物质结构基础精品文稿.ppt

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1、物质结构基础第1页，本讲稿共34页物质世界五光十色、千变万化归根结底归根结底由物质的组成、结构决定第2页，本讲稿共34页研究物质世界，就是研究物质的组成、结构、性质及其变化规律。宏观物质的性质、变化规律缘由于微观物质。宏观物质的性质、变化规律缘由于微观物质。化学研究什么？第3页，本讲稿共34页 宏观物质宏观物质亚微观结构亚微观结构分分 子子原原 子子基本粒子基本粒子物理物理化学化学化学化学物理物理化学主要是研究化合物的组成、结构、性质化学主要是研究化合物的组成、结构、性质第4页，本讲稿共34页 如果某一物理量的变化是不连续的，而是以某一最小单位作跳跃式的增减，如果某一物理量的变化是不连续的，而

2、是以某一最小单位作跳跃式的增减，这一物理量就是量子化的，其最小单位就称这一物理量的这一物理量就是量子化的，其最小单位就称这一物理量的量子量子量子量子(quantum)。量子：量子：量子：量子：1.1.微观粒子的运动特征微观粒子的运动特征 （1 1）量子性）量子性 如宏观物体所带的电荷量从如宏观物体所带的电荷量从Q Q增加到增加到Q Q+dQ Q ，Q QdQ Q，但，但dQ Q所包含的电子个所包含的电子个数却是很大的数却是很大的(例如例如1 1库仑的电荷量为库仑的电荷量为6.246.24 10101818个电子的电量个电子的电量)从宏观上从宏观上Q QQ Q+d+dQ Q可以认为是连续变化的。

3、可以认为是连续变化的。一、原子结构一、原子结构第5页，本讲稿共34页 在微观领域里，一个微观粒在微观领域里，一个微观粒子如果是一个离子，所带电荷子如果是一个离子，所带电荷只有一个或几个电子，从而离只有一个或几个电子，从而离子所带电荷的变化，如子所带电荷的变化，如A A-A A2-2-A A3-3-，就不能认为是连续变化，就不能认为是连续变化的，而是跳跃式的变化。的，而是跳跃式的变化。氢原子核外电子所氢原子核外电子所处的能级是不连续的，处的能级是不连续的，即电子所具有的能量是即电子所具有的能量是量子化的。量子化的。当电子从一个能级跃迁到另一个能级上是当电子从一个能级跃迁到另一个能级上是时，粒子能

4、量的改变是跳跃的。时，粒子能量的改变是跳跃的。第6页，本讲稿共34页 概率密度：单位体积的概率。概率密度：单位体积的概率。概率波：电子运动在空间出现的概率可以由波的强度表现出来，因概率波：电子运动在空间出现的概率可以由波的强度表现出来，因此电子及其微观粒子波（物质波），又称概率波。此电子及其微观粒子波（物质波），又称概率波。（2 2）微观粒子运动的统计性）微观粒子运动的统计性第7页，本讲稿共34页光的波粒二象性光的波粒二象性v波动性：干涉，衍射。波动性：干涉，衍射。v粒子性：光的性质可以用动量来描述。粒子性：光的性质可以用动量来描述。P:P:动量动量入：波长入：波长h h：普朗克常数：普朗克常

5、数 6.626 6.626 1010-34-34 J Js s2.波函数波函数第8页，本讲稿共34页微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性 19241924年年法法国国物物理理学学家家德德布布罗罗意意提提出出电电子子等等微微粒粒也也具具有有波波粒粒二二象性，并预言其波长入和质量象性，并预言其波长入和质量m m存在关系式：存在关系式：h h：普朗克常数：普朗克常数 v v：微观粒子的速度：微观粒子的速度第9页，本讲稿共34页电子衍射示意图定向电子射线晶片光栅衍射图象1927年德布罗意的假设被电子衍射实验证实。年德布罗意的假设被电子衍射实验证实。第10页，本讲稿共34页电子的衍射图电子的衍射图电

6、子的波动性是电子许多行为的统计结果。电子的波动性是电子许多行为的统计结果。电子的一次行为并不能确定其出现的具体位置。电子的一次行为并不能确定其出现的具体位置。概率波概率波短短时时间间长长时时间间第11页，本讲稿共34页1926年，奥地利物理学家薛定谔（年，奥地利物理学家薛定谔（Schrdinger）提出了微观粒）提出了微观粒子运动的波动方程，即薛定谔方程：子运动的波动方程，即薛定谔方程：其中，其中，为波动函数，是空间坐标为波动函数，是空间坐标x、y、z 的函数。的函数。E 为为核外电子总能量，核外电子总能量，V 为核外电子的势能，为核外电子的势能，h 为普朗克常为普朗克常数，数，m 为电子的质

7、量。为电子的质量。第12页，本讲稿共34页变换为球面坐标：变换为球面坐标：x=r sin cos y=r sin sin z=r cos r2=x2+y2+z2 球面坐标变换球面坐标变换 rsin zxyP(x,y,z)z=rcosx=rsincosy=rsinsinr第13页，本讲稿共34页 在整个求解过程中，需要引入三个参数，在整个求解过程中，需要引入三个参数，n、l 和和 m。结果可。结果可以得到一个含有三个参数和三个变量的函数以得到一个含有三个参数和三个变量的函数 =n,l,m(r,)由由于于上上述述参参数数的的取取值值是是非非连连续续的的,故故被被称称为为量量子子数数。当当n n、l

8、 l 和和 m m 的的值值确确定定时时，波波函函数数(原原子子轨轨道道)便便可可确确定定。即即：每每一一个个由由一组量子数确定的波函数表示电子的一种运动状态。一组量子数确定的波函数表示电子的一种运动状态。n的取值为非零正整数，的取值为非零正整数，l 的取值为的取值为0到到(n 1)之间的整数，之间的整数，而而m的取值为的取值为0到到 l 之间的整数之间的整数。第14页，本讲稿共34页波函数是描述核外电子运动状态的函数，也称为波函数是描述核外电子运动状态的函数，也称为原子轨道。原子轨道。原子轨道与经典力学的轨道是完全不同的两个概念。之所以这样叫，只是原子轨道与经典力学的轨道是完全不同的两个概念

9、。之所以这样叫，只是沿用了沿用了“轨道轨道”这个名称而已。这个名称而已。波函数角度部分波函数角度部分Y(,)在三维坐标上的图像称为原子轨道的角度分布，在三维坐标上的图像称为原子轨道的角度分布，图像中的正、负号是函数值的符号。图像中的正、负号是函数值的符号。1.氢原子的氢原子的1s轨道：角度部分为轨道：角度部分为 ，是一个与角度无关的常数，是一个与角度无关的常数，其图像是一个半径为其图像是一个半径为 的球面。的球面。2.氢原子的氢原子的2pz轨道：角度部分为轨道：角度部分为 ，只与，只与角度有关，由于角度有关，由于是是r与与z轴的夹角，其图像是一个沿轴的夹角，其图像是一个沿z轴分布的互切双球面。

10、在轴分布的互切双球面。在z轴正向，轴正向，函数值大于函数值大于0，z轴反向，函数值小于轴反向，函数值小于0。第15页，本讲稿共34页3.电子云电子云（Electron Cloud）=“原子轨道原子轨道”波函数波函数n,l,m(x,y,z)原子轨道原子轨道径向分布图径向分布图角度分布图角度分布图意义：描述电子在意义：描述电子在原子核外可能出现原子核外可能出现的空间区域的空间区域图图借用物理学中光波及其光密度等概念，可得到借用物理学中光波及其光密度等概念，可得到：2反映电子在空间某位置上单位体积内出现的反映电子在空间某位置上单位体积内出现的概率大小，即概率密度。概率大小，即概率密度。第16页，本讲

11、稿共34页图形图形概率密度概率密度图形图形概率密度的概率密度的径向分布图径向分布图图形图形概率密度的角概率密度的角度分布图度分布图用黑点的疏密表示概率密度的图形用黑点的疏密表示概率密度的图形称称电子云电子云 (electron clouds)图图第17页，本讲稿共34页原子轨道原子轨道()的角度分布的角度分布示意图示意图(平面图平面图）1s轨道轨道电子云电子云（2 2）的角度分布示意图的角度分布示意图 1s电子云电子云区别？区别？有有+、-之分之分无无+、-之分之分第18页，本讲稿共34页2pz轨道图形 2pz轨道电子云图形有有+、-之分之分无无+、-之分之分区别区别第19页，本讲稿共34页3

12、P电子云的径向分布示意图电子云电子云轨道中云层最密的区域。轨道中云层最密的区域。轨道与电子云的区别：轨道与电子云的区别：原子轨道原子轨道特定能量的电子在核外空间出现最多区域；特定能量的电子在核外空间出现最多区域；注意：注意：电子云中一个小黑点绝不代表一个电子电子云中一个小黑点绝不代表一个电子,不妨将不妨将密密麻麻的小黑点看作某个特定电子在空间运动时留下的密密麻麻的小黑点看作某个特定电子在空间运动时留下的“足足迹迹”不是一个科学术语不是一个科学术语只是一种形象化比喻只是一种形象化比喻第20页，本讲稿共34页p轨道的三种角轨道的三种角度分布图度分布图s 电子云电子云(球形球形)+-+-+P电子云的

13、角电子云的角度分布图度分布图第21页，本讲稿共34页d d 轨道轨道五种角度取向五种角度取向+-+-d d 电子云电子云角角度分布图度分布图d d 电子云电子云角角度分布图度分布图第22页，本讲稿共34页 f f 电子云的角度分布图电子云的角度分布图 第23页，本讲稿共34页 原子轨道和和电子云的图象原子轨道和和电子云的图象(稍作了解稍作了解)图图1.1.s s、p p、d d原子轨道的角度分布剖面图原子轨道的角度分布剖面图 图图2.s2.s，p p，d d电子云角度分布剖面图电子云角度分布剖面图 第24页，本讲稿共34页(1)主量子数主量子数n(principal quantum numbe

14、r):与电子能量有关；与电子能量有关；确定电子出现几率最大处离核的距离；确定电子出现几率最大处离核的距离；不同的不同的n 值，对应于不同的电子壳层值，对应于不同的电子壳层 .(.(正整数正整数).).K L M N O.对于对于H：4.核外电子运动状态的描述核外电子运动状态的描述第25页，本讲稿共34页(2)角量子数角量子数l(angular momentum quantum):反映波函数反映波函数(即原子轨道，简称轨道即原子轨道，简称轨道)的形状的形状 l=0，1，2，3(n-1)(亚层亚层)对应于对应于 s，p，d，f（未命名未命名）轨道符号）轨道符号取值取值:与角动量有关，对于多电子原子

15、与角动量有关，对于多电子原子,l 也也 与与E 有关，有关，l，E s 轨道轨道球形球形p 轨道轨道哑铃形哑铃形-d轨轨道道有有两两种种形形状状-l 决定了决定了的角度函数的形状的角度函数的形状第26页，本讲稿共34页 The allowed values for angular momentum quantum number,lnl 1 2 3 4(subshell symbol0000s111p22d3f 亚层数亚层数1234ss,ps,p,ds,p,d,f 角量子数角量子数 l 的容许值的容许值第27页，本讲稿共34页 与角动量的取向有关，取向是量子化的与角动量的取向有关，取向是量子化的

16、 m可取值：可取值：0，1,2l m值决定了值决定了角度函数的空间取向角度函数的空间取向 同一同一n值值下下l 值相同而值相同而m值不同的轨道互为等价值不同的轨道互为等价(简并简并)轨道轨道（3）磁量子数磁量子数m (magnetic quantum number)The allowed values for magnetic quantum number,mlm轨轨道数道数 0(s)1(p)2(d)3(f)0 1 0 1 2 1 0 1 2 3 2 1 0 1 2 31357spdf第28页，本讲稿共34页 p轨道轨道(l =1,=1,m=+1,0,-1)+1,0,-1)m 三三种种取取值值

17、,三三种种取取向向,三三条条等等价价(简并简并)p 轨道轨道.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.+-+-+第29页，本讲稿共34页d d 轨道轨道(l=2,m=+2,+1,0,-1,-2):m 五种取值五种取值,空间五种取向空间五种取向,五条等价五条等价(简并简并)d)d 轨道轨道.+-+-第30页，本讲稿共34页 f f 轨道轨道 (l=3,m=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3):m 七种取值七种取值,空间七种取向空间七种取向,七条等价七条等价(简并简并)f 轨道轨道.第31页，本讲稿共34页表表8-1原子轨道与量子数

18、之间的关系原子轨道与量子数之间的关系第32页，本讲稿共34页（4）自旋量子数自旋量子数 ms(spin quantum number)描述电子绕自轴旋转的状态描述电子绕自轴旋转的状态 自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为 ms 取值取值+1/2和和-1/2，分别用，分别用和和表示表示 想象中的电子自旋想象中的电子自旋:两种可能的自旋方向两种可能的自旋方向:正向正向(+1/2)和反向和反向(-1/2)产生方向相反的磁场产生方向相反的磁场 相反自旋的一对电子相反自旋的一对电子,磁场相互抵消磁场相互抵消.Electron spin visualizedNSSN第33页，本讲稿共34页核外电子运动核外电子运动轨道运动轨道运动自旋运动自旋运动与一套量子数与一套量子数（n,l,m,ms)及其能级及其能级(Ei)相对应相对应描述电子运动状态的描述电子运动状态的方法方法四个量子数四个量子数 n l mms取值要合理取值要合理3,33,3，1,11,14,3,-1,4,3,-1,第34页，本讲稿共34页