第一章原子结构PPT讲稿.ppt
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1、第一章原子结构第一章原子结构第1页,共80页,编辑于2022年,星期一核外电子运动的特殊性核外电子运动的特殊性电子运动状态的描述电子运动状态的描述多电子原子结构多电子原子结构 电子层结构与周期性电子层结构与周期性第2页,共80页,编辑于2022年,星期一1、初步了解原子核外电子运动的近代概念、原子能级、波粒二象性、原子轨道(波函数)和电子云概念。2、了解四个量子数对核外电子运动状态的描述,熟悉s、p、d 原子轨道的形状和方向。3、理解原子结构的近似能级图,掌握原子核外电子排布规则。4、理解原子结构的近似能级图,掌握原子核外电子排布的一般规则和s、p、d、f区元素的原子结构特点。本章教学要求本章
2、教学要求第3页,共80页,编辑于2022年,星期一 自然界的物质种类繁多,性质各异,但它们都是由种类不同的原子组成,原子以不同的种类.数目和方式结合,形成了无数的物种,因此,原子结构的知识是了解物质结构和性质的基础。化学变化包含着旧的化学键断裂和新的化学键的形成,化学变化一般只涉及核外电子运动状态的变化,所以研究原子结构时,主要研究核外电子的运动状态。第4页,共80页,编辑于2022年,星期一 一、量子化特征:一、量子化特征:1、氢原子光谱 在装有氢气放电管的两极上,通以高压电使之放电,将管中发出的光线通过棱镜分光,便得到氢原子的线状光谱。(提示:在可见光区有四条谱线组成的线状光谱。)第一节:
3、核外电子运动的特殊性青青第5页,共80页,编辑于2022年,星期一一、量子化特征:一、量子化特征:2、玻 尔 理 论为了解释氢原子谱线规律性,1913年玻尔提出氢原子模型。1)原子模型:原子模型:核外电子不能沿任意轨道运动,只能沿某些特许的稳定轨道绕核旋转,电子在轨道上运动时,即不吸收也不放出能量。(定态的假设)第一节:核外电子运动的特殊性即不辐射也即不辐射也不吸收能量不吸收能量第6页,共80页,编辑于2022年,星期一 第一节:核外电子运动的特殊性2)轨道量子化:在一定轨道上运动的电子有一定的能量,它们只允许是不连续的分立值(能量量子化)。能量是不连续的能量是不连续的一、量子化特征:一、量子
4、化特征:2、玻 尔 理 论第7页,共80页,编辑于2022年,星期一3)光谱频率:当电子从一个能量状态跃迁到另一个能量状态时会吸收或释放出一定能量。氢原子光谱的一部分氢原子光谱的一部分波长波长青青一、量子化特征:一、量子化特征:2、玻 尔 理 论第8页,共80页,编辑于2022年,星期一 课课 堂堂 小小 结结 玻尔理论最大贡献:建立微观粒子量子化特性,成功地解释了氢原子光谱是线状光谱,为化学键理论奠定了基础。第9页,共80页,编辑于2022年,星期一二、波二、波 粒粒 二二 象象 性性 光电效应 第一节:核外电子运动的特殊性1、光电效应-粒子性电子的实物反射、光电效应,证明了电子运动时应具有
5、粒子性。第10页,共80页,编辑于2022年,星期一二、波二、波 粒粒 二二 象象 性性2、电子衍射-波动性音音频频解解说说第11页,共80页,编辑于2022年,星期一三、不确定关系(海森堡三、不确定关系(海森堡.德国)德国)第一节:核外电子运动的特殊性(狭缝越窄,衍射图象散布得越宽)各种实验说明,把微粒的位置和动量同时确定是不可能的。xph/4第12页,共80页,编辑于2022年,星期一 一、波函数和波动方程一、波函数和波动方程 1926年薛定谔(奥地利)从微观粒子的二象性出发,建立了有名的薛定谔方程,用来描述核外电子的运动状态。E E:电子总能量:电子总能量 V V:电子势能:电子势能 m
6、 m:电子质量:电子质量 h h:普朗克常数:普朗克常数 x.y.z x.y.z:电子空间坐标:电子空间坐标 :波函数:波函数 第二节:核外电子运动状态的描述音频解说第13页,共80页,编辑于2022年,星期一薛定谔方程,是描述核外电子的运动状态的方程。它的解(波函数)是描述核外电子运动状态的函数在量子力学中常把波函数称为原子轨道 波函数,简称原子轨道故原子轨道和波函数是同义词。注意:原子轨道与经典力学中固定轨道有不同含义。注意:原子轨道与经典力学中固定轨道有不同含义。波函数和原子轨道波函数和原子轨道第14页,共80页,编辑于2022年,星期一二、氢原子结构的波动力学描述二、氢原子结构的波动力
7、学描述 1 1、量、量 子子 数数 为得到合理的解,要求n、l、m(三个常数)要符合一定的取值。量子力学把这类特定的常数叫量子数。当量子数n.l.m的取值一定,就有一个波函数的具体表达式,这相当于经典力学中确定了物体的运动轨道,量子力学借用“轨道”一词,把原子体系的每一个波函数叫做原子轨道。第15页,共80页,编辑于2022年,星期一四 个 量 子 数A:主量子数:n取值:正整数n=1、2、3 它表示电子离核的远近,也是决定电子能量的主要因素,也叫电子层数。对氢原子来说,电子能量完全由n决定:n 12345光谱符号KLMNO第16页,共80页,编辑于2022年,星期一B:角量子数:l 取值:0
8、、1,2,3,.n-1 它表示原子轨道和电子云的形状,与能级或称电子亚层对应。(也是决定能量高低的因素)四 个 量 子 数l01234光谱符号光谱符号spdfg轨道形状轨道形状球形球形哑铃形哑铃形花瓣形花瓣形纺锤形纺锤形第17页,共80页,编辑于2022年,星期一四 个 量 子 数第二节:核外电子运动状态的描述主量子数与角量子数的关系:n12345l00、10、1、20、1、2、3gn-1亚层亚层1s2s、2p3s、3p、3d4s、4p、4d、4f第18页,共80页,编辑于2022年,星期一C:磁量子数:m取值:0、1、2.l它表示原子轨道在空间的伸展方向,磁量子数与能量无关。四 个 量 子
9、数第19页,共80页,编辑于2022年,星期一D:自旋量子数ms取值:+1/2、-1/2它表示电子自旋的两个方向,顺(逆)时针常用或表示。在氢原子化学光谱的精细结构实验中,人们发现它的大多数谱线,其实是由靠得很近的两条谱线组成。第二节:核外电子运动状态的描述四 个 量 子 数波长波长青青第20页,共80页,编辑于2022年,星期一轨道数与容纳电子数轨道数与容纳电子数 轨道数电子数轨道数=n2n=112n=248容纳电子数=2n2n=3918n=41632第二节:核外电子运动状态的描述第21页,共80页,编辑于2022年,星期一1、指出下列各组轨道的n、l量子数:a)4fb)5dc)3p 2、根
10、据下列各组量子数,写出对应轨道名称解:解:轨道名称(1)2Pz(2)3Px(3)6S课 堂 练 习随堂练习:(1)2、1、0(2)3、1、+1(3)6、0、0轨道4f5d3pn453l321第22页,共80页,编辑于2022年,星期一 3、下列各组量子数哪些不合理,为什么?(1)n=1 l=1 m=0 (2)n=2 l=0 m=1 (3)n=3 l=3 m=3 (4)n=2 l=1 m=0解:(1)n=1l=0m=0(2)n=2l=0m=0或n=2l=1m=0(或+1.-1)(3)n=3l=2m=0,1,2(4)n=2l=1m=01课 堂 练 习随堂练习:第23页,共80页,编辑于2022年,
11、星期一三、波函数的空间图象三、波函数的空间图象波函数也可用球座标表示:R:径向分布函数由n、l决定Y:角度分布函数由l、m决定第二节:核外电子运动状态的描述 为了便于阐明其物理意义,可分为两个部分:第24页,共80页,编辑于2022年,星期一(1)角度分布函数图使R(r)保持不变,只改变角度,将Y 随()变化作图可得。常用图形有两种:A:原子轨道角度分布B:电子云角度分布图第二节:核外电子运动状态的描述三、波函数的空间图象三、波函数的空间图象 将不同.值代入,可求得一系列Y值,从坐标原点出发,引出方向为()的直线,取其长度为Y值,将所有这些端点连接起看,在空间就形成了一个曲面图。第25页,共8
12、0页,编辑于2022年,星期一如:氢原子的角度部分:【s轨道】(是量子力学处理薛定谔方程,求出的解)Ys是一常数与是一常数与(q,fq,f)无关,故原子轨道的角度部分为一球面,半径为无关,故原子轨道的角度部分为一球面,半径为:xy+三、波函数的空间图象三、波函数的空间图象A:原子轨道角度分布第26页,共80页,编辑于2022年,星期一三、波函数的空间图象三、波函数的空间图象同样的方法我们可以作出px、py轨道的角度分布函数图px+xypz+xzpy+xy第27页,共80页,编辑于2022年,星期一三、波函数的空间图象三、波函数的空间图象同样的方法我们可以作出px、py、pz轨道的角度分布函数三
13、维立体图第28页,共80页,编辑于2022年,星期一三、波函数的空间图象三、波函数的空间图象同样的方法我们可以作出:dxz、dyz、dxy、dx2-y2、dz2轨道的角度分布函数图+dxz+xz+dyz+zy+dxy+yx+dx2y2xy+dz2xz第29页,共80页,编辑于2022年,星期一三、波函数的空间图象三、波函数的空间图象dxz、dyz、dxy、dx2-y2、dz2轨道的角度分布函数三维立体图第30页,共80页,编辑于2022年,星期一三、波函数的空间图象三、波函数的空间图象 dz2轨道的角度分布函数三维立体图第31页,共80页,编辑于2022年,星期一 由于Y(.)只与l.m有关,
14、与n无关,因此只要是量子数l、m相同的状态,它们的原子轨道角度分布图都相同。剖面图:“”无电性意义,具相位类似意义,在讨论原子间成键时有一定用途。三、波函数的空间图象三、波函数的空间图象第32页,共80页,编辑于2022年,星期一B:电子云角度分布图波函数实际上没有明确的、直观的物理意义,只是一个数学函数。由经典的电磁波理论|2波的强度|2电子的几率密度三、波函数的空间图象三、波函数的空间图象第33页,共80页,编辑于2022年,星期一Y(.)2.作图,就得到电子云角度分布图zxsxyxzzpypxpzxxzs+xyxzx+-pypxpzz+三、波函数的空间图象三、波函数的空间图象B:电子云角
15、度分布图第34页,共80页,编辑于2022年,星期一三、波函数的空间图象三、波函数的空间图象+dz2xz+dxz+xz+dyz+zy+dxy+yx+dx2y2xydxzxzdyzzydxyyxdx2y2xydz2xzB:电子云角度分布图第35页,共80页,编辑于2022年,星期一1、前者有正、负号之分,后者均为正值,因为Y(、)中的、为三角函数关系,但Y2后就没有正、负了。2、后者比前者瘦些,这是因为Y值小于1,Y2值就更小;3、前者是数学函数图,没有明确物理的意义。而后者表示在空间单位体积中出现的几率大小随角度、的变化。原子轨道角度分布函数图电子云角度分布图的区别音频解说主要区别有几点三、波
16、函数的空间图象三、波函数的空间图象第36页,共80页,编辑于2022年,星期一三、波函数的空间图象三、波函数的空间图象(2)径向分布函数图A:原子轨道径向分布函数图(略)无明确的意义B:电子云径向分布函数图以氢原子的1s电子云为例,在半径为r,球壳厚度为dr的球壳体积中,电子云出现的几率为:D(r)=4r2R2drdrrD(r)r 作图作图第37页,共80页,编辑于2022年,星期一三、波函数的空间图象三、波函数的空间图象电子云的径向分布函数图R0=52.9pmn值越大,离值越大,离核越远核越远电子是分层电子是分层分布的分布的音频解说第38页,共80页,编辑于2022年,星期一三、波函数的空间
17、图象三、波函数的空间图象电子云的整体图形电子云的整体图形a)电子云图:2即几率密度,用黑点的疏密表示。b)几率密度等值线图:2值相同点而成的曲线。c)电子云界面图:核外电子在空间出现的总几率的90%包括在内的地方作一等密度面。1.00.60.4bc .a电子云的整体图形:电子运动的统计性结果,是电子云的整体图形:电子运动的统计性结果,是|2的具体的具体形象描述。形象描述。第39页,共80页,编辑于2022年,星期一一、屏蔽效应一、屏蔽效应对氢原子来说,Z=1核外只有一个电子,只存在核对这个电子的引力,电子的能量同核电荷、主量子数的关系为:在多电子原子中,电子不仅受核的引力,还受其它电子的排斥力
18、,这种排斥力实际上抵消(屏蔽)了一部份原子核的正电荷。有效核电荷:Z*=Z第三节:多 电 子 原 子 结 构 第40页,共80页,编辑于2022年,星期一 第三节:多 电 子 原 子 结 构 屏蔽效应示意图:排斥排斥减弱核中心的吸引减弱核中心的吸引 屏蔽作用:由于其它电子对某一电子的排斥,使核对该电子吸引力减弱的作用。一、屏蔽效应一、屏蔽效应第41页,共80页,编辑于2022年,星期一二、钻穿效应二、钻穿效应 电子穿过内层电子钻到核附近回避了其它电子的屏蔽,这种效应为电子穿过内层电子钻到核附近回避了其它电子的屏蔽,这种效应为钻穿效应。钻穿效应。结论:屏蔽效应使电子的能量升高,钻穿效应使电子的能
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