1、教教 学学 内内 容容 1了解了解原子论的简单发展史。原子论的简单发展史。2.进一步进一步掌握分子、原子、元素、核素、相对原掌握分子、原子、元素、核素、相对原 子量等基本概念。子量等基本概念。3掌握微观粒子的基本特征。掌握微观粒子的基本特征。4了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌 握四个量子数的物理意义、取值范围。握四个量子数的物理意义、取值范围。5掌握原子核外电子排布三原则。掌握原子核外电子排布三原则。6掌握原子结构与元素周期表的关系，周期、族、掌握原子结构与元素周期表的关系，周期、族、区的划分本质；掌握电离能、亲和能、电负性和区的划分本质；掌
2、握电离能、亲和能、电负性和 原子半径等概念。原子半径等概念。1-1-1 1-1-1 原子论发展简史原子论发展简史 古希腊哲学家古希腊哲学家德谟克利特德谟克利特臆想出臆想出原子原子是物质是物质最小的，不可再分的，永存不变的微粒。最小的，不可再分的，永存不变的微粒。1818世纪，世纪，波意耳波意耳第一次给出了化学第一次给出了化学元素元素的定的定义义用物理方法不能再分解的最基本的物质组分。用物理方法不能再分解的最基本的物质组分。1 1 道尔顿的原子论道尔顿的原子论以史以史为镜为镜1732年，尤拉提出自然界存在多少种原子，就年，尤拉提出自然界存在多少种原子，就有多少种元素。有多少种元素。罗蒙诺索夫罗蒙
3、诺索夫1756年提出、拉瓦锡年提出、拉瓦锡1785年证明的年证明的质量守恒定律质量守恒定律；1797年，里希特发现了年，里希特发现了当量定律当量定律。1799年，普鲁斯特年，普鲁斯特提出了提出了定比定律：每种化合定比定律：每种化合物都有一定的组成物都有一定的组成。1805年，年，Dalton提出了提出了原子论原子论.每一种化学元素有一种原子每一种化学元素有一种原子;同种原子质量相同，不同种原子质量不同；同种原子质量相同，不同种原子质量不同；原子是不可再分的。原子是不可再分的。一种原子不会转变为另一种原子，化学反应只一种原子不会转变为另一种原子，化学反应只是改变了原子的结合方式，使反应前的物质变
4、是改变了原子的结合方式，使反应前的物质变成了反应后的物质。成了反应后的物质。优点：优点：合理解释了当时的各个化学基本定律。合理解释了当时的各个化学基本定律。缺点：缺点：不能正确给出许多元素的原子量。不能正确给出许多元素的原子量。总体：总体：原子论极大地推动了化学的发展。原子论极大地推动了化学的发展。1-1-2 1-1-2 Dalton原子论原子论 2.1 元素、原子序数和元素符号；元素、原子序数和元素符号；2.2 核素、同位素和同位素丰度；核素、同位素和同位素丰度；2.3 原子的质量；原子的质量；2.4 元素的相对原子质量（原子量）；元素的相对原子质量（原子量）；2.5 国际单位制、摩尔质量。
5、国际单位制、摩尔质量。元素元素-具有一定具有一定核电荷数核电荷数（等于核内质子数）（等于核内质子数）的原子的原子。原子序数原子序数-按（化学）元素的核电荷数进行排序按（化学）元素的核电荷数进行排序所得的序号；所得的序号；每一种元素有一个用拉丁字母表示的每一种元素有一个用拉丁字母表示的元素符号元素符号。注意：注意：全部元素会读、会写全部元素会读、会写；不要把单质、元素、原子三者混淆不要把单质、元素、原子三者混淆。元素和单质是宏观的概念。元素和单质是宏观的概念。单质是元素存在的一种形式。某些元素可以形成几单质是元素存在的一种形式。某些元素可以形成几种单质，元素只能存在于具体的物质中，脱离具体的物种
6、单质，元素只能存在于具体的物质中，脱离具体的物质，抽象的元素是不存在的。质，抽象的元素是不存在的。原子是微观的概念，元素是一定种类原子的总称。原子是微观的概念，元素是一定种类原子的总称。元素符号既表示一种元素，也表示该元素的一个原子。元素符号既表示一种元素，也表示该元素的一个原子。在讨论物质的结构时，原子这个概念具有量的涵义。如氧在讨论物质的结构时，原子这个概念具有量的涵义。如氧原子可以论个数，也可以论质量。但元素没有这样的涵义原子可以论个数，也可以论质量。但元素没有这样的涵义，它指的是同一种类的原子。如水是由氢氧两种元素组成，它指的是同一种类的原子。如水是由氢氧两种元素组成的，水分子中含有两
7、个氢原子和一个氧原子，不能说成水的，水分子中含有两个氢原子和一个氧原子，不能说成水分子中含有两个氢元素和一个氧元素。分子中含有两个氢元素和一个氧元素。质子数相同而中子数不同的同一元素的不同核素互质子数相同而中子数不同的同一元素的不同核素互称同位素。称同位素。16O、17O、18O同位素同位素稳定核素（同位素）稳定核素（同位素）放射性核素放射性核素(同位素同位素)：能够自发地放射出射线：能够自发地放射出射线核素核素同位素同位素具有一定质子数和一定中子数的原子称为一种核素具有一定质子数和一定中子数的原子称为一种核素核素符号核素符号核素核素168o单核素元素单核素元素:即只有一种稳定核素的元素即只有
8、一种稳定核素的元素.例：例：多核素元素多核素元素:具有几种稳定核素的元素具有几种稳定核素的元素.例：例：元素元素168o178o188o2311Na 113113种元素大多具有放射性核素，其数量达种元素大多具有放射性核素，其数量达16001600多多种，多数为人工制备，稳定核素种，多数为人工制备，稳定核素300300多种。多种。无稳定核无稳定核素素22种种有稳定核素有稳定核素72种种元素元素（113）天然元素天然元素94种种人造元素人造元素19种种 从从95号开始都为人工合成号开始都为人工合成同位素丰度：同位素丰度：某元素的各种某元素的各种天然天然同位素的分数组成（原同位素的分数组成（原子百分
9、比）。子百分比）。例如，例如，自然界中，自然界中，氧的三种同位素丰度为：氧的三种同位素丰度为：f(16O)=99.76%，f(17O)=0.04%，f(18O)=0.20%。氟只有一种核素氟只有一种核素:f(19F)=100%一个原子的质量并不等于构成它的质子和中子一个原子的质量并不等于构成它的质子和中子质量的简单加和。质量的简单加和。其差值称为其差值称为质量亏损质量亏损，等于核子，等于核子结合成原子核释放的能量结合成原子核释放的能量-结合能结合能（单位是（单位是Mev）。）。1 Mev结合能相当于结合能相当于1.78267610-27 g质量亏损质量亏损 由于不同数量的核子结合成原子核释放出
10、来的由于不同数量的核子结合成原子核释放出来的结合能与核子数量不成正比，因而产生了结合能与核子数量不成正比，因而产生了比结合能比结合能的概念。的概念。比结合能比结合能是某原子核的结合能除以其核子数。是某原子核的结合能除以其核子数。比结合能越大，表明原子核越稳定。比结合能越大，表明原子核越稳定。某核素一个原子的质量称为该核素的原子质某核素一个原子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，以以原子质量单位原子质量单位u为单位。为单位。1u等于核素等于核素12C的原子质量的的原子质量的1/12。1u1.660566(9)10-24g 某核素的原子质量与核素某核素的原子质量与核素12C
11、的原子质量的的原子质量的1/12之比称为该之比称为该核素的相对原子质量核素的相对原子质量。它在数值。它在数值上等于核素的原子质量，量纲为一。上等于核素的原子质量，量纲为一。元素的相对原子质量：元素的相对原子质量：一种元素的一种元素的1摩尔质量对摩尔质量对核素核素12C的的 1摩尔质量的摩尔质量的112之比。之比。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）单核素元素的相对原子质量等于该元素的核素）单核素元素的相对原子质量等于该元素的核素的相对原子质量。的相对原子质量。3）多核素元素的相对原子质量等于该元素的各种）多核素元素的相对原子质量等于该元素的各种天然天然同位素相对原子质
12、量的加权平均值，可表示为同位素相对原子质量的加权平均值，可表示为 Ar fiMr,i Ar：代表：代表多核素多核素元素的相对原子质量元素的相对原子质量 fi：同位素丰度，：同位素丰度，Mr,i：同位素相对原子质量。：同位素相对原子质量。注注 意意 比比 较：较：相对分子质量相对分子质量：组成分子的各原子的相对原子质量之和组成分子的各原子的相对原子质量之和 核素的原子质量核素的原子质量 元素的相对原子质量元素的相对原子质量对象对象某元素一种核素一某元素一种核素一个原子的质量个原子的质量某元素天然存在的所有某元素天然存在的所有核素原子的平均质量核素原子的平均质量单位单位 有有 无无数值数值除单一核
13、素元素外，除单一核素元素外，同种元素各核素原同种元素各核素原子质量不同子质量不同一种元素只有一个相对一种元素只有一个相对原子质量原子质量与丰度与丰度 无关无关 有关（经常有修定值）有关（经常有修定值）摩尔质量：摩尔质量：1mol物质的质量称为摩尔质量，用物质的质量称为摩尔质量，用n表示，常用单位表示，常用单位gmol-1。当单位为当单位为gmol-1时时，任何原子、分子或离子的摩尔质量在数值上等，任何原子、分子或离子的摩尔质量在数值上等于其相对原子质量、相对分子质量或相对离子质于其相对原子质量、相对分子质量或相对离子质量。量。思考题：思考题：原子质量标准的发展说明了什么？原子质量标准的发展说明
14、了什么？QuestionQuestion1宇宙之初宇宙之初2氢燃烧氢燃烧3氦燃烧氦燃烧4碳燃烧碳燃烧5过程过程6 e过程过程7重元素的诞生重元素的诞生8大爆炸理论的是非大爆炸理论的是非（宇宙）（宇宙）本节参考：徐光宪院士文集、曹庭礼等译的格林伍德等元素化学。由由10541054年爆发的一颗超年爆发的一颗超新星抛出的气体构成的新星抛出的气体构成的星云星云蟹状星云蟹状星云银银河河大气层大气层1、光谱：、光谱：借助于棱借助于棱镜的色散作镜的色散作用，把复色用，把复色光分解为单光分解为单色光所形成色光所形成的光带的光带.2、连续光谱、连续光谱：由炽热的固体或液体所发出的光：由炽热的固体或液体所发出的光
15、，通过棱镜而得到，通过棱镜而得到一条包含各种波长光的彩色充带一条包含各种波长光的彩色充带叫连续光谱叫连续光谱。如太阳、钢水、灯等所产生的光。如太阳、钢水、灯等所产生的光。红 橙 黄 绿 青 蓝 紫3、线状光谱、线状光谱：由激发态原子气体所发出的光，：由激发态原子气体所发出的光，通过棱镜而得到的由黑暗背景涌显的通过棱镜而得到的由黑暗背景涌显的若干条彩色亮线若干条彩色亮线叫线状光谱叫线状光谱。由于线状光谱是从激发态原子内部发射。由于线状光谱是从激发态原子内部发射出来的，故又叫做出来的，故又叫做原子光谱原子光谱。n=3 红（红（H）n=4 青（青（H）n=5 蓝紫蓝紫 （H）n=6 紫（紫（H）Ba
16、lmer线系线系（1）不连续的线状光谱：从红外到紫外区呈现多条具有特）不连续的线状光谱：从红外到紫外区呈现多条具有特征波长的谱线。征波长的谱线。H、H、H、H为可见光区的主要谱线为可见光区的主要谱线5、氢光谱的特征、氢光谱的特征1522221111()3.289 10()22vR cnn（2）从长波到短波，这几条谱线距离越来越小，表现出明）从长波到短波，这几条谱线距离越来越小，表现出明显的规律性。这几条谱线称显的规律性。这几条谱线称Balmer线系。它们的频率可由以线系。它们的频率可由以下公式表示出来：下公式表示出来：式中式中n：2以上的正整数以上的正整数v：频率：频率R：里德堡常数等于：里德
17、堡常数等于1.09677107m-1（或（或Rc=3.2891015s-1）c：光速：光速 氢原子光谱其它区域谱线的频率也可以氢原子光谱其它区域谱线的频率也可以由类由类似上述公式表示：似上述公式表示：n1、n2为正整数，且为正整数，且n2n1。221211()vR cnn 线系线系n1n2莱曼莱曼Lyman 系系(紫外区紫外区)巴尔麦（巴尔麦（Balmer）系系(可见区可见区)帕邢（帕邢（Paschen）系系(红外区红外区)布莱克特（布莱克特（Brackett）系系芬得（芬得（Pfund）系系123452,3,4,3,4,5,4,5,6,5,6,7,6,7,8,经典电磁理论与经典电磁理论与有核
18、模型解释氢有核模型解释氢光谱遇到的矛盾光谱遇到的矛盾 绕核运动的电子应不停地、绕核运动的电子应不停地、连续地辐射电磁波，得到连续光连续地辐射电磁波，得到连续光谱；由于电磁波的辐射，电子的谱；由于电磁波的辐射，电子的能量逐渐减小，半径会逐渐减小能量逐渐减小，半径会逐渐减小，最终被吸入原子核中。，最终被吸入原子核中。因而，对于氢光谱这样明显的规律性，因而，对于氢光谱这样明显的规律性，时隔几十年都未得到满意的解释，直到时隔几十年都未得到满意的解释，直到1913年，玻尔提出的原子模型假设才成功解释了年，玻尔提出的原子模型假设才成功解释了上述氢原子线状光谱的成因和规律。上述氢原子线状光谱的成因和规律。基
19、基础础我我想到了行想到了行星的轨道，星的轨道，电子排布就电子排布就像它们一样像它们一样爱因斯坦的光子学说爱因斯坦的光子学说 普朗克的量子化学说普朗克的量子化学说 氢原子的光谱实验氢原子的光谱实验 卢瑟福的有核模型卢瑟福的有核模型行星模型行星模型 定态假设定态假设 量子化条件量子化条件 跃迁规则跃迁规则 4条条假假定定1.理论要点理论要点 1）行星模型）行星模型 假定氢原子核外电子是处在一定假定氢原子核外电子是处在一定的线性轨道上绕核运行的。的线性轨道上绕核运行的。2）定态假设）定态假设 假定氢原子核外电子在轨道上运假定氢原子核外电子在轨道上运行时有一定的不变的能量，这种状态称为定态。行时有一定
20、的不变的能量，这种状态称为定态。基态基态-能量最低的定态；能量最低的定态；激发态激发态-能量高于基态的定态。能量高于基态的定态。氢原子基态能量氢原子基态能量=-13.6eV=-2.17910-18J2hnmvrL式中式中 m 和和 v 分别代表电子的质量和线速度分别代表电子的质量和线速度,r 为轨道半径为轨道半径,h 为普朗克常量为普朗克常量,n 叫做叫做量子数量子数,n=1,2,3,4,5,3）量子化条件）量子化条件 假设氢原子核外电子的轨道是不连假设氢原子核外电子的轨道是不连续的，在轨道运行的电子具有一定的角动量，只能按下续的，在轨道运行的电子具有一定的角动量，只能按下式取值：式取值：右图
21、中的这些固定轨道右图中的这些固定轨道,从距核最近的一条轨道算起从距核最近的一条轨道算起,n值分别等于值分别等于1,2,3,4,5,6,7。根。根据假定条件求得据假定条件求得 n=1 时轨道时轨道的半径为的半径为 53 pm,这就是著名这就是著名的的玻尔半径玻尔半径.根据普朗克关系式根据普朗克关系式,该能量差与跃迁过程产生的该能量差与跃迁过程产生的光子的频率互成正比：光子的频率互成正比：E=E2 E1 2121hEEEEh E:轨道的能量轨道的能量：光的频率：光的频率 h:Planck常常量量 4)跃迁规则跃迁规则电子轨道角动量的量子化也意味着电子电子轨道角动量的量子化也意味着电子能量的量子化。
22、能量的量子化。电子吸收光子就会跃迁到能量较高的激电子吸收光子就会跃迁到能量较高的激发态，反之，激发态的电子会放出光子，返回基态或者发态，反之，激发态的电子会放出光子，返回基态或者能量较低的激发态。光子的能量就是跃迁前后两个能级能量较低的激发态。光子的能量就是跃迁前后两个能级的能量之差。的能量之差。n 的物理意义是表示电子的不同能级。电的物理意义是表示电子的不同能级。电子从较高能级跳回到较低能级时，以光子的形子从较高能级跳回到较低能级时，以光子的形式放出能量，就得到了具有一定特征波长的谱式放出能量，就得到了具有一定特征波长的谱线。线。Balmer线系Lyman 系系Paschen系系Bracke
23、tt系系原子能级与光谱原子能级与光谱 n 玻尔理论冲破了经典物理中能量连续变化的束缚玻尔理论冲破了经典物理中能量连续变化的束缚,用量子化解释了经典物理无法解释的原子结构和氢光谱用量子化解释了经典物理无法解释的原子结构和氢光谱的关系的关系,指出指出原子结构量子化的特性；核外电子处于定原子结构量子化的特性；核外电子处于定态时有确定的能量；原子光谱源自核外电子跃迁时的能态时有确定的能量；原子光谱源自核外电子跃迁时的能量变化，量变化，是玻尔理论正确的、合理的内容。是玻尔理论正确的、合理的内容。n 它的缺陷恰恰又在于未能完全冲破经典物理的束缚，它的缺陷恰恰又在于未能完全冲破经典物理的束缚，勉强加入了一些
24、假定。由于没有考虑电子运动的另一重勉强加入了一些假定。由于没有考虑电子运动的另一重要特性要特性波粒二象性，波粒二象性，认为电子在核外的运动采取了认为电子在核外的运动采取了宏观物体的宏观物体的固定轨道，固定轨道，致使玻尔理论在致使玻尔理论在解释氢原子光谱解释氢原子光谱的精细结构、的精细结构、多电子原子的光谱和光谱线在磁场中的分多电子原子的光谱和光谱线在磁场中的分裂等实验结果时，遇到了难于解决的困难。裂等实验结果时，遇到了难于解决的困难。2.优缺点优缺点 5 氢原子结构（核外电子运动）氢原子结构（核外电子运动）的量子力学模型的量子力学模型 1905年，年，Einstein.A运用运用Plank的量
25、子学说成功地解的量子学说成功地解释了光电效应释了光电效应,提出了提出了光子学说光子学说:光是由光子组成的粒子光是由光子组成的粒子流。流。光电效应说明光电效应说明光光不仅有波动性，而且有粒子性，不仅有波动性，而且有粒子性，具具有波粒二象性有波粒二象性。光的波动性是指光能发生衍射和干涉现。光的波动性是指光能发生衍射和干涉现象，有波的特征，可以用波长或频率来描述。光的粒子象，有波的特征，可以用波长或频率来描述。光的粒子性是指光的性质可以用动量来描述。性是指光的性质可以用动量来描述。hPm c波粒二象性表达式波粒二象性表达式 带电荷的带电荷的粒子流粒子流 在光的在光的波粒二象性的启发下，波粒二象性的启
26、发下，1927 1927 年法国科学年法国科学家家德布罗意提出一种假想德布罗意提出一种假想：“过去，对光过分强调过去，对光过分强调波性而忽视它的粒性；现在对微观粒子是否存在另一波性而忽视它的粒性；现在对微观粒子是否存在另一种倾向，即过分强调它的粒性而忽视它的波性种倾向，即过分强调它的粒性而忽视它的波性.”.”德布罗意的预言德布罗意的预言戴维森和革尔麦的电子衍射实验戴维森和革尔麦的电子衍射实验 P:实物粒子的动量实物粒子的动量,m:实物粒子的质量实物粒子的质量,v:实物粒子的运动速度实物粒子的运动速度,h:Planck 常量常量,:实物粒子的波长实物粒子的波长德布罗意关系式德布罗意关系式 德布罗
27、意的德布罗意的“所有实物粒子都具有所有实物粒子都具有跟光一样的波粒二象性跟光一样的波粒二象性”的假定及的假定及电子电子波动性的发现赋予了光的波粒二象性的波动性的发现赋予了光的波粒二象性的关系式以新的内涵，后人称之为关系式以新的内涵，后人称之为德布罗德布罗意关系式：意关系式：3 4/6.6 2 61 0JsPmhhQuestionQuestion波粒二象性是否只有微观粒子才具有？波粒二象性是否只有微观粒子才具有？微观粒微观粒子电子：子电子：316719.10 10kg,10 10 m.smv6110 m s,736 pm71 10 m s,73.6 pmhm 由宏观物宏观物体子弹：体子弹：m=1
28、.0 10-2 kg,=1.0 103 m s-1,=6.6 10-23 pm 由于宏观物体的波长极短以致无法测量，由于宏观物体的波长极短以致无法测量，也就难以察觉，主要表现为粒子性，服从经典也就难以察觉，主要表现为粒子性，服从经典力学的运动规律。而对高速运动着的质量极小力学的运动规律。而对高速运动着的质量极小的微粒的微粒,如核外电子如核外电子,就不能不考察其波动性。就不能不考察其波动性。电电子子双双缝缝衍衍射射实实验验 图图a是几个电子穿过后形成的图象，图是几个电子穿过后形成的图象，图b是几十个电子穿是几十个电子穿过后形成的图象。随着入射电子总数的增多，衍射图样过后形成的图象。随着入射电子总
29、数的增多，衍射图样依次如依次如c、d 图所示图所示。对电子波动性的统计学解释对电子波动性的统计学解释 电子波是概率波电子波是概率波 一次只发射一次只发射一个电子一个电子，屏上开始出现屏上开始出现随机随机的的光斑光斑分布，分布，长时间长时间后出现后出现衍射条纹衍射条纹。光斑光斑说明粒子性，但说明粒子性，但随机随机说明统计性，故电子不是经说明统计性，故电子不是经典粒子，而是统计意义上的粒子。典粒子，而是统计意义上的粒子。衍射条纹衍射条纹说明波动性，但只有说明波动性，但只有长时间长时间才有统计性，故才有统计性，故不是经典波动，而是统计意义上的波动；不是经典波动，而是统计意义上的波动；电子在衍射时的去
30、向是完全不确定的，一个电子到达电子在衍射时的去向是完全不确定的，一个电子到达何处完全是概率事件。在衍射时，成千上万的电子落点的何处完全是概率事件。在衍射时，成千上万的电子落点的分布是一种概率分布，电子衍射图像正是这种概率分布的分布是一种概率分布，电子衍射图像正是这种概率分布的体现。电子出现概率大的地方，出现亮的条纹，即衍射强体现。电子出现概率大的地方，出现亮的条纹，即衍射强度大的地方。反之，电子出现概率小的地方，出现暗的条度大的地方。反之，电子出现概率小的地方，出现暗的条纹，衍射强度就小。所以，纹，衍射强度就小。所以，电子波是概率波电子波是概率波，只反，只反映电子在空间各区域出现的概率大小映电
31、子在空间各区域出现的概率大小。5-3 5-3 海森堡不确定原理海森堡不确定原理 因为微观粒子所具有的波动性，它们的运动无确因为微观粒子所具有的波动性，它们的运动无确定轨迹可言定轨迹可言，即微观粒子在一确定的时间没有一确定即微观粒子在一确定的时间没有一确定的位置。的位置。例：对于一个质量为例：对于一个质量为1g的宏观物体，若位置不准确量的宏观物体，若位置不准确量不超过不超过1微米（微米（10-6m），），求速度的不准确量为多少？求速度的不准确量为多少？x 粒子的位置不确定量粒子的位置不确定量 P粒子的动量不确定量粒子的动量不确定量x P h/(4)不确定不确定关系式：关系式：解：解：xP=xmv
32、h/(4)=5.27310-35 kgm2s-1 v5.27310-26ms-1这个值已超出可测量范围。这个值已超出可测量范围。测不准关系对宏观物体不起作用。测不准关系对宏观物体不起作用。例：根据玻尔理论，氢原子核外电子基态的轨道半径是例：根据玻尔理论，氢原子核外电子基态的轨道半径是53 pm，电子的运动速度是，电子的运动速度是2.18107 ms-1,质量为质量为910-31 kg，假设我们对电子速度的测量偏差小到，假设我们对电子速度的测量偏差小到1%,电子的运动坐电子的运动坐标的测量误差是多少？标的测量误差是多少？解解:P=mv10-25 kgms-1 x=5.27310-35kgm2s-
33、1/(10-25kgms-1)=260 pm 这意味着这个电子在相当于这意味着这个电子在相当于Bohr半径约半径约5倍的内外空间里都可以找到，玻尔半径和线性倍的内外空间里都可以找到，玻尔半径和线性轨道就成了无稽之谈。因此轨道就成了无稽之谈。因此,不可能存在不可能存在 Bohr 模型中像行星绕太阳那样的固定的电子轨道。模型中像行星绕太阳那样的固定的电子轨道。但是，测不准关系不是限制人们的认识限但是，测不准关系不是限制人们的认识限度，而是限制经典力学的适用范围，说明微观度，而是限制经典力学的适用范围，说明微观体系的运动有更深刻的规律在起作用，这就是体系的运动有更深刻的规律在起作用，这就是量子力学所
34、反应的规律量子力学所反应的规律.通过例题可以说明：通过例题可以说明：要同时测准电子的位置和速度是不可能的；要同时测准电子的位置和速度是不可能的；用测不准原理可区分宏观与微观粒子。用测不准原理可区分宏观与微观粒子。对于不能同时确定其位置与速度的微观粒子，并非对于不能同时确定其位置与速度的微观粒子，并非无法对它的运动方式进行描述了，而是需要换一种描述无法对它的运动方式进行描述了，而是需要换一种描述方式方式,即用即用“概率概率”来描述。来描述。具有波粒二象性的电子，具有波粒二象性的电子，它们在核外空间的运动没它们在核外空间的运动没有确定的轨道，只有一定的空间概率分布，即电子的波有确定的轨道，只有一定
35、的空间概率分布，即电子的波动性与其微粒运动的统计规律相联系动性与其微粒运动的统计规律相联系,反映了微观粒子反映了微观粒子在空间各区域出现的概率大小在空间各区域出现的概率大小。因此。因此,电子波是概率波电子波是概率波,是性质上不同于光波的一种波是性质上不同于光波的一种波,是具有一定波长的德是具有一定波长的德布罗意波布罗意波.因此，欲用适用于宏观世界的经典物理中因此，欲用适用于宏观世界的经典物理中“波波”或或“粒子粒子”的概念，来给电子的行为以恰当的描述是不可的概念，来给电子的行为以恰当的描述是不可能的，只能用量子力学来描述。能的，只能用量子力学来描述。量子力学的轨道概念与量子力学的轨道概念与电子
36、在核外空间出现概率最多的区域相联系电子在核外空间出现概率最多的区域相联系.结结 论论5-4 氢原子的量子力学模型氢原子的量子力学模型 量子力学模型是迄今最成功的量子力学模型是迄今最成功的原子结构模型原子结构模型,它是以它是以海森堡海森堡(Heisenberg W)和和薛定锷薛定锷(Schrodinger E)为代表的科学家们通过数学方法处理原子为代表的科学家们通过数学方法处理原子中电子的波动性而建立起来的中电子的波动性而建立起来的.该模型不该模型不但能够预言氢的发射光谱但能够预言氢的发射光谱(包括玻尔模型无包括玻尔模型无法解释的谱线法解释的谱线),),而且也适用于多电子原子而且也适用于多电子原
37、子,从而更合理地说明了核外电子的排布方式从而更合理地说明了核外电子的排布方式.1.薛定谔方程和波函数薛定谔方程和波函数微观粒子的波动性是与微观粒子的波动性是与大量微粒运动的统计规律相大量微粒运动的统计规律相联系的，反映了微观粒子在联系的，反映了微观粒子在空间各区域出现的概率大小空间各区域出现的概率大小。换言之。换言之,微观粒子的波就微观粒子的波就是概率波，它与机械波不同是概率波，它与机械波不同，是三维空间的波，是三维空间的波.19261926年年,为了描述电子的运动规律，年为了描述电子的运动规律，年仅仅2626岁的奥地利物岁的奥地利物理学家薛定谔建立了著名的微观粒子的波动方程：理学家薛定谔建立
38、了著名的微观粒子的波动方程：222222228()mEVxyzh 2.2.薛定谔方程与量子数薛定谔方程与量子数：空间直角坐标zyx,常数：Planckh：势能V：能量E波函数：质量m定态电子的总能量定态电子的总能量求解薛定谔方程求解薛定谔方程,就是求得波函数就是求得波函数和能量和能量E解得的解得的不是具体的数值不是具体的数值,而是包括三个常数而是包括三个常数(n,l,m)和三个变量和三个变量(r,)的函数式的函数式n,l,m(r,);为了得到合理解为了得到合理解,三个常数项只能按一定规则三个常数项只能按一定规则取值取值,称它们为量子数称它们为量子数.有合理解的函数式叫做有合理解的函数式叫做波函
39、数波函数,它们以它们以n,l,m 的合理取值为前提。的合理取值为前提。波动方程的成功波动方程的成功:轨道能量的量子化不需轨道能量的量子化不需在建立数学关系式时事先假定在建立数学关系式时事先假定.每个波函数对应于每个波函数对应于核外电子的一个定态、核外电子的一个定态、一种空间运动状态。通常称一种空间运动状态。通常称原子中一个电子的原子中一个电子的可能的空间运动状态为原子轨道可能的空间运动状态为原子轨道。而这些原子。而这些原子轨道各由一个波函数来描述。这里的轨道，不轨道各由一个波函数来描述。这里的轨道，不是经典力学意义上的轨道，而是服从统计规律是经典力学意义上的轨道，而是服从统计规律的量子力学意义
40、上的轨道，可以理解为的量子力学意义上的轨道，可以理解为电子在电子在核外空间出现概率最多的区域核外空间出现概率最多的区域。薛定谔方程合理的解薛定谔方程合理的解=波函数波函数=原子轨道原子轨道波函数以及量子数波函数以及量子数 n、l、m、ms 电子的运动状态可由电子的运动状态可由Schrdinger方程解得的方程解得的波波函数函数 来描述。来描述。为得到电子运动状态的合理解，在为得到电子运动状态的合理解，在解解Schrdinger方程时，我们得到了三个量子数方程时，我们得到了三个量子数 n、l、m，第四个量子数第四个量子数ms是根据后来的理论和实验要是根据后来的理论和实验要求引入的，取值范围分别为
41、：求引入的，取值范围分别为：n=1,2,3,l =0,1,2,n-1 m=0,1,2,l ms=1/2J10179.2218nE3.3.描述电子运动状态的描述电子运动状态的四个量子数四个量子数（1）主量子数主量子数 n(principal quantum number)取值：取值：n=1 2 3 4 5 6 7大于大于1的正整数的正整数 主要决定电子运动状态的能量主要决定电子运动状态的能量E 亦决定电子离核的远近亦决定电子离核的远近 对于氢原子，电子能量唯一决定于对于氢原子，电子能量唯一决定于n。不同的不同的n 值，对应于不同的能层值，对应于不同的能层能层顺序能层顺序:能层名称能层名称:（2）
42、角量子数角量子数 l(angular momentum quantum umber)l 决定电子在核外运动角动量的大小因而得名，决定电子在核外运动角动量的大小因而得名，它说明原子中电子运动的角动量也是量子化的。它说明原子中电子运动的角动量也是量子化的。l 决决定定的角度函数的形状，即的角度函数的形状，即决定原子轨道决定原子轨道(电子云电子云)的的形状形状。对于多电子原子对于多电子原子,l 也与也与E 有关。有关。l 的取值的取值 0，1，2，3n-1 能级能级 s,p,d,f.The allowed values for angular momentum quantum number,lnl1
43、234subshell symbol0000s111p22d3fs 轨道轨道球形球形l =0 用用s表示表示 球形球形py 轨道轨道哑铃形哑铃形l =1 用用p表示表示 哑铃形哑铃形d 轨道有两种形状轨道有两种形状花瓣形（花瓣形（4个为个为4个瓣，个瓣，1个个为为2个瓣）个瓣）l =2 用用d表示表示l =3 用用 f 表示表示 花瓣形花瓣形f 轨道有轨道有三三种形状种形状 l =4 用用 g 表示表示本课程不要求记住本课程不要求记住 f、g 轨道轨道具体形状具体形状!l 确定原子轨道（电子云）的形状确定原子轨道（电子云）的形状意义：意义：多电子原子中，多电子原子中，l 和和n一起决定电子的能
44、量一起决定电子的能量n相同相同 l 不同不同 l 大，大，E大；大；n不同不同 l 相同相同n大，大，E大。大。例、例、n=3，l=0、1、2时时 E3dE3p E3s n、l 都不同，后面课程讨论。都不同，后面课程讨论。l 代表能级，代表能级，n和和l 相同的电子为一个能级相同的电子为一个能级如果将如果将n相同的电子称为一个能层，则相同的电子称为一个能层，则 l 表示表示 同一能层同一能层中具有不同状态的能级。如中具有不同状态的能级。如1s能级、能级、2p能级。能级。n=1，l=0；第一能层（第一能层（K）有一个能级（）有一个能级（1s）n=2，l=0，1；第二能层（第二能层（L）有二个能级
45、（）有二个能级（2s、2p）n=2，l=0,1,2；第三能层（第三能层（M）有三个能级（）有三个能级（3s、3p、3d）决定决定的的角度函数的空间取向角度函数的空间取向，即，即决定决定原原子轨道（电子云）的空间取向子轨道（电子云）的空间取向 m可取可取 0，1,2l n和和l相同时的轨道互为等价（简并）轨道相同时的轨道互为等价（简并）轨道（3 3）磁量子数磁量子数m (magnetic quantum number)The allowed values for magnetic quantum number,mlmnumber of orbital 0(s)1(p)2(d)3(f)0 1 0
46、1 2 1 0 1 2 3 2 1 0 1 2 31357s s 轨道轨道(l l=0,=0,m m=0)=0):m m 一一种取值种取值,一种一种空间取向空间取向,一一个个 s s 轨道轨道.p 轨道轨道(l =1,=1,m=+1,0,-1)=+1,0,-1)m 三种取值三种取值,三种三种空间空间取向取向,三三个个等价等价(简并简并)p 轨道轨道.d 轨道轨道(l=2,m=+2,+1,0,-1,-2):m五五种取值种取值,五种五种空间取向空间取向,五五个个等价等价(简并简并)d 轨道轨道.f 轨道轨道(l=3,m=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3):m 七种取值七种取值,七种空间取向七
47、种空间取向,七七个个等价等价(简并简并)f 轨道轨道.本课程不要求记住本课程不要求记住 f 、g 轨道轨道具体形具体形状状 g 轨道轨道：m九九 种取值，九种取值，九种空间取向种空间取向,九九个个等价等价(简并简并)g 轨道轨道.由上面的讨论知道由上面的讨论知道 n,l,m 一定一定,轨道也确定轨道也确定 n=2,l=0,m=0,2s n=2,l=1,m=0,2pz n=3,l=1,m=0,3pz n=3,l=2,m=0,3dz2换句话说换句话说：三个量子数三个量子数(n,l,m)确定电子的一确定电子的一个空间运动状态，一个原子轨道个空间运动状态，一个原子轨道 写出量子数写出量子数 n=4,l
48、=2,m=0 的原子轨道名称的原子轨道名称.原子轨道是由原子轨道是由 n,l,m 三个量子数决定的三个量子数决定的。与与 l=2 对应的对应的轨道是轨道是 d 轨道轨道，因为因为n=4，应为应为4d 轨道轨道。磁量子数磁量子数 m=0 在在轨道名称中得不到反映轨道名称中得不到反映,但根据我们迄今学过的知识但根据我们迄今学过的知识,m=0 表表示该示该4d 轨道是不同伸展方向的轨道是不同伸展方向的5条条4 4d 轨道之一轨道之一.Representations of the five d orbitals（4 4）自旋量子数）自旋量子数 ms(spin quantum number)电子自旋只有
49、两种可能的方电子自旋只有两种可能的方向向顺时针和逆时针；顺时针和逆时针；ms 取值取值+1/2和和-1/2，分别用，分别用和和表示表示；产生方向相反的磁场；产生方向相反的磁场；自旋相反的一对电子自旋相反的一对电子,磁场相磁场相 互抵消互抵消.想象中的电子自旋想象中的电子自旋屏幕屏幕窄缝窄缝钠原子流钠原子流炉炉不均匀磁场不均匀磁场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相对应（自然也有与一套量子数相对应（自然也有1个能量个能量Ei)n lm ms结结 论：论：四个量子数四个量子数(n,l,m,ms)确定一个电子运动状态确定一个电子运动状态 四个量子数和电子运动状态四个
50、量子数和电子运动状态主主量量子数子数 n角角量子数量子数 l磁量子数磁量子数 m自旋磁量子自旋磁量子数数 ms电子电子可能可能运动运动状态状态数数取值取值取取值值能级能级符号符号取取值值原子轨道原子轨道取值取值符号符号符号符号总总数数101s01s1 1/22202s02s4 1/2812p02pz 1/2 12px 1/22py 1/2各能层可能的原子轨道数（空间运动状态数）各能层可能的原子轨道数（空间运动状态数）n2，可能的运动状态数可能的运动状态数2n2Name名称名称Symbol符号符号Values取值取值Meaning表示表示Indicates指明指明principle主量子数主量子
