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1、关于原子与原子结构关于原子与原子结构第1页，讲稿共86张，创作于星期日主要内容主要内容1.1原子的基本知识1.2原子结构模型1.3量子力学基础1.4原子内电子的排布重点：玻尔原子模型难点：原子内电子的排布第2页，讲稿共86张，创作于星期日1.1原子的基本知识原子的基本知识第3页，讲稿共86张，创作于星期日阿伏伽德罗定律阿伏伽德罗定律阿伏伽德罗定律:一摩尔的任何核素物质所包含的原子个数相同，都等于恒量。第4页，讲稿共86张，创作于星期日原子的质量原子的质量原子质量是指单个原子的质量，是原子的一个重要基本量。Ar-原子量第5页，讲稿共86张，创作于星期日原子大小原子大小不论原子轻重如何，它们的大小
2、在通常情况下都是差不多的。任何原子的半径数量级都为m或l。第6页，讲稿共86张，创作于星期日电子的发现电子的发现1897年英国物理学家汤姆逊(J.J.Thomson)发现了电子(英,1906年获诺贝尔物理奖)，开创了人类认识原子内部结构的新纪元。确定了原子可以再分确定了原子可以再分。但原子在化学反应中是最小的微粒，无法再变化。第7页，讲稿共86张，创作于星期日1.2原子结构模型原子结构模型第8页，讲稿共86张，创作于星期日电子的发现电子的发现p1897年汤姆逊发现电子。p原子是电中性的，而一切原子中都有带负电的电子，说明原子内部还有结构，那么原子中就必然有带正电的物质，它们应和电子所带的负电中
3、和，使原子呈中性。p电荷是量子化的(密立根)。第9页，讲稿共86张，创作于星期日物理学问题物理学问题原子中除电子外还有什么东西?电子是怎么待在原子里的?存在多少电子(电荷)原子中什么东西带正电荷?正负电荷是如何分布的?带负电的电子和带正电的东西如何相互作用?归结为：原子结构归结为：原子结构第10页，讲稿共86张，创作于星期日1.2.1汤姆逊原子结构模型汤姆逊原子结构模型-布丁模型布丁模型p原子中正电荷以均匀的体密度分布在一个大小等于整个原子的球体内，而带负电的电子则一粒粒地分布在球内的不同位置上，分别以某种频率振动着，从而发出电磁辐射。观测到的原子光谱的各种频率相当于这些振动的频率。n解决原子
4、大小（10-8厘米）n原子质量问题n困难：原子光谱解释第11页，讲稿共86张，创作于星期日1.2.2a粒子散射实验粒子散射实验实验观察到了散射的粒子(2-3度)，而且观察到了被金箔反射回来的粒子(1/8000)。对着卷烟纸射出一颗15英寸的炮弹，却被反射回来的炮弹击中一样地不可思议。DFRa粒子铅准直器金箔盖革计数器第12页，讲稿共86张，创作于星期日电荷均匀分布电荷集中在球心第13页，讲稿共86张，创作于星期日a粒子散射实验解释粒子散射实验解释由于核的线度很小，粒子越靠近核，r越小，粒子所受斥力就越大，因此就可能在一次散射中发生大角偏转。库仑斥力第14页，讲稿共86张，创作于星期日行星模型行
5、星模型p1911年卢瑟福(英)的a粒子散射实验否定了汤姆逊原子模型。p提出原子的中心是一个重重的带正电的核，与整个原子的大小相比，核很小。电子围绕核转动，类似大行星绕太阳转动。这种模型叫做原子的核模型，又称行星模型。行星模型示意图第15页，讲稿共86张，创作于星期日行星模型的不足行星模型的不足p解决的问题散射实验结果(原子核的存在)p困难：原子的稳定性原子的同一性原子的再生性原子光谱第16页，讲稿共86张，创作于星期日1.2.3经典物理的困惑经典物理的困惑19世纪末20世纪初，经典物理在实验方面遇到困难，这些困难被看作是“晴朗天空的几朵乌云”，正是这几朵乌云引发了物理界的变革。黑体辐射问题-紫
6、外灾难光电效应原子的线状光谱及原子的稳定性第17页，讲稿共86张，创作于星期日黑体辐射黑体辐射任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射热辐射。黑体黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射(当然黑体仍然要向外辐射)。第18页，讲稿共86张，创作于星期日紫外灾难紫外灾难在短波紫外光区，理论值随波长的减少而很快增长，以致趋向于无穷大，即在紫色一端发散；这显然与实际不符。因为在一个有限的空腔内，根本不可能存在无限大的能量。称为“紫外灾难”。瑞利瑞利-金斯公式金斯公式黑体
7、辐射解释：黑体空腔内壁辐射电磁能量只能是量子化的，即E=h第19页，讲稿共86张，创作于星期日光电效应光电效应由于紫外线照射，大量电子从金属表面逸出。光电效应特点：n存在临界频率，只有入射光的频率大于临界频率，才会有光电子逸出。n每个光电子的能量只与照射光的频率有关。n入射光频率大于临界频率时，只要光一照上，几乎立刻观测到光电子。第20页，讲稿共86张，创作于星期日原子的线状光谱原子的线状光谱p任何物质的原子光谱都由分立的线状光谱而不是连续分布的谱线所组成，叫做线状光谱(原子光谱)，如氢原子光谱。p线状光谱是原子受外界激发后发射的。不同的元素有不同的谱线分布。实验发现，原子光谱中，各谱线按波长
8、的排列和组成有一定的规律性，这种规律性与原子结构有密切联系。第21页，讲稿共86张，创作于星期日原子的稳定性原子的稳定性卢瑟福提出核模型后，按照经典电动力学，加速运动的带电粒子将不断辐射而丧失能量。故围绕原子核运动的电子终会因大量丧失能量而掉到原子核中去。这样原子也就崩溃了。但现实世界表明，原子是稳定的存在着。第22页，讲稿共86张，创作于星期日1.2.4玻尔原子理论模型玻尔原子理论模型p玻尔在行星模型的基础上引入了普朗克的量子概念，认为原子中的电子处在一系列分立的稳态上。p提出了原子轨道和能级概念，解释了原子发光机理。第23页，讲稿共86张，创作于星期日玻尔原子理论玻尔原子理论1.经典轨道+
9、定态假设电子作圆周运动(经典轨道)电子只能处于一些分立的轨道上，只能在这些轨道上做圆周运动，且不辐射电磁波这些定态的能量不连续第24页，讲稿共86张，创作于星期日2.频率条件(跃迁假设)原子内电子从一个定态跃迁到另一定态，会发射或吸收一个光子，频率第25页，讲稿共86张，创作于星期日3.角动量量子化假设轨道角动量L电子只可能在轨道角动量等于广义普朗克常数的整数倍的圆轨道上运动。第26页，讲稿共86张，创作于星期日4.氢原子轨道半径和能量的计算氢原子轨道半径和能量的计算氢原子轨道半径向心力是库仑力(1)(2)第n 个定态的轨道半径第27页，讲稿共86张，创作于星期日氢原子轨道能量的计算氢原子轨道
10、能量的计算电子能量(动能+势能)根据(1)式第28页，讲稿共86张，创作于星期日第29页，讲稿共86张，创作于星期日波尔模型示意图波尔模型示意图第30页，讲稿共86张，创作于星期日玻尔原子理论的意义玻尔原子理论的意义1.成功的把氢原子结构和光谱线结构联系起来,从理论上说明了氢原子和类氢原子的光谱线结构。2.揭示了微观体系的量子化规律，为建立量子力学奠定了基础。第31页，讲稿共86张，创作于星期日玻尔原子理论的缺陷玻尔原子理论的缺陷1.不能处理复杂原子的问题。2.完全没涉及谱线的强度、宽度等特征。3.以经典理论为基础,是半经典半量子的理论对于电子绕核的运动，用经典理论处理；对于电子轨道半径，则用
11、量子条件处理。4.电子在定态时发射电磁波的能力为何消失？5.在E1和E2两态之间电子处于什么状态。第32页，讲稿共86张，创作于星期日1.3量子力学基础量子力学基础第33页，讲稿共86张，创作于星期日1.3.1波粒两象性波粒两象性经典物理中的波和粒子n它们是两种仅有的又完全不同的能量传播方式声音的传播和石子击碎玻璃。n对于粒子：尤其是理想的粒子可精确定地测定能量、动量、电荷、质量、位置，在一定条件下，可视为质点。n对于波：它的特征量有波长、频率和振幅，干涉、衍射。n不能同时用波和粒子这两个概念去描写同一现象。第34页，讲稿共86张，创作于星期日光的波粒二象性光的波粒二象性光的波动性干涉、衍射现
12、象光的粒子性光电效应和康普顿效应光的能量：E=hv动量：由爱因斯坦提出光量子学说(限于光)光既不是经典意义上的粒子，也不是经典意义上的波。第35页，讲稿共86张，创作于星期日德布罗意假说德布罗意假说观点观点：任何物体不论其是否有静止能量，都伴随以波，而且不可能将物体的运动和波的传播分开。1929年获诺贝尔物理学奖。物质波和德布罗意波长给出粒子的动量P与伴随波的波长关系：法国理论物理学家，波动力学的创始人，物质波理论的创立者。(1892-1987)第36页，讲稿共86张，创作于星期日主要成就主要成就p波动力学的创始人，物质波理论的创立者，量子力学的奠基人之一。p博士论文Researchesont
13、hequantumtheory，首次提出了“物质波”概念。p1924年，德布罗意建议用电子在晶体上做衍射实验，以证实电子的波动性。p1927年，德布罗意假设的思想为戴维逊和革末的电子衍射实验所证实。p1929年德布罗意成为第一个以学位论文获得诺贝尔物理奖的人。第37页，讲稿共86张，创作于星期日德布罗意假说德布罗意假说把波粒两象性推广到所有的物质粒子。对于宏观粒子，波动性不明显(太小)，由下式计算：电子既不是经典意义下的粒子(无确定的轨道等)，也不是经典意义下的波(而是几率波)。一切实物粒子都有具有波粒二象性。一切实物粒子都有具有波粒二象性。第38页，讲稿共86张，创作于星期日例：质量m=50
14、Kg的人，以v=15m/s的速度运动，试求人的德布罗意波波长。人的德布罗意波波长仪器观测不到，宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。解：解：第39页，讲稿共86张，创作于星期日1.3.2海森堡不确定关系海森堡不确定关系海森堡不确定关系是量子力学的一个基本原理(海森堡1927年提出)。第40页，讲稿共86张，创作于星期日不确定关系不确定关系假如：X的位置完全确定，即，则粒子的动量就完全不能确定，即，假如粒子处于数值完全确定的状态时()，则无法在X方向上把粒子固定住，即X的位置是完全不确定的。第41页，讲稿共86张，创作于星期日不确定关系不确定关系即粒子在X方向被局限在一有限范围内时，则相应的
15、能量必有不确定的范围若一粒子在能量状态E只能停留t时间，则粒子的能量状态并非完全确定，它有一个弥散，只有当粒子的停留时间无限长时(稳态)，它的能量状态才能完全确定。揭示规律：粒子在客观上不能同时具有确定的坐标位置及相应的动量。第42页，讲稿共86张，创作于星期日不确定关系的问题不确定关系的问题该原理表明：一个微观粒子的某些物理量(如位置和动量，或方位角与动量矩，还有时间和能量等)，不可能同时具有确定的数值，其中一个量越确定，另一个量的不确定程度就越大。玻尔模型关于电子轨道概念的叙述(位置固定)海森堡不确定关系指出玻尔模型中能级有一定的带宽。第43页，讲稿共86张，创作于星期日例：电子不能落入(
16、被束缚在)核内当电子距核的距离越来越近时，将从原子的线度(0.1nm=10-8cm)过渡到原子核的线度(1fm=10-13cm)，由可知电子所需的平均动能将越来越大，但电子无这样大的能量(0.1GeV)补充，故而电子不能继续靠近核，更不可能落入核内。束缚电子的平均动能束缚电子的平均动能第44页，讲稿共86张，创作于星期日问题问题根据不确定关系微观粒子不能同时有确定的位置和动量。如何描述微观粒子第45页，讲稿共86张，创作于星期日1.3.3波函数波函数量子力学中描述微观系统状态的函数量子力学中描述微观系统状态的函数经典力学的质点的模型，仅有粒子性而无波动性，通常用坐标与动量P描述其运动状态。而微
17、观粒子具有波粒二象性，坐标与动量不能同时具有确定的值，因此，量子力学中用波函数来描述微观粒子状态。波函数是空间和时间的函数=(x,y,z,t)第46页，讲稿共86张，创作于星期日波函数波函数p玻恩假定波函数是粒子的概率密度，即在时刻t，在点(x,y,z)附近单位体积内发现粒子的概率。波函数称为概率幅。p统计解释：波函数在空间某一点的强度(振幅绝对值的平方)与t时刻在点(x,y,z)处单位体积找到粒子的几率成正比。波函数本身并无物理意义，而波函数的模的平方(波的强度)代表时刻t、在空间r点处，微观粒子出现的几率。第47页，讲稿共86张，创作于星期日波函数的作用波函数的作用波函数可以完全描述体系的
18、量子状态粒子的坐标和动量不可能同时具有确定的值，当粒子处于某一量子态时，它的力学量(坐标与动量)一般有许多个可能值，这些可能值各以一定的几率出现，而由波恩解释，这些几率可由波函数全部给出。第48页，讲稿共86张，创作于星期日粒子在整个空间出现的几率：(1)波函数具有归一性波函数具有归一性(2)单值性单值性(3)连续性连续性 (4)有限性有限性 波函数的标准化条件波函数的标准化条件波函数的性质波函数的性质 粒子在任何地方出现的概率只能有一个，因此在任何地方的波函数必须是单值，概率显示不能无限大，波函数必须处处有限，概率不可能在某处发生突变，因此波函数必须随处连续。第49页，讲稿共86张，创作于星
19、期日(5)态迭加原理态迭加原理p它是量子力学的一个基本原理。p若体系具有一系列不同的可能状态，1,2，则它们的线性组合=C11+C22+也是该体系的一个可能的状态。p它与经典波的迭加原理含义不同，当粒子处于态1和态2的迭加态时，粒子既处于态1(概率)，又处于态2(概率)，这是经典波所没有的(新的状态)。第50页，讲稿共86张，创作于星期日量子物理与经典物理的区别量子物理与经典物理的区别量子物理的基本规律：统计规律经典物理的基本规律：决定论、严格的因果律因果律是统计规律的极限第51页，讲稿共86张，创作于星期日问题问题如何求解波函数？一个微观系统的波函数，满足薛定谔方程。处于具体条件下的微观系统
20、的波函数，可由相应的薛定谔方程解出。第52页，讲稿共86张，创作于星期日1.3.4薛定谔方程薛定谔方程物质波-波动方程，德布罗意并没有告诉粒子的波函数，也没有告诉波函数怎样随时间变化。1926年，奥地利物理学家薛定谔提出波动方程即薛定鄂方程。是量子力学的一个基本原理。1933年薛定谔获诺贝尔物理奖年薛定谔获诺贝尔物理奖。(Schrodinger 1887-1961)第53页，讲稿共86张，创作于星期日建立薛定谔方程的两个条件建立薛定谔方程的两个条件薛定谔方程：描述波函数随时间的变化方程。1.方程应是线性微分方程根据态迭加原理的要求，若1与2是方程的解，那么a1+b2是方程的解。这是一种线性迭加
21、，所以要求方程是线性方程。2.这个方程的系数不应包括状态参量(如动量、能量)因为方程的系数如含有状态的参量，则方程只能被粒子的部分状态所满足，而不能被各种状态所满足。第54页，讲稿共86张，创作于星期日贡献：贡献：量子力学找到微观粒子在不同条件下的波函数的方法，归结为求各种条件下薛定谔方程的解。薛定谔方程薛定谔方程一般形式定态第55页，讲稿共86张，创作于星期日1.4原子内电子排布原子内电子排布第56页，讲稿共86张，创作于星期日1.4.1元素的周期规律元素的周期规律1869年，俄国科学家门捷列夫发现，元素的性质随其原子量的增加呈现周期性的变化，创立了元素周期表。元素的周期性反映了原子内部电子
22、排列的周期性。第57页，讲稿共86张，创作于星期日1.4.2电子状态描述电子状态描述主量子数n角量子数l磁量子数ml自旋量子数ms第58页，讲稿共86张，创作于星期日主量子数主量子数n和能量有关的量子数用来描述原子中电子出现几率最大区域离核的远近(电子所处的能级)，或者说它决定电子层数，大致决定了电子的能量。主量子数(n)1234567电子层符号KLMNOPQ第59页，讲稿共86张，创作于星期日角量子数角量子数l和能量有关的量子数电子在原子中具有确定的角动量L，它的取值不是任意的，只能取一系列分立值，称为角动量量子化。l越大，角动量越大，能量越高，电子云的形状也不同。角量子数决定电子空间运动的
23、角动量，以及原子轨道或电子云的形状。对于一定的n值，l可取0,1,2,3,4,n-1等共n个值角动量角动量第60页，讲稿共86张，创作于星期日磁量子数磁量子数ml和能量无关的量子数。描述原子轨道或电子云在空间的伸展方向。某种形状的原子轨道，可以在空间取不同方向的伸展方向，从而得到几个空间取向不同的原子轨道。ml取值受角量子数l取值限制，对于给定的l值，ml=-l，.，-2，-1，0，+1，+2+l，共2l+1个值第61页，讲稿共86张，创作于星期日自旋磁量子数自旋磁量子数ms自旋磁量子数自旋磁量子数m ms s描述轨道电子特征的量子数，ms=1/2顺时针和逆时针方向的自旋(自旋方向的量子数)自
24、旋量子数自旋量子数s=1/2(表征自旋角动量的量子数)自旋角动量自旋角动量任何电子都有相同的自旋角动量，并在z方向的分量只取两个数值(1/2,-1/2)，经典物理无法接受。第62页，讲稿共86张，创作于星期日电子总角动量电子总角动量轨道角动量自旋角动量总角动量当ls时，2s+1个值当ls时，共2l+1个值因s=1/2当l=0时，j=s=1/21个值当l=1,2,3,时，j=l+1/2，j=l-1/2两个值第63页，讲稿共86张，创作于星期日1.4.3 原子中电子壳层结构原子中电子壳层结构1916年，Kossel提出了电子壳层分布模型电子壳层分布模型：n相同的电子处于同一壳层，n大则距离原子核越
25、远，能量越高；同一壳层内，l不同分为不同支壳层，l越大，相应支壳层能量越高。主量子数主量子数n=1,2,3,4,5,6壳层符号壳层符号KLMNOP副量子数副量子数l=0,1,2,3,4,5支壳层符号支壳层符号spdfgh原子核外电子的运动状态由四个量子数描述：第64页，讲稿共86张，创作于星期日1.4.4电子排布原理电子排布原理处于稳定状态的原子，核外电子尽可能地按n能量最低原理n泡利不相容原理n洪特规则第65页，讲稿共86张，创作于星期日能量最低原理能量最低原理p电子在原子核外排布时，要尽可能使电子的能量最低。p离核较近的电子具有较低的能量，随着电子层数的增加，电子的能量越来越大；同一层中，
26、各亚层的能量是按s、p、d、f的次序增高的。第66页，讲稿共86张，创作于星期日能量最低原理能量最低原理原子系统处于稳定状态时每个电子趋向占有可能的最低能级。主量子数n 越低，离核越近的壳层首先被电子填满。能级也与副量子数有关，有时n较小的壳层未满，n较大的壳层上却有电子填入。例例：4s 和3d状态4sn+0.7l=4+0.7*0=43dn+0.7l=3+0.7*2=4.4先填4s态能级高低由半经验公式决定 n+0.7 l第67页，讲稿共86张，创作于星期日电子填充各壳层的次序是：电子填充各壳层的次序是：1s，2s，2p，3s，3p，4s，3d，4p，5s，4d，5p，6s第68页，讲稿共86
27、张，创作于星期日泡利不相容原理泡利不相容原理2、如果两个电子处于同一轨道，这两个电子的自旋方向必定相反。第69页，讲稿共86张，创作于星期日泡利不相容原理泡利不相容原理ps亚层只有1个轨道，可以容纳两个自旋相反的电子；p亚层有3个轨道，总共可以容纳6个电子；d亚层有5个轨道，总共可以容纳10个电子，f亚层有7个轨道，总共可以容纳14个电子。p第一电子层(K层)中只有1s亚层，最多容纳两个电子；第二电子层(L层)中包括2s和2p两个亚层，总共可以容纳8个电子；第3电子层(M层)中包括3s、3p、3d三个亚层，总共可以容纳18个电子第n层总共可以容纳2n2个电子。第70页，讲稿共86张，创作于星期
28、日“电子优先占据最低能态电子优先占据最低能态”ZeSPDnl1021032103d3p3s 2p2s 1s n=1n=2n=3第71页，讲稿共86张，创作于星期日洪特规则洪特规则电子在原子核外排布时，将尽可能分占不同的轨道，且自旋平行。(量子力学证明，电子这样排布可能使能量最低，所以洪特规则也可以包括在能量最低原理中)对于同一个电子亚层，当电子排布处于全满(s2、p6、d10、f14)半满(s1、p3、d5、f7)全空(s0、p0、d0、f0)时比较稳定。第72页，讲稿共86张，创作于星期日1.4.5电子组态电子组态电子组态电子组态：原子内电子壳层排布的标示。又称电子构型。原子中的电子排布组成
29、一定的壳层，例如，硅原子的电子组态是1s22s22p63s23p2，表示其14个电子中2个排布在1s态，2个排布在2s态，6个排布在2p态，2个排布在3s态和最后2个电子排布在3p态。电子组态清楚地显示出核外电子的排布状况。第73页，讲稿共86张，创作于星期日 K L M 电电子子组组态态N核外电子数核外电子数第74页，讲稿共86张，创作于星期日1.4.6原子态原子态p原子态原子态指电子在核外运动的波函数满足定态薛定谔方程，即呈不随时间变化的稳定的状态。它通常以电子组态表示。p能量最低的原子态称基态，能量较高的称激发态。电子既有轨道运动又有自旋运动L-S耦合j-j耦合第75页，讲稿共86张，创
30、作于星期日L-S耦合耦合当两个电子自旋之间作用很强，两个电子的轨道运动之间作用也很强，那么两个自旋运动就要合成一个总的自旋运动，即s1+s2=S。两个轨道角动量也要合成一个轨道总角动量，即l1+l2=L，轨道总角动量和自旋总角动量再合成总角动量，即L+S=J，此耦合过程称为L-S耦合。第76页，讲稿共86张，创作于星期日当 时，共 个当 时，共 个L-S耦合模型耦合模型第77页，讲稿共86张，创作于星期日当 时，共 个当 时，共 个第78页，讲稿共86张，创作于星期日例例*原子中有两个电子，当它们处于原子中有两个电子，当它们处于3p4d3p4d态时，原子有哪态时，原子有哪些可能的状态。些可能的
31、状态。解：解：考虑考虑L-SL-S耦合耦合 第79页，讲稿共86张，创作于星期日j-j耦合耦合另一种是电子的自旋同自己的轨道运动相互作用较强，这时电子的自旋角动量和轨道角动量要先合成各自的总角动量，即l1+s1=j1和l2+s2=j2，两个电子的总角动量合成原子的总角动量，即j1+j2=J,这种耦合的方式称为j-j耦合。第80页，讲稿共86张，创作于星期日j-j耦合模型耦合模型第81页，讲稿共86张，创作于星期日例例*利用j-j耦合，求3p4d态的原子态。解：有12个态 一般j-j耦合的原子态表示为：第82页，讲稿共86张，创作于星期日1.4.7跃迁选择定则跃迁选择定则L-S耦合下电偶极跃迁的选择定则总角动量量子数总角动量量子数跃迁只发生在宇称偶奇性态之间跃迁只发生在宇称偶奇性态之间第83页，讲稿共86张，创作于星期日跃迁选择定则跃迁选择定则j-j耦合跃迁的选择定则总角动量量子数总角动量量子数跃迁电子跃迁电子第84页，讲稿共86张，创作于星期日单价电子跃迁单价电子跃迁第85页，讲稿共86张，创作于星期日感感谢谢大大家家观观看看第86页，讲稿共86张，创作于星期日