1、第一章第一章 原子结构原子结构本章主要内容：本章主要内容：微观粒子（电子）的波粒二象性，氢原子的波函数，微观粒子（电子）的波粒二象性，氢原子的波函数，概率密度和电子云，概率密度和电子云，核外电子的运动状态，核外电子的运动状态，四个量子四个量子数；数；多电子原子的原子结构，核外电子排布规律，元素周多电子原子的原子结构，核外电子排布规律，元素周期表期表1936化学化学 与儿子与儿子1914物理物理 1921物理，物理，在上海收到在上海收到 1933物理物理1927物理物理1945物理物理1932物理物理1954物理物理1922物理物理1921物理物理1903物理物理1911化学化学与塞曼与塞曼19
2、02物理物理1927年索尔维会议年索尔维会议哥本哈根学派哥本哈根学派明星主持人明星主持人德布罗意1929物理物理居里夫人，波兰，居里夫人，波兰，1867-1934全球第一个女博士全球第一个女博士巴黎大学第一位女教授巴黎大学第一位女教授第一位获第一位获Nobel奖的女性奖的女性第一位两次获第一位两次获Nobel奖的科学家奖的科学家1903年，因发现钋年，因发现钋Po和镭，和镭，Nobel物理奖物理奖1911年，年，Nobel化学奖化学奖 碳原子半径为 1.5 x 10-10 m（0.15nm）.原子是不可能由普通显微镜观测的(1 000).扫描隧道显微镜 Scanning Tunneling M
3、icroscope(STM)X-ray 衍射实验.第一节第一节 氢原子结构氢原子结构的玻尔的玻尔(Bohr)模模型型原子结构的认识史原子结构的认识史道尔顿道尔顿汤姆逊汤姆逊卢瑟福卢瑟福玻尔理论玻尔理论薛定谔薛定谔道尔顿原子理论(1803)1一切物质都是由非常微小的粒子一切物质都是由非常微小的粒子-原子所组成。在原子所组成。在所有化学变化中，原子都保持自己的独特性质。原所有化学变化中，原子都保持自己的独特性质。原子不能自生自灭，也不能再分。子不能自生自灭，也不能再分。2种类相同的原子，在质量和性质上完全相同；种类种类相同的原子，在质量和性质上完全相同；种类不同的原子，它们的质量和性质都不相同。不
4、同的原子，它们的质量和性质都不相同。3单质是由简单原子组成的，化合物是由单质是由简单原子组成的，化合物是由“复杂原子复杂原子”组成的，而组成的，而“复杂原子复杂原子”也是由简单原子组成的。也是由简单原子组成的。4原子间以简单数值比互相化合。例如，两种原子相原子间以简单数值比互相化合。例如，两种原子相化合时，其数值比常成化合时，其数值比常成1：1或或1：2、2：1、2：3等简单的整数比。等简单的整数比。1801，气体分压定律，气体分压定律 汤姆森(英国英国)原子模型(1897)电子是嵌入正电荷的电子是嵌入正电荷的对电子在阴极射线管中的偏移做了定量研究后，应用简单的电磁理论得到荷质比.早期原子模型
5、早期原子模型1906年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖卢瑟福原子模型(1911)a粒子衍射实验粒子衍射实验实验的结果显示，几乎所有撞击金箔的实验的结果显示，几乎所有撞击金箔的粒子均直线通过，好像没有金箔存在似地，仅有粒子均直线通过，好像没有金箔存在似地，仅有极少数的极少数的粒子产生大角度的偏转。由此认为，原子大部分的体积应该是空无一物，而质粒子产生大角度的偏转。由此认为，原子大部分的体积应该是空无一物，而质量则集中在极小空间称为原子核，带负电荷的电子在原子核四周运动，原子核则带相同量则集中在极小空间称为原子核，带负电荷的电子在原子核四周运动，原子核则带相同数量的正电荷，以维持原子的电中性。数量的
6、正电荷，以维持原子的电中性。行星模型行星模型发现发现和和粒子，放射性元素反射过粒子，放射性元素反射过程的本质（程的本质（1908，Nobel化学奖），化学奖），提出半衰期，发现原子核提出半衰期，发现原子核原子结构的基本组成：原子结构的基本组成：原子原子（10-10米）米）原子核原子核（10-14米）米）电子（电子（10-15米）带负电米）带负电中子（不带电）中子（不带电）质子（带正电）质子（带正电）经典的电磁理论，绕核高速运动的电子经典的电磁理论，绕核高速运动的电子将不断以电磁波的形式发射出能量，导致两种结果：将不断以电磁波的形式发射出能量，导致两种结果：1.1.电子不断发射能量，自身能量不断
7、减少，电子运动电子不断发射能量，自身能量不断减少，电子运动的轨道半径逐渐缩小，电子很快会落在原子核上，的轨道半径逐渐缩小，电子很快会落在原子核上，有核原子模型所表示的原子是一个不稳定的体系。有核原子模型所表示的原子是一个不稳定的体系。2.2.电子自身能量逐渐减少，电子绕核旋转的频率也要电子自身能量逐渐减少，电子绕核旋转的频率也要逐渐改变。辐射电磁波的频率随着旋转频率的改变逐渐改变。辐射电磁波的频率随着旋转频率的改变而改变，则原子发射的光谱是连续光谱。而改变，则原子发射的光谱是连续光谱。卢瑟福模型的一些问题卢瑟福模型的一些问题 事实上原子是事实上原子是稳定存在稳定存在的，原子光谱是的，原子光谱是
8、线状光谱线状光谱。这些矛盾是经典理论所不能解释的。这些矛盾是经典理论所不能解释的。原子线状光谱原子线状光谱 太阳光或白炽灯，发出混合光，经三棱镜折射，太阳光或白炽灯，发出混合光，经三棱镜折射，分成红、橙、黄、绿、蓝、紫等不同波长的光，得分成红、橙、黄、绿、蓝、紫等不同波长的光，得到的光谱是连续光谱。到的光谱是连续光谱。例氢原子的重要性氢原子的重要性 氢原子是最简单的原子氢原子是最简单的原子 氢原子是解读物质结构的天然理想模型氢原子是解读物质结构的天然理想模型 现代量子理论对氢原子的理论研究现代量子理论对氢原子的理论研究与实验符合完美与实验符合完美 现代量子理论对氢原子的理论研究结果经拓展后与现
9、代量子理论对氢原子的理论研究结果经拓展后与类氢微粒类氢微粒He+、Li2+是也能符合是也能符合 现代量子理论也可以近似描述复杂原子，是认识复现代量子理论也可以近似描述复杂原子，是认识复杂原子体系结构的基础杂原子体系结构的基础近代原子结构理论：氢原子光谱近代原子结构理论：氢原子光谱19131913年，年，玻尔玻尔，NeilsNeils Bohr Bohr，丹麦，丹麦1922 年年,诺贝尔奖诺贝尔奖与爱因斯坦比肩的伟大科学家与爱因斯坦比肩的伟大科学家 在在普朗克（普朗克（Planck）的量子论，的量子论，爱因斯坦爱因斯坦光子光子学说和学说和卢瑟福卢瑟福有核原子模型基础上，提出了有核原子模型基础上，
10、提出了玻尔定玻尔定态原子结构理论态原子结构理论，初步解释了氢原子线状光谱产生，初步解释了氢原子线状光谱产生的原因和光谱的规律性，建立了关于原子结构的初的原因和光谱的规律性，建立了关于原子结构的初步量子理论（旧量子论）。步量子理论（旧量子论）。在经典力学的基础在经典力学的基础上，人为的引入了上，人为的引入了量子化条件，不能量子化条件，不能正确的反应微观粒正确的反应微观粒子的运动规律。子的运动规律。原子被假设为一原子被假设为一个正电荷的核被脉冲个正电荷的核被脉冲电子波所包围；电子电子波所包围；电子也有一定能级，但并也有一定能级，但并不遵循一定的轨道，不遵循一定的轨道，而是在核周围一定空而是在核周围
11、一定空间区域内能找到的概间区域内能找到的概率，这些空间区域被率，这些空间区域被称为称为“轨道轨道”。原子的现代模型原子的现代模型核外电子运动状态的量子力学方程核外电子运动状态的量子力学方程 1926，薛定谔薛定谔，ESchrdinger，奥地利，奥地利 根据根据德布罗意德布罗意关于物质波的观点，首先提出关于物质波的观点，首先提出了描述核外电子运动状态的量子力学方程，确立了描述核外电子运动状态的量子力学方程，确立了近代原子结构理论。了近代原子结构理论。汤姆森汤姆森卢瑟福卢瑟福普朗克普朗克玻尔玻尔德布罗意德布罗意海森堡海森堡薛定谔薛定谔小爱小爱一、一、Bohr模型建立的基础模型建立的基础1.氢光谱
12、氢光谱线状光谱线状光谱2.能量量子化能量量子化3.光子学说光子学说普朗克普朗克量子论，量子论，1900年年 德国人，擅长多项科目，出色的钢琴演奏家，德国人，擅长多项科目，出色的钢琴演奏家，21岁拿博士，物理学全才，一生反对纳粹。岁拿博士，物理学全才，一生反对纳粹。1918年，其量子假说被确证，年，其量子假说被确证，1921年拿年拿Nobel。量子力学之父，量子力学之父，他所做的起始突破非常重要，他所做的起始突破非常重要，使人们在思想上摆脱了先前的错误概念。因此他使人们在思想上摆脱了先前的错误概念。因此他的继承人才能创立出今天这样完美的学说。的继承人才能创立出今天这样完美的学说。i.物质吸收或发
13、射的能量是不连续的，是量子化的，物质吸收或发射的能量是不连续的，是量子化的，只能采取一个最小能量单位（只能采取一个最小能量单位（0）的整数倍，即）的整数倍，即0、20、30 n0 的吸收或发射。的吸收或发射。ii.这个最小的能量单位这个最小的能量单位0称为能量子，其数值为：称为能量子，其数值为：0=hiii.1905年，年，爱因斯坦爱因斯坦提出提出光子学说光子学说：光由光子组成，光的吸收或发射也不是连续的，光由光子组成，光的吸收或发射也不是连续的，只能以光能的最小单位光子的整数倍进行。只能以光能的最小单位光子的整数倍进行。能量量子化的概念只有在微观领域才有意义。能量量子化的概念只有在微观领域才
14、有意义。光的波粒二象性：光的波粒二象性：光不仅具有波动性，而且具有粒子性。光不仅具有波动性，而且具有粒子性。光在传播过程中，波动性比较明显，如光的光在传播过程中，波动性比较明显，如光的衍射、干涉现象。衍射、干涉现象。当光与实物作用时，微粒性比较明显，如光当光与实物作用时，微粒性比较明显，如光电效应。电效应。二、二、Bohr模型模型波尔理论的假设波尔理论的假设 电子绕核旋转，库仑引力产电子绕核旋转，库仑引力产生向心加速度生向心加速度1)波尔量子化条件，波尔量子化条件，Bohrs Quantum Conditions 电子运动的角动量电子运动的角动量L（Lmr）必须等于）必须等于h/2的整数倍。的
15、整数倍。,3,2,12nhnrmm 电子的质量电子的质量 电子运动的速度电子运动的速度r 电子运动轨道的半径电子运动轨道的半径2)定态假设定态假设 由于电子运动的轨道是不连续的，所以原子体系由于电子运动的轨道是不连续的，所以原子体系只能具有一系列不连续的能量状态。在这些状态中，只能具有一系列不连续的能量状态。在这些状态中，电子绕核作圆周运动，既不辐射也不吸收能量。电子绕核作圆周运动，既不辐射也不吸收能量。定态定态,stationary state:在这些轨道上运动的电子所处的状态在这些轨道上运动的电子所处的状态 基态基态,ground state:能量最低的定态能量最低的定态 激发态激发态,e
16、xcited state:能量较高的定态能量较高的定态 电子在离核最近的轨道上运动时，原子的能量最电子在离核最近的轨道上运动时，原子的能量最低，处于基态。低，处于基态。原子获得能量，电子可以跃迁到离核较远的轨道原子获得能量，电子可以跃迁到离核较远的轨道（较高能量的轨道）上，原子和电子处于激发态。（较高能量的轨道）上，原子和电子处于激发态。氢原子的稳定性：氢原子的稳定性：在通常情况下，氢原子中的电子在特定的稳定轨在通常情况下，氢原子中的电子在特定的稳定轨道上运动，并不放出能量，因此通常原子并不会发光，道上运动，并不放出能量，因此通常原子并不会发光，也不会自发毁灭。也不会自发毁灭。3)频率假设频率
17、假设 原子由某一定态跃迁到另一定态时，就要吸原子由某一定态跃迁到另一定态时，就要吸收或放出一定频率的光。光的能量等于这两个定态收或放出一定频率的光。光的能量等于这两个定态的能量差。的能量差。12EEh电子绕核做圆周运动的电子绕核做圆周运动的轨道半径和能量轨道半径和能量Orbital Radii and Energies(for the Hydrogen Atom),3,2,142222nnmehr,3,2,1122242nnhmeE 氢原子体系的能量状态和电子氢原子体系的能量状态和电子绕核作圆周运动的轨道半径是一系绕核作圆周运动的轨道半径是一系列由列由n决定的不连续的数值。这种决定的不连续的数
18、值。这种量子化的能量状态称为能级。量子化的能量状态称为能级。能级能级n1时，基态，时，基态，r15.2910-11m(52.9pm)，玻尔半径玻尔半径。E12.179910-18J，-13.6eV123456波长波长氢原子光谱的一部分氢原子光谱的一部分氢原子光谱的产生原因和规律性氢原子光谱的产生原因和规律性Bohr的原子结构理论的原子结构理论：1.核外电子只能在有确定半径和能量的轨道核外电子只能在有确定半径和能量的轨道上运动，且不辐射能量。上运动，且不辐射能量。2.通常，电子处在离核最近的轨道上，能量通常，电子处在离核最近的轨道上，能量最低最低基态；基态；原子得能量后，电子被激原子得能量后，电
19、子被激发到高能轨道上，原子处于激发态。发到高能轨道上，原子处于激发态。3.从激发态回到基态释放光能，光的频率取从激发态回到基态释放光能，光的频率取决于轨道间的能量差。决于轨道间的能量差。波尔理论是一个伟大的成就，获得了波尔理论是一个伟大的成就，获得了1922年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。局限性局限性 只能成功解释只能成功解释H原子和类氢离子原子和类氢离子 不能解释氢原子的精细光谱不能解释氢原子的精细光谱 根本原因是它没有摆脱经典力学的束根本原因是它没有摆脱经典力学的束缚，虽引入量子化条件，但仍将电子缚，虽引入量子化条件，但仍将电子视为有固定轨道的宏观粒子，没有认视为有固定轨道的宏观粒子，没有认识到电
20、子运动的波动性。识到电子运动的波动性。Niels Bohr(1885-1962)一、微观粒子运动的基本特征一、微观粒子运动的基本特征1.波粒二象性波粒二象性 wave-particle duality2.不确定原理，测不准原理不确定原理，测不准原理 uncertainty principle3.波函数波函数 wave functions 第二节第二节 氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型一、一、微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性(一一)微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性(光）光）光的光的波动性波动性（波长）（波长）和光的和光的微粒性微粒性p（动量）（动量）之间有如下关系
21、式：之间有如下关系式：hmchp或m 光子的运动质量光子的运动质量c 光速光速粒子性粒子性波动性波动性(二二)物质波假设物质波假设 法国年轻的物理学家法国年轻的物理学家 Louis de Broglie (1892 1987)，因发现电子的波动性，获得，因发现电子的波动性，获得1929年年诺贝尔物理学奖。出生于法国迪耶普城一个古老而显赫诺贝尔物理学奖。出生于法国迪耶普城一个古老而显赫的贵族世家，有的贵族世家，有亲王亲王头衔。头衔。1924年，年，观点：所有运动着的物体（包括所有的观点：所有运动着的物体（包括所有的微观粒子）都具有波动的性质（地球也会波动！）。微观粒子）都具有波动的性质（地球也会
22、波动！）。1927年此理论被证实是正确的。年此理论被证实是正确的。从而他于从而他于1929年获得诺贝尔物理年获得诺贝尔物理学奖。学奖。实验：电子束通过镍箔时，可得到衍射图。实验：电子束通过镍箔时，可得到衍射图。De Broglie(1924)认为电子具有波的性质认为电子具有波的性质:mhph/物质波公式，物质波公式，de Broglie关系式关系式 代表波动性，称为代表波动性，称为物质波或物质波或德布罗意波德布罗意波p代表物质的粒子性代表物质的粒子性1927年，美国物理学家戴维森（年，美国物理学家戴维森（CJDavisson）和）和革默（革默（LSGermer），电子衍射实验），电子衍射实验:
23、【例【例1-1】(1)电子在电子在1V电压下的速度为电压下的速度为5.95105 m.s-1，电子质量电子质量m 9.110-31 kg，h为为6.62610-34 kg.m2.s-1，电子波的波长是多少？电子波的波长是多少？(2)质量质量1.010-8 kg的沙粒以的沙粒以1.010-2 m.s-1速度运动，波长是多少？速度运动，波长是多少？解解:m102.1sm109.5kg101.9smkg10626.6mvh9153112341 m106.6sm100.1kg100.1smkg10626.6mvh2412812342 由上例可知由上例可知:宏观物体质量大，波长很小，一般只表现出宏观物体
24、质量大，波长很小，一般只表现出粒子性；而微观粒子质量小，其德布罗意波不能忽略。粒子性；而微观粒子质量小，其德布罗意波不能忽略。波粒二象性是微观粒子的基本属性和特征。物质波是大量粒子在统计行为下的几率波。二、二、测不准原理（不确定原理）与微观粒子运动的统计测不准原理（不确定原理）与微观粒子运动的统计性规律性规律 海森堡，海森堡，Werner Heisenberg,德国，德国，1927 海森堡（海森堡（1901年年1976年），德国著名物理年），德国著名物理学家，学家，量子力学的创立人量子力学的创立人。他于。他于20世纪世纪20年代创立年代创立的量子力学，可用于研究电子、质子、中子以及原的量子力学
25、，可用于研究电子、质子、中子以及原子和分子内部的其它粒子的运动，从而引发了物理子和分子内部的其它粒子的运动，从而引发了物理界的巨大变化，开辟了界的巨大变化，开辟了20世纪物理时代的新纪元。世纪物理时代的新纪元。为此，为此，1932年，他获得诺贝尔物理奖，成为继爱因年，他获得诺贝尔物理奖，成为继爱因斯坦和波尔之后的世界级的伟大科学家。斯坦和波尔之后的世界级的伟大科学家。“世界只在两件事情上还会想到我：一是我于世界只在两件事情上还会想到我：一是我于1941年到哥本哈根拜访过尼尔斯年到哥本哈根拜访过尼尔斯玻尔，二是我的测玻尔，二是我的测不准原理不准原理”。这是海森堡经常挂在嘴边的话。这是海森堡经常挂
26、在嘴边的话。微观粒子，不能微观粒子，不能同时准确测量其位置和动量。同时准确测量其位置和动量。具有波动性的粒子没有确定的运动轨道或轨迹。具有波动性的粒子没有确定的运动轨道或轨迹。微观粒子不同于宏观物体微观粒子不同于宏观物体,它们的运动是无轨迹的，它们的运动是无轨迹的，即在一确定的时间没有一确定的位置。即在一确定的时间没有一确定的位置。x px h/4或或 x h/4m p 粒子动量的不准确量粒子动量的不准确量 x 粒子的位置不准确量粒子的位置不准确量 粒子的粒子的运动速度运动速度不准确量不准确量W.Heisenberg1901-1976 粒子位置测定得越准确（粒子位置测定得越准确（x 越小），它
27、的越小），它的动量的不准确度就越大（动量的不准确度就越大（越大），反之亦然。越大），反之亦然。宏观物体之所以有确定的运动轨道，是由于宏观物体之所以有确定的运动轨道，是由于h的值很小，的值很小，m的值很大，由不确定关系式所确定的值很大，由不确定关系式所确定的的 x或或 很小的缘故。很小的缘故。例例1-3.对于对于 m=10 克的子弹，它的位置可精确克的子弹，它的位置可精确到到 x 0.01 cm,其速度测不准情况为：其速度测不准情况为：23341004.0101014.3410 6.621291027.5sm 对宏观物体可同时测定位置与速度对宏观物体可同时测定位置与速度xmh4在测量误差范围内。
28、在测量误差范围内。速度不准确程度过大速度不准确程度过大例例1-4.对于微观粒子如电子对于微观粒子如电子,m=9.11 10-31 Kg,半径半径 r=10-10 m，则，则 x至少要达到至少要达到10-11 m才相对准确，则才相对准确，则其速度的其速度的测不准情况为：测不准情况为：161131341029.5101011.914.3410 6.62sm若若m非常小，其位置与速度是不能同时准确测定的非常小，其位置与速度是不能同时准确测定的xmh4见表见表1-1 P9 电子衍射实验证实了波动性电子衍射实验证实了波动性海森堡之墓志铭海森堡之墓志铭“He lies somewhere here The
29、 history of formalism of quantum mechanics 在德布罗意物质波基础上，在德布罗意物质波基础上，1926年薛定谔提出年薛定谔提出用波动方程描述微观粒子运动状态的理论，后称薛定用波动方程描述微观粒子运动状态的理论，后称薛定谔方程，奠定了波动力学的基础，因而与谔方程，奠定了波动力学的基础，因而与P.A.M.狄拉狄拉克共获克共获1933 年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。1944年年，薛定谔著，薛定谔著生命是什么生命是什么一书，试图一书，试图用热力学、量子力学和化学理论来解释生命的本性，用热力学、量子力学和化学理论来解释生命的本性，使薛定谔成为蓬勃发展的分子生物
30、学的先驱。使薛定谔成为蓬勃发展的分子生物学的先驱。二、波函数与量子数二、波函数与量子数-氢原子的量子力学模型氢原子的量子力学模型Schrdingers equation0)(822222222VEhmzyx（Psi）波函数波函数，是空间坐标（，是空间坐标（x，y，z）的函数。）的函数。量子力学中描述核外电子在空间运动的数学函数量子力学中描述核外电子在空间运动的数学函数式，即式，即原子轨道，原子轨道，atomic orbital。E体系中电子的总能量体系中电子的总能量 V体系电子的总势能体系电子的总势能m 电子质量电子质量 h 普朗克常数普朗克常数x,y,z 为微粒的空间坐标为微粒的空间坐标由薛
31、定谔方程推出的结论：由薛定谔方程推出的结论：i.是薛定谔方程的解是薛定谔方程的解ii.薛定谔方程的解为系列解；薛定谔方程的解为系列解；为了得到核外电子运为了得到核外电子运动状态的合理解，必须引进只能取整数值的三个动状态的合理解，必须引进只能取整数值的三个参数参数n，l，m，它们称为量子数。每个解都要受，它们称为量子数。每个解都要受到到n，l，m的规定，因此，一个波函数可以简化的规定，因此，一个波函数可以简化用一组量子数（用一组量子数（n，m，l）来表示。）来表示。iii.每个解每个解（r，）可表示成两个函数可表示成两个函数R（r）和和Y（，）的乘积的乘积 （r，）Rn,l（r）Yl,m（，）径
32、向波函数径向波函数角度波函数角度波函数 波函数是描述原子核外电子运动状态的数学函数，波函数是描述原子核外电子运动状态的数学函数，每一个波函数代表电子的一种运动状态。每一个波函数代表电子的一种运动状态。决定电子决定电子在核外空间的概率分布在核外空间的概率分布，相似于经典力，相似于经典力学中宏观物体的运动轨道。因此，量子力学中通常把学中宏观物体的运动轨道。因此，量子力学中通常把原子中电子的波函数称之为原子中电子的波函数称之为原子轨道原子轨道或原子轨函。或原子轨函。严格地说原子轨道在空间是无限扩展的，但一般严格地说原子轨道在空间是无限扩展的，但一般把电子出现概率在把电子出现概率在99%的空间区域的界
33、面作为原子轨的空间区域的界面作为原子轨道的大小。道的大小。波函数波函数 =原子轨道原子轨道(一一)原子轨道与波函数原子轨道与波函数(二二)四个四个量子数量子数在求解在求解的过程中，必须引进的过程中，必须引进n，l，m三个量子数。若三个量子数。若此三个值确定，则波函数就确定了。此三个值确定，则波函数就确定了。1、主量子数、主量子数n（1）.定义：描述原子中电子出现几率最大区域离定义：描述原子中电子出现几率最大区域离核的远近，或者说它是决定电子层数的。核的远近，或者说它是决定电子层数的。（2）.主量子数的主量子数的n的取值为的取值为1，2，3n等正整数。等正整数。（3）.n愈大，电子离核愈大，电子
34、离核 的平均距离愈远，能量愈高。的平均距离愈远，能量愈高。拉丁字母拉丁字母K L M N O P Q主量子数主量子数n 1 234 5 6 7（4）.n也称为电子层数，位于元素周期表中最右边一列。也称为电子层数，位于元素周期表中最右边一列。Na(+11)2 81主量子数主量子数n 1 23(二二)四个四个量子数量子数拉丁字母拉丁字母K L M N O P Q主量子数主量子数n 1 234 5 6 7Na(+11)2 81主量子数主量子数n 1 23（2）角量子数）角量子数(l)，影响电子能量的次要因素影响电子能量的次要因素1.当当n给定时，给定时，l 可取值为可取值为0，1，2，3（n-1）。
35、）。2.在每一个主量子数在每一个主量子数n中，有中，有n个角量子数。个角量子数。l亚层符号亚层符号0s1p2d3fNa(+11)281n123l00,10,1,2亚层亚层1s2s,2p3s,3p,3d4.对于对于多电子原子多电子原子l也是决定电子能量高低的因素。也是决定电子能量高低的因素。Ens Enp End Enf E1s E2s E3s npndnf能量规律:EnsEnpEndEnf钻穿不仅引起轨道能级的分裂，还导致能级的交错。钻穿不仅引起轨道能级的分裂，还导致能级的交错。能级交错：钻穿越深的电子对其它电子的屏蔽越大，使不同轨道上的电子能级发生变化，从而引起能级上的交错。(二）二）.多电
36、子原子轨道能级多电子原子轨道能级1)当当l相同时，相同时，n越大，轨道的能级越高越大，轨道的能级越高 E1 E2 E3 E42)当当n相同时，相同时，l越大，轨道的能级越高越大，轨道的能级越高 钻穿效应：钻穿效应：ns np nd nf 能级：能级：E(ns)E(np)E(nd)E(nf)3)当当n和和l都不同时，可能发生都不同时，可能发生n较大的某些轨道的能较大的某些轨道的能量反而比量反而比n小的某些轨道能量低的现象。小的某些轨道能量低的现象。E(4s)E(3d)E6s E 4f E5d 能级交错能级交错energy level overlap4）.能级组和原子轨道近似能级图能级组和原子轨道
37、近似能级图（1）鲍林）鲍林L.Pauling原子轨道近似能级图原子轨道近似能级图（牢记）（牢记）量子化学家，量子化学家，1954年化学奖，年化学奖，1962年和平奖年和平奖 光谱数据得到：原子轨道，共分成七个能级组：光谱数据得到：原子轨道，共分成七个能级组：1s;2s 2p;3s 3p;4s 3d 4p;5s 4d 5p;6s 4f 5d 6p;7s 5f 6d 能级图是按能量高低顺序，不是按原子轨道距核远近排列。能量相近的轨道为一组，称为能级组，要与主量子数区别开来.例如：第四组4s,3d,4p 第五组 5s,4d,5p组内能级间能量差小组内能级间能量差小能级组间能量差大能级组间能量差大E1
38、s E2s E2pE3s E3pE4sE3dE4p 徐光宪公式徐光宪公式 n+0.7l 值愈大，基态多电子原子轨道的能级越高。把 n+0.7l值的第一位数字相同的各能级组合为一组，称为某能级组。能级1s2s2p 3s3p 4s3d 4p 5s4d 5p 6s4f5d 6pn+0.7 l1.02.02.73.03.74.04.44.75.05.45.76.06.16.46.7能级组123456根据徐光宪公式计算可以明确原子能级由低到高依次为：1s，(2s，2p)，(3s，3p)，(4s，3d，4p)，(5s，4d，5p)，(6s，4f，5d，6p)二、多电子原子的核外电子排布二、多电子原子的核外
39、电子排布 1.能量最低原理能量最低原理 原则：原子核外的电子，原则：原子核外的电子，总是尽先占有能量最低总是尽先占有能量最低的原子轨道，只有当能的原子轨道，只有当能量较低的原子轨道被占量较低的原子轨道被占满后，电子才依次进入满后，电子才依次进入能量较高的轨道，以使能量较高的轨道，以使原子处于能量最低的稳原子处于能量最低的稳定状态。定状态。按鲍林近似能级顺序填充按鲍林近似能级顺序填充2.泡利（泡利（Pauli）不相容原理，）不相容原理，1945Nobel 移居美国的奥地利物理学家移居美国的奥地利物理学家 泡利在泡利在21岁（岁（1921年）时就写了年）时就写了一篇关于广义相对论理论和实验结果一篇
40、关于广义相对论理论和实验结果的总结性论文的总结性论文（共（共237页）页）。当时距爱。当时距爱因斯坦发表因斯坦发表“广义相对论广义相对论”（1916年）年）才才5年，人们认为他这么年轻却有如此年，人们认为他这么年轻却有如此独到的见解，震惊了整个物理学界，独到的见解，震惊了整个物理学界，从此一举成名。从此一举成名。四十年代四十年代以科学的预以科学的预见预言了中微子的存在见预言了中微子的存在，预言后，预言后25年，年，被实验证实。被实验证实。1)定义：在同一原子中没有四个量子数完全相同的电子，定义：在同一原子中没有四个量子数完全相同的电子，或者在同一原子中没有运动状态完全相同的电子。或者在同一原子
41、中没有运动状态完全相同的电子。例如，氦原子的例如，氦原子的1s轨道中有两个电子，描述其中一个原子中轨道中有两个电子，描述其中一个原子中没有运动状态的一组量子数（没有运动状态的一组量子数（n，l，m，s）为）为1，0，0，+1/2，另一个电子的一组量子数必然是，另一个电子的一组量子数必然是1，0，0，-1/2，即两，即两个电子的其他状态相同但自旋方向相反。个电子的其他状态相同但自旋方向相反。2)结论：结论：在每一个原子轨道中，最多只能容纳自旋方向在每一个原子轨道中，最多只能容纳自旋方向相反的两个电子。相反的两个电子。（比测不准原理的提出还早）（比测不准原理的提出还早）n2nl010n-1亚层亚层
42、2s2pm0-10+10 l轨道数轨道数1111n2s+1/2-1/2+1/2-1/2+1/2-1/2+1/2-1/21/2电子数电子数2n23.可推算出各电子层最多容纳的电子数为可推算出各电子层最多容纳的电子数为2n2个。个。3.洪特规则洪特规则 Hunds rule 1)定义：在等价轨道中，电子尽可能分占不同的轨道，定义：在等价轨道中，电子尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同且自旋方向相同。2)洪特规则实际上是最低能量原理的补充。因为两个电洪特规则实际上是最低能量原理的补充。因为两个电子同占一个轨道时，电子间的排斥作用会使体系能量升子同占一个轨道时，电子间的排斥作用会使体系能量升高，只有分
43、占等价轨道，才有利于降低体系的能量。高，只有分占等价轨道，才有利于降低体系的能量。3)作为洪特规则作为洪特规则 的特例，等价轨道全充满，半的特例，等价轨道全充满，半充满或全空的状态是比较稳定的。充满或全空的状态是比较稳定的。全充满：全充满：p6，d10，f14半充满：半充满：p3，d5，f7全空：全空：p0，d0，f03 Li Lithium 锂锂 1s2 2s14 Be Berylium 铍铍 1s2 2s25 BBoron 硼硼 1s2 2s22p1 6 C Carbon 碳碳 1s2 2s22p2 7 N Nitrogen 氮氮 1s2 2s22p3 8 O Oxygen 氧氧 1s2
44、2s22p4 9 F Fluorin 氟氟 1s2 2s22p5 10 Ne Neon 氖氖 1s2 2s22p6 1 H Hydrogen 氢氢 1s1 2 He Helium 氦氦 1s2 原子原子序数序数元素元素符号符号英文名称英文名称中文中文名称名称电子结构式电子结构式Partial Orbital Diagrams for Period 3 Elements *21 Sc Scandium 钪钪 Ar 4s23d1 22 Ti Titanium 钛钛 Ar 4s23d2 23 V Vanadium 钒钒 Ar 4s23d3 24 Cr Chromium 铬铬 Ar 4s13d5 25
45、 Mn Manganese 锰锰 Ar 4s23d5 26 Fe Iron 铁铁 Ar 4s23d6 27 Co Cobalt 钴钴 Ar 4s23d7 28 Ni Nickel 镍镍 Ar 4s23d8 29 Cu Copper，cuprum 铜铜 Ar 4s13d10 30 Zn Zinc 锌锌 Ar 4s23d10 *19 K Potassium 钾钾 Ar 4s1 20 Ca Calcium 钙钙 Ar 4s2 原子序数原子序数元素符号元素符号 英文名称英文名称中文名称中文名称 电子结构式电子结构式 电子排布式的书写电子排布式的书写：1、按电子层的顺序，而不是按电子填充顺序书写。2、内
46、层原子芯稀有气体符号 如：11Na 1s22s22p63s1 Ne3s1 26Fe 1s22s22p63s23p63d64s2 Ar3d64s2 注意：注意：A、电子填充顺序 B、电子排布式的书写顺序 C、失电子顺序15P 的价层电子型可表示为:指原子参加化学反应时，能提供成键的指原子参加化学反应时，能提供成键的电子电子,也指原子核外也指原子核外最高能级组最高能级组的电子的电子 元素元素 核外电子分布核外电子分布最外层电子构型最外层电子构型 价电子构型价电子构型 Cr Ar3d54s1 4s1 3d54s1 P Ne3s23p3 3s23p3 3s23p3 1.从钠开始填充从钠开始填充3s，从
47、铝开始填充，从铝开始填充3p。钾的第。钾的第19个个电子排在电子排在4s而不是而不是3d上，因为上，因为E3dE4s，钪的第，钪的第21个电子排在个电子排在3d而不是而不是4p上，因为上，因为E4pE 3d。2.Cr：4s13d5；Cu：4s13d103.4s 和和3d 都有电子时，失去电子时，先失去都有电子时，失去电子时，先失去4s电电子。这是因为填充电子后，子。这是因为填充电子后，4s能量升高能量升高；Note3.第四、五、六周期电子排布的例外比较多。第四、五、六周期电子排布的例外比较多。随着原子序数增加，电子所受到的有效核随着原子序数增加，电子所受到的有效核电荷增加，使电荷增加，使ns电
48、子激发到电子激发到(n-1)d轨道上只需轨道上只需很少的能量。如果激发后能增加轨道中自旋平很少的能量。如果激发后能增加轨道中自旋平行的单电子数，其降低的能量超过激发能或激行的单电子数，其降低的能量超过激发能或激发后形成全满降低的能量超过激发能时，就将发后形成全满降低的能量超过激发能时，就将造成特殊排布。造成特殊排布。铌：铌：5s14d4;钯：钯：5s04d10(1)原子的最外层最多只有8个电子。最外层为K层时，最多只有两个电子。(2)原子的次外层最多只有18个电子，次外层为K、L层时，最多分别为2、8个。(3)原子的外数第三层(倒数第三层）最多只有32个电子。由p150表7-7可知周期与能级组
49、周期与能级组族与电子组态族与电子组态元素在周期表中的分区元素在周期表中的分区第四节第四节 原子的电子组态与元素周期原子的电子组态与元素周期表表 元素的化学性质有着周期性元素的化学性质有着周期性的变化，称为的变化，称为周期律周期律(1869)。（1）元素所在的周期数等于该元素原子的电子层数，）元素所在的周期数等于该元素原子的电子层数，且周期数与各能级组的组数一致。且周期数与各能级组的组数一致。七个周期：一、二、三周期为七个周期：一、二、三周期为短周期，短周期，short periods 第四周期以后为第四周期以后为长周期长周期,long periods 除第七周期外，每个周期的最外层电子排布都除
50、第七周期外，每个周期的最外层电子排布都由由ns开始，到开始，到ns2np6结束。结束。（2）各周期包含元素的数目等于相应能级组中轨道）各周期包含元素的数目等于相应能级组中轨道所能容纳的电子总数。所能容纳的电子总数。1-6周期包含元素的数目：周期包含元素的数目：2、8、8、18、18、32。周期周期能级组能级组(新布入亚层新布入亚层,能级组能级组)元素数目元素数目1一一1s22二二2s,2p83三三3s,3p84四四4s,3d,4p185五五5s,4d,5p186六六6s,4f,5d,6p327七七7s,5f,6d,7p32*过渡元素：最后一个电子填充在过渡元素：最后一个电子填充在(n-1)层的
