1、原子结构及元素周期原子结构及元素周期律律2020/11/142你对吗？你对吗？你对了，你对了，你是唯一的吗？有普遍性吗？你是唯一的吗？有普遍性吗？提出一种假设并不难，难的是用实验证明提出一种假设并不难，难的是用实验证明它是正确的，而且是唯一正确的。它是正确的，而且是唯一正确的。严宣申严宣申2020/11/143原子结构发现史的原子结构发现史的学习思路学习思路：传统观念传统观念不能解释实验新发现不能解释实验新发现不仅解释实验现象而且为其他实验所证实不仅解释实验现象而且为其他实验所证实 产生新观念产生新观念 为世人接受为世人接受2020/11/144 Dalton原子学说 (1803年)Thoms
2、on“西瓜式”模型 (1897年)Rutherford核式模型 (1911年)Bohr电子分层排布模型 (1913年)量子力学模型(1926年)原子结构模型原子结构模型2020/11/145从公元前从公元前5 5世纪到世纪到1919世纪，人们一直认为，世纪，人们一直认为，宇宙万物都是由原子组成的，而原子是最微宇宙万物都是由原子组成的，而原子是最微小、最坚硬、不可入、不可分的物质粒子。小、最坚硬、不可入、不可分的物质粒子。传统观念：微观粒子的运动特性微观粒子的运动特性原子结构发现史原子结构发现史2020/11/146（a a）阴极射线实验阴极射线实验负电性物质的发现负电性物质的发现 1879 1
3、879年，英国人克鲁克斯年，英国人克鲁克斯(Crookes)Crookes)用阴极射用阴极射线管在进行低气压导电性能实验时，发现阳极上出线管在进行低气压导电性能实验时，发现阳极上出现了荧光现了荧光，这说明在电场作用下，阴极上产生了一这说明在电场作用下，阴极上产生了一种看不见的东西，称之为阴极射线种看不见的东西，称之为阴极射线 。汤姆生实验装置简图汤姆生实验装置简图A A、B.B.阳极阳极 C.C.阴极阴极 D D、E.E.电极电极 K.K.荧光屏荧光屏（1 1）突破口）突破口-电子的发现电子的发现2020/11/147（b b）测定荷质比测定荷质比(e/m)e/m)负电粒子带有普遍性负电粒子带
4、有普遍性 18971897年，英国物理学家汤姆生年，英国物理学家汤姆生(J.J.Thomson)J.J.Thomson)，测测定了这种带电粒子的电荷定了这种带电粒子的电荷(e)e)和质量和质量(m)m)之比，简称荷质之比，简称荷质比比(e/m)e/m)。他发现无论任何气体，也不论任何材料做成他发现无论任何气体，也不论任何材料做成的阴极，所产生粒子的的阴极，所产生粒子的e/me/m均相同。均相同。一位最先打开通向基本粒子物理学一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人大门的伟人2020/11/148（C C）确定质量和电荷确定质量和电荷-发现电子发现电子 19091909年年,美国物理学家美国物理
5、学家MillikanMillikan设计了油滴实验设计了油滴实验 测定了电子的电荷。测定了电子的电荷。根据根据e/me/m可以得到电子的质量。可以得到电子的质量。结论：“有比原子小得多的粒子存在有比原子小得多的粒子存在”，人们将这种粒子称为电子。人们将这种粒子称为电子。2020/11/149 新的思考：新的思考：原子是电中性的，原子中既然存在带负电荷的电子原子是电中性的，原子中既然存在带负电荷的电子，就必然还有带正电荷的物质，即原子是由带负电荷的，就必然还有带正电荷的物质，即原子是由带负电荷的电子和带正电荷的物质组成的，这就为人们认识物质的电子和带正电荷的物质组成的，这就为人们认识物质的更深层
6、次更深层次原子结构原子结构打开了大门打开了大门。2020/11/1410 （1 1911911年年,卢瑟福卢瑟福(E.Rutherford)E.Rutherford)用用粒子射线粒子射线()轰击金箔时发现，多数轰击金箔时发现，多数粒子畅通无阻，粒子畅通无阻，只有少数只有少数粒子在前进中像遇到了不可穿透的壁垒粒子在前进中像遇到了不可穿透的壁垒一样，被折射和反弹回来。一样，被折射和反弹回来。2 2）粒子散射实验粒子散射实验-原子核的发现原子核的发现著名的著名的 粒子散射实验粒子散射实验2020/11/1411粒子电子粒子散射实验2020/11/14121 1、绝大多数、绝大多数 粒子穿过金箔后仍沿
7、原来方向前进粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进2 2、少数、少数 粒子发生了较大的偏转粒子发生了较大的偏转3 3、极少数、极少数 粒子的偏转超过粒子的偏转超过90904 4、有的甚至几乎达到、有的甚至几乎达到180 180 第一条现象说明，原子中绝大部分是空的第一条现象说明，原子中绝大部分是空的第二、三现象可看出，第二、三现象可看出，粒子受到较大的库仑力作用粒子受到较大的库仑力作用第四条现象可看出，第四条现象可看出，粒子在原子中碰到了比他质量大的多粒子在原子中碰到了比他质量大的多的东西的东西2020/11/1413 通过测定和计算，他指出：通过测定和计算，他指出：原子中存在一个几乎集中了原子全部原
8、子中存在一个几乎集中了原子全部(99.9%(99.9%以以上上)质量，而大小仅为原子质量，而大小仅为原子/的带正电荷的带正电荷的粒子。的粒子。他将其称为他将其称为原子的核原子的核。2020/11/1414在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里子核里带负电的电子在核外空间绕着核旋转带负电的电子在核外空间绕着核旋转卢瑟福提卢瑟福提出的原子出的原子核式结构核式结构2020/11/1415意义：意义：电子像行星绕太阳运转一样绕原子核运动，这电子像行星绕太阳运转一样绕原子核运动，这
9、就是大家悉知的原子结构的就是大家悉知的原子结构的“行星式模型行星式模型”。这是人类认识微观世界的重要里程碑，这个模这是人类认识微观世界的重要里程碑，这个模型已成为型已成为现代科学技术的象征现代科学技术的象征.。2020/11/1416 卢瑟福在实验中还发现，被轰击的原子中还可能卢瑟福在实验中还发现，被轰击的原子中还可能跑出带正电荷的粒子，经过测定和计算，这种粒子所跑出带正电荷的粒子，经过测定和计算，这种粒子所带的电量和质量也都与原子种类无关，而电量正好等带的电量和质量也都与原子种类无关，而电量正好等于于1 1个电子电量的正值个电子电量的正值,卢瑟福将其命名为卢瑟福将其命名为质子质子。19121
10、912年英国人莫斯莱年英国人莫斯莱(Moseley)Moseley)用实验测定了各种用实验测定了各种原子的荷电荷数，证明：原子的荷电荷数，证明：原子核内的质子数和核外的原子核内的质子数和核外的电子数都恰好等于原子序数。电子数都恰好等于原子序数。（3 3）正电荷粒子）正电荷粒子-质子的发现质子的发现2020/11/1417思考：思考：既然原子的质量集中于原子核，那么核内质子的既然原子的质量集中于原子核，那么核内质子的总质量应当近似等于原子的质量。但是对于多数原总质量应当近似等于原子的质量。但是对于多数原子，子，其质子的总质量小于原子的质量？其质子的总质量小于原子的质量？（4 4）质量关系推理）质
11、量关系推理-中子的发现中子的发现2020/11/1418卢瑟福因此指出：卢瑟福因此指出：原子核内还可能存在一种质量与质子相似的原子核内还可能存在一种质量与质子相似的 电中性粒子电中性粒子，他将其称为，他将其称为中子中子。这种预见于这种预见于19321932年被实验所证实。年被实验所证实。2020/11/1419小结：原子的组成原原 子子 组组 成成 发发 现现 史史 原原 子子 核核质子质子 18961896年，卢瑟福年，卢瑟福粒粒子散射实验子散射实验中子中子 核外电子核外电子 18971897年家汤姆生阴极年家汤姆生阴极射线管实验射线管实验2020/11/1420 核电荷数核电荷数(Z)=核
12、内质子数核内质子数 =核外电子数核外电子数=原子序数原子序数 原子量原子量(A)=质量数质量数 =质子数（质子数（Z）+中子数（中子数（N）原子原子(A)原子核原子核电子电子(Z)带负电，带负电，m0质子质子(Z)(Z)带正电带正电 中子中子(N)(N)不带电不带电 2020/11/1421实验证明，质子和中子是由更小的微粒实验证明，质子和中子是由更小的微粒“夸克夸克”构成。构成。有关夸克的结构和性质仍有探索和研究中有关夸克的结构和性质仍有探索和研究中2020/11/1422核型原子模型的局限性核型原子模型的局限性经典电磁理论证实经典电磁理论证实：运动着的电子要向外辐射运动着的电子要向外辐射
13、电磁波，随之能量逐渐降低，绕核运动的圆周电磁波，随之能量逐渐降低，绕核运动的圆周 半径逐渐变小，原子应该不断辐射波长连续变半径逐渐变小，原子应该不断辐射波长连续变 大的电磁波大的电磁波连续光谱连续光谱。电子能量电子能量不断降低的结果，是电子最终能量为零，不断降低的结果，是电子最终能量为零，原子将不复存在。原子将不复存在。但事实上但事实上，电子稳定存在，且基态原子不对外辐电子稳定存在，且基态原子不对外辐 射电磁波，激发态的原子的发射光谱也只是分射电磁波，激发态的原子的发射光谱也只是分 立的线状光谱，而不是连续光谱。立的线状光谱，而不是连续光谱。2020/11/1423卢瑟福（卢瑟福（1871-1
14、937）Ernest Rutherfordl 1895年英国剑桥大学博士年英国剑桥大学博士导师汤姆逊（导师汤姆逊（J.J.Thomson）卢瑟福一生从事放射性研究。卢瑟福一生从事放射性研究。发现了发现了和和射线，于射线，于1899年证明了年证明了射线是氦核粒子，射线是氦核粒子，射线是电子，为此，射线是电子，为此，获得获得1908年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖；与他的学生；与他的学生 F.Soddy 一起发现一起发现了放射性元素的自发蜕变现象；了放射性元素的自发蜕变现象；1909年发现年发现粒子的粒子的散射现象，散射现象，1911年提出了他的核型原子模型。年提出了他的核型原子模型。核物理学之核物理
15、学之父父2020/11/1424 近代原子结构理论的确立从氢原子光谱实验开始.白光白光 光谱光谱氢原子氢原子 光谱光谱原子光谱：原子光谱：2020/11/1425氢原子光谱的不连续性充分说明电子运动状氢原子光谱的不连续性充分说明电子运动状态的不连续性，以及状态变化的不连续性。态的不连续性，以及状态变化的不连续性。2020/11/14261.玻尔玻尔(Bohr)模型模型 1913年，丹麦物理学家年，丹麦物理学家Bohr，在，在Planck量子量子论论Einstein光子学说和光子学说和Rutherford有核模型有核模型基础上，提出关于原子结构模型，从理论上成基础上，提出关于原子结构模型，从理论
16、上成功的解释了氢原子光谱。功的解释了氢原子光谱。物理量变化的不连续性物理量变化的不连续性 量子化、玻尔原子模型量子化、玻尔原子模型2020/11/14272.波尔理论的基本要点波尔理论的基本要点a)电子只能在某些特定的轨道上绕核运动。此电子只能在某些特定的轨道上绕核运动。此 时既不吸收能量也不释放能量。这些稳定的时既不吸收能量也不释放能量。这些稳定的 状态称为状态称为。能量最低的定态称为。能量最低的定态称为；其余的则称为其余的则称为。b)原子中可能存在的各种定态是不连续的。原子中可能存在的各种定态是不连续的。2020/11/1428c)电子由一个定态跃迁到另一个定态时，一定电子由一个定态跃迁到
17、另一个定态时，一定 会放出或吸收能量，其大小取决于两个定态会放出或吸收能量，其大小取决于两个定态 能量差，即能量差，即 hv=E2-E1=E2020/11/1429波尔理论成功之处：波尔理论成功之处：1）成功地解释了氢原子的线状光谱；）成功地解释了氢原子的线状光谱；2）计算出氢原子半径和电离能。）计算出氢原子半径和电离能。波尔理论的局限性：波尔理论的局限性：1）不能解释多电子原子的光谱；）不能解释多电子原子的光谱；2）不能解释氢光谱在磁场中的分裂现象和）不能解释氢光谱在磁场中的分裂现象和 微观结构的关系。微观结构的关系。可见：可见：从宏观到微观，物质已经实现了从量变到质从宏观到微观，物质已经实
18、现了从量变到质 变的飞跃，必须全面了解微观粒子的运动特性，才变的飞跃，必须全面了解微观粒子的运动特性，才 能建立起适合于微观粒子的全新的力学体系。能建立起适合于微观粒子的全新的力学体系。2020/11/1430v原因：没有考虑微观世界粒子的特性原因：没有考虑微观世界粒子的特性波粒二象性波粒二象性(waveparticle duality)2020/11/1431 玻尔和他的原子模型玻尔（玻尔（N.Bohr 1885-1962）丹麦人，哥本哈根大学教授。丹麦人，哥本哈根大学教授。是卢瑟福指导过的是卢瑟福指导过的11名获得名获得 诺贝尔奖的学生之一。诺贝尔奖的学生之一。1913年，玻尔大胆地抛开了
19、年，玻尔大胆地抛开了 经典电动力学理论，硬性假设经典电动力学理论，硬性假设 电子绕核运动不辐射出能量，电子绕核运动不辐射出能量，将普朗克量子论应用于卢瑟将普朗克量子论应用于卢瑟 福的核型原子模型，提出福的核型原子模型，提出稳稳 定轨道、定态和电子跃迁的概念定轨道、定态和电子跃迁的概念。2020/11/1432 1924年年，法国的法国的德布罗依德布罗依（L.De Broglie）在）在光的波粒二象性的启发下，提出一个天才而大胆的假光的波粒二象性的启发下，提出一个天才而大胆的假设：电子等实物微粒子的运动也具有波粒二象性。他设：电子等实物微粒子的运动也具有波粒二象性。他认为，对于认为，对于 质量为
20、质量为 m，速度为速度为的微粒，具有的波长为：的微粒，具有的波长为：=h/m 这个波称为这个波称为。三年后，美国的戴维逊等在纽约贝尔实验室所三年后，美国的戴维逊等在纽约贝尔实验室所 做的电子衍射实验，证实了德布罗依的假设。做的电子衍射实验，证实了德布罗依的假设。一、电子的波粒二象性一、电子的波粒二象性原子核外电子的运动状态原子核外电子的运动状态2020/11/1433动画动画2020/11/1434 电子衍射实验电子衍射实验 不仅证实了微观粒不仅证实了微观粒 子的波粒二象性，子的波粒二象性，同时由实验得到的同时由实验得到的 电子波的波长也与电子波的波长也与 按按德布罗依公式德布罗依公式计计 算
21、出来的一样。算出来的一样。铝箔对波长铝箔对波长71pm的电子衍射花纹的电子衍射花纹2020/11/1435 我们知道，对于火车、飞机、行星等宏观物体我们知道，对于火车、飞机、行星等宏观物体 的运行，根据经典力学，可以指出它们在某的运行，根据经典力学，可以指出它们在某 一瞬间的速度和位置。但对于具有一瞬间的速度和位置。但对于具有波粒二象波粒二象 性性的微粒如电子来说，其运动状况就不能用的微粒如电子来说，其运动状况就不能用 经典力学来描述。经典力学来描述。1927年，年，德国物理学家海森堡德国物理学家海森堡提出了提出了著名的测著名的测 不准原理不准原理：对于波粒二象性的微粒而言，不：对于波粒二象性
22、的微粒而言，不 可能同时准确测定它们在某瞬间的位置和速可能同时准确测定它们在某瞬间的位置和速 度（或动量）。度（或动量）。二、不确定原理二、不确定原理(测不准原理测不准原理)2020/11/14364/hpx1926年，海森堡年，海森堡(Heisenberg)关系式：关系式：速度的不准量速度的不准量动量的不准量动量的不准量位置的不准量位置的不准量常量常量:vpxPlanckh vmhx42020/11/1437三、量子力学和原子轨道波函数 在经典物理中，波的运动状态一般是通过在经典物理中，波的运动状态一般是通过波函数来描述的。波函数来描述的。例如：例如：电磁波可用函数电磁波可用函数(x,y,z
23、,t)来描述来描述，代表代表t 时刻在时刻在(x，y，z)点电场或磁场的强度点电场或磁场的强度，它是空间坐标，它是空间坐标 x,y,z和时间和时间 t 的函数，因此称的函数，因此称为波函数为波函数。一、波函数、量子数一、波函数、量子数2020/11/14381926年，奥地利物理学家年，奥地利物理学家薛薛定谔从电子的波粒二象性出定谔从电子的波粒二象性出发，把电子的运动与光的波发，把电子的运动与光的波动理论联系起来动理论联系起来，提出了描，提出了描述氢原子核外电子运动状态述氢原子核外电子运动状态的数学表达式，的数学表达式，建立了实物建立了实物微粒的波动方程微粒的波动方程，这就是著，这就是著名的名
24、的薛定谔薛定谔 1887-1961(E.Stirdinger)08z22222222VEhmyx2020/11/1439 方程中方程中,叫做波函数；叫做波函数；m 为电子质量；为电子质量；h为普朗克常数；为普朗克常数；E 为系统的总能量；为系统的总能量；V 为系统的势能。为系统的势能。由于薛定谔方程包含有由于薛定谔方程包含有 x,y,z 三个变量，三个变量，则方程的解则方程的解也是包含有也是包含有 x,y,z 三个变量的函三个变量的函数式，可以表示为数式，可以表示为(x,y,z),也可以用球坐标也可以用球坐标 表示为表示为(r,)。0)(822222222VEhmzyx2020/11/1440
25、球坐标球坐标(r,)与直角坐标系的关系与直角坐标系的关系 222zyxrcosrz qsinsinry qcossinrxq(r,)=R(r)Y(,)02 0 q：坐标变换坐标变换2020/11/1441氢原子的一些波函数和能量氢原子的一些波函数和能量空间状态n,l,m(r,)能量/J1s-2.17910-182s-5.44710-192px-5.44710-190-30e1ara02-030e)2(2141araraqcos sine)(214102-030arara2020/11/1442关于波函数的说明关于波函数的说明 将空间某点的坐标值，带入到某空间状将空间某点的坐标值，带入到某空间状
26、 态的波函数态的波函数n，l，m(r,)式当中，就可以得式当中，就可以得 知该点的波函数的值。波函数知该点的波函数的值。波函数本身没有具体本身没有具体 的物理意义，波函数的平方的物理意义，波函数的平方 表示电子在表示电子在 该点的该点的概率密度概率密度。这就是。这就是微观粒微观粒 子运动规律的子运动规律的 统计学意义统计学意义。22020/11/1443 波函数波函数 常被称为常被称为，但它不具有宏观，但它不具有宏观 轨道的含义，仅为一个函数式子，它对应着轨道的含义，仅为一个函数式子，它对应着 核外电子可能采取的一种运动状态。核外电子可能采取的一种运动状态。薛定谔方程含有三个坐标变量薛定谔方程
27、含有三个坐标变量,它的解它的解波函数波函数 中一定含有三个常数项中一定含有三个常数项n,l,m。为了使方程为了使方程 的解有意义的解有意义,n,l,m 的取值不可任意，而要遵的取值不可任意，而要遵 循一定的规则，循一定的规则，n,l,m 称为称为。2020/11/1444小结小结:.核外电子的运动具有量子化特征。每一核外电子的运动具有量子化特征。每一对应一对应一确定的能量值，称为确定的能量值，称为“定态定态”。基态时能量最小，。基态时能量最小，比基态能量高的是激发态。比基态能量高的是激发态。.核外电子的运动具有波粒二象性，电子波是几率核外电子的运动具有波粒二象性，电子波是几率波；即微观粒子的运
28、动无明确的轨道，但可确定它波；即微观粒子的运动无明确的轨道，但可确定它在核外空间某处出现几率的大小。在核外空间某处出现几率的大小。.量子力学中：波函数量子力学中：波函数 (x x,y y,z z)=)=原子轨道。原子轨道。.一个确定的波函数一个确定的波函数 代表代表电子的一种空间运动状电子的一种空间运动状态，态，2 2表示在空间某处表示在空间某处(x x,y y,z z)电子出现的电子出现的几率密度。几率密度。5.5.电子云是电子几率密度电子云是电子几率密度2 2分布的形象化描述。分布的形象化描述。2020/11/1445 n,主量子数主量子数 取值：取值：1,2,3,等自然数。等自然数。意义
29、：决定轨道的能级，如在单电子中：意义：决定轨道的能级，如在单电子中：n取值越大，轨道能量越高，电子出现概率最取值越大，轨道能量越高，电子出现概率最大的区域离核越远。大的区域离核越远。单电子原子中，单电子原子中，n n 相同的原子轨道为简并轨相同的原子轨道为简并轨道。道。能量相同的轨道称为能量相同的轨道称为“简并轨道简并轨道”。eVnZE6.13222020/11/1446(2)l,角量子数角量子数 取取 值：值：0，1，2，3，n-1；光谱符号：光谱符号：s，p，d，f，取值数：取值数：n 个个n取值数l光谱符号轨道符号110s1s220s2s1p2p330s3s1p3p2d3d2020/11
30、/1447角量子数与原子轨道的形状有关：角量子数与原子轨道的形状有关：l=0，即，即s 轨道是球形对称的；轨道是球形对称的；l=1，即，即p 轨道呈哑铃状；轨道呈哑铃状；l=2，即即d 轨道呈花瓣状；轨道呈花瓣状；yxzxyzxypys dyz+z2020/11/1448(3)m,磁量子数磁量子数 取值取值：0,1,2,l；取值数取值数：2l+1 个个对于对于 s 轨道轨道,l=0,m=0，ns 轨道只有一条；轨道只有一条；p 轨道轨道,l=1,m=0,1,np 轨道有三条；轨道有三条；d 轨道轨道,l=2,m=0,1,2,nd 轨道有五条。轨道有五条。意义意义：磁量子数与轨道磁量子数与轨道(
31、或电子云或电子云)的伸展方向的伸展方向有关有关.如：如：npx,npy,npz这三条轨道就是分别沿着这三条轨道就是分别沿着 x,y,z三个坐标轴伸展的。由于它们的伸展三个坐标轴伸展的。由于它们的伸展 方向不同方向不同,在外磁场中必然要发生能级分裂。在外磁场中必然要发生能级分裂。2020/11/1449磁量子数与轨道的伸展方向有关磁量子数与轨道的伸展方向有关l=0，即，即s 轨道是球形对称的；轨道是球形对称的；l=1，即，即p 轨道呈哑铃状；轨道呈哑铃状；2px2py2pz1s2020/11/1450l=2，m=0,1,2.氢原子的氢原子的5条条3d轨道轨道3dxy3dyz3dxz2yd32x2
32、zd32020/11/1451(4)ms,自旋量子数自旋量子数 人们在研究氢原子光谱的精细结构时发现，人们在研究氢原子光谱的精细结构时发现，每一条每一条 谱线实际由谱线实际由2条十分接近的谱线组成，这条十分接近的谱线组成，这种谱线的精细结构用种谱线的精细结构用n,l,m 三个量子数已不能解三个量子数已不能解释。释。电子自旋现象的实验装置2020/11/1452 1925年，年，有人假设有人假设：这是由于同一轨道中的电子：这是由于同一轨道中的电子自旋运动状态不同引起的，后经实验证实。运用自旋运动状态不同引起的，后经实验证实。运用量子力学处理电子的自旋运动时，得到了决定电量子力学处理电子的自旋运动
33、时，得到了决定电子自旋运动的自旋量子数子自旋运动的自旋量子数ms。m ms s取值取值:,或或意义：在轨道表示式中，一般用意义：在轨道表示式中，一般用“”“”和和“”“”分别表示分别表示电子的两种不同的运动状态电子的两种不同的运动状态。21212020/11/1453综上，在单电子原子中：综上，在单电子原子中：主量子数主量子数n 决定了电子的能量和离核的远近；决定了电子的能量和离核的远近；角量子数角量子数 l 决定了轨道的形状；决定了轨道的形状；磁量子数磁量子数m 决定了轨道的空间伸展方向。决定了轨道的空间伸展方向。n,l,m 三个量子数共同决定了一条原子轨三个量子数共同决定了一条原子轨 道道
34、，决定了电子的空间决定了电子的空间(轨道轨道)运动状态。运动状态。自旋量子数自旋量子数ms决定了电子的自旋运动状态，决定了电子的自旋运动状态，与与 前三个量子数一起，共同决定了电子的运动前三个量子数一起，共同决定了电子的运动 状态。状态。量子数小结量子数小结2020/11/1454多电子原子的结构多电子原子的结构是一种近似方法，可使问题简化。是一种近似方法，可使问题简化。它把其他所有电子对所研究电子的斥力平均起来它把其他所有电子对所研究电子的斥力平均起来看作是球形对称的，减弱了原子核发出的正电场对研看作是球形对称的，减弱了原子核发出的正电场对研究电子的作用。这样，研究电子可看作只受一个处于究电
35、子的作用。这样，研究电子可看作只受一个处于原子中心的正电荷的作用，类似于单电子原子进行处原子中心的正电荷的作用，类似于单电子原子进行处理。理。一、屏蔽作用对轨道能级的影响一、屏蔽作用对轨道能级的影响VnZEe6.1322*Z*=Z-l 相同，相同，n 不同不同E4fE5f E6f 2020/11/1455一一、屏蔽效应屏蔽效应(1)将其它电子对某个选定电子的排斥作用归结为对核电荷的将其它电子对某个选定电子的排斥作用归结为对核电荷的抵消作用，称为屏蔽效应抵消作用，称为屏蔽效应。(2)屏蔽常数屏蔽常数 i的计算（的计算（Slaters rule）a原子中的电子分若干个轨道组中：原子中的电子分若干个
36、轨道组中：(1s)，(2s，2p)，(3s，3p)，(3d)，(4s，4p)，(4d)，(4f)，(5s，5p)，每个圆括号形成一个，每个圆括号形成一个轨道组；轨道组；b一个轨道组外面的轨道组上的电子对内轨道组上的电子的屏一个轨道组外面的轨道组上的电子对内轨道组上的电子的屏蔽系数蔽系数 =0，即屏蔽作用仅发生在内层电子对外层电子或同层电子，即屏蔽作用仅发生在内层电子对外层电子或同层电子之间，之间，外层电子对内层电子没有屏蔽作用外层电子对内层电子没有屏蔽作用；c 1s轨道上的轨道上的2个电子之间的个电子之间的 =0.30，其它同一轨道组内电子，其它同一轨道组内电子间屏蔽系数间屏蔽系数 =0.35
37、；d被屏蔽电子为被屏蔽电子为ns或或np轨道组上的电子时，主量子数为轨道组上的电子时，主量子数为(n 1)的各轨道组上的电子对的各轨道组上的电子对ns或或np轨道组上的电子的屏蔽常数轨道组上的电子的屏蔽常数 =0.85，而小于而小于(n 1)的各轨道组上的电子，对其屏蔽常数的各轨道组上的电子，对其屏蔽常数 =1.00；e被屏蔽电子为被屏蔽电子为nd或或nf轨道组上的电子时，则位于它左边轨道组上的电子时，则位于它左边各轨各轨道组上的电子对道组上的电子对nd或或nf轨道组上电子的屏蔽常数轨道组上电子的屏蔽常数 =1.00。2020/11/1456二、钻穿效应二、钻穿效应 电子进入原子内部空间，受到
38、核的较强的电子进入原子内部空间，受到核的较强的吸引作用。吸引作用。n 相同，相同，l 不同不同E4S E4pE4d E4f；2020/11/14571.基态原子的核外电子排布原则基态原子的核外电子排布原则 最低能量原理最低能量原理 电子在核外排列应尽先分布在低能级轨电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上道上,使整个原子系统能量最使整个原子系统能量最 低。低。Pauli不相容原理不相容原理 每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子。相反的电子。Hund 规则规则 在在 n 和和 l 相同的轨道上分布的电子相同的轨道上分布的电子,将尽将尽可能分占可能分占 m
39、值不同的轨道值不同的轨道,且自旋平行。且自旋平行。三、基态多电子原子内电子排布三、基态多电子原子内电子排布2020/11/14582262651Cr 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s：半满全满规则：半满全满规则：C：1s2 2s2 2p2154s3dArHe、Ar原子实原子实101Ar 3d 4s N：He 2s2 2p31s2s2pZ=24Z=29 Cu：全满：全满：p6，d10，f14；半满：半满：p3，d5，f7；全空：全空：p0，d0，f0。例如：例如：2020/11/1459Z=11，Na：1s22s22p63s1或或Ne 3s1，Z=20，Ca：1s22s22p63s23p
40、64s2或或Ar 4s2，Z=50，Sn：Kr 5s2 5p2，Z=56，Ba：Xe 6s2。价电子：价电子：例如：例如：Sn的价电子排布式为：的价电子排布式为：5s2 5p2。2020/11/14601.稀有气体的原子序数稀有气体的原子序数：2(12+22+22+32+32+42+42+52+52+)原子序数分别为：原子序数分别为：2、10、18、36、54、86、118、168、218。2.据构造原理，每一周期内电子的排布规律据构造原理，每一周期内电子的排布规律ns2(n-3)g18(n-2)f14(n-1)d10np6n4时，有时，有3d,4d轨道。轨道。n6时，有时，有4f,5f轨道。
41、轨道。n8时，有时，有5g,6g轨道。轨道。排出基态原子的电子构型的有用通式排出基态原子的电子构型的有用通式2020/11/1461 n1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6 n=7 周期周期 K L M N O P Q 能级组能级组 765432 1能量能量1s2p2s3p3s4p3d4s5p4d5s6p5d4f6s7p6d5f7s原子轨道近原子轨道近似能级图似能级图2020/11/1462原子结构与元素周期律原子结构与元素周期律 现代化学元素周期律可表达为：现代化学元素周期律可表达为：元素的性质是原子序数的周期性函数。元素的性质是原子序数的周期性函数。也就是说，元素性质取决于原子的内部
42、也就是说，元素性质取决于原子的内部结构，随着原子序数的递增，元素性质呈周结构，随着原子序数的递增，元素性质呈周期性变化，是原子结构周期性变化的体现。期性变化，是原子结构周期性变化的体现。依照这个规律把众多化学元素组织在一依照这个规律把众多化学元素组织在一起形成的系统叫起形成的系统叫化学元素周期系化学元素周期系。周期系可。周期系可以表达为各种各样的元素周期表。其中以表达为各种各样的元素周期表。其中长式长式周期表周期表简单明了，较好地反映了元素原子结简单明了，较好地反映了元素原子结构的特点，因此更为实用。构的特点，因此更为实用。2020/11/1463AgCdCuZnRbSrH LiBeBCNOF
43、 NaMgAlSiPSCl KCaScTiVCrMnFeCoNiGaGeAsSeBr YZrNbMoTcRuRhPdInSnSbTeI CsBaLaHfTaW ReOs Ir PtAuHgTlPbBi 门捷列夫短式周期表门捷列夫短式周期表 元素周期表的种类元素周期表的种类2020/11/1464这种周期表的这种周期表的优点优点是能够十分清楚地是能够十分清楚地看到元素周期系是看到元素周期系是如何由于核外电子如何由于核外电子能级的增多而螺旋能级的增多而螺旋性发展的，性发展的，但它们但它们的每个横列不是一的每个横列不是一个周期，纵列元素个周期，纵列元素的相互关系也不容的相互关系也不容易看清。易看清。
44、H He Li BeB C N O F NeNa MgAl Si P S Cl ArK CaSc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu ZnGa Ge As Se Br KrRb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au HgTl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No113 114 115 116 1
45、17 118119 1201s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p8sLr Rf Db Sg Bh Hs Mt Uun Uuu Uub 宝塔式或滴水钟式周期表宝塔式或滴水钟式周期表2020/11/1465 大家熟知长式周期表，分为大家熟知长式周期表，分为7行行18列，每列，每行为一个周期，按列分为行为一个周期，按列分为16族。族。周期的划分：周期的划分：根据能级组划分。根据能级组划分。族的划分：族的划分：根据外电子层结构划分。其中：根据外电子层结构划分。其中：主族：主族：基态原子内电子层轨道全满或全空；基态原子内电子层轨道全满或全空；主族序号与元素原子外层主
46、族序号与元素原子外层s,p电子总电子总 数一致。如：数一致。如：A,A。周期表的结构周期表的结构2020/11/1466 副族副族：除：除B、B外，次外层外，次外层 d 轨道、次轨道、次 次外层次外层 f 轨道均未完全充满。如：轨道均未完全充满。如：B,B。常称镧系、锕系以外的副族元素为常称镧系、锕系以外的副族元素为过渡过渡 元素元素。称镧系、锕系元素为。称镧系、锕系元素为内过渡元素内过渡元素。分别称分别称4、5、6周期的过渡元素为第一、周期的过渡元素为第一、第二和第三系列过渡元素。第二和第三系列过渡元素。2020/11/14672020/11/1468元素的分区元素的分区 按元素基态原子价电
47、子层结构特点，可将按元素基态原子价电子层结构特点，可将 周期表分为五个区：周期表分为五个区：s 区：区：A A ns1ns2 p区：区：AA，0族族 ns2np1ns2np6 d区区:B B，族族 (n-1)d19ns02 ds区区:B B (n-1)d10ns12 f 区区:镧系和锕系，镧系和锕系，排在排在B中中 注意族号与电子结构的对应关系。注意族号与电子结构的对应关系。2020/11/1469 元素的化学性质主要取决于三个因素：元素的化学性质主要取决于三个因素：核外核外电子构型、价层电子的有效核电荷、原子半径电子构型、价层电子的有效核电荷、原子半径。S区元素区元素 内层轨道内层轨道全满全
48、满或或全空全空、次外层为、次外层为8电子的电子的 最稳定构型。失去外层最稳定构型。失去外层s电子倾向强烈，活泼金属。电子倾向强烈，活泼金属。最稳定的电子构型最稳定的电子构型 最外层最外层 8 电子构型电子构型,轨轨道是全满和全空的构型。道是全满和全空的构型。原子在化学反应中，有得失电子而达到稳原子在化学反应中，有得失电子而达到稳定构型的趋势。定构型的趋势。影响元素性质的结构因素影响元素性质的结构因素2020/11/1470P区元素区元素 内层轨道是全满或全空的最稳定构型；内层轨道是全满或全空的最稳定构型；最外层有最外层有2个个 s 电子和电子和16个个 p 电子。电子。0族元素族元素不活泼，而
49、从不活泼，而从AA元素，从趋向失电子元素，从趋向失电子渐变为趋向得电子，以达到稳定的电子构型，渐变为趋向得电子，以达到稳定的电子构型，化学性质从金属性过渡到非金属性。化学性质从金属性过渡到非金属性。D区元素区元素 最外层含最外层含2个或个或1个个s 电子，故均表现电子，故均表现 为金属性；次外层为金属性；次外层d 轨道含轨道含19个个d 电子，电子，未完全充满，因此，未完全充满，因此，d 电子也参与化学反应。电子也参与化学反应。所以所以d 区元素化合价复杂，且易于生成配位化区元素化合价复杂，且易于生成配位化合物。合物。2020/11/1471ds区元素区元素 性质与性质与d 区元素相似，但因为
50、区元素相似，但因为d 轨道轨道 已经全满，所以已经全满，所以 d 电子的化学活泼性较电子的化学活泼性较 d 区区 元素差，化合价也不那么复杂。元素差，化合价也不那么复杂。f 区元素区元素 最外层仅含最外层仅含2个个s 电子电子,均为活泼金属。均为活泼金属。由于次次外层由于次次外层 f 轨道和次外层轨道和次外层d 轨道大多未轨道大多未完全充满，也参加化学反应，故性质复杂。完全充满，也参加化学反应，故性质复杂。2020/11/14722020/11/1473原子半径（原子半径（r）:一般指共价半径和金属半径。一般指共价半径和金属半径。共价半径共价半径 同一种元素的原子间以共价单键结同一种元素的原子
