第五章原子结构.ppt
第五章第五章、原子结构原子结构5-1核外电子运动状态核外电子运动状态一、氢光谱和玻尔理论一、氢光谱和玻尔理论 低压氢气放电管，通高压电流氢原子受激低压氢气放电管，通高压电流氢原子受激发后发光，可见光区有四条线状光谱：发后发光，可见光区有四条线状光谱：太阳光谱：太阳光谱：连续光谱（七彩虹）连续光谱（七彩虹）按照经典物理学理按照经典物理学理论，如果电子绕原子论，如果电子绕原子核做圆周运动：会连核做圆周运动：会连续光谱，并因为发射续光谱，并因为发射电磁波而能量降低，电磁波而能量降低，终至于坠入原子核而终至于坠入原子核而毁灭。毁灭。电子因能量的减少而循螺线逐渐接近原子核，最后落到电子因能量的减少而循螺线逐渐接近原子核，最后落到原子核上，所以原子应是一个不稳定的系统。原子核上，所以原子应是一个不稳定的系统。但事实上原子是稳定的，原子所发射的光谱但事实上原子是稳定的，原子所发射的光谱是线状的，而不是连续的。这些事实表明：从研是线状的，而不是连续的。这些事实表明：从研究宏观现象中确立的经典电动力学，不适用于原究宏观现象中确立的经典电动力学，不适用于原子中的微观过程。子中的微观过程。这就需要进一步分析原子现象，探索原子内这就需要进一步分析原子现象，探索原子内部运动的规律性，并建立适合于微观过程的原子部运动的规律性，并建立适合于微观过程的原子理论。理论。线状光谱也叫原子光谱：线状光谱也叫原子光谱：怎样产生的？为什么发光？怎样产生的？为什么发光？（无机物的鉴定方法）（无机物的鉴定方法）n为主量子数为主量子数-能级序数能级序数普朗克量子论认为普朗克量子论认为：微观粒子吸收和发射能：微观粒子吸收和发射能量是不连续的，即量是不连续的，即是量子化的是量子化的。只能以一。只能以一个最小的能量单位的整数倍发射或吸收能个最小的能量单位的整数倍发射或吸收能量。而宏观物体吸放能量可以是连续的。量。而宏观物体吸放能量可以是连续的。玻尔原子模型（理论）要点：玻尔原子模型（理论）要点：1、定态轨道（能量不随时间变化）：、定态轨道（能量不随时间变化）：电子的运动不是随意的，只能在某个定态电子的运动不是随意的，只能在某个定态轨道上运动，并具有该轨道的特定能量。轨道上运动，并具有该轨道的特定能量。玻尔量子化条件（轨道必须符合此条件）：玻尔量子化条件（轨道必须符合此条件）：角动量角动量mr=nh/2 2、轨道能级：离核越远，与核的作用越小，轨道能级：离核越远，与核的作用越小，能量越高；离核越近，被核束缚的越牢，能能量越高；离核越近，被核束缚的越牢，能量越低。轨道这些不同的能量状态称为能级。量越低。轨道这些不同的能量状态称为能级。3、能级跃迁、能级跃迁基态：基态：（不是指某个特定的轨道）能量最低的（不是指某个特定的轨道）能量最低的状态叫基态。状态叫基态。激发态激发态：（不是指某个特定的轨道）能量较高（不是指某个特定的轨道）能量较高的状态叫激发态。的状态叫激发态。电子从一个定态轨道电子从一个定态轨道 跳到另一个定态轨道，称跳到另一个定态轨道，称为为能级跃迁能级跃迁，要放出或吸收辐射能：，要放出或吸收辐射能：激发态原子发光的原因激发态原子发光的原因：能级跃迁。并以光的：能级跃迁。并以光的形式放出能量。形式放出能量。激光发光原因：电子泵、发光晶体。玻尔理论成功地解释了氢原子光谱。连续光谱氢原子光谱并提出原子能级、主量子数、定态轨道等重要概并提出原子能级、主量子数、定态轨道等重要概念，并成功地把氢原子光谱现象与氢原子内电子念，并成功地把氢原子光谱现象与氢原子内电子运动的定态相联系起来，为运用光谱现象研究原运动的定态相联系起来，为运用光谱现象研究原子的内部结构提供了理论基础与成功的经验。子的内部结构提供了理论基础与成功的经验。当当氢原子的电子从氢原子的电子从n2=3，4，5，6能级能级跳回到第二级跳回到第二级（n1=2）时，在可时，在可见光区就可以观察见光区就可以观察到分立的四条谱线。到分立的四条谱线。能级跃迁二、微观粒子的波粒二象性二、微观粒子的波粒二象性由于玻尔原子结构理论在进一步发展中遇到由于玻尔原子结构理论在进一步发展中遇到难以克服的困难，难以克服的困难，1924年法国青年物理学家德年法国青年物理学家德布罗意（布罗意（de Broglie）用与光的量子论相类比的方用与光的量子论相类比的方法提出电子等微观质点的运动兼具波动性的见解，法提出电子等微观质点的运动兼具波动性的见解，后来他的这一假说得到实验的证明。后来他的这一假说得到实验的证明。德布罗依提出微观粒子的波粒二象性假设：德布罗依提出微观粒子的波粒二象性假设：=h/mvh 为Planck 常量著名的著名的德布罗依关系式德布罗依关系式 电子衍射实验指出：当用很弱的电子流做衍射电子衍射实验指出：当用很弱的电子流做衍射实验，电子是一个一个地通过晶体发生衍射的。因实验，电子是一个一个地通过晶体发生衍射的。因为电子有粒子性，开始只是落到照相底片的一个一为电子有粒子性，开始只是落到照相底片的一个一个点上，每次所落的点都不是重合在一起的。经过个点上，每次所落的点都不是重合在一起的。经过足够长的时间，通过大量的电子后，得到的衍射图足够长的时间，通过大量的电子后，得到的衍射图呈现出波动性。若用较强的电子流可在较短的时间呈现出波动性。若用较强的电子流可在较短的时间内得到同样的内得到同样的电子衍射电子衍射电子衍射电子衍射环纹。环纹。由此可见，波动性是和微粒行为的统计规律联系由此可见，波动性是和微粒行为的统计规律联系在一起的。在底片上衍射强度大的地方（明处）在一起的。在底片上衍射强度大的地方（明处），也就是波强度大的地方，一定是电子在该处，也就是波强度大的地方，一定是电子在该处单位微体积内出现的机会多，衍射强度小的地方单位微体积内出现的机会多，衍射强度小的地方，一定是电子在该处单位微体积内出现的机会少，一定是电子在该处单位微体积内出现的机会少（概率密度小）。（概率密度小）。动量实验动量实验:不确定原理（测不准原理）不确定原理（测不准原理）XPxh=6.626210-34JS X表示粒子位置的不确定度、表示粒子位置的不确定度、Px表示表示在在X方向上动量的不确定度；方向上动量的不确定度；5-1-3、波函数和原子轨道、波函数和原子轨道 微观粒子的微观粒子的 特性特性:波粒二象性：波粒二象性：A和和N 卷入争论，卷入争论，1924年年 德布罗德布罗依提出依提出“二象性二象性”设想。设想。1、波函数和薛定谔方程、波函数和薛定谔方程圆周运动：有相应的数学方程式来描述。圆周运动：有相应的数学方程式来描述。两维绳波：两维绳波：Y=Asin 0 2 3 4 Y=2sin 0 2 0 -2 0电子运动：薛定谔方程电子运动：薛定谔方程表示原子核外空间某点电子表示原子核外空间某点电子出现的几率。出现的几率。薛定谔方程薛定谔方程解薛定谔方程解薛定谔方程 =f(x、y、z)2、波函数与电子云（原子轨道（函）图形、波函数与电子云（原子轨道（函）图形 电子并不象宏观物体一样沿着一定的轨道运电子并不象宏观物体一样沿着一定的轨道运动，而是高速做动，而是高速做“毫无规律毫无规律”的运动。照相：的运动。照相：怎么办？找规律。怎么办？找规律。电子云电子云电子的几率分布规律：电子的几率分布规律：5-1-4概率密度和电子云概率密度和电子云几率分布规律几率分布规律:每个电子的落点是不确定的，但大量统计每个电子的落点是不确定的，但大量统计的结果是确定的。比如扔硬币，比如容器内的结果是确定的。比如扔硬币，比如容器内气体分子对器壁的碰撞和压力。表明微观粒气体分子对器壁的碰撞和压力。表明微观粒子的运动是随机的，不确定的，但符合几率子的运动是随机的，不确定的，但符合几率分布规律。分布规律。原子中的电子，无法知道他的运动轨道，无原子中的电子，无法知道他的运动轨道，无法知道某电子某时刻在什么地方出现，但可法知道某电子某时刻在什么地方出现，但可以知道他在原子核外什么区域出现的几率较以知道他在原子核外什么区域出现的几率较大、什么区域出现的几率较小。大、什么区域出现的几率较小。电子云电子云。5-1-5波函数的空间图象波函数的空间图象薛定谔方程薛定谔方程解薛定谔方程解薛定谔方程 =f(x、y、z)（音：波赛音：波赛）：波函数，表示电子出现的）：波函数，表示电子出现的几率，对于（几率，对于（x1、y1、z1），），相应的相应的1值值表示原子核外一点（表示原子核外一点（x1、y1、z1）处电子处电子出现的几率大小。但无法做直观的的图象。出现的几率大小。但无法做直观的的图象。=f(x、y、z)=f(、)=R（）Y（、）=R（）Y（、）Y（、）：）：角向分布函数。表示。角向分布函数。表示。R（）：）：径向分布函数。表示。径向分布函数。表示。角向分布函数的图象即是原子轨道（函）角向分布函数的图象即是原子轨道（函）原子轨道的画法：原子轨道的画法：Pz原子轨道角向分布函数原子轨道角向分布函数Y=COSS、P、d原子轨道的图象原子轨道的图象5-1-6四个量子数四个量子数解薛定谔方程必须引入三个常数，才有确定的解薛定谔方程必须引入三个常数，才有确定的解。例如解。例如 Y=aX+b,表示一组直线，没有确定表示一组直线，没有确定的解或图线。的解或图线。（1）主量子数）主量子数n（表示主层）表示主层）描述电子层能量高低描述电子层能量高低 和离核远近和离核远近,n越大，离核越大，离核越远，能量越高。取值：越远，能量越高。取值：主量子数主量子数n 1 2 3 4 5电子层代号电子层代号 K L M N P（2）副（角）量子数）副（角）量子数L表示亚层，描述电子的运动状态和能量，亚表示亚层，描述电子的运动状态和能量，亚层确定时，对应于确定形状的原子轨道，层确定时，对应于确定形状的原子轨道，其取值受其取值受n的制约。的制约。副（角）量子数副（角）量子数L 0 1 2 3 4（n1）亚层（原子轨道符号）亚层（原子轨道符号）S P d f（3）磁量子数）磁量子数m描述原子轨道的空间伸展方向。在通常状况下，描述原子轨道的空间伸展方向。在通常状况下，m相同的电子能量相同，在外磁场中，能量不相同的电子能量相同，在外磁场中，能量不同。其取值受同。其取值受L的制约。的制约。对于一定的对于一定的L，m取值的个数表示这种形状轨取值的个数表示这种形状轨道的数目：道的数目：0 1 2 3L（4）自旋量子数）自旋量子数ms表示电子的自旋方向，取值为表示电子的自旋方向，取值为1/2电话号码：电话号码：8位确定一个用户位确定一个用户电子：电子：4个量子数的取值，决定一个运动状个量子数的取值，决定一个运动状态。态。例如:n 1 2 3L（轨道形状代号）0 0 10 1 2m（轨道数）0 0 010 01 012ms 1/2 1/2 1/2轨道符号 1S 2S 2P3S 3P 3d电子运动状态的表示方法：原子轨道符号电子运动状态的表示方法：原子轨道符号组成：主层数组成：主层数+亚层符号亚层符号+电子数电子数例如：例如：3S2 4P4 3d5（含义？）含义？）(2、1、1)表示什么意思？表示什么意思？三、多电子原子核外电子的运动状态三、多电子原子核外电子的运动状态（一）核外电子排布的原理(1)泡利不相容原理 每个原子轨道内只允许排布两个自旋相反的 电子。即不可能有两个电子具有完全相同的量子数。北京大学结构化学家徐光宪提出了“n+0.7L”规则,轨道的这个值越小,能量越低,比如:4S轨道和3d轨道,n+0.7L值分别为4和4.4,因此,4S轨道能量比3d轨道能量低,应优先填充.(3)洪德规则 等价轨道等价轨道上的电子尽可能分占不同的轨道,且自旋平行.例如3d5:(4)特殊稳定性规则半充满、全充满有特殊的稳定性.例如 铜的价层结构 Cu:4S13d10.而不是4S23d9（二）多电子原子的能级：S-2 P-6 d-10例如35号元素原子的核外电子排布式为：1S22S22P63S23P64S23d104P5，价层电子排布式为：4S24P5(与成键和化学反应有关)
