原子结构和和元素周期表.ppt

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1、第 8 章原子结构和元素周期表81初步了解原子核外电子运动的近代概念、原子能级、波粒二象性、原子轨道和电子云概念。2了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌握 四个量子数的物理意义、取值范围。3熟悉 s、p、d 原子轨道的形状和方向。4理解原子结构近似能级图，掌握原子核外电子排布 的一般规则和s、p、d、f 区元素的原子结构特点。5会从原子的电子层结构了解元素性质，熟悉原子半 径、电离能、电子亲和能和电负性的周期性变化。本章教学要求8.1 亚原子粒子 Subatomic particles8.2 波粒二象性 赖以建立现代模型的量子力学 概念 Wave-particle duality a f

2、undamental concept of quantum mechanics 8.3 氢原子结构的量子力学模型 波尔模型 The quantum mechanical model of the structure of hydrogen atom Bohrs model 8.4 原子结构的波动力学模型 The wave mechanical model of the atomic structure8.5 多电子原子轨道的能级 Energy level in polyelectronic atoms 8.6 基态原子的核外电子排布 Ground-state electron configur

3、ation8.7 元素周期表 The periodic table of elements 8.8 原子参数 Atomic parameters8.1 亚原子粒子 Subatomic particles 8.1.1 化学研究的对象 The object of chemical study8.1.3 夸克 Quark8.1.2 亚原子粒子（基本粒子）Subatomic particles(elementary particles)夸克质子中子原子核电子原子(离子)分子微观（宇观）宇宙单 质化合物星体宏观纳 米材 料（介观）8.1.1 化学研究的对象哪些是关键性的问题呢？化学反应的性能问题;化学催

4、化的问题;生命过程中的化学问题。当今化学发展的趋势大致是：由宏观到微观，由定性到定量，由稳定态向亚稳态，由经验上升到理论并用理论指导实践，开创新的研究。8.1.2 亚原子粒子 人们将组成原子的微粒叫亚原子粒子。亚原子粒子曾经也叫基本粒子,近些年越来越多的文献就将其叫粒子。迄今科学上发现的粒子已达数百种之多。与化学相关的某些亚原子粒子的性质名称 符号质量/u 电荷/e电子 质子 中子 正电子 粒子 粒子光子ep ne+5.4861041.0073 1.0087(氦原子的核)(原子核射出的e-)(原子核射出的电磁波)1105.486104 12 108.1.3 夸克名称 下夸克 上夸克 奇夸克 粲

5、夸克 底夸克 顶夸克符号 d u s c b t电荷-1/3+2/3-1/3+2/3-1/3+2/3质量 均为质子的1/100或1/200 质子的 200倍发现年代 1974 1977 1995某些最重要的夸克 根据 1961 年由盖尔-曼（Gell M-Mann）建立的新模型，质子和中子都是由更小的粒子夸克组成的，但现有的理论还不能预言(当然更不用说从实验上证明)电子是可分的。质子（uud），中子（udd）8.2 波粒二象性 赖以建立现代 模型的量子力学概念 Wave-particle duality a fundamen-tal concept of quantum mechanics8.

6、2.3 微粒的波动性 Wave like particle8.2.2 波的微粒性 Particle like wave 8.2.1 经典物理学概念面临的窘境 An embarrassment of the concepts of the classical physics8.2.1 经典物理学概念面临的窘境 Rutherford“太阳-行星模型”的要点：1.所有原子都有一个核即原子核(nucleus)；2.核的体积只占整个原子体积极小的一部分；3.原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上；4.电子像行星绕着太阳那样绕核运动。在对粒子散射实验结果的解释上,新模型的成功是显而易见的,至少要点中的前三点

7、是如此。根据当时的物理学概念,带电微粒在力场中运动时总要产生电磁辐射并逐渐失去能量,运动着的电子轨道会越来越小,最终将与原子核相撞并导致原子毁灭。由于原子毁灭的事实从未发生,将经典物理学概念推到前所未有的尴尬境地。经典物理学概念面临的窘境？会不会？！8.2.2 波的微粒性 电磁波是通过空间传播的能量。可见光只不过是电 磁波的一种。电磁波在有些情况下表现出连续波的性质，另一些情况下则更像单个微粒的集合体，后一种性质叫作波的微粒性。1900年,普朗克(Plank M)提出著名的普朗克方程：E=hv式中的 h叫普朗克常量(Planck constant),其值为6.62610-34 Js。普朗克认为

8、,物体只能按 hv的整数倍(例 如1hv,2hv,3hv等)一份一份地吸收或释出光能,而 不可能是 0.5 hv,1.6 hv,2.3 hv等任何非整数倍。即所谓的 能 量量子化概念。普朗克提出了当时物理学界一种全新的概念,但它只涉及光作用于物体时能量的传递过程(即吸收或释出)。Plank 公式 爱因斯坦认为,入射光本身的能量也按普朗克方程量子化,并将这一份份数值为 1hv的能量叫光子(photons),一束光线就是一束光子流.频率一定的光子其能量都相同,光的强弱只表明光子的多少,而与每个光子的能量无关。爱因斯坦对光电效应的成功解释最终使光的微粒性为人们所接受。光电效应 1905年,爱因斯坦(

9、Einstein A)成功地将能量量子化概念扩展到光 本 身,解 释 了 光 电 效 应(photoelectric effect)。钾的临界频率为 5.01014 s-1,试计算具 有这种频率的一个光子的能量。对红光和黄光进行类似的计算,解释金属钾在黄光作用下产生光电效应而在红光作用下却不能。E(具有临界频率的一个光子)=6.62610-34 Js 5.01014 s-1=3.310-19 J E(黄光一个光子)=h=6.62610-34 Js 5.11014 s-1=3.410-19 J E(红光一个光子)=h=6.62610-34 Js 4.61014 s-1=3.010-19 JQue

10、stion 1Solution波的微粒性 导致了人们对波的深层次认识，产生了讨论波的微粒性概念为基础的学科 量 子 力 学(quantum mechanics）。Einstein 的光子学说电子微粒性的实验Plank 的量子论8.2.3 微粒的波动性德布罗依1924 年说：德布罗依关系式 一个伟大思想的诞生h 为Planck 常量著名的德布罗依关系式“过去，对光过 分强调波性而忽 视它的粒性；现在对电子是否存在另一种倾向，即过分强调它的粒性而忽视它的波性。”微粒波动性的直接证据 光的衍射和绕射灯光源 1927年，Davissson 和 Germer 应用 Ni 晶体进行电子衍射实验，证实电子具

11、有波动性。(a)(b)电子通过A1箔(a)和石墨(b)的衍射图 微粒波动性的近代证据 电子的波粒二象性 KVDMP实验原理灯光源X射线管电子源微观粒子电子：由于宏观物体的波长极短以致无法测量，所以宏观物体的波长就难以察觉，主要表现为粒性，服从经典力学的运动规律。只有像电子、原子等质量极小的微粒才具有与X射线数量级相近的波长,才符合德布罗依公式。宏观物体子弹：m=1.0 10-2 kg,=1.0 103 m s-1,=6.6 10-35 m波粒二象性是否只有微观物体才具有？Question 2SolutionH+H H-D He 波尔以波的微粒性（即能量量子化概念）为基础建立了氢原子模型。薛定谔

12、等则以微粒波动性为基础建立起原子的波动力学模型。8.3 氢原子结构的量子力学模型：玻 尔模型 The quantum mechanical model of the structure of hydrogen atom Bohrs model特征:不连续的、线状的;是很有规律的。氢原子光谱由五组线系组成,任何一条谱线的波数(wave number)都满足简单的经验关系式:名字 n1n2Lyman 系Balmer系Paschen系Brackett系Pfund系123452,3,4,3,4,5,4,5,6,5,6,7,6,7,8,如：对于Balmer线系的处理n=3 红（H）n=4 青（H）n=5

13、 蓝紫（H）n=6 紫（H）爱因斯坦的光子学说 普朗克的量子化学说 氢原子的光谱实验 卢瑟福的有核模型Bohr在的基础上，建立了Bohr理论波粒二象性 玻尔模型认为,电子只能在若干圆形的固定轨道上绕核运动。它们是符合一定条件的轨道：电子的轨道角动量L只能等于h/(2)的整数倍：从距核最近的一条轨道算起,n值分别等于1,2,3,4,5,6,7。根据假定条件算得 n=1 时允许轨道的半径为 53 pm,这就是著名的玻尔半径。关于固定轨道的概念 固定轨道上运动的电子具有固定的能量En，其大小只取决于n（主量子数），电子运动的半径及能量：原子只能处于上述条件所限定的几个能态。指除基态以外的其余定态.各

14、激发态的能量随 n 值增大而增高。电子只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态。定态(stationary states)：所有这些允许能态之统称。电子只能在有确定半径和能量的定态轨道上运动,且不辐射能量。基态(ground state):n 值为 1 的定态。通常电子保持在能量最低的这一基态。基态是能量最低即最稳定的状态。激发态(excited states):关于轨道能量量子化的概念关于能量的吸收和发射 玻尔模型认为,只有当电子从较高能态(E2)向较低能态(E1)跃迁时,原子才能以光子的形式放出能量,光子能量的大小决定于跃迁所涉及的两条轨道间的能量差：E=E2 E1=h E:轨道的能量：光的

15、频率 h:Planck常量 计算氢原子的电离能 解释了 H 及 He+、Li2+、B3+的原子光谱波型 H H H H计算值/nm 656.2 486.1 434.0 410.1实验值/nm 656.3 486.1 434.1 410.2 说明了原子的稳定性 对其他发光现象（如射线的形成）也能解释 不能解释氢原子光谱 在磁场中的分裂 不能解释氢原子光谱 的精细结构 不能解释多电子原子 的光谱请计算氢原子的第一电离能是多少？（氢原子的第 一电离能）（氢原子其他能级的能量）Question 3Solution1 eV=1.6 1 eV=1.6 10 10-19-19 J J 8.4.1 不确定原理

16、和波动力学的轨道 Uncertainty principle and orbital on the wave mechanical model8.4 原子结构的波动力学模型 The wave mechanical model of atomic structure 8.4.2 薛定谔方程和波函数 Schrdinger equation and wave functions 8.4.4 波函数的图形描述 Portrayal of wave functions 8.4.3 描述电子运动状态的四个量子数 Four quantum nummers defining the movement state

17、 of electron8.4.1 不确定原理和波动力学的轨道概 念 重要暗示不可能存在 Rutherford 和 Bohr 模型中 行星绕太阳那样的电子轨道。具有波粒二象性的电子，不再遵守经典力学规律，它们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间概率分 布。实物的微粒波是几率波。实物的微粒波是几率波。海森堡的不确定原理(Heisenbergs uncertainty principle)不可能同时测得电子的精确位置和精确动量！8.4.2 薛定谔方程和波函数 Schrdinger方程与量子数 求解薛定谔方程,就是求得波函数和能量 E;解得的不是具体的数值,而是包括三个常数(n,l,m)和三个变量(

18、r,)的函数式 n,l,m(r,);有合理解的函数式叫做波函数(Wave functions)。轨道能量的量子化不需在建立数学关系式时事先假定。波函数=薛定谔方程的合理解=原子轨道 直角坐标(x,y,z)与球坐标(r,)的转换 r:径向坐标,决定了球面的大小:角坐标,由 z轴沿球面延伸至 r的弧 线所表示的角度:角坐标,由 r 沿球面平行xy面延伸至 xz面的弧线所表示的角度（1）主量子数 n(principal quantum number)8.4.3 描述电子运动状态的四个量子数 与电子能量有关，对于氢原子，电子能量唯一决 定于n 确定电子出现概率最大处离核的距离 不同的n 值，对应于不同

19、的电子壳层.K L M N O.与角动量有关，对于多电子原子,l 也与E 有关 l 的取值 0，1，2，3n-1(亚层）s,p,d,f.l 决定了的角度函数的形状（2）角量子数l(angular momentum quantum umber)n l1234（亚层0000s111p22d3f)与角动量的取向有关，取向是量子化的 m可取 0，1,2l 取值决定了角度函数的空间取向 n,l 值相同的轨道互为等价轨道（3）磁量子数m(magnetic quantum number)Lm轨道数 0(s)1(p)2(d)3(f)0 1 0 1 2 1 0 1 2 3 2 1 0 1 2 31357s 轨道

20、(l=0,m=0):m 一种取值,空间一种取向,一条 s 轨道 p 轨道(l=1,m=+1,0,-1)m 三种取值,三种取向,三条等价(简并)p 轨道d 轨道(l=2,m=+2,+1,0,-1,-2):m 五种取值,空间五种取向,五条等价(简并)d 轨道 f 轨道(l=3,m=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3):m 七种取值,空间七种取向,七条等价(简并)f 轨道（4）自旋量子数 ms(spin quantum number)描述电子绕自轴旋转的状态 自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为 ms 取值+1/2和-1/2，分别用和表示磁场屏幕窄缝 银原子流炉n,l,m 一定,轨道也确定 0

21、1 2 3轨道 s p d f例如:n=2,l=0,m=0,2s n=3,l=1,m=0,3pz n=3,l=2,m=0,3dz2核外电子运动轨道运动自旋运动与一套量子数相对应（自然也有1个能量Ei)n lm ms写出与轨道量子数 n=4,l=2,m=0 的原子轨道名称。原子轨道是由 n,l,m 三个量子数决定的。与 l=2 对应的轨道是 d 轨道。因为 n=4,该轨道的名称应该是 4d.磁量子数 m=0 在轨道名称中得不到反映,但根据我们迄今学过的知识,m=0 表示该 4d 轨道是不同伸展方向的 5 条 4d 轨道之一。Question 4Solution什么是轨道的“节点”和“节面”？Qu

22、estion 5Solution 对p轨道,电子概率为零的区域是个平面,称之为节面。px轨道的节面是 yz 平面,py 轨道和 pz 轨道的节面分别是 xz 平面和 xy 平面。如2s轨道的两种表示法中，(a)中原子核附近(r=0)电子概率最高,在离核某个距离处下降到零,概率为零的这个点叫节点。8.4.4 波函数的图形描述将Schrdinger方程变量分离：径向波函数 n、l、m 波函数 n,l,m（r,）(原子轨道)；n、l 能量En,l 原子轨道“atomic orbital”，区别于波尔的“orbit”。波函数图形又称为“原子轨道（函）图形”。角度波函数（二）波函数图形（续）1.波函数（

23、原子轨道）的角度分布图 即 Yl,m（,）-（,）对画图.（1）作图方法：原子核为原点，引出方向为（,）的向量；从原点起，沿此向量方向截取长度=|Yl,m（,）|的线段；所有这些向量的端点在空间组成一个立体曲面，就是波函数的角度分布图。（二）波函数图形（续）例：氢原子波函数210（r,）的角度部分 Y10（,）=(3/4)1/2cos（又称pz原子轨道）把各个值代入上式，计算出Y10（,）的值，列表如下，得到的图是双球型的曲面.（二）波函数图形（续）s、p 轨道角度分布图(剖面图)（二）波函数图形（续）d 轨道角度分布图(剖面图)（二）波函数图形（续）1.波函数（原子轨道）的角度分布图（1）意

24、义：表示波函数角度部分随,的变化，与r无关。（2）用途：用子判断能否形成化学键及成键的方向（分子结构理论：杂化轨道、分子轨道）。（二）波函数图形（续）2.波函数径向部分图形（径向波函数图形）即Rn,l（r）-r对画图（1）作图方法:写出R n,l（r）的表达式。例.氢原子波函数100（r,）(1s原子轨道)的径向部分为：R10（r）=2(1/a03)1/2 exp(-Zr/a0)求出不同r对应的R（r）值，并以r为横标、R（r）为纵标作图。（2）意义：表示波函数径向部分随r的变化。2.波函数径向部分图形（续）氢原子的Rn,l（r）r 图（三）几率和几率密度，电子云及有关图形 1.几率和几率密度 据W.Heienberg”测不准原理”，要同时准确地测定核外电子的位置和动量是不可能的:x px h/4 因此，只能用“统计”的方法，来判断电子在核外空间某一区域出现的多少，数学上称为“几率“（Probability)。波函数 的物理意义 描述核外电子在空间运动的状态。