第五章原子结构 (2)精选文档.ppt

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1、第五章原子结构本讲稿第一页，共八十一页贝克勒尔，贝克勒尔，18521852年生，他年生，他的父亲和祖父都是物理学家，的父亲和祖父都是物理学家，使他从小就受到良好的教育，使他从小就受到良好的教育，25岁就取得工程师资格，1892年，44岁的贝克勒尔，对物理学已很有研究了。发现放射性的初期，人们不知发现放射性的初期，人们不知它的危害，贝克勒尔由于毫无它的危害，贝克勒尔由于毫无防护下长期接触放射物质，健康防护下长期接触放射物质，健康受到严重损害，50多岁就逝世了。科学界为了表彰他的杰出贡献，将放射性物质的射线定名表彰他的杰出贡献，将放射性物质的射线定名为为“贝克勒尔射线。贝克勒尔射线。”本讲稿第二页

2、，共八十一页1898年，居里夫妇发现钋(Po)和镭(Ra)的放射性,二者蜕变后最后都变成铅。居里是居里是法国法国人，玛丽却是波兰波兰人人 玛丽玛丽玛丽玛丽 居里（居里（居里（居里（1867.11.71934.7.41867.11.71934.7.4）。世界著名科学）。世界著名科学）。世界著名科学）。世界著名科学家，研究家，研究家，研究家，研究放射性放射性现象，发现现象，发现现象，发现现象，发现镭镭镭镭和和和和钋钋钋钋（pp）两种天然）两种天然）两种天然）两种天然放射性元素，一生两度获放射性元素，一生两度获放射性元素，一生两度获放射性元素，一生两度获诺贝尔奖诺贝尔奖诺贝尔奖诺贝尔奖（第一次获得诺

3、贝（第一次获得诺贝（第一次获得诺贝（第一次获得诺贝尔物理奖，第二次获得诺贝尔化学奖）。作为杰出科学家，尔物理奖，第二次获得诺贝尔化学奖）。作为杰出科学家，尔物理奖，第二次获得诺贝尔化学奖）。作为杰出科学家，尔物理奖，第二次获得诺贝尔化学奖）。作为杰出科学家，居里夫人有一般科学家所没有的社会影响。尤其因为是成居里夫人有一般科学家所没有的社会影响。尤其因为是成居里夫人有一般科学家所没有的社会影响。尤其因为是成居里夫人有一般科学家所没有的社会影响。尤其因为是成功女性的先驱，她的典范激励了很多人。功女性的先驱，她的典范激励了很多人。功女性的先驱，她的典范激励了很多人。功女性的先驱，她的典范激励了很多人

4、。本讲稿第三页，共八十一页 经研究发现上述射线是由、三种射线 组成。粒子：带两个正电荷，质量为氢原子的4倍 粒子：带1个负电荷，（后证明是电子)射线：波长很短的电磁波 天然放射性物质及其蜕变现象的发现，使人们开始意识到原子并非是组成物质的“最终质点”，它是可分的，而且具有复杂的内部结构。本讲稿第四页，共八十一页二、电子的发现二、电子的发现1897年，汤姆森（J.J.Thomson，英国）在研究物质在真空管的放电现象发现电子，测定了电子的荷质发现电子，测定了电子的荷质比比本讲稿第五页，共八十一页 不论阴极射线管中的气体是什么气体或电极材料是用什么金属制成的，发射的阴极射线的电子其荷质比都是相等的

5、。因此证明电子是各种原子的共同组成部分。放射性、电子的发现，证明了原子是可分可变的，原子还有其内部结构。这是人们对物质认识的一个重大突破，使人们对物质结构的认识从宏观领域进入到了微观领域。本讲稿第六页，共八十一页汤姆森（Thomson,Elihu）英国-美国发明家。1853年3月29日生于英格兰英格兰；19371937年年3 3月月1313日卒于美国。日卒于美国。本讲稿第七页，共八十一页 汤姆森五岁上随全家来到美国，汤姆森五岁上随全家来到美国，18701870年毕业于一所年毕业于一所尖子学校。他是一位有才华的发明家，一生共取得近尖子学校。他是一位有才华的发明家，一生共取得近七百项发明的专利权，

6、主要是电学和应用辐射学上的七百项发明的专利权，主要是电学和应用辐射学上的发明。交流电机的成功正是汤姆森的发明成果。发明。交流电机的成功正是汤姆森的发明成果。18901890年，他设计出了一种高频发电机。他还成立了一家公年，他设计出了一种高频发电机。他还成立了一家公司，它后来于1892年和爱迪生爱迪生的公司共同组建成的公司共同组建成通用通用电气公司电气公司。本讲稿第八页，共八十一页三、核电荷的确定三、核电荷的确定1913年，英国物理学家莫斯莱Moseley，系统地研究了用各种元素分别制成阴极所得到的 X射线的波长，发现不同元素各有其特征的X射线谱线，得出原子序数与其X射线波长的关系，而原子序数在

7、数值上正好等于该原子的核电荷。这样通过测定元素的特征X射线光谱，就可以确定其核电荷数。本讲稿第九页，共八十一页莫斯莱莫斯莱(HenryGwysJeffreysMoseley，18871915)，英国物理学家。对化学元素周期律及周期表的实质英国物理学家。对化学元素周期律及周期表的实质英国物理学家。对化学元素周期律及周期表的实质英国物理学家。对化学元素周期律及周期表的实质性内容的研究颇有贡献。性内容的研究颇有贡献。性内容的研究颇有贡献。性内容的研究颇有贡献。他利用他利用他利用他利用X X射线去研究元素，为化学、核物理学和原子射线去研究元素，为化学、核物理学和原子射线去研究元素，为化学、核物理学和原

8、子射线去研究元素，为化学、核物理学和原子化学的发展做出了卓越的贡献并奠定了基础。化学的发展做出了卓越的贡献并奠定了基础。第一次世界大战期间应征入伍，年仅第一次世界大战期间应征入伍，年仅第一次世界大战期间应征入伍，年仅第一次世界大战期间应征入伍，年仅2828岁的、极有岁的、极有岁的、极有岁的、极有成就的莫斯莱在加利波利的苏维拉湾战斗中阵亡成就的莫斯莱在加利波利的苏维拉湾战斗中阵亡成就的莫斯莱在加利波利的苏维拉湾战斗中阵亡成就的莫斯莱在加利波利的苏维拉湾战斗中阵亡,一一一一颗科学新星从此陨落颗科学新星从此陨落颗科学新星从此陨落颗科学新星从此陨落 。本讲稿第十页，共八十一页四、质子的发现四、质子的发

9、现1919年，卢瑟福Rutherford 用粒子轰击氮，发现氮原子可以放出一个带正电荷的粒子，其电量与电子相等。由于任何中性原子都可以失去一个或多个电子而成为带正电荷离子，这就说明每一个原子的原子核中都含有一个或多个正电性单元质子。质子的发现，还不能解释除H核以外的其它原子核的问题。例如：He原子核内含有两个质子，而它的质量却是H原子的4倍。这多出来的2倍质量又是哪里来的呢？为此，卢瑟福预言，在原子核中必定还存在着一种电中性的粒子。本讲稿第十一页，共八十一页18711871年年8 8月月3030日生于新西兰日生于新西兰纳尔逊的一个手工业工人家庭。家庭。2323岁时获得了三个学位岁时获得了三个学

10、位（文学学士、文学硕士、（文学学士、文学硕士、理学学士）。理学学士）。18951895年在新西兰大学毕业后，年在新西兰大学毕业后，获得英国获得英国剑桥大学剑桥大学的奖学金进入的奖学金进入卡文迪许实验室卡文迪许实验室，成为汤姆生的研究生。提出了原子结构的行星模型，为原子结构的研究做出很大的贡献。为原子结构的研究做出很大的贡献。本讲稿第十二页，共八十一页科学成就：科学成就：1 1、他关于放射性的研究确立了放射性是发自原子、他关于放射性的研究确立了放射性是发自原子内部的变化。放射性能使一种原子改变成另一种原内部的变化。放射性能使一种原子改变成另一种原子，而这是一般物理和化学变化所达不到的；这一发子，

11、而这是一般物理和化学变化所达不到的；这一发现打破了元素不会变化的传统观念，使人们对物质结现打破了元素不会变化的传统观念，使人们对物质结构的研究进入到原子内部这一新的层次，为开辟一个构的研究进入到原子内部这一新的层次，为开辟一个新的科学领域新的科学领域原子物理学原子物理学，做了开创性的工作。，做了开创性的工作。2 2、19111911年，卢瑟福根据年，卢瑟福根据 粒子散射实验粒子散射实验现象提出原现象提出原子核式结构模型。该实验被子核式结构模型。该实验被评为评为“物理最美实验物理最美实验”之一。之一。粒子散射实验 本讲稿第十三页，共八十一页3、人工核反应的实现是卢瑟福的另一项重大贡献。自从元素的

12、放射性衰变被确证以后，人们一直试图自从元素的放射性衰变被确证以后，人们一直试图用各种手段，如用电弧放电来实现元素的人工衰变，而只有卢瑟福找到了实现这种衰变的正确途变，而只有卢瑟福找到了实现这种衰变的正确途径。这种用粒子或径。这种用粒子或 射线轰击原子核来引起核反应射线轰击原子核来引起核反应的方法，很快就成为人们研究原子核和应用核技术的方法，很快就成为人们研究原子核和应用核技术的重要手段。在卢瑟福的晚年，他已能在实验室中的重要手段。在卢瑟福的晚年，他已能在实验室中用人工加速的粒子来引起核反应。用人工加速的粒子来引起核反应。本讲稿第十四页，共八十一页诺贝尔奖章诺贝尔奖章桃李满天下：19211921

13、年，卢瑟福的助手索年，卢瑟福的助手索迪获诺贝尔化学奖；迪获诺贝尔化学奖；19221922年，卢瑟福的学生年，卢瑟福的学生阿斯顿获诺贝尔化学奖；19221922年，卢瑟福的学生玻尔年，卢瑟福的学生玻尔获诺贝尔物理奖；获诺贝尔物理奖；1927年，卢瑟福的助手威尔逊获诺贝尔物理奖；19351935年，卢瑟福的学生查德威克获诺贝尔物理奖；年，卢瑟福的学生查德威克获诺贝尔物理奖；本讲稿第十五页，共八十一页19481948年，卢瑟福的助手布莱克特获诺贝尔物理奖；年，卢瑟福的助手布莱克特获诺贝尔物理奖；19511951年，卢瑟福的学生科克拉夫特和瓦耳顿，年，卢瑟福的学生科克拉夫特和瓦耳顿，共同获得诺贝尔物理

14、奖；共同获得诺贝尔物理奖；19781978年，卢瑟福的学生卡皮茨获诺贝尔物理奖。年，卢瑟福的学生卡皮茨获诺贝尔物理奖。有人说，如果世界上设立培养人才的诺贝尔奖有人说，如果世界上设立培养人才的诺贝尔奖金的话，那么卢瑟福是第一号候选人。本讲稿第十六页，共八十一页五、中子的发现五、中子的发现 1923年，卢瑟福的学生、美国物理学家查德威克Chadwick用高速粒子轰击Be时，发现了这种不带电的粒子。它的质量比质子的质量略大。中子的发现，上述原子核的质量问题就解决了。He核的质量之所以为H原子的两倍，是因为核中除含有2个质子外，还含有2个中子的缘故。由于上述一系列的重大发现和研究，人们基本弄清了原子的

15、主要组成。原子是由电子、质子和中子三种基本粒子所组成。其中质子和中子靠核力组成原子核，核靠静电引力而将电子束缚在核外的一定空间运动。本讲稿第十七页，共八十一页5.1核外电子运动状态核外电子运动状态5.1.1氢光谱和玻尔理论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：本讲稿第十八页，共八十一页红 橙 黄 绿 青 蓝 紫本讲稿第十九页，共八十一页太阳光谱：太阳光谱：连续光谱（七彩虹）连续光谱（七彩虹）按照经典物理学理论，按照经典物理学理论，如果电子绕原子核做如果电子绕原子核做圆周运动：会

16、连续光圆周运动：会连续光谱谱.本讲稿第二十页，共八十一页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。本讲稿第二十一页，共八十一页 但事实上原子是稳定的，原子所发射的光谱是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：从研究宏线状的，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，不适用于原子中的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。微观过程。这就需要进一步分析原子现象，探索原子内部这就需要进一步分析原子

17、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理论。运动的规律性，并建立适合于微观过程的原子理论。本讲稿第二十二页，共八十一页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）本讲稿第二十三页，共八十一页n为主量子数为主量子数-能级序数能级序数本讲稿第二十四页，共八十一页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

18、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。本讲稿第二十五页，共八十一页马克斯.普朗克（1858-1947）德国理论物理学家。普朗克的一生在科学上提出了许多创见，但贡献最大的还是1900年提出的量子假设。他指出，辐射过程不是连续的，而是以最小的分量一份一份地放射出来，这个最小能量单位叫量子，并且还给出了公式。本讲稿第二十六页，共八十一页普朗克公式是一个与实验结果完全一致的公式。量子假说的提出对量子论的发展起了重大的作用。因此，普朗克于1918年获得了诺贝尔物理学奖。本讲稿第二十七页，共八十一页玻尔原子模型（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）：、

19、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。2、轨道能级：离核越远，与核的作用越小，能、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，能量越量越高；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。低。轨道这些不同的能量状态称为能级。本讲稿第二十八页，共八十一页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）

20、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：本讲稿第二十九页，共八十一页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。本讲稿第三十页，共八十一页玻尔(1885-1962)1885年10月7日,出生于丹麦哥本哈根。由于对原子结构和辐射研究的贡献，他于1922年获得了诺贝尔物理学奖。本讲稿第三十一页，共八十一页 玻尔理论成功地解释了氢原子光谱。连续光谱氢原子光谱本讲稿

21、第三十二页，共八十一页并提出原子能级、主量子数、定态轨道等重要概念，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运动的定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子的内部结构态相联系起来，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。提供了理论基础与成功的经验。当氢原子的电子从当氢原子的电子从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。本讲稿第三十三页，共八十一页能级跃迁本讲稿第三十四页，共八十一页

22、本讲稿第三十五页，共八十一页5.1.2微观粒子的波粒二象性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难以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，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（deBroglie）用与光的量子论相类比的方法提出电子）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，后来他的这一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。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/mv本讲稿第三十六页，共八十一页h 为Planc

23、k 常量著名的德布罗依关系式著名的德布罗依关系式本讲稿第三十七页，共八十一页 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

24、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。本讲稿第三十八页，共八十一页由此可见，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）。本讲稿第三十九页，共八十一页于是薛定谔、海森堡、狄拉克等在

25、这一假说的基础上有选择地吸取了经典物理学的光辉成就，建立了量子力学理论。Heisenberg WSchrodinger E本讲稿第四十页，共八十一页 波尔以波波尔以波的微粒性（即的微粒性（即能量量子化概能量量子化概念）为基础建念）为基础建立了氢原子模立了氢原子模型。型。薛定谔等则薛定谔等则以微粒波动性为以微粒波动性为基础建立起原子基础建立起原子的波动力学模型。的波动力学模型。本讲稿第四十一页，共八十一页5.1.3波函数和原子轨道波函数和原子轨道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=Asin023

26、4Y=2sin020-20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。本讲稿第四十二页，共八十一页薛定谔薛定谔(E.Schrdinger)方程方程求解求解本讲稿第四十三页，共八十一页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：本讲稿第四十四页，共八十一页5.1.4概

27、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

28、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。本讲稿第四十五页，共八十一页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)：波函数，表示电子出现的几率，对于（：波函数，表示电子出现的几率，对于（x1、y1、z1），相应的），相应的1值表示原子核外一值表示原子核外一点（点（x1、y1、z1）处电子出现的几率大小。）处电子出现的几率大小。但无法做直观的的图象。但无法做直观的的图象。=f(x、y、z)=f(、)=R（）Y（、）本讲稿第四十六页，共八十一页=R（）Y（、）Y（、）：角向分布函数。）：角向分布函数。R（）

29、：径向分布函数。）：径向分布函数。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）S、P、d原子轨道的图象原子轨道的图象本讲稿第四十七页，共八十一页本讲稿第四十八页，共八十一页本讲稿第四十九页，共八十一页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，没有确定的解或图线。表示一组直线，没有确定的解或图线。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。越远，能量越高。将同一

30、主量子数的各轨道并为一个电子层。取值：取值：主量子数主量子数n12345电子层代号电子层代号KLMNP本讲稿第五十页，共八十一页 由于n只能取正整数，所以电子的能量是分立的、不连续的，或者说能量是量子化的。本讲稿第五十一页，共八十一页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，亚层表示亚层，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，其取值确定时，对应于确定形状的原子轨道，其取值受受n的制约。的制约。副（角）量子数副（角）量子数L01234（n-1）亚层（原子轨道符号）亚层（原子轨道符号）SPdf本讲稿第五十二页，共八十一页习惯上常把习惯上常把n相

31、同，相同，L不同的状态称为电子亚层。不同的状态称为电子亚层。一个电子层可以分为几个亚层。一个电子层可以分为几个亚层。n值不同而值不同而L值相同的原子轨道和电子云的形状值相同的原子轨道和电子云的形状相同，只是大小不同而已，相同，只是大小不同而已，n越大能量越高；越大能量越高；n值相值相同而同而L不同，则不同，则L越大，能量越高。越大，能量越高。本讲稿第五十三页，共八十一页n1234（亚层亚层0000s111p22d3f)nL1234（亚层亚层0000s111p22d3f)本讲稿第五十四页，共八十一页S原子轨道角度分布图原子轨道角度分布图本讲稿第五十五页，共八十一页 p原子轨道角度分布图原子轨道角

32、度分布图本讲稿第五十六页，共八十一页 d原子轨道原子轨道角度分布图角度分布图本讲稿第五十七页，共八十一页本讲稿第五十八页，共八十一页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。其取值受相同的电子能量相同。其取值受L的制约。的制约。对同一亚层，可以有几个伸展方向。如对同一亚层，可以有几个伸展方向。如p轨道，在轨道，在空间有三个伸展方向，它们能量相同，称为等价空间有三个伸展方向，它们能量相同，称为等价轨道。轨道。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：0123L

33、本讲稿第五十九页，共八十一页L m轨道数轨道数0(s)1(p)2(d)3(f)01012101232101231357本讲稿第六十页，共八十一页s轨道轨道(l=0,m=0):m 一一种取值种取值,空间一种取向空间一种取向,一条一条s轨道轨道 p轨道轨道(l=1,m=+1,0,-1)m三种取值三种取值,三种取向三种取向,三条等价三条等价(简并简并)p轨道轨道本讲稿第六十一页，共八十一页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，决定一个运动状态。个量子数的取值，决定一个运动状

34、态。本讲稿第六十二页，共八十一页例如: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本讲稿第六十三页，共八十一页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：3S24P43d5（含义？）（含义？）(2、1、1)表示什么意思？表示什么意思？本讲稿第六十四页，共八十一页5.2核外电子的排布和元素周期系核外电子的排布和元素周期系5.2.1多电子原子能级多电子原子能级 多电子原子中，不仅存在电子

35、与核之间的静电引力，还有电子与电子之间的相互排斥力，电子的能量不能纯由n决定，而由n和l共同决定。这主要是由于多电子原子之间的屏蔽所致，说明多电子原子的能级与屏蔽作用有关。本讲稿第六十五页，共八十一页 原子中各轨道的能级高低可以根据光谱实验得出的，也可以用理论计算的方法也可以得出。各原子轨道能级的高低情况，如果用图示近似地表示出来，就是近似能级图。本讲稿第六十六页，共八十一页 1939年,鲍林(Pauling L)从大量光谱实验数据出发,通过计算得出多电子原子(Many-electron atoms)中轨道能量的高低顺序,提出了多电子原子的原子轨道近似能级图。图中一个小圆圈代表一个轨道(同一水

36、平线上的圆圈为等价轨道)；箭头所指则表示轨道能量升高的方向.本讲稿第六十七页，共八十一页本讲稿第六十八页，共八十一页 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p能级顺序：具有一定能量的轨道处于一个能级；能级；能量相同的轨道，能级相同，称为简并轨道简并轨道；能量相近的轨道划分为一组称为能级组能级组。同组内的能级的能量相近，但组与组之间能量差别大。主量子数相同的为一层。本讲稿第六十九页，共八十一页能级组能级组 能级能级 可容纳的可容纳的 相应周期相应周期 元素数目元素数目 最多电子数最多电子数1s2一一22s2p8二二83s3p

37、8三三84s3d4p18四四185s4d5p18五五186s4f5d6p32六六327s5f6d7p32七七32各周期元素数目 相应能级组中原子轨道容纳的最多电子数本讲稿第七十页，共八十一页5.2.2 核外电子排布的原理（1）泡(保)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。按照这一原理，每个原子轨道上只能容纳自旋相反的两个电子。本讲稿第七十一页，共八十一页本讲稿第七十二页，共八十一页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

38、量比3d轨道能量低,应优先填充.本讲稿第七十三页，共八十一页(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:本讲稿第七十四页，共八十一页(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:3d104S1.而不是3d94S2本讲稿第七十五页，共八十一页例如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)本讲稿第七十六页，共八十一页1.1.电子结构排布原理是概括了大量事实后提出的一般电子结构排布原理是概括了大量事实后提出的一般结论。因此绝大多数原

39、子的电子实际排布与这些原理结论。因此绝大多数原子的电子实际排布与这些原理是一致的，有些副族元素特别是第是一致的，有些副族元素特别是第6 6、7 7周期的某些元周期的某些元素原子的电子排布实验测定结果并不能用排布原理完素原子的电子排布实验测定结果并不能用排布原理完满解释。满解释。我们在实验中应该首先是承认事实，不要拿事实我们在实验中应该首先是承认事实，不要拿事实去适应原理，但也不要因为还有某些不足而全面否定去适应原理，但也不要因为还有某些不足而全面否定它。和任何原理一样，这些原理也只有相对近似的意它。和任何原理一样，这些原理也只有相对近似的意义，科学的任务是承认矛盾，发展原理，使它更加科义，科学

40、的任务是承认矛盾，发展原理，使它更加科学。学。说明：说明：本讲稿第七十七页，共八十一页2.电子层结构（电子排布式）与电子填充的表电子层结构（电子排布式）与电子填充的表示不一样。即在能级交错的地方，填充电子时先示不一样。即在能级交错的地方，填充电子时先填入低能量轨道，再填入高能量轨道；但是，表填入低能量轨道，再填入高能量轨道；但是，表示电子层结构或写电子排布式时，则按电子层写在示电子层结构或写电子排布式时，则按电子层写在一起，不按能级组写。一起，不按能级组写。本讲稿第七十八页，共八十一页3.填充电子和失去电子的顺序不一致，不是先失去填充电子和失去电子的顺序不一致，不是先失去能量高的电子，而是先失

41、去最外层的电子，再失能量高的电子，而是先失去最外层的电子，再失去次外层的电子。去次外层的电子。例：例：CoCo1s1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p6 63d3d7 74s4s2 2 Co Co2+2+1s1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p6 63d3d7 74s4s0 0本讲稿第七十九页，共八十一页4.在写价电子构型时，对于主族元素就是最外层电子排布；对于过渡元素的原子，一般应包括次外层的 d 电子；对于离子，若原子失去电子后次外层变为最外层，则要将最外层电子写完整。例：Cl:1s2s2p3s3p 价电子构型为3s3p Fe:1s2s2p3s3p3d64s 价电子构型为3d64s Cr原子外层电子分布式为：原子外层电子分布式为：3d 54s 1Cr3+离子外层电子分布式为：离子外层电子分布式为：3s23p63d 3本讲稿第八十页，共八十一页思考题：1.原子轨道，几率密度和电子云等概念有何联系和区别？2.写出下列元素核外电子排布式及价电子层结构。19K;29Cu;53I;58Ce;80Hg本讲稿第八十一页，共八十一页