原子结构与元素周期系.ppt

第四章 结构化学第一节原子结构与元素同期律一. 原子结构发展概况1.Dalton 1.Dalton 原子论原子论每一种化学元素的最小 单位是原子；同种元素的原子质 量相同，不同种元素由不同原子 组成，原子质量也不相同；原子 是不可分的道尔顿（英 ）1766－18441897年汤姆逊（Thomson，1856~1940）通过 阴极射线发现了电子的存在认为电子处于在带 正电荷的球内2. 2. 汤姆逊的西瓜原子模型汤姆逊的西瓜原子模型Ø考察粒子在金箔上的散射 Ø发现大多数粒子未偏转 Ø一部分粒子偏转 sourcedeflectedundeflecte dreflected1911年英国科学家卢瑟福（Rutherford，D. 1749- 1819）进行了著名的 粒子散射实验 结论：原子中的正电荷集中在一个很小的核上，其 余大部分是空的3.3.卢瑟福的原子的有核模型卢瑟福的原子的有核模型白光做光源连续光谱：包含某一段范围内所有不 同波长的光谱氢原子光谱氢原子光谱4.4.波尔原子模型波尔原子模型（1）1900年，普朗克的量子论：辐射能的吸收和发射是不连续的（量子化）不连续的（量子化），是，是 按照一个最小单位或最小单位的整数倍吸收或发射的，这按照一个最小单位或最小单位的整数倍吸收或发射的，这 种情况称为种情况称为能量的量子化。

能量的量子化能量的最小单位叫做能量子，简称量子能量的最小单位叫做能量子，简称量子以光或辐射形式传递的能量子具有的能量ε与辐 射的频率成正比：h＝6.626×10-34J·s，称为普朗克常数 （（2 2））19051905年，爱因斯坦的光子学说：年，爱因斯坦的光子学说：光不仅是一种波，而且具有粒子性光不仅是一种波，而且具有粒子性波尔原子模型要点：ao 基态基态激发态激发态1.核外电子只能在定态轨道上运动，既 不吸收能量，也不辐射能量电子运动 轨道是以核为圆心的不同半径的同心圆 ；2.不同定态轨道能量不同，且不连续；原子轨道不同能量状态称为能级；3.电子可在不同的定态轨道间跃迁，在 这个过程中吸收一定的辐射能或以光的 形式放出能量放出或吸收的能量，正好等于两个轨道 的能级差ν=△E/ h=（E2-E1）/h氢原子光谱n=1n=2n=5n=6n=4n=3n=7波尔模型的成功与局限性 成功：解释了原子的稳定性，氢原子光谱（线光谱 ）的不连续性 局限：1.不能说明多电子原子体系；2.未脱离经典力学的框架；人为规定电子只 能 在服从量子化条件的定态轨道上运动， 实际上电 子并不遵守经典力学理论，而是服从微观粒子特有的 规律性。

微观粒子的运动特征： 1. 量子化特征“量子化”是指微观粒子的运动以及运动过程中能量的变化是不 连续的，而是以某一最小量为单位呈现跳跃式的变化举例：原子光谱是分立的线光谱而不是连续光谱的事实 2. 波粒二象性1924年德布罗依（de Broglie）受光具有波粒二象性的启发，提出分子、原子、电子等微观粒子也具有波粒二象性20世纪初，爱因斯坦的光子理论阐述了光具有波粒二象性对于质量为m、以速度v 运动着的微观粒子，不仅 具有动量（粒子性特征），而且具有相应的波长（波动 性特征）两者间的相互关系符合下列关系式：这就是著名的德布罗依关系式，它把物质微粒 的波粒二象性联系在一起式中λ称为物质波的波长， 或德布罗依波长根据德布罗依关系式，可求得电子的波长 例如以一定速度运动的电子，其德布罗依波波 长为：这个波长相当于分子大小的数量级因此 ，当一束电子流经过晶体时，应该能观察到由 于电子的波动性引起的衍射现象电子衍射图片这一推断在1927年戴维逊和杰莫 通过电子衍射实验得到了证实X-raysElectron 两种衍射图相似，因电子的波长与两种衍射图相似，因电子的波长与X X射线接近射线接近测不准原理（测不准关系） （1927年，海森堡） 内容：微观粒子在指定时刻的空间位置和动量是不 可能同时确定的。

 x·x· p p   h/2 h/2   x·x· υ υ  h/2m h/2m  h h为普朗克常数：为普朗克常数：6.6266.626 1010-34-34 x x和和 p p分别为位置不确定量和动量不确定量分别为位置不确定量和动量不确定量对于宏观物体 m=10 gx = 0.1mm由 x·x· υ υ  h/2m h/2m  得得 = h/h/（（2m2m   x x））  10-28 m.s-1远远小于可测量的限度范围表明不确定原理对于宏观物体实际上不起作用对于电子 m=9.11×10-31 Kg其大小数量级为10-10 m，位置的合理准确度x=10-11 m由 x·x· υ υ  h/2m h/2m  得得 h/h/（（2m2m   x x）） =6  106 m.s-1，这已与电子的 本身速度（107 m.s-1）相当微观粒子运动规律的统计性解释微观粒子运动规律的统计性解释微观粒子的波动性是大量微粒运动（或一个 粒子的千万次运动）所表现出来的性质，即物质的运 动是具有统计意义的概率波。

原子中电子的运动特征可用“概率波”和“概 率密度”来描述空间某个区域波的强度（衍射强度）的大小 与粒子出现机会（概率）的多少成正比 1.薛定谔方程 1926年，奥地利物理学家薛定谔 （Schrödinger）建立了描述微观粒子运动规律的 波动方程，即著名的薛定谔方程：二二. . 原子结构原子结构（量子力学模型（量子力学模型 ））ψ（波塞）-波函数：不是具体的数，而是描述微 观粒子运动状态的数学表达式；是空间坐标x、y、z 的函数ψ（x、y、z)描述核外电子在空间运动的 状态（原子轨道）m：粒子的质量;E：体系的总能量；V：势能m、E、V-体现微粒性；ψ-体现波动性二阶偏微分方程Ψ ＝ Ψ （x、y、z）也可用球坐标（r、、）表示 ： Ψ ＝ Ψ （r、、） （（x x，，y y，，z z）或（）或（r,θ,φr,θ,φ) )X=r · ·sinθ·cosφθ·cosφY=r· Y=r· sinθ·sinφsinθ·sinφZ=r ·Z=r ·cosθcosθψ(x、y、z)→ψ（r、θ、φ）=R（r) · Y（ θ、φ)o ox xy yz zθ θ φ φr r在一定条件下，通过求解薛定谔方程，可得到描 述核外电子运动状态的一系列波函数Ψ(r、、)的具 体表达式，以及其对应的状态能量E。

所求得的每一波函数Ψ(r、、)，都对应于核外 电子运动的一种运动状态，即一个定态，其相应的能 量即为原子轨道能级 例如基态氢原子的波函数为： 相应的基态1s的能级为 -21.8×10-19J为了得到电子运动状态的合理解，必需引进几个 参数n、l、m,称它们为量子数（表征微观粒子运动状态 的一些特定的数字），每个量子数都有其确定的取值范 围对应于一组合理的n、l、m取值，必有一个确定的 波函数ψ(r、θ、φ)n、l、m对应，也就是有一个确定的 原子轨道ψ1、0、0 代表1s原子轨道,ψ1s ψ2、1、0 代表2pz原子轨道,ψ2pz确定一个电子的运动状态还需加一个mS量子数2.四个量子数1 1）主量子数）主量子数n n 意义：描述电子层能量的高低次序和离核的 远近取值： 1 2 3 4 5 6┄自然数 符号： K L M N O P┄ ‥‥‥n=1表示能量最低、离核最近的第一电子层 n越大，电子离核平均距离越远，能量越高，电 子出现概率越小2 2）角量子数）角量子数l l 意义：表示同一电子层中有不同的分层（亚层）；确定原子轨道的形状，并在多电子原子中和主量子 数一起决定原子轨道的能量。

取值：0 1 2 3 4 （n–1）符号：s p d f g ┄‥‥‥n取值: 1 2 3 4l取值: 0 0 1 0 1 2 0 1 2 3轨 道: 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f⑴ ⑴ 每个每个n n值最多对应值最多对应n n个不相同的角量子数个不相同的角量子数l l ，，即每个电子层最多有即每个电子层最多有n n个亚层⑵ ⑵ l l的每个值还可表示一种形状的原子轨道的每个值还可表示一种形状的原子轨道l=0l=0，，s s轨道，球形；轨道，球形；l=1l=1，，p p轨道，哑铃形；轨道，哑铃形；l=2l=2，，d d轨道，花瓣形轨道，花瓣形 3）磁量子数m(同一亚层中往往还包含着若干空间伸展方 向不同的原子轨道)意义:决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向取值：与l有关，给定l，m有2l+1个值-l┄ 0 ┄ +l，一个m值对应一个原子轨道薛定谔方程1 1）主量子数）主量子数n n2 2）角量子数）角量子数l l3）磁量子数m取值： 1 2 3 4 5 6┄自然数 符号： K L M N O P┄ ‥‥‥取值：0 1 2 3 4 ….. （n–1） 符号：s p d f g ‥‥‥取值：与l有关，给定l，m有2l+1个值-l┄ 0 ┄ +l，一个m值对应一个原子轨 道l m 轨道符号 轨道数量0 0 s 1 1 -1,0,+1 p 32 -2,-1,0,+1,+2 d 53 -3,-2,-1,0,+1,+2,+3 f 7没有外加磁场时，同一亚层中的原子轨道能量相 等（3个p轨道，5个d轨道，7个f轨道），称简并轨道 或等价轨道。

在外界强磁场的作用下，因轨道的空间伸展方向 不同，能量上会显示出微小的差别综上所述：一组合理的n、l、m,可确定一个原子轨道 离核的远近、形状和伸展方向n=3,l=1,m=0 ψ3,1,0 对应3pz轨道思考：n=4,l=0,m=0 代表什么轨道？4s轨道，ψ4,0,04）自旋量子数ms电子除绕核运动外,还绕着自身的轴作自旋运动意义：描述核外电子的自旋状态取值：+1/2，-1/2 ；↑，↓四个量子数 n,l,m,ms可确定一个电子在原子 核外的运动状态小结:1.主量子数n和轨道角动量量子数l决定核外电子的能量； 2.轨道角动量量子数l还决定原子轨道的形状和电子云的形状； 3.磁量子数m决定原子轨道或电子云的空间取向； 4.自旋角动量量子数ms决定电子运动的自旋状态四个量子数与各电子层可能存在的电子运动状态数列于下表:主量子 数电子层原子轨道符号原子轨道数电子运动状态 数n=1K1s12n=2L2s 2p1 38n=3M3s 3p 3d1 3 518n=4N4s 4p 4d 4f1 3 5 732nn22n2例题：假定下列各套量子数，指出其中哪些实际上是不存在的，并说明原因。

1）(3, 2, 2, 1/2); （2）(3, 0, -1, 1/2); （3）(2, 2, 2, 2); （4）(1, 0, 0, 0);（5）(2, -1, 0, 1/2); （6）(2, 0, -2, 1/2)【答】(3)不存在，自旋量子数只能取±1/2，同理(4)也不存在；(5)不存在，因为角量子数不能取负数2）（6。