第二章 原子结构.ppt

第二章原子结构 教学目标 1 掌握氢原子的能级图 并熟悉波粒二象性2 知道原子的基态和激发态的涵义3 初步知道原子核外电子的跃迁及吸收或发射光谱 了解其简单应用4 知道原子核外电子的排布遵循能量最低原理 二 原子的经典模型 1 汤姆孙的面包夹葡萄干模型 整个原子呈胶冻状的球体 正电荷均匀分布于球体上 而电子镶嵌在原子球内 在各自的平衡位置附近做简谐振动 并发射同频率的电磁波 2 卢瑟福的核式原子模型 原子由原子核和核外电子构成 原子核带正电荷 占据整个原子的极小一部分空间 而电子带负电 绕着原子核转动 如同行星绕太阳转动一样 氢原子 卢瑟福的学生玻尔于1913年创立了氢原子结构的半经典理论 使人们对原子结构的认识向前推进了一大步 N Bohr 玻尔的量子论成功解释了氢原子光谱 在一定程度上反映了原子内部结构的规律性 并得到光谱实验和夫兰克 赫兹实验的证实 为后来的量子理论奠定了基础 玻尔由于出色的工作获得了1922年诺贝尔物理学奖 15 4氢原子光谱波尔的氢原子理论 一 氢原子光谱的实验规律 狭缝 照相底片 棱镜 或光栅 来自光源的光线 氢原子光谱是最简单的光谱 对氢原子光谱的研究具有重要的意义 谱线特点 1 从红光到紫光有一系列分立的谱线 2 每一条谱线的波长可以表示为 式中B为常数 等于364 56nm 三 波尔理论 1900年 普朗克 M Planck 在研究黑体辐射时 为解释辐射能量密度与辐射频率的关系 冲破经典力学的束缚 认为辐射物体是一份一份地放出或吸收 每一份辐射能E取决于辐射物体中原子的振荡频率即 1905年爱因斯坦提出辐射能也是由一份一份的量子组成的 辐射能和量子也称为光子 提出了光子学说 1913年丹麦物理学家波尔把量子论的基本观点应用于原子核外电子的运动 从而创立了波尔理论 式中 h称为约化普朗克常数 等于 1 定态假设原子中的电子绕核运动时 只能处在一系列具有不连续能量的稳定状态 称为定态 1 基本假设 条件 电子的轨道角动量L只能等于h 2 的整数倍 式中m和v分别为电子的质量和速度 r为轨道半径 n为主量子数 2 跃迁假设原子核外的电子由一个定态跃迁到另一个定态时 一定会放出或吸收能量 因此 如果电子从能态E1跃迁到E2 根据普朗克 爱因斯坦公式 辐射能的频率公式为 会发射或吸收一个频率为u的光子 辐射频率公式 如果 0 表示跃迁吸收能量 0 表示跃迁时放出能量 质子 单位正电 决定元素种类 原子序数 中子 不带电 影响原子相对质量 原子量 质子数 中子数 核外电子绕核运动 是如何运动的 核外电子是如何排列的 目前 对原子结构已很清楚 n 1的定态称为基态 基态能量最低 原子最稳定 氢原子基态的能量 n 1 基态原子的电子吸收能量后 电子会跃迁到较高能级 变成n 2 3 4 称为激发态 氢原子各定态电子轨道 13 58 0 氢原子能级图 用波尔理论能较好地解释氢原子光谱 当氢原子获得能量时 原子中的电子从基态跃迁到激发态 处于激发态的电子不稳定 会迅速跳回较低能级 同时以光能的形式放出多余的能量 由于各能级的能量是确定的 两能级间的能量差亦是确定的 因此发射出来的光波的波长和频率也必然是确定的 原子会吸收或辐射出光子 吸收和辐射出光子能量的多少决定于跳跃前后的两个轨道能量之差 第n能级能量 从基态跃迁到第n级吸收或放出的能量 例 电离能是指气态氢原子中的电子从基态跃迁到n 时吸收的能量 试计算氢原子的电离能 B 2 179 10 18J 解 氢原子的电离能即电子无穷远激发态能量与基态能量之差 即 例在基态 氢原子被外来单色光激发后发出的巴耳末线系中 观察到了波长较长的两条谱线 求外来光的频率 解由于在巴耳末线系中观察到的是波长较长的两条谱线 因此只能是第3能级跃到第2能级和第4能级跃迁到第2能级产生的谱线 外来单色光的频率必须满足 所以 三 微观粒子的波粒二象性 爱因斯坦研究光子时认为光具有波动性和粒子性 爱因斯坦光子学说 波动性表现为 光的衍射 干涉等 粒子性表现为 光电效应 金属表面在光辐照作用下发射电子的效应 对于光的本质研究 长期以来人们只注重其波动性而忽略其粒子性 于是 在光的波粒二象性启发下 他大胆预言电子等微观粒子也具有波粒二象性 1924年 德布罗意指出 与其相反 对于实物粒子的研究 人们过分重视其粒子性 而忽略了其波动性 而且 德布罗意将Einstein的质能方程 E mc2 和光子的能量公式 E h 联立 此公式将二者联系起来 同样 德布罗意认为具有动量P的微观粒子 其物质波的波长 为 1927年 得到电子衍射实验的证实 电子枪发射的高速电子流通过薄晶体片 经晶格的狭缝射到感光荧屏 得到明暗相间的环纹 类似于光波的衍射环纹 根据电子衍射图计算得到的电子射线的波长与德布罗意预期的波长完全一致 说明 电子具有波动性 例 利用德布罗意关系式计算 1 质量为9 1 10 31kg 速度为6 0 106m s的电子 其波长为多少 2 质量为1 0 10 2kg 速度为1 0 103m s的子弹 其波长为多少 说明什么 1 2 粒子越小 波长越大 波粒二象性越明显 反之 宏观物体质量大 波长很小 波动性不明显 通常情况下可忽略 四 四个量子数 n l m mS称为四个量子数 n 主量子数 l 角量子数 m 磁量子数 ms 自旋量子数 1 主量子数n 意义 描述电子出现概率最大的区域离核的距离 是决定电子能量高低的主要因素 但不是唯一因素 n越小 电子离核越近 能量越低 越稳定 n越大 电子离核越远 能量越高 越活跃 n的取值及符号 1 2 3 4 n正整数 用K L M N 表示 分别称为第一 第二 第三 第n电子层 2 角量子数l 研究发现 n 1 只有1种原子轨道 n 2 有2种原子轨道 n 3 有3种原子轨道 为了表示此现象 引入角量子数 l 角量子数描述原子轨道的形状 表示电子亚层和能级 l的取值及符号 受主量子数n的限制 用s p d f g 表示 l 0 1 2 3 4 n 1 共n个取值 第n层有多少个亚层 有n个电子亚层 如n 4 l可取0 1 2 3 分别表示4s 4p 4d 4f亚层 l 0 s轨道 形状为球形 l 1 p轨道 形状为哑铃形 l 2 d轨道 形状为花瓣形 因此 在第三层上 有3种不同形状的轨道 亚层 当n 3时 l可取0 1 2 能级的概念 与电子能量有关的是电子层和亚层 因此 将电子层和亚层结合起来 就可以表示核外电子的能量 核外电子的能量是不连续的 而是由低到高象阶梯一样 每一个能量台阶称为一个能级 因此 1s 2s 2p 分别表示一个能级 l的意义 1 对于同一个n值 可能有n个l值 这表明同一电子层中有n个不同的亚层 其能量有所差异 故称为能级 2 相同的n与l称为同一能级 如 1s亚层电子处于1s能级 2p亚层电子处于2p能级 3d亚层电子处于3d能级等 3 当n相同时 一般情况是l值越大 能量越高 同样 当l相同时 一般情况是n值越大 能量越高 思考 如果n与l均不相同 那么该如何判断能量的高低呢 因此 在多电子原子中n与l共同决定电子能量的高低 3 磁量子数m 描述轨道的空间伸展方向 受角量子数l的限制 对于给定的l m可取0 1 2 3 l 共 2l 1 个值 4 自旋量子数ms 地球在绕着太阳公转时 会有自转运动 科学界认为电子也有自旋运动 并提出了自旋量子数 用ms表示 因此 电子既围绕原子核旋转运动 也自身旋转 四个量子数总结 n 主量子数 决定电子的能量和离核的远近 l 角量子数 决定轨道的形状 m 磁量子数 决定轨道的空间伸展方向 因此 描述一个电子的运动状态需要n l m ms四个量子数 为了描述电子的自旋 引入自旋量子数 ms 决定电子能量 确定原子轨道 1 主量子数n n 1 2 3 K L M N 2 角量子数l l 0 1 2 n 1 s p d f 共n个 3 磁量子数m m l 0 l 共2l 1个 4 自旋量子数ms 2 3核外电子排布 电子在原子核外如何排列 有无规律可言 光谱实验表明 基态原子核外电子的排布有严格规律 首先必须遵循能量最低原理 为此 必须先知道各原子轨道的能级顺序 再讨论电子排布 1 能量最低原理 自然界一条普遍的规律是 能量越低越稳定 原子中电子也不例外 电子的排布总是优先占据能量最低的轨道 尽可能使体系的能量最低 ns n 2 f n 1 d np 各能级的能量高低顺序 回顾 多电子体系中 n和l共同决定能量 2 3 4核外电子排布 ns n 2 f n 1 d np 2 Pauli 保利 不相容原理 同一原子中没有运动状态 四个量子数 完全相同的电子 因此 n电子层可容纳的电子数为2n2 于是 每个原子轨道只能容纳两个自旋方向相反的电子 1s 2s 2p 4s 4p 4d