1、第九章第九章 原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表第一节第一节 核外电子运动状态及特征核外电子运动状态及特征第二节第二节 氢原子的波函数和量子数氢原子的波函数和量子数第三节第三节 多电子原子的核外电子排布多电子原子的核外电子排布第四节第四节 原子的电子组态与元素周期表原子的电子组态与元素周期表原子结构的认识史原子结构的认识史古代哲学思想古代哲学思想 公元前四百年，古希腊卓越的唯物论者德谟克利公元前四百年，古希腊卓越的唯物论者德谟克利特提出万物由特提出万物由“原子原子”产生。产生。“原子原子”即不可分之即不可分之意意原子理论的发展史原子理论的发展史原子不可分割吗？原子不可分割吗？J.J.Th
2、omson(18561940，英)十九世纪末电子和放射性的发现，才使人类打开原子结十九世纪末电子和放射性的发现，才使人类打开原子结构 的 大 门。英 国 剑 桥 大 学 卡 文 迪 许 实 验 室 主 任构 的 大 门。英 国 剑 桥 大 学 卡 文 迪 许 实 验 室 主 任J.J.Thomson J.J.Thomson 应用磁性弯曲技术证明阴极射线是带负应用磁性弯曲技术证明阴极射线是带负电的微粒电的微粒电子电子。原子行星模型原子行星模型 E.Rutherford (18711937，新西兰，新西兰)Thomson最器重的学生最器重的学生E.Rutherford 通过通过粒子粒子（带（带正电
3、的氦离子流）穿过金箔时，部分正电的氦离子流）穿过金箔时，部分粒子发生散射的粒子发生散射的实验实验证明，证明，Thomson 所说带正电的连续体实际上只是所说带正电的连续体实际上只是一个非常小的核。一个非常小的核。1911年提出了年提出了“行星系式行星系式”原子模型：原子模型：原子核原子核好比是好比是太阳，电子好比是绕太阳运动的行星，电子绕核高速运太阳，电子好比是绕太阳运动的行星，电子绕核高速运动。动。1908年获诺贝尔化学奖，年获诺贝尔化学奖，1922年获英国皇家学会最年获英国皇家学会最高奖赏高奖赏科柏莱奖科柏莱奖问题：电子绕核高速运动，放出能量，光谱线是连续问题：电子绕核高速运动，放出能量，
4、光谱线是连续的；放能后半径越来越小，原子的；放能后半径越来越小，原子“毁灭毁灭”玻尔理论的基础玻尔理论的基础能量量子化和光子学说能量量子化和光子学说20世纪初世纪初 1900年，年，普朗克普朗克（Planck）提出了能量）提出了能量量子化量子化的概念。他认为黑体辐射频率为的概念。他认为黑体辐射频率为 的能量是不连续的能量是不连续的，只能是的，只能是h 的整数倍。的整数倍。h称为普朗克常数，称为普朗克常数，6.62610-34 J s。量子力学理论初步量子力学理论初步E=nE0=n h 1905年，年，爱因斯坦爱因斯坦提出了提出了光子学说光子学说，圆满地解释，圆满地解释了光电效应。了光电效应。光
5、的波粒二象性。光的波粒二象性。h 光子能量光子能量光子质量光子质量2chm 动量动量hchcmp 光的强度取决于光子密度。光的强度取决于光子密度。1913 年，丹麦物理学家年，丹麦物理学家玻尔玻尔（Bohr）在牛顿力学）在牛顿力学的基础上，吸收了量子论和光子学说的思想，建立了的基础上，吸收了量子论和光子学说的思想，建立了玻玻尔原子模型尔原子模型。(定态同心圆模型定态同心圆模型)Niels Bohr尼尔斯尼尔斯玻尔玻尔 1885-1962，丹麦玻尔的氢原子模型玻尔的氢原子模型氢光谱氢光谱玻尔的氢原子模型玻尔的氢原子模型 1、定态假设：核外电子运、定态假设：核外电子运动有一定的轨道，在此轨道上动有
6、一定的轨道，在此轨道上运动的电子不放出能量。称为运动的电子不放出能量。称为定态定态。能量最低的定态称为基态能量最低的定态称为基态能量高于基态的定态称为能量高于基态的定态称为激发态激发态E1E2E3E4n1,2,3,4,5 ，称为称为量子数量子数 2、电子在不同轨道上运动具有不同的能量（能级）、电子在不同轨道上运动具有不同的能量（能级）电子离核愈近，能级愈低电子离核愈近，能级愈低 ，电子可跃迁到较高能级，电子可跃迁到较高能级（n2,3,4,5 ）E=-(Z2/n2)2.18 10-18 J Z，核电荷数，核电荷数E1=-(1/12)2.18 10-18 J E2=-(1/22)2.18 10-1
7、8 J E3=-(1/32)2.18 10-18 J E4=-(1/42)2.18 10-18 J 能量的量子化、能量的量子化、不连续性不连续性 3.跃迁规则：电子吸收光子就会跃迁到能量较高跃迁规则：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，返回的激发态，反之，激发态的电子会放出光子，返回基态或能量较低的激发态；电子吸收或放出光子的基态或能量较低的激发态；电子吸收或放出光子的能量为跃迁前后两个能级的能量之差。能量为跃迁前后两个能级的能量之差。chhEEnn12计算氢原子的电子从第五能级跃迁到第二能级时计算氢原子的电子从第五能级跃迁到第二能级时所释放的光的波长所释放的
8、光的波长HRE2551HRE2221)5121(222525HREEE18112.179 10()425J194.58 10JRH=2.18 10-18Jp222.1818112.179 10()425J2.18Eh19344.58 106.63 10JJs146.91 10 sc811413.00 106.91 10mss74.34 10 m434nmE=h-1n=1n=2n=3n=4n=5n=6n=656.3nm486.1nm434.0nm410.1nm-2.1810-18-2.1810-1822-2.1810-18320Energy(J)400700700 优点：优点：v 指出原子结构量
9、子化的特性指出原子结构量子化的特性v 用量子化解释了原子结构和氢光谱的关系用量子化解释了原子结构和氢光谱的关系 缺点：缺点：v 未能完全摆脱经典物理的束缚未能完全摆脱经典物理的束缚v 无法解释多电子系统和原子光谱的精细结构无法解释多电子系统和原子光谱的精细结构玻尔理论的优缺点玻尔理论的优缺点 对于原子中电子运动的描述，要在新的对于原子中电子运动的描述，要在新的量子力学量子力学出出现后，才能得到和实验结果相符合的结果。现后，才能得到和实验结果相符合的结果。相对于量子力学，相对于量子力学，1900-1925年，称为年，称为旧量子论阶段旧量子论阶段 量子力学的基础是：量子力学的基础是：波粒二象性波粒
10、二象性、测不准原理测不准原理和和薛薛定锷方程定锷方程。第二节第二节 氢原子的量子力学模型氢原子的量子力学模型一、量子力学概念一、量子力学概念1.微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性 物质波物质波 mhph 三年后，假设由电子衍射实验证实。三年后，假设由电子衍射实验证实。德布罗意德布罗意(Louis Victor de Broglie,1892.081987.03),法国法国 1924年，德布罗意年，德布罗意 电子等微观粒子与光一样具有波粒二象性电子等微观粒子与光一样具有波粒二象性电子衍射实验电子衍射实验单个电子穿过晶单个电子穿过晶体投射在屏幕上体投射在屏幕上多个电子穿过晶多个电子穿过晶体投
11、射在屏幕上体投射在屏幕上电子衍射图电子衍射图abcX射线衍射图射线衍射图电子衍射图电子衍射图结结 论：论：电子的波动性和电子运动的统计性规律联系在一起电子的波动性和电子运动的统计性规律联系在一起电子波是电子波是概率波概率波2.测不准原理测不准原理1927，海森堡，海森堡 无法同时准确测定微观粒子的位置和动量无法同时准确测定微观粒子的位置和动量测不准原理测不准原理4hpxx x 为为 x 方向坐标的测不准量（误差）方向坐标的测不准量（误差）px 为为 x 方向的动量测不准量（误差）方向的动量测不准量（误差）微观粒子运动无确定的运动轨道，应该用量子微观粒子运动无确定的运动轨道，应该用量子力学来描述
12、微观粒子的运动力学来描述微观粒子的运动韦纳韦纳海森堡海森堡(Werner Heisenberg),德国德国,1901.12-1976.2 试比较电子和质量为试比较电子和质量为10 g 的子弹在确定它们位置时的的子弹在确定它们位置时的测不准量。测不准量。v=200 ms-1,v=0.01%v对于子弹而言对于子弹而言px=m vx=0.01%mvx px=0.01%mvx4 xphxm106.231 对于电子而言对于电子而言px=0.01%mvx=1.810-32 kg m s-14 xphxm1095.23 相对于子弹的大小来说其位置的测不准量可以忽略相对于子弹的大小来说其位置的测不准量可以忽略
13、不计。因此子弹既可以有确定的位置，又可同时有确不计。因此子弹既可以有确定的位置，又可同时有确定的动量。其运动规律服从经典物理学定律。定的动量。其运动规律服从经典物理学定律。而具有波粒二象性的微观粒子，无法同时准确测定而具有波粒二象性的微观粒子，无法同时准确测定它的坐标和动量，因而它的坐标和动量，因而电子等微观粒子根本不会有确电子等微观粒子根本不会有确定的运动轨道定的运动轨道。玻尔的定态同心圆假设不成立玻尔的定态同心圆假设不成立。3.薛定谔方程薛定谔方程 电子波动方程电子波动方程 1926年，薛定谔利用德布罗意的物质波的观点，提年，薛定谔利用德布罗意的物质波的观点，提出了描述微观粒子运动规律的方
14、程，后称为出了描述微观粒子运动规律的方程，后称为薛定谔方薛定谔方程程。该方程的提出标志着量子力学的诞生，它是量子。该方程的提出标志着量子力学的诞生，它是量子力学的最重要的基本方程。力学的最重要的基本方程。0)(822222222 VEhmzyxx,y,z:电子的空间坐标；电子的空间坐标；m:电子的质量电子的质量V:电子的势能电子的势能;E:电子的总能量电子的总能量 :方程的函数解，称为波函数方程的函数解，称为波函数薛定谔薛定谔(Erwin Rudolf Josef Alexander Schrdinger,1887.81961.1),奥地利奥地利 是描述氢原子核外运动状态的数学函数，称为是描述
15、氢原子核外运动状态的数学函数，称为波函数波函数 是薛定谔方程的合理解，无明确的物理意义是薛定谔方程的合理解，无明确的物理意义|2 表示在空间某处电子出现的表示在空间某处电子出现的概率密度概率密度 该点周围微单位体积内电子出现的概率该点周围微单位体积内电子出现的概率薛定谔方程的物理意义薛定谔方程的物理意义量子力学的一个基本方程，提出了波函数量子力学的一个基本方程，提出了波函数 (x,y,z)量子力学用波函数量子力学用波函数 (x,y,z)和其相应的能量来描述电和其相应的能量来描述电子的运动状态子的运动状态电子运动的特征：电子运动的特征：1.电子具有波粒二象性，它具有质量、能量等粒子特电子具有波粒
16、二象性，它具有质量、能量等粒子特征，又具有波长这样的波的特征。电子的波动性与其征，又具有波长这样的波的特征。电子的波动性与其运动的统计规律相联系，电子波是概率波；运动的统计规律相联系，电子波是概率波；2.电子等微观粒子不能同时测准它的位置和动量，不存电子等微观粒子不能同时测准它的位置和动量，不存在确定的运动轨道。它在核外空间出现体现为概率的大在确定的运动轨道。它在核外空间出现体现为概率的大小，有的地方出现的概率小，有的地方出现的概率大小，有的地方出现的概率小，有的地方出现的概率大4.每一每一 对应一确定的能量值，称为对应一确定的能量值，称为“定态定态”。电子的。电子的能量具有量子化的特征，是不
17、连续的。基态时能量最小，能量具有量子化的特征，是不连续的。基态时能量最小，激发态的能量高。激发态的能量高。3.电子的运动状态可用波函数电子的运动状态可用波函数 和其相应的能量来描和其相应的能量来描述。波函数述。波函数 是薛定谔方程的合理解，是薛定谔方程的合理解，表示概率密表示概率密度。度。2二、氢原子的量子力学模型二、氢原子的量子力学模型（一）原子轨道与波函数（一）原子轨道与波函数 氢原子薛定谔方程氢原子薛定谔方程可以精确求解可以精确求解。类氢离子。类氢离子(如如 He+、Li2+等等)的情况与此的情况与此类似类似。0)(822222222 VEhmzyx 量子数是一些不连续的、分立的数值，体
18、现了某些量子数是一些不连续的、分立的数值，体现了某些物理量的不连续变化物理量的不连续变化，称为量子化。称为量子化。n、l、m的取值和组合一定时的取值和组合一定时 才能合理存在，因此才能合理存在，因此三个合理量子数取值的组合三个合理量子数取值的组合就可以确定一个波函数就可以确定一个波函数),(,rmln一般记成：一般记成：二、四个量子数二、四个量子数(n,l,m,s)1.主量子数主量子数(n)principal quantum numberv主量子数主量子数 n 反映了反映了电子在核外空间出现概率最大的电子在核外空间出现概率最大的区域离核的远近区域离核的远近，n 是是决定核外电子能量的主要因素决
19、定核外电子能量的主要因素。v 取值：取值：非零正整数非零正整数，即，即n1、2、3、v n 值又称为电子层数值又称为电子层数。v对于对于单电子原子单电子原子，)eV(6.13)J(1018.2222218nZnZE 2.角量子数角量子数(l)azimuthal quantum numberv l 决定决定原子轨道和电子云的原子轨道和电子云的形状形状v 取值：取值：l0、1、2、3(n-1)，共可取，共可取 n 个值个值v在在原子中配合主量子数原子中配合主量子数n一起一起决定电子的能量决定电子的能量v 同一电子层中的电子可分为若干个能级同一电子层中的电子可分为若干个能级(亚层亚层)，l 决决定了
20、同一电子层中定了同一电子层中不同亚层不同亚层l012电子亚层电子亚层spd原子轨道原子轨道形状形状球形球形双球形双球形花瓣形花瓣形3.磁量子数（磁量子数（m）magnetic quantum numberv磁量子数磁量子数m决定决定原子轨道和电子云原子轨道和电子云在空间的伸展方向在空间的伸展方向v与轨道和电子的能量无关与轨道和电子的能量无关v取值：取取值：取0、1、2、3l，共，共2l+1个数值个数值v s、p、d、f 轨道依次有轨道依次有 1、3、5、7 种取向种取向v n,l 相同，相同，m取值为取值为2l+1，因此有，因此有2l+1个简并轨道个简并轨道量子数与原子轨道的关系量子数与原子轨
21、道的关系nlm 同一电子层同一电子层轨道数轨道数(n2)1001=122004=221013009=3210120121s 2s 3s z2p yx2p2p,yx3p3p,z3p 2z3d yzxz3d3d,22xxy3d3d,y 4.自旋量子数自旋量子数（ms）spin quantum numbern表示顺时针和逆时针两种自旋运动表示顺时针和逆时针两种自旋运动n取值：取值：+1/2 和和-1/2 n 通常也可分别用符号通常也可分别用符号“”和和“”表示表示n 同一原子轨道最多只能可容纳自旋方向相反的同一原子轨道最多只能可容纳自旋方向相反的两个电子，它们具有相同的能力两个电子，它们具有相同的能
22、力两个运动方向为两个运动方向为、或或、的称的称为平行自旋为平行自旋 两个运动方向为两个运动方向为、的称为反平的称为反平行自旋行自旋 n,l,m 这三个量子数的组合有一定的规律，并且这三个量子数的组合有一定的规律，并且有与之相对应的波函数有与之相对应的波函数 n,l,m 由由 n,l,m 三个量子数的合理组合可以描述出一个三个量子数的合理组合可以描述出一个原子轨道原子轨道轨道运动状态为轨道运动状态为 2pz，可用来描述的量子数为，可用来描述的量子数为A.n=1,l=0,m=0;B.n=2,l=1,m=0 C.n=2,l=2,m=0;D.n=1,l=2,m=1B例题：例题：例题：例题：下列各组量子
23、数哪些下列各组量子数哪些不合理不合理？1.n=2,l=1,m=0 2.n=2,l=0,m=-1 3.n=2,l=2,m=-1 4.n=2,l=3,m=2 5.n=3,l=1,m=1 6.n=3,l=0,m=-1 2 3 4 6（三）波函数的有关图形表示（三）波函数的有关图形表示 氢原子波函数氢原子波函数 n,l,m(r,)可分为两部分可分为两部分 n,l,m(r,)=R n,l(r)Y l,m(,)R n,l(r)是由是由 n 和和 l 确定的、只与半径确定的、只与半径 r 有关的函有关的函数，称为数，称为径向波函数径向波函数 Y l,m(,)是由是由 l 和和 m 确定的、与方位角确定的、与
24、方位角 ,有有关的函数，称为关的函数，称为角度波函数角度波函数轨道轨道 n,l,m(r,)R n,l(r)Yl,m(,)能量能量/J1s-2.1810-182s-2.1810-18/222pz-2.1810-18/222px-2.1810-18/222py-2.1810-18/22411BreA 4122BrreA cos4323BrreA cossin4323BrreA sinsin4323BrreA BreA 122BrreA 23BrreA 23BrreA 23BrreA 4141 cos43 cossin43 sinsin43+s 轨道角度分布图轨道角度分布图41s Y1.波函数（原子
25、轨道）的角度分布图波函数（原子轨道）的角度分布图 将原子轨道角度波函数将原子轨道角度波函数Y(,)随角度随角度(,)的变化的变化作图即得原子轨道的角度分布图作图即得原子轨道的角度分布图 0 30 60 90 120 150 180 cos 1 0.866 0.5 0-0.5-0.866-1 YPz 0.489 0.423 0.244 0-0.244-0.423-0.489 cos43zp Y+-cos43 zY cossin43 xY sinsin43 yY节面节面 函数值为零的平面函数值为零的平面 p轨道角度分布图轨道角度分布图xypyxzpxxzpz+-+-+-d轨道角度分布图轨道角度分布
26、图+-2zdxzdxydyzd22yxd-xzzyyyxx讨论：讨论：Y l,m(,）仅与方位角）仅与方位角有关有关，与，与距离核远近距离核远近 r 无无关关 不论不论 n 为何值，只为何值，只要要 l,m 相同，相同，Y l,m(,)的图形都是一样的的图形都是一样的 剖面图剖面图 关于关于“+/-”的说明的说明 来自于计算中角度的取值不来自于计算中角度的取值不同不反映电荷或者方向的正负同不反映电荷或者方向的正负 反映了电子的波动性反映了电子的波动性电子云的角度分布图电子云的角度分布图|2n,l,m(r,)=R2n,l(r)Y2l,m(,)说明说明v 无正负号无正负号 Y2l,m(,)v 比较
27、比较“瘦瘦”Y 1电子云的角度分布图电子云的角度分布图概率密度概率密度与与电子云电子云电子云：电子云：将空间各处电子出现概率将空间各处电子出现概率密度密度|2的大小用疏密程度的大小用疏密程度不同的黑点表示不同的黑点表示 是概率密度的形象化描述是概率密度的形象化描述 离核越近离核越近，电子云越密集，电子云越密集，电子出现的电子出现的概率密度概率密度愈大。愈大。离核越远离核越远，电子云越稀疏，电子云越稀疏，电子出现的电子出现的概率密度概率密度愈小。愈小。rs 21 3.波函数（原子轨道）的径向分布图波函数（原子轨道）的径向分布图 n,l,m(r,)=R n,l(r)Y l,m(,)径向分布径向分布
28、函数函数注意：这里是概率不是概率密度注意：这里是概率不是概率密度drr氢原子各轨道状态的径向分布函数图氢原子各轨道状态的径向分布函数图 对于对于1s电子，在电子，在r=52.9pm有一个极大值有一个极大值以以D(r)为纵坐标，以为纵坐标，以r为横坐标，得到为横坐标，得到径向分布函数图径向分布函数图D(r)1s1s2s3s2p3d3p讨论：讨论：不同电子状态具有不同的峰数，峰数为不同电子状态具有不同的峰数，峰数为(n-l)个个 2s 和和2p，3s、3p 和和3d都有半径相似的概率最大峰，都有半径相似的概率最大峰，因此从径向分布的意义来看，核外电子是分层排布的因此从径向分布的意义来看，核外电子是
29、分层排布的 l 相同时，相同时，n 越小，主峰离核越近，能量越低越小，主峰离核越近，能量越低 n相同时，相同时，l 越小，第一峰离核越近，电子越小，第一峰离核越近，电子钻穿能力钻穿能力越越强，相应轨道能量越低强，相应轨道能量越低 钻穿能力钻穿能力从强到弱从强到弱的顺序是的顺序是 ns np nd nf 反映了电子的波动性，说明其运动没有确定的轨道反映了电子的波动性，说明其运动没有确定的轨道第三节第三节 多电子原子结构多电子原子结构 求解多电子原子时薛定谔方程有困难，只能作求解多电子原子时薛定谔方程有困难，只能作近似近似处理处理。近似解与氢原子精确解相似之处在于：近似解与氢原子精确解相似之处在于
30、：n 每个电子都有其自己的波函数每个电子都有其自己的波函数 i，具体形式也取决，具体形式也取决于三个量子数于三个量子数 n，l，m，并有其相应能量，并有其相应能量n 电子在每层中可能占据的轨道数与氢原子的数目相电子在每层中可能占据的轨道数与氢原子的数目相等等 n2n 原子轨道角度分布图与氢相类似，电子云形状也相原子轨道角度分布图与氢相类似，电子云形状也相似似屏蔽效应与钻穿效应屏蔽效应与钻穿效应 屏蔽效应屏蔽效应：内层或同层的电子对某个指定电子的：内层或同层的电子对某个指定电子的排斥，相当于削弱了原子核对该电子的引力排斥，相当于削弱了原子核对该电子的引力)J(1018.21822 nZE若电子只
31、受原子核吸引若电子只受原子核吸引有屏蔽效应存在时，电子受原子核吸引减弱有屏蔽效应存在时，电子受原子核吸引减弱)J(1018.21822 nZEZ ：有效核电荷：有效核电荷Z Z ：屏蔽常数，被：屏蔽常数，被抵消的核电荷数抵消的核电荷数 数值反映了其它电子对其排斥的大小数值反映了其它电子对其排斥的大小)J(1018.2)(1822 nZ l 相同，相同，n 不同。不同。n 越大，能量越高越大，能量越高。E1sE2sE3sE4s E2pE3pE4pE5p n 相同，相同，l 不同。不同。l 越大，能量越高越大，能量越高。EnsEnpEnd E4s 1741年，俄国的罗蒙诺索夫曾提出物质构造的粒年，
32、俄国的罗蒙诺索夫曾提出物质构造的粒子学说，但由于缺乏实验基础，未曾受到重视。子学说，但由于缺乏实验基础，未曾受到重视。十八世纪末，欧洲进入资本主义的上升时期，生产十八世纪末，欧洲进入资本主义的上升时期，生产的迅速发展推动了科学的进展。出现了较精密的天平，的迅速发展推动了科学的进展。出现了较精密的天平，化学科学从定性研究进入定量研究。化学科学从定性研究进入定量研究。1.质量守恒定律质量守恒定律1756年，罗蒙诺索夫年，罗蒙诺索夫 2.定组成定律定组成定律1779年，法国，普劳斯特：一种年，法国，普劳斯特：一种纯净的化合物不论来源如何，各组分元素的质量都有纯净的化合物不论来源如何，各组分元素的质量
33、都有一定的比例。一定的比例。3.倍比定律倍比定律1803年，英国年，英国中学教师道尔顿发现：当甲、中学教师道尔顿发现：当甲、乙两种元素互相化合生成两种乙两种元素互相化合生成两种以上化合物时，则在这些化合以上化合物时，则在这些化合物中，与同一质量的甲元素化物中，与同一质量的甲元素化合的乙元素的质量互成简单的合的乙元素的质量互成简单的整数比。整数比。十九世纪初（十九世纪初（1808年），道尔顿在继承了古希腊年），道尔顿在继承了古希腊的原子论的基础上，提出了他的原子学说：的原子论的基础上，提出了他的原子学说：1.物质是由原子构成，原子不可分割，不能自生自灭物质是由原子构成，原子不可分割，不能自生自灭
34、2.同种元素的原子在质量、形状上、性质上完全一致，同种元素的原子在质量、形状上、性质上完全一致，不同种类的原子则不同。不同种类的原子则不同。3.每一种物质均由它自己的原子组成。单质由简单原每一种物质均由它自己的原子组成。单质由简单原子组成，化合物由复杂原子组成。而复杂原子又是由子组成，化合物由复杂原子组成。而复杂原子又是由为数不多的简单原子所组成。复杂原子的质量又是组为数不多的简单原子所组成。复杂原子的质量又是组成它的简单原子的质量之和。成它的简单原子的质量之和。1811年，意大利化学家阿佛加德罗引入年，意大利化学家阿佛加德罗引入“分子分子”的概念。认为原子虽是构成物质的最小微粒，但它并的概念
35、。认为原子虽是构成物质的最小微粒，但它并不能单独存在。不能单独存在。恩格斯评价：恩格斯评价：化学中的新时代是从原子论开始的，化学中的新时代是从原子论开始的，近代化学的始祖是近代化学的始祖是道尔顿道尔顿而非拉瓦锡而非拉瓦锡。原子分子论的建立，阐明了原子与分子间的联系原子分子论的建立，阐明了原子与分子间的联系与差别，使人们在认识物质的深度上产生一个飞跃，与差别，使人们在认识物质的深度上产生一个飞跃，澄清了长期以来的混乱。澄清了长期以来的混乱。但它也但它也只是一定历史时只是一定历史时期的相对真理期的相对真理。1908年获诺贝尔化学奖，年获诺贝尔化学奖，1922年获英国皇家学会最年获英国皇家学会最高奖
36、赏高奖赏科柏莱奖科柏莱奖问题：电子绕核高速运动，放出能量，光谱线是连续问题：电子绕核高速运动，放出能量，光谱线是连续的；放能后半径越来越小，原子的；放能后半径越来越小，原子“毁灭毁灭”1905年，年，爱因斯坦爱因斯坦提出了提出了光子学说光子学说，圆满地解释，圆满地解释了光电效应。了光电效应。光的波粒二象性。光的波粒二象性。h 光子能量光子能量光子质量光子质量2chm 动量动量hchcmp 光的强度取决于光子密度。光的强度取决于光子密度。u 能量像粒子一样是不连续的，具有最小的分立能量像粒子一样是不连续的，具有最小的分立的能量单位的能量单位量子量子u 物质吸收或者发射的能量总是量子的整数倍物质吸
37、收或者发射的能量总是量子的整数倍u 光的能量最小单位光的能量最小单位光子光子u 电量的最小能量单位电量的最小能量单位电子电子u 量子理论只在微观世界有意义量子理论只在微观世界有意义每个台阶上球的势能每个台阶上球的势能是量子化的是量子化的EnergyE=Eh El=h=hc/高能量高能量 Eh低能量低能量 El例：例：(1)电子在电子在1V电压下运动的速度为电压下运动的速度为 5.9 105 ms-1，电子的质量为，电子的质量为m=9.110-31 kg，h=6.626 10-34Js，电子的波长为多少？，电子的波长为多少？(2)质量为质量为1.010-8 kg的沙粒以的沙粒以1.010-2 m
38、s-1 速度运动，波长是多少？速度运动，波长是多少？(1)(2)可见，质量较大的物体，其德布罗意波长，小到难以可见，质量较大的物体，其德布罗意波长，小到难以测量，可以忽略，致使其主要表现出粒子性。微观粒子测量，可以忽略，致使其主要表现出粒子性。微观粒子其德布罗意波长不可忽略。其德布罗意波长不可忽略。如何理解电子衍射图如何理解电子衍射图 统计解释：用弱的电子流使电子一个个地通过晶统计解释：用弱的电子流使电子一个个地通过晶体光栅或者使某个电子反复通过晶体光栅而到达底体光栅或者使某个电子反复通过晶体光栅而到达底片，长时间后，也有相同的衍射图形。说明片，长时间后，也有相同的衍射图形。说明电子衍电子衍射
39、不是电子与电子之间相互作用的结果射不是电子与电子之间相互作用的结果，而是，而是电子电子本身运动所具有的规律性本身运动所具有的规律性，而且，而且是和大量的电子的是和大量的电子的统计性统计性联系在一起的联系在一起的。所以电子波又称。所以电子波又称。轨道轨道 n,l,m(r,)R n,l(r)Yl,m(,)能量能量/J1s-2.1810-182s-2.1810-18/222pz-2.1810-18/222px-2.1810-18/222py-2.1810-18/22411BreA 4122BrreA cos4323BrreA cossin4323BrreA sinsin4323BrreA BreA
40、122BrreA 23BrreA 23BrreA 23BrreA 4141 cos43 cossin43 sinsin43原子轨道与波函数原子轨道与波函数 一定的波函数描述电子一定的运动状态一定的波函数描述电子一定的运动状态。可用。可用 1s、2s、2p、3d分别表示电子处于不同的运分别表示电子处于不同的运动状态，动状态，常借用常借用Bohr理论中的理论中的“原子轨道原子轨道”，称原，称原子中一个电子可能的空间运动状态为子中一个电子可能的空间运动状态为“原子轨道原子轨道”，而这些而这些原子轨道都各由一个波函数来描述原子轨道都各由一个波函数来描述，也称为，也称为“原子轨函原子轨函”Bohr理论的
41、理论的“原子轨道原子轨道”就是指原子核外电子就是指原子核外电子的运动具有一个固定半径的球形轨道的运动具有一个固定半径的球形轨道讨论：讨论：l 相同，相同，n 不同。不同。n 越大，能量越高越大，能量越高。E1sE2sE3sE4s E2pE3pE4pE5p n 相同，相同，l 不同。不同。l 越大，能量越高越大，能量越高(多电子原子多电子原子)。EnsEnpEndEnfo n、l 都不相同都不相同但在解释多电子原子时，却遇到了难以解决的因难但在解释多电子原子时，却遇到了难以解决的因难 成功解释氢原子光谱及成功解释氢原子光谱及类氢离子类氢离子光谱。误差在千分光谱。误差在千分之一以下。之一以下。s,
42、p,d,f 轨道轨道sxzyp 轨道轨道(l=1)当当 l=1 ml=-1,0,+1xypyxzpxxzpz(简并轨道或等价轨道简并轨道或等价轨道)+-+-+-当当l=2,ml =-2,-1,0,+1,+2 d 亚层有亚层有5个轨道个轨道当当l=1,ml=-1,0,+1 p 亚层有亚层有3个轨道个轨道当当l=0,ml=0 s 亚层只有一个轨道，亚层只有一个轨道，s轨道轨道当当 n=3,l 有哪些取值有哪些取值?l=0,1,2 所以第所以第3电子层有电子层有3个电子亚层个电子亚层d 轨道轨道花瓣型花瓣型当当 l=2,ml =-2,-1,0,+1,+2(,个轨道个轨道)当当 l=1,ml=-1,0
43、,+1,(3 个轨道个轨道)当当l=0,ml=0,轨道轨道 当当 n=4,l 的取值的取值?l=0,1,2,3第第4电子层有电子层有4个电子亚层个电子亚层.f 轨道轨道当当 l=3,ml =-3,-2,-1,0,+1,+2,3 f 亚层有亚层有7个轨道个轨道 n,l,m 这三个量子数的组合有一定的规律，并且这三个量子数的组合有一定的规律，并且有与之相对应的波函数有与之相对应的波函数 n,l,m 由由 n,l,m 三个量子数的合理组合可以描述出一个三个量子数的合理组合可以描述出一个原子轨道原子轨道 由由 n,l,m,ms 四个量子数的合理组合可以描述出原四个量子数的合理组合可以描述出原子核外一个
44、电子的运动状态子核外一个电子的运动状态 例例 已知基态已知基态 Na 原子的价电子处于最外层原子的价电子处于最外层 3s 亚亚层，试用几个量子数来描述它的运动状态层，试用几个量子数来描述它的运动状态解：解：3,0,0,+1/2讨论：讨论：q 核外每个电子的运动状态对应于一套量子数核外每个电子的运动状态对应于一套量子数 n,l,m,msq 各电子层可容纳电子数为：各电子层可容纳电子数为：2n2 将电子云所表示的概率密度相同的各点连成曲面，将电子云所表示的概率密度相同的各点连成曲面，称为等密度面。界面以内电子出现概率为称为等密度面。界面以内电子出现概率为90%90%的等密度的等密度面图形，称为面图形，称为电子云的界面图电子云的界面图 Most stableLeast stable核电荷数对电子轨道能量的影响同层电子的屏蔽效应内层电子的屏蔽效应内层电子的屏蔽效应钻穿效应钻穿效应 钻穿效应钻穿效应：外层电：外层电子可能钻到内层出现在子可能钻到内层出现在离核较近的地方离核较近的地方 n 相同相同 l 越小的电子越小的电子钻穿效应越明显，轨道钻穿效应越明显，轨道能量越低能量越低
