z=1的等效原子核,这时可以用类似氢原子的方法来处理最外层电子,此方法称为“类氢处理”,它体现了内层电子对最外层单电子的强烈屏蔽作用,同时由于新壳层的填充导致原子或离子半径急剧增大。
张朝阳进一步讨论铍元素,在铍离子中填入一个电子使其变成中性原子的过程中,第二层轨道的2个电子就会类似氦原子那样相互屏蔽对方所感受到的正电荷,从而使轨道半径增大,但由前面关于氦原子的计算可知,轨道的增大程度相对较小。这种定性处理半径变化的方法,称为“类氦处理”。通过类氢与类氦处理方法可以继续分析更多的元素,并结合这两种方法各自的特点,就能粗略得分析出元素的原子半径随序数的变化规律。
截至目前,《张朝阳的物理课》已直播六十余期。从去年11月开启第一节物理直播课,他先是从经典物理学开始,科普了牛顿运动定律等;而后从经典物理的“两朵乌云”说起,向近现代物理过渡,探讨了黑体辐射理论中的维恩公式、普朗克公式等知识。此后逐步进入量子力学领域,从基础的薛定谔方程等理论内容,到氢原子波函数,再到气体定容比热的温度阶梯等更加具体实用的案例。内容丰富、覆盖广泛,理论公式由浅入深、繁简交融。《张朝阳的物理课》的直播风格独树一帜:注重推导,通过一步一步详尽的数学计算,推导出相关的物理公式,把每个公式从头到尾拆解得十分清晰。