1章原子结构与元素周期系课件.ppt

1、 第一篇第一篇 物质结构基础物质结构基础第第1 1章章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系 基本要求基本要求:1 1 理解四个量子数的物理意义，了解核外理解四个量子数的物理意义，了解核外电子运动的特点。电子运动的特点。2 2了解屏蔽效应和钻穿效应对多电子原子能了解屏蔽效应和钻穿效应对多电子原子能级的影响，熟练掌握核外电子的排布。级的影响，熟练掌握核外电子的排布。3 3从原子结构与元素周期系的关系，了解元从原子结构与元素周期系的关系，了解元素某些性质的周期性。素某些性质的周期性。Dalton原子学说原子学说 (1803年年)Thomson“西瓜式西瓜式”模型模型 (1898年年)Ruthe

2、rford核式模型核式模型 (1911年年)Bohr电子分层排布模型电子分层排布模型 (1913年年)量子力学模型量子力学模型(1926年年)现代物质结构学说现代物质结构学说1-1 1-1 道尔顿原子论道尔顿原子论 （自学）（自学）1-2 1-2 相对原子质量（原子量）相对原子质量（原子量）1-2-1 1-2-1 元素，原子序数元素，原子序数 元素元素-具有相同核电荷数同一类原子的具有相同核电荷数同一类原子的总称。总称。原子序数原子序数-按元素的核电荷数进行排序按元素的核电荷数进行排序所得的序号。所得的序号。1-2-2 1-2-2 核素，同位素和同位素丰度核素，同位素和同位素丰度 1.核素核素

3、:具有一定数目的质子和一定数目的具有一定数目的质子和一定数目的中子的一种原子称为核素。中子的一种原子称为核素。表示成：表示成：质量数质子数M 16O核素、核素、17O核素、核素、18O核素核素 单核素元素单核素元素 23Na、19F 稳定核素稳定核素核素分为核素分为 多核素元素多核素元素 放射性核素放射性核素 2.同位素同位素：质子数相同而中子数不同的同：质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子互称同位素。一元素的不同原子互称同位素。同一元素可以有许多种同位素，它们的同一元素可以有许多种同位素，它们的化化学性质基本相同学性质基本相同，但，但核性质却差异较大核性质却差异较大。如氢的三种同位素：

4、如氢的三种同位素：H(P)、H(D)、H(T)。112131 前两种同位素是稳定的，称为前两种同位素是稳定的，称为稳定同位素稳定同位素。后者不稳定：后者不稳定：H He+e(电子流，称为电子流，称为射线射线)313201 3.同位素丰度同位素丰度:某元素的各种天然同位素的分某元素的各种天然同位素的分数组成（原子百分比）。数组成（原子百分比）。4.同量素同量素(同重异序素同重异序素):质子数和中子数不质子数和中子数不同同,质量数相同质量数相同,分属于不同元素的几种原子分属于不同元素的几种原子,互互称为同量素称为同量素.5.同中素同中素:中子数相同中子数相同,质子数、质量数均不质子数、质量数均不同

5、同,分属于不同元素的几种原子分属于不同元素的几种原子.Si 与与 S 301432161-2-3 原子的质量原子的质量某某核素一个原子核素一个原子的质量称为该核素的原子质的质量称为该核素的原子质量，简称量，简称原子质量原子质量。一个原子的质量很小，但是一个原子的质量很小，但是不等于不等于构成它的质构成它的质子和中子质量的简单加和。子和中子质量的简单加和。Cu 与与 Zn K 与与 Ca6529653040194020原子质量：原子质量：某核素一个原子的质量称为该核素某核素一个原子的质量称为该核素的原子质量。单位的原子质量。单位 u u 1211112uC个核素原子质量262711.993101

6、21.66056610kgkgA(A(1212C)=12uC)=12u平均原子质量平均原子质量：A(O)=15.99491599.759%+16.9991330.037%+17.999160.204%=15.9994u 通过通过质谱仪质谱仪可以测定各核素的原子质量及其可以测定各核素的原子质量及其在自然界的丰度，据此就可以计算出元素的平均在自然界的丰度，据此就可以计算出元素的平均原子质量原子质量1-2-4 1-2-4 元素的相对原子质量（元素的相对原子质量（原子量原子量）A(16O)=15.994915u A(17O)=16.999133u A(18O)=17.99916u原子量原子量：指一种元

7、素的：指一种元素的1 1摩尔质量对核素摩尔质量对核素1212C C的的1 1摩尔质量的摩尔质量的1/121/12的比值的比值.12111212()12mAr XC某元素的平均原子质量（）（）原子质量（）Ar(OAr(O)=15.9994u/12u)=15.9994u/12u1/12=15.99941/12=15.9994 1 1）元素的相对原子质量是纯数。）元素的相对原子质量是纯数。2 2）单核素的相对原子质量等于该元素的核）单核素的相对原子质量等于该元素的核素的相对原子质量。素的相对原子质量。3 3）多核素元素的相对原子质量等于该元素）多核素元素的相对原子质量等于该元素的天然同位素相对原子质

8、量的加权平均值。的天然同位素相对原子质量的加权平均值。ArAr=f fi iM M 大爆炸理论。大爆炸理论。一种宇宙起源的学说。一种宇宙起源的学说。实验基础实验基础：宇宙元素丰度、宇宙的背景辐射、恒星宇宙元素丰度、宇宙的背景辐射、恒星光谱的红移现象。光谱的红移现象。原子的起源和演化：原子的起源和演化：1 13 3 原子的起源和演化原子的起源和演化1 1、宇宙之初、宇宙之初 2 2、氢燃烧、氢燃烧 3 3、氦燃烧、氦燃烧 4 4、碳燃烧、碳燃烧 5 5、过程过程 6 6、e e过程过程 7 7、重元素的诞生、重元素的诞生8 8、宇宙大爆炸理论的是非、宇宙大爆炸理论的是非个事实个事实支撑该理论：支

9、撑该理论：元素丰度、背景辐射、恒星光元素丰度、背景辐射、恒星光谱的红外现象。谱的红外现象。争论争论：宇宙年龄、宇宙大小、宇宙膨胀速度即所谓：宇宙年龄、宇宙大小、宇宙膨胀速度即所谓“哈勃常数哈勃常数”的取值不一致。的取值不一致。1-4 原子结构的玻尔行星模型原子结构的玻尔行星模型 1-4-1 氢原子光谱氢原子光谱 牛顿牛顿：太阳光太阳光(白光白光)通过玻璃棱镜被折射成一条通过玻璃棱镜被折射成一条连续的色带：红、橙、黄、绿、青、兰、紫。连续的色带：红、橙、黄、绿、青、兰、紫。结论：结论：白光是由不同波长的各色光波组成。白光是由不同波长的各色光波组成。光谱光谱：光波所排成的光带。：光波所排成的光带。

10、连续光谱连续光谱。焰色实验。焰色实验。1859年年基尔霍夫基尔霍夫和和本生本生发明发明光谱仪光谱仪。氢原子光谱实验：氢原子光谱实验：氢原子光谱在可见光区只有几条亮线氢原子光谱在可见光区只有几条亮线(见书彩见书彩页页)。线状光谱线状光谱、原子光谱原子光谱。对氢原子光谱的研究：对氢原子光谱的研究：氢原子光谱的氢原子光谱的特征特征：1、不连续光谱；不连续光谱；2、从长波到短波，谱线间的距离越来越小；从长波到短波，谱线间的距离越来越小；3、可见光区有四条明显的谱线：可见光区有四条明显的谱线：H、H、H、H。1883年年巴尔麦巴尔麦提出了氢原子光谱提出了氢原子光谱可见光区可见光区各各谱线波长间的关系式：

11、谱线波长间的关系式：=B 422nn 式中：式中：B称为称为巴尔麦巴尔麦常数常数=364.56nm；n=3、4、5、正整数。正整数。巴尔麦公式计算值与实验值十分相似。巴尔麦公式计算值与实验值十分相似。如下：如下：n 谱线名称谱线名称 计算值（计算值（nm）实验值（实验值（nm）3 H 656.208 656.2814 H 486.08 486.1335 H 434.00 434.0476 H 410.13 410.174 在氢原子光谱的紫外线区、红外光区、远红在氢原子光谱的紫外线区、红外光区、远红外光区，也发现了一系列的谱线：外光区，也发现了一系列的谱线：1913年年里德堡里德堡提出适合各谱线

12、之间普遍关系提出适合各谱线之间普遍关系的公式：的公式：=RH 1222111nn 式中式中RH为为里德堡里德堡常数常数=1.09677107m-1，n1、n2为正整数，且为正整数，且n2n1。以以n1=1，n2=2、3、4、5，可计算赖曼线系；可计算赖曼线系；以以n1=2，n2=3、4、5、6，可计算可计算巴尔麦巴尔麦线系；线系；以以n1=3，n2=4、5、6、7、8，可计算可计算帕邢帕邢线系；线系；以以n1=4，n2=5、6、7、8，可计算可计算布喇布喇线系。线系。Balmer线系线系1222111nn=RH 如计算可见光区的如计算可见光区的H H、H H：H H：n n1 1=2=2、n

13、n2 2=3=3，求出：，求出：=656.1 nm =656.1 nm 巴尔麦巴尔麦公式和公式和里德堡里德堡公式都是公式都是经验公式经验公式。其它原子的原子光谱谱线规律的经验公式没能得其它原子的原子光谱谱线规律的经验公式没能得到。到。氢原子光谱的规律性需要有氢原子光谱的规律性需要有理论理论上的说明。上的说明。H H：n n1 1=2=2、n n2 2=4=4，求出：，求出：=486.0 nm=486.0 nm15-12212113.289 10()snn221211()HcR cnn其它线系：其它线系：1-4-2 玻尔玻尔理论理论 玻尔玻尔的原子理论建立在的原子理论建立在普朗克普朗克的量子论和

14、的量子论和爱因斯坦爱因斯坦的光子学说的基础上。的光子学说的基础上。1900年年普朗克普朗克提出提出量子化理论量子化理论：物质吸收或发射能量是物质吸收或发射能量是不连续的不连续的，是，是量子量子化化的，即能量只能以一的，即能量只能以一最小单位最小单位一份一份地吸一份一份地吸收或发射。收或发射。能量的最小单位称为能量的最小单位称为能量子能量子。能量子是以光的形式传播出去的，因此能量子是以光的形式传播出去的，因此能量子又叫能量子又叫光量子光量子，简称，简称光子光子。光子能量的大小与光的频率成正比：光子能量的大小与光的频率成正比：E=h 式中：式中：E为光子的能量；为光子的能量；为光子的频率；为光子的

15、频率；h为普朗克常数：为普朗克常数：6.62610-34 J.s。物质以光的形式吸收或发射的能量只能是物质以光的形式吸收或发射的能量只能是光量子能量的整数倍。光量子能量的整数倍。量子论与经典的电磁理论是相对立的量子论与经典的电磁理论是相对立的（经（经典电磁理论认为能量的吸收或发射是连续的）。典电磁理论认为能量的吸收或发射是连续的）。量子化的概念只有在量子化的概念只有在微观领域微观领域才有意义，才有意义，量子化量子化是微观领域的是微观领域的重要特征重要特征。宏观领域宏观领域用量子化去衡量没有意义。用量子化去衡量没有意义。1905年年爱因斯坦爱因斯坦提出提出光子学说光子学说：光具有波的性质：衍射、

16、干涉等，称为光具有波的性质：衍射、干涉等，称为波动性波动性，可用波长、频率等描述。，可用波长、频率等描述。光具有粒子的性质，可以被吸收、发射光具有粒子的性质，可以被吸收、发射等，称为等，称为粒子性粒子性，可用动量来描述。，可用动量来描述。结论：结论：光具有波粒二象性光具有波粒二象性。玻尔玻尔吸收了量子化的概念与波粒二象性吸收了量子化的概念与波粒二象性的概念，以的概念，以经典力学经典力学为理论基础，提出其原为理论基础，提出其原子理论。子理论。1.玻尔理论要点玻尔理论要点：(1)、行星模型、行星模型：原子中的电子仅能在某原子中的电子仅能在某些特定的以原子核为核心的些特定的以原子核为核心的圆形轨道上

17、运动。圆形轨道上运动。或假定氢原子核外电子是处在一定的线或假定氢原子核外电子是处在一定的线形轨道上绕核运行的。形轨道上绕核运行的。(2)、定态假设、定态假设：电子在轨道上运动时，既不吸收能量也不发电子在轨道上运动时，既不吸收能量也不发射能量，处于稳定状态。简称射能量，处于稳定状态。简称定态定态。最低能量的。最低能量的定态叫定态叫基态基态，其余的为，其余的为激发态激发态。(3)、量子化条件：、量子化条件：轨道中电子的角动量是量子化的。轨道中电子的角动量是量子化的。2h M=mvr=n式中式中：n=1、2、3、正整数，称为正整数，称为量子数量子数。具有一定能量的轨道称为具有一定能量的轨道称为能级能

18、级。(4)、跃迁规则、跃迁规则 电子吸收能量可由电子吸收能量可由基态基态被被激发激发到到激发态激发态。当电子当电子从较高的能级从较高的能级跃迁到跃迁到较低的能级较低的能级时，时，会会以光子的形式放出能量以光子的形式放出能量。光子的能量大小，决定于两个能级间能量之光子的能量大小，决定于两个能级间能量之差，光的频率取决于光子的能量：差，光的频率取决于光子的能量：E2-E1=E=h 能级间能量差能级间能量差221211()EBnn式中式中B值：值：cEh vh1222111nn=RH221211HhcRnn（）1-22211534s)11(10289.3sJ10626.6nnJ)11(102.179

19、222118-nnB=2.17910-18JhvE J)11(102.179222118-nn221211()cBhnn18122122.1791011()()shnn (5)、计算定态轨道的半径、能量及电子运动、计算定态轨道的半径、能量及电子运动速度的公式速度的公式：见书：见书28-29。r=52.9n2 (pm)E=-B21n 式中式中：B为常数为常数=13.6 eV（2.17910-18J）。）。玻尔玻尔理论对理论对氢原子光谱氢原子光谱的解释的解释：A、定性解释定性解释（为什么是线状光谱）：（为什么是线状光谱）：a、常态时常态时：氢原子的电子处于基态，不会发：氢原子的电子处于基态，不会发

20、出能量，因此，氢原子通常情况下不会发光。出能量，因此，氢原子通常情况下不会发光。b、受到激发时受到激发时：核外电子获得能量就被激：核外电子获得能量就被激发到激发态，此时电子不稳定，它会迅速跳回到发到激发态，此时电子不稳定，它会迅速跳回到能量较低的轨道，并将多余的能量以光子的形式能量较低的轨道，并将多余的能量以光子的形式放出。放出。因为因为轨道能量是量子化的轨道能量是量子化的，即不连续的，故，即不连续的，故产生的光子的产生的光子的频率或波长也是不连续的频率或波长也是不连续的。得：得：=4.5711014s-1 =655.836 nm（实验值：实验值：656.281 nm）。）。由玻尔理论推导出里

21、德堡公式：由玻尔理论推导出里德堡公式：如果如果n1、n2代表氢原子的两个轨道，其能量为代表氢原子的两个轨道，其能量为E1、E2，且：且：n1n2，E1E2。则：则：E1=-B ，E2=-B211n221nB B、定量计算、定量计算（对谱线实验数值的解释）：（对谱线实验数值的解释）：计算计算H：电子由电子由n n3 3能级跳回到能级跳回到n n2 2能级所放出的光即为能级所放出的光即为H H。1 8122122.1 7 91 011()()shnn 得得：E2-E1=B（-）=h 211n221n 得：得：=（-）hB211n221n 得得：=（-）1cchB211n221n 式中：式中：=1.

22、0969 107m-1RH。chB 玻尔玻尔理论对当时的理论对当时的实验现象实验现象（氢原子光谱）（氢原子光谱）及及研究成果研究成果（里德堡里德堡公式）都能够比较好的给予公式）都能够比较好的给予解释。解释。玻尔理论的玻尔理论的局限：局限：1.1.不能解释多电子原子光谱不能解释多电子原子光谱 2.2.不能解释氢原子的精细光谱不能解释氢原子的精细光谱 1-5 1-5 氢原子结构（核外电子运动）的量子力氢原子结构（核外电子运动）的量子力学模型学模型 1-5-1 1-5-1 波粒二象性波粒二象性 爱因斯坦爱因斯坦的光子学说指出的光子学说指出光具有波粒二象性。光具有波粒二象性。讨论：讨论：1 1、光的强

23、度、光的强度：光显粒子性：光强度光显粒子性：光强度 I=E=h 光显波动性：光强度光显波动性：光强度 I=2/(4)则：则：I=h=2/(4)当当一定时，一定时，与与2成正比。成正比。2 2、光的能量、光的能量：光子的能量：光子的能量：E=hE=h 光子的动量：光子的动量：p=mcp=mc 由由爱因斯坦爱因斯坦的质能公式：的质能公式：E=mcE=mc2 2 得：得：p=mc=E/c=h/cp=mc=E/c=h/c p=p=h/h/上式左方表示光的上式左方表示光的粒子性粒子性（具有一定（具有一定的动量）；右方表示光的的动量）；右方表示光的波动性波动性（具有一定的（具有一定的频率和波长）。频率和波

24、长）。1-5-2 德布罗意德布罗意关系式关系式 光的波粒二象性及有关的长期争光的波粒二象性及有关的长期争论，使论，使德布罗意德布罗意受到启发。受到启发。他的疑问他的疑问：19世纪物理学界对光世纪物理学界对光的研究只看到其波动性，而忽略其粒的研究只看到其波动性，而忽略其粒子性；现在，物理学界对实物的研究子性；现在，物理学界对实物的研究是否也只看到其粒子性而忽略其波动是否也只看到其粒子性而忽略其波动性？性？他的信念他的信念：自然界必须是对称的。：自然界必须是对称的。光的两重性应该和实物的两重性相匹光的两重性应该和实物的两重性相匹配。配。他在他在1924年预言年预言：实物粒子实物粒子都具有波粒二象性

25、。都具有波粒二象性。德布罗意德布罗意关系式：关系式：具有一定质量具有一定质量m和一定速度和一定速度v的实物粒子的的实物粒子的波长：波长：=h/p=h/mv 波动性显著与否，取决于实物粒子的大小波动性显著与否，取决于实物粒子的大小与其对应的实物波波长的相对大小。与其对应的实物波波长的相对大小。当波长远远大于实物大小时，该实物运动当波长远远大于实物大小时，该实物运动就显露出明显的波动性，否则，就没有波动性，就显露出明显的波动性，否则，就没有波动性，或波动性不明显。或波动性不明显。见书见书31页表页表1-3。结论：结论：宏观物质不必考察其波动性，微观宏观物质不必考察其波动性，微观物质具有波动性。物质

26、具有波动性。美国人美国人戴维森戴维森（Davisson,C.J.1881-1958）和和革尔麦革尔麦（Germer,L.H.1896-）推断电推断电子波也可以用晶体为光栅产生衍射子波也可以用晶体为光栅产生衍射。1927年年戴维森戴维森和和革尔麦革尔麦通过电子衍射实验通过电子衍射实验证实了电子的波动性。证实了电子的波动性。微观粒子的波动性是大量微粒运动表现微观粒子的波动性是大量微粒运动表现出来的性质，即是具有统计意义的概率出来的性质，即是具有统计意义的概率波波.说明说明：电子的波动性可看成电子粒子性的统电子的波动性可看成电子粒子性的统计结果。计结果。结论结论：电子在核外的运动状态可以用电子在核外

27、的运动状态可以用电子在电子在核外某一空间范围内出现的概率核外某一空间范围内出现的概率来描述。来描述。1-5-3 海森堡不确定关系海森堡不确定关系 微观粒子具有波粒二象性，其运动规律不同微观粒子具有波粒二象性，其运动规律不同于宏观物体。于宏观物体。宏观物体宏观物体的运动轨迹（位置和速度）可以准的运动轨迹（位置和速度）可以准确测定。确测定。当当光子照到电子时光子照到电子时，由于，由于X X射线与电子具有射线与电子具有相近的能量，则它们的碰撞的结果将要改变电子相近的能量，则它们的碰撞的结果将要改变电子的速度，即的速度，即改变电子的动量改变电子的动量。测定电子的位置时其动量不能准确测定。测定电子的位置

28、时其动量不能准确测定。电子的位置测定越准确电子的位置测定越准确，光子的波长，光子的波长越小，越小，光子的动能光子的动能p=h/p=h/越大，电子的动能改变越大，越大，电子的动能改变越大，电子动能的测定越不准确。电子动能的测定越不准确。海森堡海森堡不确定关系不确定关系：不能同时准确不能同时准确的测定微观粒子的位置和动量的测定微观粒子的位置和动量，测定的位，测定的位置越准确，则相应的动量测定就越不准确。置越准确，则相应的动量测定就越不准确。反之亦然反之亦然。表达式：表达式：xPh/(4)或：或：mvx h/(4)式中：式中：x x位置不准确量；位置不准确量；v v速度不准确速度不准确量；量；P P

29、动量不准确量。动量不准确量。例例1:对于微观粒子如电子对于微观粒子如电子,m=9.11 10-31Kg,半半径径r=10-10m，则，则 x至少要达到至少要达到10-11m才相对准确，才相对准确，则其速度的则其速度的测不准情况为：测不准情况为：xmh4161131341029.5101011.914.3410 6.62sm速度不准确程度过大速度不准确程度过大.(电子运动的速率电子运动的速率一般一般在在104107ms-1）结论：微观粒子的位置和动量不能同时准确的测定。结论：微观粒子的位置和动量不能同时准确的测定。例例2:对于对于 m=10 克的子弹，它的位置可精确克的子弹，它的位置可精确到到

30、x 0.01 cm,其速度测不准情况为：其速度测不准情况为：xmh423341001.0101014.3410 6.621291027.5sm结论：宏观物体的位置和动量可以同时结论：宏观物体的位置和动量可以同时准确的测定。准确的测定。1-5-4 1-5-4 核外电子运动状态的描述核外电子运动状态的描述 1.Schrodinger方程方程与波函数与波函数 Erwin Schrodinger,奥地利物理学家奥地利物理学家 822222222VEhmzyx：空间直角坐标zyx,常数：Planckh：势能V：能量E波函数：质量m（1）Schrodinger方程方程(2)波函数波函数():就是就是Sch

31、rodinger方程的解方程的解,是是描述核外电子空间运动状态的数学函数式描述核外电子空间运动状态的数学函数式.n.l.m (x.y.z)的意义的意义:A.没有明确的物理意义没有明确的物理意义,是一种抽象的数学关系是一种抽象的数学关系B.每一个每一个代表电子的一种运动状态代表电子的一种运动状态C.每一个每一个代表一个原子轨道代表一个原子轨道(3)与原子轨道与原子轨道 空间图形空间图形A.关系关系:n.l.m(x.y.z)原子轨道原子轨道 数学表达式数学表达式B.的图象的图象 坐标变换坐标变换 (n,l,m)(x,y,z)(r，)(n,l,m)(x,y,z)=R(n,l)(r)Y(l,m)(，)

32、222cossinsincossinzyxrrzryrxJ10179.218s1E0/301area其中，其中，41,Y 0/3012arearR氢原子的基态氢原子的基态：n=1，l=0，m=0),()(s1YrR式中，式中，a a0 0=52.9pm=52.9pm，称为称为BohrBohr半径。半径。解常微分方程，引入三个量子数解常微分方程，引入三个量子数 R（r）和）和Y(，)图图例：画出氢原子例：画出氢原子1S1S轨道的轨道的R（r）和）和Y(，)图图 0/301 2 r aR rea41,Y0r 30120aRr 0R氢原子的氢原子的R R（r)-r r)-r 图图 图形的图形的意义：

33、在任意角度方向上意义：在任意角度方向上R R（r r）数值随）数值随r r变化的情况变化的情况.只有只有1s轨道径向部分在离核越近时值越大，轨道径向部分在离核越近时值越大，其余离核越近并不是越大，而是在离核某一距其余离核越近并不是越大，而是在离核某一距离有最大值。离有最大值。径向部分值也有正负之分，正负只是表示径向部分值也有正负之分，正负只是表示位相位相的不同，其的不同，其绝对值才表示其大小绝对值才表示其大小。对任意。对任意轨道其径向部分与轨道其径向部分与r轴有轴有n-l-1个交点。个交点。s、p、d 轨道角度部分剖面图轨道角度部分剖面图 图形的图形的意义意义:在距核在距核r r处的处的同一球

34、面上同一球面上,各点波函数值各点波函数值的相对大小的相对大小.2.概率密度与电子云概率密度与电子云 (1)微观粒子运动规律上的统计性微观粒子运动规律上的统计性 概率概率:电子在核外空间某一处出现的机会电子在核外空间某一处出现的机会.概率密度概率密度:电子在核外空间某处单位体积内出现电子在核外空间某处单位体积内出现的概率的概率.光子：光子：I=h=2/(4)当当一定时，一定时，与与2成正比成正比。电子：电子：的意义：的意义：电子在空间任意电子在空间任意微小区域微小区域里出现的里出现的概率概率，即，即概率密度概率密度。体积概率密度概率 因为因为与与2成正比，故电子在核外空间概成正比，故电子在核外空

35、间概率密度分布规律可以用波的振幅方程率密度分布规律可以用波的振幅方程（波（波动方程）来描述动方程）来描述.电子在核外的运动状态电子在核外的运动状态可以用电子在核外可以用电子在核外空间空间概率密度概率密度分布规律来描述。分布规律来描述。概率与概率密度的关系概率与概率密度的关系:2d=2d(2)(2)概率密度与电子云概率密度与电子云 量子力学量子力学：研究微观粒子运动规律的学说。：研究微观粒子运动规律的学说。定性定性介绍量子力学的一些简单介绍量子力学的一些简单结论结论。A.A.电子云的概念电子云的概念：氢原子核外电子：氢原子核外电子：是电子在原子核外空间概率密度分是电子在原子核外空间概率密度分布的

36、形象描述。布的形象描述。电子在核外的运动状态电子在核外的运动状态可以用可以用电子云电子云来描来描述。述。B.电子云的径向分布、角度分布电子云的径向分布、角度分布(r,)|2=R(r)2Y(，)2 a.电子云径向密度分布曲线电子云径向密度分布曲线|R|2:概率密度概率密度(或电子云或电子云)在任何角度方向上随在任何角度方向上随r的变化情况的变化情况.b b、电子云的角度分布部分电子云的角度分布部分|Y|2 图形的意义图形的意义:距核距核r处的同一球面上处的同一球面上,各点概率各点概率密度的相对大小密度的相对大小.2sYx2pYy2pYz2pYP.34 电子在核外空间的电子在核外空间的运动状态不同

37、运动状态不同，其，其电子云电子云图像也不同。图像也不同。c.c.电子云图电子云图(r,)|2=R(r)2 Y(，)2 sY2sYxpYx2pYypYy2pYzpYz2pY 原子轨道和电原子轨道和电子云的角度分布图：子云的角度分布图：原子轨道和电子云的角度分布图：原子轨道和电子云的角度分布图：xydYyzdYxzdYxy2dYyz2dYxz2dY原子轨道和电子云的角度分布图：原子轨道和电子云的角度分布图：22x-ydY2zdY2z2dY22x-y2dY 在方向上电子云的角度分布图与原子轨道在方向上电子云的角度分布图与原子轨道的角度分布图一致；但它们有较大差别，的角度分布图一致；但它们有较大差别，

38、电子电子云值总是正值，而原子轨道角度分布图有波峰云值总是正值，而原子轨道角度分布图有波峰波谷（正、负）之分，原子轨道角度分布图相波谷（正、负）之分，原子轨道角度分布图相对较胖，而电子云较瘦对较胖，而电子云较瘦。图形的特点图形的特点C、D(r)径向分布函数径向分布函数:距核距核r处处“无限薄球壳无限薄球壳”里电子出现的概率里电子出现的概率.224)(rrD令：=4r2R(r)2d空间微体积空间微体积rr d 4d2rr d 422概率D(r)径向分布函数。（或概率的径向分布）径向分布函数。（或概率的径向分布）氢原子的各种状态的径向分布图氢原子的各种状态的径向分布图N峰=nl1s2s3s2p3p3

39、d1s态的态的 最大值出现在近核处，最大值出现在近核处，21s态的态的D(r)最大值出现在最大值出现在52.9pm处。处。2()4D r drr dr R(r)2（1）.主量子数主量子数 n n=1,2,3,4,5,6 正整数3.四个量子数四个量子数对应对应 K,L,M,N,O,P 电子层电子层与电子能量有关，对于氢原子而言与电子能量有关，对于氢原子而言，电子电子能量唯一决定于能量唯一决定于n。描述电子离核的远近及描述电子离核的远近及 能量的高低能量的高低 J10179.2218nE2s1sn愈大，电子离核平均距离愈远，能量愈高。愈大，电子离核平均距离愈远，能量愈高。（2）.角量子数角量子数：

40、描述原子轨道的形状及能量的高低描述原子轨道的形状及能量的高低.l 的取值的取值：0、1、2、3、4、5、n-l 对应符号对应符号：s、p、d、f、g、h、每每一个一个l取值对应一种电子云的形状。取值对应一种电子云的形状。常见的电子云形状：常见的电子云形状：l=0时时：s电子云是球形。电子云是球形。见书见书34页图页图1-5。l=1时时：p电子云是双纺锤形。电子云是双纺锤形。l=2时时：d电子云是花瓣形。电子云是花瓣形。l=3时时：f电子云是六角花瓣形电子云是六角花瓣形。s 轨道轨道球形球形p 轨道轨道哑铃形哑铃形 d 轨道轨道形状形状!f 轨道轨道形状形状!主量子数主量子数n与角量子数与角量子

41、数l的关系的关系：n：1 2 3 4 l：0 0、1 0、1、2 0、1、2、3 s；s、p；s、p、d；s、p、d、f 1s；2s、2p；3s、3p、3d；4s、4p、4d、4f 能级：同一能层中具有一定形状电子云的电子。能级：同一能层中具有一定形状电子云的电子。第一能层有一个能级，第二能层有二个能级，第一能层有一个能级，第二能层有二个能级，第三能层有三个能级，第四能层有四个能级，第三能层有三个能级，第四能层有四个能级，m的取值的取值：0、1、2、l 每一个每一个m值代表电子云在空间的一种取向。值代表电子云在空间的一种取向。一种取向相当于一个轨道，共可取一种取向相当于一个轨道，共可取2 2l

42、 l+1+1个数值。个数值。磁量子数磁量子数m与角量子数与角量子数l的关系：的关系：l：0 1 2 m:0 ；0、+1、-1；0、+1、-1、+2、-2 s；pz、px、py；dz2、dxz、dyz、dx2-y2、dxy s电子云有一种取向；电子云有一种取向；p电子云有三种取向；电子云有三种取向；d电电子云有五种取向；子云有五种取向；f电子云有七种取向；电子云有七种取向；3.3.磁量子数磁量子数:描述原子轨道在空间的伸展方向描述原子轨道在空间的伸展方向n主主层层l亚亚层层m原子轨道原子轨道1 K 0 1s 01s2 L 012s2p00,12s2pz,2px,2py3 M 0123s3p3d0

43、0,10,1,23s3pz,3px,3py4 N 01234s4p4d4f00,10,1,20,1,2,34s4pz,4px,4py d3,d3,d3,d3,3d222y -xxyyzxzz222xzyzxyzx-y4d,4d,4d,4d,4d 推论推论：n n能层上的轨道数为能层上的轨道数为n n2 2。,s10,0,1即1s轨道；轨道；,s20,0,22s 轨道轨道；,zp20,1,22pz 轨道；轨道；2z3,2,03d,轨道；轨道；2zd3 每一种电子云表示核外电子的一种运动状每一种电子云表示核外电子的一种运动状态。即态。即一个特定的轨道表示电子的一种运动状一个特定的轨道表示电子的一种

44、运动状态态。n,l,m 一定，轨道也确定：一定，轨道也确定：主量子数和角量子数都相同主量子数和角量子数都相同的轨道在能量上完的轨道在能量上完全一样，这种轨道称为全一样，这种轨道称为简并轨道简并轨道。当当主量子数、主量子数、角量子数和磁量子数全确定时角量子数和磁量子数全确定时，则这个轨道就完，则这个轨道就完全确定了全确定了。其能量，形状也完全确定了。其能量，形状也完全确定了。用用n,l,m（x,y,z）确定轨道确定轨道，更合适的说法是原子轨函。，更合适的说法是原子轨函。,zp20,1,22pz 轨道；,xp21,1,22px 轨道；,yp21,1,22py 轨道；例：例：轨道运动状态为轨道运动状

45、态为 2pz，可用来描述的量子数为，可用来描述的量子数为A.n=1,l=0,m=0;B.n=2,l=1,m=0 C.n=2,l=2,m=0;D.n=1,l=2,m=1 B例：例：下列各组量子数哪些不合理？下列各组量子数哪些不合理？.n=2,l=1,m=0 .n=2,l=0,m=-1 .n=2,l=2,m=-1 .n=2,l=3,m=2 .n=3,l=1,m=1 .n=3,l=0,m=-1 （4）.自旋量子数自旋量子数 ms,21sm21sm电子自旋现象的实验装电子自旋现象的实验装置实验证明实验证明：电子在轨道上运动时存在着自旋。：电子在轨道上运动时存在着自旋。Electron spin vis

46、ualized 4、核外电子的可能运动状态、核外电子的可能运动状态 电子在核外的运动状态可以用四个量子数电子在核外的运动状态可以用四个量子数来描述。来描述。见书见书35页表。页表。每个电子层中的能级数每个电子层中的能级数=n 每个电子层中的原子轨道数每个电子层中的原子轨道数=n2 每一电子每一电子层中可能有的状态数为层中可能有的状态数为2n2 以上内容是用以上内容是用量子力学处理氢原子核外电量子力学处理氢原子核外电子运动子运动所得的结果。所得的结果。核外电子运动状态核外电子运动状态(量子力学的方法量子力学的方法)(1)(1)电子在原子中运动服从薛定谔方程电子在原子中运动服从薛定谔方程 n,l,

47、mn,l,m(x,y,z(x,y,z)是薛定谔方程的合理解是薛定谔方程的合理解,表示原子核外轨道的一种运动状态表示原子核外轨道的一种运动状态.(2 2)每一波函数每一波函数 n,l,mn,l,m(x,y,zx,y,z)都有确定的能量都有确定的能量E(E(n,ln,l)。(3 3)n n，l l，m m 三个量子数可确定一个原子轨道。三个量子数可确定一个原子轨道。(4 4)粒子的运动不存在经典的轨道，而只呈现粒子的运动不存在经典的轨道，而只呈现概概率分布。率分布。小结小结：（5 5）粒子分布呈波动性，粒子分布呈波动性，可以为正值、负值可以为正值、负值 或零。或零。=0=0称为节点，在多电子原子中

48、，称为节点，在多电子原子中，n n相同而相同而l l不同的轨道中，节点多的状态能不同的轨道中，节点多的状态能 量也较高。量也较高。（6 6）2 称为概率密度，（其空间图形为称为概率密度，（其空间图形为 电子云图），电子云图），表示在微体积元表示在微体积元d d 内电子出内电子出现的几率现的几率,代表了核外电子的概率密度。代表了核外电子的概率密度。（7 7）在同一原子中，不可能存在四个量子数完在同一原子中，不可能存在四个量子数完 全相同的电子。全相同的电子。2d2 1-6 1-6 基态原子电子组态基态原子电子组态 1-6-11-6-1、构造原理、构造原理 一、多电子原子的能级一、多电子原子的能级

49、 对对单电子原子单电子原子来说来说，核外电子只受原子核的吸核外电子只受原子核的吸引，无其它电子的排斥，其能量只与主量子数引，无其它电子的排斥，其能量只与主量子数有关：有关：在氢原子中，轨道能级仅取决于主量子数在氢原子中，轨道能级仅取决于主量子数.多电子原子的能级：多电子原子的能级：J10179.22218nZE Ens Enp End Enf “能级分裂能级分裂”l 相同相同的能级的能量随的能级的能量随 n 增大而升高。增大而升高。n 相同相同的能级的能量随的能级的能量随 l 增大而升高。增大而升高。E1s E2s E3s E4s n和和l都不同都不同时出现更为复杂的情况时出现更为复杂的情况,

50、主主量子数小的能级量子数小的能级可能高于可能高于主量子数大的能主量子数大的能级级,即所谓的能级交错即所谓的能级交错.EnsE(n-1)dEnp (n4)“能级交错能级交错”。EnsE(n-2)f E(n-1)d pdf。d、被屏蔽电子的电子云形状越集中，即被屏蔽电子的电子云形状越集中，即角量子数角量子数l越小，该电子被屏蔽越小，越小，该电子被屏蔽越小，越小。越小。被屏蔽电子的被屏蔽电子的是：是：spdnsnpnp ndnd nfnf。钻穿作用结果钻穿作用结果：使电子离核更近，电子：使电子离核更近，电子能量降低。能量降低。因此：因此：E Ensns E EnpnpEEndnd E Enfnf 钻