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1、化学氢原子结构的近代概念第1页，共23页，编辑于2022年，星期五 到到到到20202020世纪初世纪初世纪初世纪初,卢瑟福根据卢瑟福根据卢瑟福根据卢瑟福根据 粒子衍射现象提出了粒子衍射现象提出了粒子衍射现象提出了粒子衍射现象提出了“含核的原含核的原含核的原含核的原子模型子模型子模型子模型”。1913 1913 1913 1913年波尔提出了核外电子分层排布的波尔理论。年波尔提出了核外电子分层排布的波尔理论。年波尔提出了核外电子分层排布的波尔理论。年波尔提出了核外电子分层排布的波尔理论。直到直到直到直到20202020世纪世纪世纪世纪30303030年代，以微观粒子波粒二象性为基础发年代，以微
2、观粒子波粒二象性为基础发年代，以微观粒子波粒二象性为基础发年代，以微观粒子波粒二象性为基础发展起来的量子力学，才建立了比较符合微观世界实际的物展起来的量子力学，才建立了比较符合微观世界实际的物展起来的量子力学，才建立了比较符合微观世界实际的物展起来的量子力学，才建立了比较符合微观世界实际的物质结构近代理论。质结构近代理论。质结构近代理论。质结构近代理论。宇宙万物是由哪些基本物质构成的呢宇宙万物是由哪些基本物质构成的呢宇宙万物是由哪些基本物质构成的呢宇宙万物是由哪些基本物质构成的呢?人类从上古时人类从上古时人类从上古时人类从上古时代起就开始了关于物质结构的探讨。代起就开始了关于物质结构的探讨。代
3、起就开始了关于物质结构的探讨。代起就开始了关于物质结构的探讨。第2页，共23页，编辑于2022年，星期五本章讨论：本章讨论：1 1核外电子的运动特征及运动状态的描述核外电子的运动特征及运动状态的描述2 2核外电子的分布规律和周期系核外电子的分布规律和周期系3 3元素基本性质的周期性元素基本性质的周期性第3页，共23页，编辑于2022年，星期五5.15.1氢原子结构的近代概念氢原子结构的近代概念 原子光谱原子光谱 （线光谱）（线光谱）氢原子光谱氢原子光谱5.1.15.1.1核外电子运动的特征核外电子运动的特征(1)(1)氢原子光谱和玻尔理论氢原子光谱和玻尔理论 连续光谱连续光谱 第4页，共23页
4、，编辑于2022年，星期五 第5页，共23页，编辑于2022年，星期五红色谱线红色谱线 =653.3nm H 兰色谱线兰色谱线 =434.1nm H 蓝绿色谱线蓝绿色谱线 =486.1nm H 紫色谱线紫色谱线 =410.1nm H第6页，共23页，编辑于2022年，星期五玻尔理论玻尔理论(1)(1)定态轨道的概念定态轨道的概念n =1，2，3n=1基态基态 a0=52.9pm(玻尔半径玻尔半径)(3)激发态原子发光的原因激发态原子发光的原因(2)轨道能级的概念及轨道能级量子化的概念轨道能级的概念及轨道能级量子化的概念 氢原子核外电子的轨道能量为：氢原子核外电子的轨道能量为：第7页，共23页，
5、编辑于2022年，星期五 玻尔理论的玻尔理论的局限性局限性1.不能说明多电子原子的光谱，甚至不能说明氢光谱不能说明多电子原子的光谱，甚至不能说明氢光谱的精细结构。的精细结构。2.它对能级的描述很能粗略，只有一个量子数。它对能级的描述很能粗略，只有一个量子数。3.更不能解释原子如何形成分子的化学健的本质。更不能解释原子如何形成分子的化学健的本质。这是因为波尔理论并未完全冲破经典力学理这是因为波尔理论并未完全冲破经典力学理论的束缚，仍然把微观粒子论的束缚，仍然把微观粒子(电子电子)在原子核外的在原子核外的运动视为太阳系模型那样沿着固定轨道绕核旋转。运动视为太阳系模型那样沿着固定轨道绕核旋转。第8页
6、，共23页，编辑于2022年，星期五（2）微观粒子的波粒二象性）微观粒子的波粒二象性 光的波粒二象性：光的波粒二象性：德布罗意关系式：德布罗意关系式：物质波（德布罗意波）第9页，共23页，编辑于2022年，星期五 1927年，美国物理学家戴维逊（年，美国物理学家戴维逊（Davissn,C.J.）和）和盖末（盖末（Germer,L.H.)通过电子衍射实验证实了德布罗通过电子衍射实验证实了德布罗意的假设。意的假设。electron diffraction电子衍射实验电子衍射实验证实了德布罗依的假设证实了德布罗依的假设第10页，共23页，编辑于2022年，星期五 电子衍射实验 电电子子束束第11页，
7、共23页，编辑于2022年，星期五（3）微观粒子的几率分布规率）微观粒子的几率分布规率 波恩的统计解释波恩的统计解释几率几率 统计方法统计方法第12页，共23页，编辑于2022年，星期五原子核外电子的运动具有三大特征：原子核外电子的运动具有三大特征：量子化 线光谱 波粒二象性物质波 统计性 几率波第13页，共23页，编辑于2022年，星期五5.1.2 波函数波函数（1）薛定谔方程式简介）薛定谔方程式简介波函数（原子轨道）：波函数（原子轨道）：描述原子核外电子运动状态的一个数学函数式描述原子核外电子运动状态的一个数学函数式E体系的总能量体系的总能量 JV体系的势能体系的势能 Jm微粒的质量微粒的
8、质量h普朗克常数普朗克常数x、y、z微粒的空间坐标微粒的空间坐标 体现微粒的波动性体现微粒的波动性 E、V、m体现微粒性体现微粒性 各项的意义各项的意义第14页，共23页，编辑于2022年，星期五（2）波函数（原子轨道）与三个量子数）波函数（原子轨道）与三个量子数主量子数主量子数n 角量子数角量子数l磁量子数磁量子数mn，l，m（r、）n=1，2，3，4正整数正整数l=0，1，2，3.（n-1），共可取），共可取n个值个值m=0，1，2，3.l 共可取共可取2l+1个值个值第15页，共23页，编辑于2022年，星期五 n=1 2 3 l =0 0，1 0，1，2 m=0 0，0,1 0，0,1
9、,0,1,2 轨道名称轨道名称 1s 2s 2p 3s 3p 3d 轨道数：轨道数：1 1 3 1 3 5 1 4 9原子轨道名称原子轨道名称 l =0 1 2 3 s轨道轨道 p轨道轨道 d轨道轨道 f轨道轨道 m=0 0,1 0,1,2 0,1,2,3轨道数：轨道数：1 3 5 7 原子轨道与波函数是同义词原子轨道与波函数是同义词描述电子运动状态的数学函数式描述电子运动状态的数学函数式 应将原子轨道与宏观物体轨道的概念严格区分。应将原子轨道与宏观物体轨道的概念严格区分。第16页，共23页，编辑于2022年，星期五（3）波函数（原子轨道）角度分布图）波函数（原子轨道）角度分布图（r,)=R(
10、r)()()令令 Y(,)=()()则则（r,)=R(r)Y(,)R(r)波函数的径向部分波函数的径向部分 Y(,)波函数的角度部分波函数的角度部分 波函数的角度分布图波函数的角度分布图Y(,)的球坐标图的球坐标图1）s轨道轨道 l=0 Y(,)=1/4特点：球面特点：球面 无方向性无方向性第17页，共23页，编辑于2022年，星期五2）p轨道轨道 以以2pz为例为例 Ypz=3/4 cos第18页，共23页，编辑于2022年，星期五5.1.3 电子云电子云（1）几率密度）几率密度 2 2 单位体积内电子出现的几率单位体积内电子出现的几率 波函数波函数2表示电子在核外空间某点附近出现的几率密度
11、表示电子在核外空间某点附近出现的几率密度（2）电子云）电子云第19页，共23页，编辑于2022年，星期五（3 3）电子云的角度分布图）电子云的角度分布图 （r,)=R(r)Y(,)则则 2（r,)=R2(r)Y2(,)R2(r)电子云的径向部分电子云的径向部分 Y2(,)电子云的角度部分电子云的角度部分电子云的角度分布图电子云的角度分布图Y2(,)的球坐标图的球坐标图 Ys=1/4 Ys2=1/4 1）s电子云电子云特点：球面对称分布，无方向性特点：球面对称分布，无方向性第20页，共23页，编辑于2022年，星期五2）p电子云电子云例例 Pz电子云电子云 Ypz=3/4 cos （Ypz）2=
12、3/4 cos2特点：特点：相交于原点的两个橄榄型曲面相交于原点的两个橄榄型曲面无正负无正负有极大值有极大值第21页，共23页，编辑于2022年，星期五5.1.45.1.4电子运动状态的完全描述和四个量子数电子运动状态的完全描述和四个量子数 1）主量子数）主量子数 n 意义：意义：描述电子离核的远近描述电子离核的远近,决定电子层的划分决定电子层的划分 决定电子能量高低的主要因素决定电子能量高低的主要因素 n=1 2 3 4 5 -K L M N O 意义：意义：描述同一电子层中不同能量状态的分层描述同一电子层中不同能量状态的分层电子亚层电子亚层 表示原子轨道或电子云的形状表示原子轨道或电子云的形状 l=0 1 2 3 4-（n-1）s p d f g3）磁量子数）磁量子数m 意义：描述原子轨道或电子云在空间的伸展方向意义：描述原子轨道或电子云在空间的伸展方向 m=0 1 2 3-l1 2 3-l4）自旋量子数）自旋量子数ms 意义：描述电子的自旋运动特征意义：描述电子的自旋运动特征 ms=1/2 1/2 “”n=1n=22）角量子数）角量子数 l第22页，共23页，编辑于2022年，星期五用四个量子数表示核外电子运动状态用四个量子数表示核外电子运动状态第23页，共23页，编辑于2022年，星期五