结构化学基础课件第二章原子的结构和性质
115页1、,第二章 原子的结构和性质,通过H原子薛定谔方程的求解,了解原子结构中量子数的来源,类氢离子波函数的图形及其物理意义。掌握多电子原子的原子轨道能级等,推导原子基态光谱项。, H原子和类氢离子波函数量子数的物理意义。 掌握多电子原子的原子轨道能级、电离能的求解。 推导等价、非等价电子的原子光谱项,掌握基态原子谱项的快速推算法。,学时- 8学时,原子:由一个核和若干个电子组成的体系。 Rutherford在19091911年间,发现了电子,提出行星绕太阳旋转的原子模型。 Bohr氢原子结构模型:1913年,Bohr综合了Planck的量子论、Einstein的光子说和Rutherford的原子模型,提出两点假设: (1)定态规则:原子有一系列定态,每一个定态有一相应的能量,电子在这些定态的能级上绕核作圆周运动,既不放出能量,也不吸收能量,而处于稳定状态;电子作圆周运动的角动量M必须为h/2的整数倍, Mnh/2,n1,2,3, (2)频率规则:当电子由一个定态跃迁到另一定态时,就会吸收或发射频率为E/h的光子。,Bohr半径的导出:电子稳定地绕核作圆周运动,其离心力与电子和核间的库仑引力大
2、小相等: mv2/r e2/40r2 (0=8.85410-12 C2J1m1) 电子轨道运动角动量 Mmvrnh/2 电子绕核运动的半径: r n2h20/me2 , N 1时,r 52.92 pm a0 Bohr模型成功地解释了氢原子光谱 电子的总能量 Emv2/2e2/40r e2/80r2e2/80r = (e2/80r) 按Bohr模型得出的氢原子能级:,此式与氢原子光谱的经验公式完全相符,R即为Rydberg(里德伯)常数。,Bohr模型对于单电子原子在多方面应用得很有成效,对碱金属原子也近似适用. 但它竟不能解释 He 原子的光谱,更不必说较复杂的原子。 Bohr模型有很大局限性的根源:波粒二象性是微观粒子最基本的特性,而Bohr模型没有涉及波性。在量子力学中,用波函数描述原子、分子中电子的运动状态。,Bohr,他获得了1922年的诺贝尔物理学奖。,第一节.单电子原子的薛定谔方程及其解,2.1.1 单电子原子的薛定谔方程,B: 根据波恩-奥本海默近似,即核固定近似, 简化哈密顿算符为:,C:在核固定近似条件下,氢原子和类氢离子薛定谔方程的 直角坐标表示式为:,A:氢原子和
3、类氢离子中有二个粒子,其哈密顿算符为:,更精确的计算要用折合质量来代替电子的质量,因此,球坐标系中薛定谔方程形式为:,2.1.2 变数分离法,将该式代入薛定谔方程的球坐标形式中,于是有,式中等号左边只与r有关、右边只与有关。两边恒等,必须 分别等于同一常数,设此常数为k,则:,勒让德方程,上述三个方程分别叫做R(r)方程,()方程和()方程。此时波函数被分为三部分,分别求解。注意三个方程的变量的变化范围。,(2),(3),将,代入,整理得:,利用变数分离法使(r, , )变成只含一个变数的函数R(r),()和()的乘积:,在R(r) ,() 和() 各个方程中,最简单的是()方程:,2.1.3. 方程的解:,由原方程可得:,常系数二阶线性齐次方程,得通解为:,常数A,m可通过归一化,单值性条件求得:,归一化条件,单值性条件,其解为:,这种解是复数形式的。由欧拉公式有,它们的线性组合也是方程的解,由此得到方程的实函数解:,实函数解不是角动量z轴分量算符的本征函数,但便于作图。 复函数解和实函数解是线性组合关系,彼此之间没有一一对应关系。,由原方程得:,根据二阶线性微分方程解法推得:k =
4、l(l+1), l=0,1,2,m角量子数;恒有 l m, 对于确定的l,可取(2l+1)个m值;当对K值进行这种限制后,可得方程收敛解形式为:,其中系数由归一化条件得:,() 方程的解:,当将k=l(l+1)代入方程后,进一步整理得:,通过求解,可以得到:,这里n=1,2,3l+1 ;主量子数,R(r)方程的解,对于每一个n值均有相应径向波函数,其中,氢原子或类氢离子的完全波函数,n,l,m ,n=1, l = 0 , m = 0 。g(简并度) = n2 = l2 =1 n,l,m = 100 n = 4, g(简并度) = n2 = 42 =16 。n,l,m = ?,2.1.4 单电子原子的波函数(俗称原子轨道) (r,) = R(r)()() n,l,m(r, , ) = R n,l (r) l,m() m() = R n,l (r) Y l,m(,) n,l,m 由量子数 n, l, m来规定。,n = 1 , 2 , 3 , , n l = 0 , 1 , 2 , , (n-1) m = 0 , 1, 2 , 3 , , l,n,l,m = ? n = 4, l = 0
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