第一讲原子结构.doc

第一讲 原子结构一、原子核外电子运动的研究历史道尔顿原子模型（无电子）汤姆生原子模型（电子嵌于核中）卢瑟福原子模型（电子在核外运动）玻尔原子模型（电子分层排布）量子力学原子模型（电子云）二、氢原子光谱 玻尔(Bohr)理论1、氢原子光谱人们研究原子结构是从氢原子光谱开始的。首先认识：光是电磁波。任何原子，分子，离子或不同聚集态的物质 发射辐射能（原子光谱）按卢瑟福的核原子模型(即原子是由原子核和核外电子构成)，用经典电磁理论解释，绕核运动的电子，便是具有加速度的带电粒子，会不间断地辐射电磁波，可得连续光谱，同时由于电磁波的辐射，消耗了电子的能量，将使电子螺旋式地靠近电子核，最终会落在原子核上，（仅需10-19秒）而使原子自动毁灭。据此,在运动中的原子光谱应该是连续光谱,原子也不是一个稳定的系统.但事实上,原子是稳定存在的,而且原子光谱是线状光谱且有一个规律性,这是经典理论无法解释的. 2 玻尔理论玻尔1913年引用了法国物理学家普朗克的量子论（1900年）和爱因斯坦的光子学说（1905年），提出了玻尔理论，（改进了卢瑟福的原子核行星式模型）成功地解释了上述三个问题。玻尔理论的要点：1、行星模型 假定氢原子核外电子是处在一定的线性轨道上绕核运行的，正如太阳系的行星绕太阳运行一样。 这是一种“类比”的科学思维方法。因此，玻尔的氢原子模型形象地称为行星模型。后来的新量子论根据新的实验基础完全抛弃了玻尔行星模型的“外壳”，而玻尔行星模型的合理“内核”却被保留了，并被赋予新的内容。2、定态假设 假定氢原子的核外电子在轨道上运行时具有一定的、不变的能量,不会释放能量,这种状态被称为定态。能量最低的定态叫做基态；能量高于基态的定态叫做激发态。因此，定态假设为解释原子能够稳定存在所必需。玻尔从核外电子的能量的角度提出的定态、基态、激发态的概念至今仍然是说明核外电子运动状态的基础。3、量子化条件 玻尔假定，氢原子核外电子的轨道不是连续的，而是分立的，在轨道上运行的电子具有一定的角动量。4、跃迁规则 电子吸收光子就会跃迁到能量较高的激发态；反过来，激发态的电子会放出光子，返回基态或能量较低的激发态；尽管玻尔理论已被新量子论所代替，玻尔的科学思想却永远值得我们学习，而且，玻尔理论中的核心概念定态、激发态、跃迁、能级等并没有被完全抛弃，而被新量子力学继承发展，甚至“轨道”的概念，量子力学赋予了新的内涵。三、核外电子运动状态的描述为了得到电子运动状态合理的解释，必须引用只能取某些整数值的三个参数，称它们为量子数，这三个量子数可取的数值及它们的关系如下：主量子数：n = 1, 2, 3, 4角量子数：l = 0, 1, 2, (n-1)磁量子数：m = 0, 1, 2, 3, l描述电子运动状态的四个量子数、主量子数n常用符号： K, L, M, N, O, P, Q n： 1, 2, 3, 4, 5, 6, 71）主量子数确定电子运动的能量。 n值越大 电子所具有的能量越大。2）电子出现概率最大的离核的平均距离 。3）代表电子层或能层。在一个原子内，具有相同主量子数的电子，几乎在同样的空间范围运动，故称为主量子数。n相同的电子为一个电子层。2. 角量子数 l意义: 决定了原子轨道的形状. 取值: 受主量子数n的限制， 对于确定的n, l可为： 0, 1, 2, 3, 4, . (n-1), 为n个取值 光谱符号: s, p, d, f, 如：n = 3, 表示 角量子数可取： l = 0， 1， 2 原子轨道的形状取决于l:n = 4, l = 0 : 表示轨道为第四层的4s轨道， 形状为球形 l = 1 : 表示轨道为第四层的4p轨道， 形状为哑铃形 l = 2 : 表示轨道为第四层的4d轨道， 形状为花瓣形 l = 3 : 表示轨道为第四层的4f轨道， 形状复杂由此可知：在第四层上， 共有4种形状的轨道。而同层中(n相同), 不同的轨道称为能级。所以 l 的取值决定了能级的多少。 nL12343、磁量子数m磁量子数m 取值受角量子数 l的限制。 m = （2l+1 ）（个数）或者0, 1, 2, 3 , l。1） m 决定原子轨道在空间的取向。某种形状原子轨道，可以在空间取不同的伸展方向，这是由线状光谱在磁场中还能发生分裂，显示出微小差别的现象得出的结果。 例如：p p x. p y p z2）磁量子数与电子能量无关。即m 值相同的轨道互为等价轨道3）每个轨道最多能填充2个电子s 轨道(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LM轨道数0 （s）1 （p）2 （d）3 （f）4、自旋磁量子数msms 自旋量子数: 描述电子绕自轴旋转的状态ms 取值：+1/2、-1/2。分别用和表示四、本讲小结描述核外电子运动状态的四个量子数的意义1、主量子数（n）与电子层相对应。2、轨道形状（角量子数l）,处在同一电子层上的电子可能在不同形状的轨道上运动。3、轨道的伸展方向（磁量子数m）。形状相同的原子轨道可能有不同的伸展方向。4、自旋磁量子数ms ，决定电子运动的自旋方向。主量子数n角量子数l磁量子数m原子轨道自旋量子数ms取值符号取值符号取值符号取值1k0s01s(1个)+1/2、-1/22L0s02s（1个）+1/2、-1/21p0、+1、-12Px、2Py、 2Pz（3个）+1/2、-1/2主量子数n角量子数l磁量子数m原子轨道自旋量子数ms取值符号取值符号取值符号取值