3-1 核外电子的运动状态3-2 核外电子的排布和元素周期系3-3 元素基本性质的周期性第三章 原子结构Date13-1 核外电子的运动状态一、氢原子光谱和玻尔理论二、微观粒子的波粒二象性三、波函数和原子轨道四、几率密度和电子云五、波函数与电子云的分布图Date2一、氢原子光谱和玻尔理论Date3原子原子核（正电）核外电子（负电）核反应中发生变化化学反应中发生变化1.连续光谱与不连续光谱连续:某些物理量的变化没有最小单位.t,l,v,s不连续:某些物理量的变化有最小单位.电量q不连续是微观世界的重要特征，是量子化条件。Date4白光做光源连续光谱：包含所有不同波长的光谱Date5不连续光谱（原子光谱或线状光谱）每种元素的原子都有自己的特征光谱，不 同元素的原子光谱各不相同-光谱分析。单原子（离子）气体做光源Date62.氢原子光谱巴尔麦公式700 600 500 400 /nmH H HH4条谱线频率分别为：656.5nm,486.1nm,434.0nm,410.2nmDate7所有区域（红外、紫外、可见）思考题：由公式能看出谱线频率有何特征？氢原子光谱的谱线频率不是任意变化的， 而是随着两个正整数的改变而做跳跃式的变化 ，即氢原子光谱为不连续光谱。实 验 结 论Date8理论要点3.玻尔理论Date9稳定轨道：核外电子是在一些符合一定条件 的轨道上运动。这些轨道具有固定的能量 P=mr= nh/2，称稳定轨道。在此轨道上运 动的电子不放出能量，也不吸收能量。轨道能级：不同的稳定轨道能量不同，电子 离核越远，能量越高。离核最近的轨道能量最 低，称基态；电子获得能量跃迁到离核较远、 能量较高的状态为激发态。氢：E=-13.6/n2(ev)（n为正整数）Date10n=1,E1=-13.6ev,r1=1252.9pm(玻尔半径）n=2,E2=-13.6/4（ev）,r2=2252.9pmn=3,E3=-13.6/9（ev）,r3=3252.9pm随着n的增加，电子离核越来越远，能量越 来越高，n为量子数，当n，意味着电子完 全脱离原子核的电场引力，E=0（最大）n=1,电离能=13.61.610-226.021023=1311.6kJmol-1Date11激发态原子发光的原因处于激发态的电子极不稳定，它会迅速回 到能量较低的轨道，并以光子的形式释放出能 量。所以激发态原子能发光。紫外可见光Date12理论推导与实验结果完全相同。即波尔理论能 较好地解释氢原子光谱产生的原因和规律性。电子运动频率的理论推导Date13由于n只能取正整数，所以波长是不连续 的，即为不连续光谱。H：=656.5nmDate14波尔理论的缺陷：只能解释单电子原子或离子光谱的一般现象，不能解释谱线的分裂和多电子原子光谱，更不能用它进一步研究化学键的形成等。Date15二、微观粒子的波粒二象性1.光的波粒二象性2.电子的波粒二象性1924年德布罗意预言：一些实物粒子 (如 电子、中子、质子等)也具有波粒二象性，其波 长为 = h/m衍射和干涉-波动性光电效应-粒子性Date16电子衍射实验证明了电子具有粒子性和波动 性。波粒二象性是微观粒子的基本属性之一。电子衍射Date173. 测不准原理 德国物理学家海森保提出微观 粒子的位置与动量之间存在着测不准关系，即 xp h/2 ，x h/2m (h为普朗 克常数：6.626 10 -34 ， x和p 分别为位 置和动量不确定量)。根据测不准原理，粒子位 置的测量准确度越大（x越小） ，其动量的 准确度就会愈小（p越大） ，反之亦然。问题：为什么宏观物体不具有波粒二象性？如：1克运动速度为300米/秒的子弹 表现波动性时波长约为 10-26 nm。Date18对于宏观物体m=10克的物体，x = 0.1mm（已 相当准确）， 10-28 m.s-1，远远小于可测量 的限度范围，表明测不准原理对于宏观物体实际上 不起作用。对于电子,m=9.1110-31Kg,其大小数量级为10-10 m，则其位置的合理准确度至少要达到 x10-11 m，根据测不准原理，电子速度的不准确度为 6 106 m.s-1，这已与电子的本身速度相当 。Date19 确定电子位置的同时，其速度就测不准，要同时测准其位置和速度是不可能的 表明电子运动的固定轨道已不复存在。否定了玻尔理论中核外电子运动有固定轨道的观点。Date20三、波函数和原子轨道1.薛定谔方程-微观粒子运动所遵循的基本方程（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。（x、y、z)。m：粒子的质量;E：体系的总能量；V：势能m、E、V-体现微粒性；-体现波动性Date21解方程就是要解出微观粒子（如电子）每一种可能的运动状态所对应的波函数和能量E，方程的每一个合理的解就代表体系中电 子的一种可能的运动状态。为解方程，将直角坐标（x、y、z)转化为球坐标（r、)Date22(x、y、z)（r、）=R（r) Y（ 、)波函数径 向部分波函数角 度部分 Date232.波函数和原子轨道波函数的空间图象为原子轨道，它指的是 电子在原子核外运动的某个空间范围。或者说 原子轨道的数学表达式是波函数。Date24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(r、)n、l、m对应，也就是 有一个确定的原子轨道。1、0、0 代表1s原子轨道, 2、1、0 代表2pz原子轨道确定一个电子的运动状态还需加一个mS量子数。Date25Date26*3.四个量子数电子在核外的运动不是任意的，而只能取一定的 运动状态，一般需要四个量子数才能确定一个电子的 运动状态。 （1）主量子数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正整数 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，该电子层离核平均距离越远，能级越高。Date27（2）角量子数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 决定电子的能量。取值：0 1 2 3 4 （n1）正整数 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 4fDate28 每个n值最多对应n个不相同的角量子数l，即每个 电子层最多有n个亚层。 l的每个值还可表示一种形状的原子轨道l=0，s轨道，球形；l=1，p轨道，亚铃形；l=2，d轨道，花瓣形 单电子体系（氢原子或类氢离子），各种状态的 电子能量只与n有关.n不同，l相同 E1sE2sE3sE4sn相同，l不同 E4S=E4p=E4d=E4fDate29Date30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 +lDate31l 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，这是线状光谱在 磁场中发生分裂的根本原因。Date32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 3,1,0 对应3pz轨道。思考：n=4,l=0,m=o 代表什么轨道？4s轨道，4,0,0Date33自旋量子数电子除绕核运动外,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 子核外的运动状态练习：用合理的量子数表示3d能级；2pZ轨道；4s1电子Date343d能级 n=3,l=2; 2pZ轨道 n=2,l=1,m=04s1电子 n=4,l=1,m=0,ms=+1/2或-1/2结论：同一原子中，不可能有运动状态完 全相同的电子存在，即同一原子中各个电子的 四个量子数不可能完全相同。 一个轨道中只能容纳2个自旋相反的电子； 各电子层的轨道数=n2 各电子层电子的最大容量=2n2Date35四、几率密度和电子云1.几率密度 几率：电子在核外空间出现机会的多少射击1000次中十环500次几率50%或0.5中九环250次几率25%或0.25脱靶1次几率0.1%或0.001几率密度：是指空间某处单位体积 中出现的几率。用2表示， 2V=几率Date362.电子云：用小黑点的疏密来描述电子在核外空间各处 的几率密度分布所得到的空间图象称为电子云。-几率密度2的空间图象是电子云电子云等密度面图包含电子出现几 率的90%或95%哪个电 子云等密度面来表示 电子云的形状叫电子 云的界面图。电子云界面图Date37处于不同运动状态的电子，波函数各不 相同，所以2也不相同，其对应的空间图 象-原子轨道和电子云也不相同。s,p原子轨道示意图s,p电子云轮廓图Date38五、波函数与电子云的分布图1.波函数的径向分布与角度分布 波函数( x、y、z)表示电子在核外空间 的运动状态，其空间图象是原子轨道。(x、y、z)= （r、)= R（r） Y（、）径向部分 角度部分Date39氢原子基态(1S)：Date40氢原子波函数的径向分布图（1s)径向波函数图 R(r)-rDate41同理2srR(r )Date42* 波函数或原子轨道的角度分布图Date432.电子云的径向与角度分布图几率密度2的空间图象是电子云* 径向分布图D（r)-r几率=2V=24r2dr=D（r)drD（r)dr代表在半径为r，厚度为dr的球壳内 找到电子的几率。球壳薄层drDate44几率=2dV=24r2dr =D（r)drDate45D(r)D(r)D(r)D(r)D(r)曲线的峰数= n-个Date46径向密度图R2(r) r 2=R2（r）Y2(、)Date47* 电子云角度分布图Y2（,）- ,Y（,）与主量子数无关，所以只要l和 m相同，电子云角度分布图就相同。Date483.电子云的总体空间分布图象将2的径向部分R2与角度部分Y2结合起来， 就可得到完整的电子云2的空间分布图。Date49Date502p态:n =2 , l =1 , m = +1,0,-1D