1,一.原子结构理论的发展简史 二.氢原子光谱和玻尔理论三. 微观粒子的运动规律 1. 微观粒子的波粒二象性 2. 微观粒子的运动特点四.薛定谔方程与四个量子数五. 波函数和原子轨道的图形表示 1和2的含义，电子云及几率密度,第八章 原子结构与元素周期律,2,2波函数和电子云的空间图象, 径向部分图象 角度部分图象 电子云空间分布图,六. 多电子原子核外电子排布,1. 原子轨道能级 2. 屏蔽效应和钻穿效应 3. 原子核外电子排布,七. 元素某些性质的周期性变化规律 (原子半径r, 电离能I, 电子亲合能E，电负性),3,原子结构理论的发展简史,1、古代希腊的原子理论 哲学家德谟克利特（Democritus)臆想出原子是物质最小 的，不可再分的，永存不变的微粒。2、道尔顿(J. Dolton) 的化学原子理论-19世纪初 物质是由原子构成的,这些原子是微小的不可分割的实心球 体,同种原子的性质和质量都相同。3、汤姆逊(Thomson)的电子发现1897年。4、卢瑟福(E.Rutherford)的行星式原子模型 -19世纪末 回答了原子的组成正电原子核+电子。5、波尔(Bohr)引进了普朗克量子+爱因斯坦光子解释氢原子光谱6、近代原子结构理论-氢原子光谱、薛定鄂方程等。 原子核外电子的分布规律和运动状态等。,4,氢原子光谱和玻尔理论一 、氢原子光谱1. 连续光谱(continuous spectrum) 太阳光或白炽灯发出的白光，通过玻璃三棱镜时，所含不同波长的光可折射成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等没有明显分界线的光谱。2. 线状光谱(原子光谱)(line spectrum) 原子（包括氢原子）得到能量（高温、通电）会发出单色光，经过棱镜分光得到线状光谱。即原子光谱属于不连续光谱。每种元素都有自己的特征线状光谱。3. 氢原子光谱 不连续光谱，即线状光谱。 其频率具有一定的规律。,5,6,连续光谱(continuous spectrum),7,线状光谱(原子光谱)(line spectrum),8,9,里得堡(Rydberg)经验公式 -瑞典 1913 = R n1 = 2 n2：大于2的正整数 ：谱线的频率(s-1) R：里得堡(Rydberg) 常数3.289 1015 s-1,注： n=1, 莱曼系（Lyman）；n = 2, 巴尔麦系； n=3, 帕邢系(Pashen) 与经典电磁理论矛盾： A 核外电子不会毁灭 B 原子光谱是不连续的，是线状的,巴尔麦( J. Balmer)经验公式,10,11,二、玻尔(Bohr)理论三个假设1、假定氢原子核外电子是处在一定的轨道上绕核运行的(行星模型)，且氢原子核外电子的轨道是不连续的，在轨道运行的电子具有一定的角动量(量子化条件)。 p = mr = n (h / 2) r = 52.92 n2 pm2、 原子中的电子通常处于基态，当从外界获取能量时电子处于激发态。离核远，能量大。 E = E 动+ E 位 1 E = 13.6 eV n2,12,3、电子尽可能处于能量最低的轨道，而处于激发态电子不稳定，跃迁基态时以光子释放能量 或 E光子 = hc / 1/ = 里得堡经验公式 其中 = RH 1.097107,玻尔理论的局限：1.未彻底抛弃经典力学； 2.不能解释多电子原子光谱和 氢原子的精细光谱,13,三、微观粒子的运动规律1. 微观粒子的波粒二象性 1924年，法国博士德布罗意（de Broglie）大胆假定光的波粒二象性不仅表示光的特性，而且表示所有如电子、质子、中子、原子等实物微粒的特性。 = h /P = h / m h: plank常数； : 微观粒子的波长 mv: 粒子的动量(质量m速度v) 1927 年， de Broglie 的预言被电子衍射实验所证实，后人将这种物质波称为 de Broglie 波。,14,电子衍射实验示意图用电子枪发射高速电子通过薄晶体片射击感光荧屏，得到明暗相间的环纹，类似于光波的衍射环纹。,15,2. 微观粒子的运动特点(测不准原理)1927年，Werner Heisenberg认为微观粒子不能同时准确测量其位置和动量。测不准关系式： x 粒子的位置不确定量 粒子的运动速度不确定量,16,例1: 对于 m = 10 克的子弹，它的位置可精确到x 0.01 cm,其速度测不准情况为：, 对宏观物体可同时测定位置与速度,17,速度不准确程度过大,例2: 对于微观粒子如电子, m = 9.11 10-31 Kg, 半径 r = 10-10 m，则x至少要达到10-11 m才相对准确，则其速度的测不准情况为：,若m非常小，则其位置与速度是不能同时 准确测定的。,微观运动统计规律,18,四、薛定谔方程与四个量子数,Erwin Schrodinger , 奥地利物理学家,19,1. 薛定谔方程(1926)二阶偏微分波动方程量子力学中描述核外电子 在空间运动的数学函数式，即原子轨道 E轨道能量 V 势能 m微粒质量， h普朗克常数 x,y,z -微粒的空间坐标(x,y,z) 波函数，其几何图象可以用来表示微观粒子 活动的区域,20,2. 四个量子数（1）主量子数n，n = 1, 2, 3正整数，它决定电子离核的远 近和能级。电子层数如K，L，M，N，O，P （2）角量子数l，l = 0, 1, 2, 3n-1，以s，p，d， f 对应的能 级表示亚层，它决定了原子轨道或电子云的形状，且多 电子原子还与能量有关。（3）磁量子数m，原子轨道在空间的不同取向，m = 0, 1, 2, 3.l，一种取向相当于一个轨道，共可取2l + 1个 数值。m值反应了波函数(原子轨道)或电子云在空间的 伸展方向。但磁量子数m与能量无关。,单电子体系，电子的能量由 n 决定：,21,(4)自旋量子数ms，ms = 1/2, 表示同一轨道中电子的二种自旋状态，用箭头 和 符号表示。 注：其中n，l，m三个量子数是由薛定谔方程直接得到，而ms 是依据实验结果。 根据四个量子数的取值规则，则每一电子层中可容纳的电子总数为2n2.,22,3. 四个量子数描述核外电子运动的可能状态 例： n = 1 l = 0， m = 0 1s K n = 2 l = 0， m = 0 2s L l = 1， m = 0 , 1 2p n = 3 l = 0， m = 0 3s l = 1 m = 0 , 1 3p M l = 2 m = 0 , 1， 2 3d,n = 4 ?,例： 轨道运动状态为2pz，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 = 1,B,23,1.波函数与核外电子运动状态(量子力学的方法) (1) 电子在原子中运动服从薛定谔方程 (n,l,m)(x,y,z)是薛定谔方程的合理解。 表示原子核外轨道的一种电子运动状态 (2) 每一波函数(n,l,m)(x,y,z) 都有确定的能量E(n,l)。 (3) n，l，m规定了核外轨道的运动状态。 (4) 粒子的运动不存在经典的轨道，而只呈现几 率分布，即统计学规律。,五. 波函数和原子轨道的图形表示,24,（5）粒子分布呈波动性，可以为正值、负值 或零。 =0称为节点，在多电子原子中， n相同而l不同的轨道中，节点多(即l数值大) 的状态能量也较高。（6） 代表了核外电子的几率密度，其图形表 示为电子云。 表示在微体积元d内电子 出现的几率, （7）在同一原子中，不可能存在四个量子数完 全相同的电子。,25,根据 r， 的定义，有 x = r sin cos y = r sin sin z = r cos r2 = x2 + y2 + z2,2、原子轨道的图形（1）直角坐标与球坐标之间的关系,26,（1）直角坐标与球坐标之间的关系 (n,l,m)(x,y,z) (，) 第一步 坐标变换 (n,l,m)(x,y,z) = R(n,l)(r) Y(l,m)(，) 第二步 变量分离,nlm(r,) = R(r) Y(,), , (r,) = R2(r) Y2(,),电子云 径向部分 角度部分,将以上关系代入薛定谔方程 （1）中， 经过整理， 得到：,27,（2） 几率密度和电子云,电子云：假想将核外一个电子每个瞬间的运动状态，进行摄影。并将这样数百万张照片重叠，得到如下的统计效果图，形象地称为电子云图。,