原子核外电子的运动状态.ppt

1,高分子材料化学基础,教材:郭建民主编化学工业出版社,第一章物质的结构基础(1),讲解：材料系熊建利,1原子核外电子的运动状态,2,1原子核外电子的运动状态2原子核外电子排布与元素周期律3元素性质的周期性,第一节原子结构和元素周期表,3,学习要求,1理解原子核外电子运动的特性；了解波函数表达的意义；2.掌握四个量子数的符号和表示的意义及其取值规律；理解原子轨道和电子云的角度分布图。3掌握核外电子排布原则及方法；掌握常见元素的电子结构式；4.理解核外电子排布和元素周期系之间的关系；了解有效核电荷、电离能、电子亲合能、电负性、原子半径的概念。,4,3.统计性,测不准原理在经典力学中，宏观物体在任一瞬间的位置和动量都可以用牛顿定律正确测定。如太空中的卫星，换言之，它的运动轨道是可测知的，即可以描绘出物体的运动轨迹(轨道)。而对具有波粒二象性的微粒，它们的运动并不服从牛顿定律，不能同时准确测定它们的速度和位置。,5,1927年，海森堡(HeisenbergW)经严格推导提出了测不准原理：电子在核外空间所处的位置(以原子核为坐标原点)与电子运动的动量两者不能同时准确地测定。因此，也就无法描绘出电子运动的轨迹来。,6,微观粒子的运动规律可以用量子力学中的统计方法来描述。如以原子核为坐标原点，电子在核外定态轨道上运动，虽然我们无法确定电子在某一时刻会在哪一处出现，但是电子在核外某处出现的概率大小却不随时间改变而变化，电子云就是形象地用来描述概率的一种图示方法。,7,图为氢原子处于能量最低的状态时的电子云，图中黑点的疏密程度表示概率密度的相对大小。由图可知：离核愈近，概率密度愈大；反之，离核愈远，概率密度愈小。,8,综上所述，微观粒子运动的主要特征是具有波粒二象性，具体体现在量子化和统计性上。,9,核外电子运动状态描述,因为微观粒子的运动具有波粒二象性的特征，所以核外电子的运动状态不能用经典的牛顿力学来描述，而要用量子力学来描述，以电子在核外出现的概率密度、概率分布来描述电子运动的规律。,10,回忆中学怎样描述核外电子排布,1电子层2电子亚层(电子云形状)3电子云的伸长方向4电子的自旋,11,1.薛定谔方程,1926年，奥地利物理学家薛定谔(E.Schrodinger)根据电子具有波粒二象性的概念，提出了微观粒子运动的波动方程：,：波函数h：普朗克常数m：粒子质量E：总能量V：体系的势能x、y、z：空间坐标,12,2.波函数()与电子云(2),为了有利于薛定谔方程的求解和原子轨道的表示，把直角坐标(x,y,z)变换成球极坐标(r,)，其变换关系见图。,直角坐标与球极坐标的关系,13,解薛定谔方程得到的波函数不是一个数值，而是用来描述波的数学函数式(r,)，函数式中含有电子在核外空间位置的坐标r,的变量。处于每一定态(即能量状态一定)的电子就有相应的波函数式。,14,本身没有明确的物理意义。只能说是描述核外电子运动状态的数学表达式，电子运动的规律受它控制。波函数绝对值的平方却有明确的物理意义。它代表核外空间某点电子出现的概率密度。量子力学原理指出：在核外空间某点p(r,)附近微体积d内电子出现的概率dp为dp=2d(3-11)所以2表示电子在核外空间某点附近单位微体积内出现的概率，即概率密度。,15,3.量子数,在求解薛定锷方程时，为使求得波函数(r,)和能量E具有一定的物理意义，引入“量子数”这个概念。量子数：表示原子内部电子活动的能量、角动量、等的一组正数或半整数。量子数分为主量子数n、角量子数l、磁量子数m和自旋量子数ms。,16,(1)主量子数(n),在同一原子内，具有相同主量子数的电子，可看作构成一个核外电子“层”。n可取的数为1，2，3，4，目前只到7，分别表示为K,L,M,N,O,P,Qn值愈大，电子离核愈远，能量愈高。由于n只能取正整数，所以电子的能量是量子化的。,17,轨道角动量量子数(l),具有相同l值的可视为处于同一“亚层”。l可取的数为0，1，2，(n1)，共可取n个，在光谱学中分别用符号s，p，d，f，表示，相应为s亚层和p亚层、s电子和p电子之称。l反映电子在核外出现的概率密度(电子云)分布随角度(,)变化的情况，即决定电子云的形状。在多电子原子中，当n相同时，不同的角量子数l（即不同的电子云形状）也影响电子的能量大小。,18,(3)磁量子数(m),m值反映电子云在空间的伸展方向。m可取的数值为0，1，2，3，l，共可取2l+1个值。例：当l=0时，按量子化条件m只能取0，即s电子云在空间只有球状对称的一种取向，表明s亚层只有一个轨道；当l=1时，m依次可取1，0，+1三个值，表示p电子云在空间有互成直角的三个伸展方向，分别以px、py、pz表示，即p亚层有三个轨道。d、f电子云分别有5、7个取向，有5、7个轨道。,19,同一亚层内的原子轨道其能量是相同的，称等价轨道或简并轨道。但在磁场作用下，能量会有微小的差异，因而其线状光谱在磁场中会发生分裂。当一组合理的量子数n、l、m确定后，电子运动的波函数也随之确定，该电子的能量、核外的概率分布也确定了。通常将原子中单电子波函数称为原子轨道。,20,(4)自旋量子数(ms),用高分辨率的光谱仪在无外磁场的情况下,可观察到氢原子光谱有分裂现象，说明电子运动应该有两种不同的状态。为了解释这一现象而提出第四个量子数自旋量子数：ms。原因：电子除绕核运动外，自身还做自旋运动。用自旋量子数ms=+1/2或ms=1/2分别表示电子的两种不同的自旋运动状态。通常图示用箭头、符号表示。,21,总结:,主量子数n和角量子数l决定核外电子的能量；角动量子数l还决定电子云的形状；磁量子数m决定电子云的空间取向；自旋量子数ms决定电子