大学精品课件：第08章原子结构

1、8.1 氢原子光谱与Bohr理论,8.2 核外电子的运动状态,第八章 原子结构,8.3 多电子原子的结构,8.4 元素周期律,8.1.2 Bohr理论,8.1.1 氢原子光谱,8.1 氢原子光谱与Bohr理论,回顾历史,Dalton原子学说 (1808年) Thomson“西瓜式”模型 (1904年) Rutherford核式模型 (1911年) Bohr电子分层排布模型 (1913年) 量子力学模型(1926年,H,H,H,H,8.1.1 氢原子光谱,不连续光谱，即线状光谱 其频率具有一定的规律,n= 3,4,5,6,式中 2，n，3.2891015各代表什么意义,经验公式,氢原子光谱特征,

2、Plank量子论(1900年)： 微观领域能量不连续。 Einstein光子论(1903年)： 光子能量与光的频率成正比 h 光子的能量 光的频率 hPlanck常量， h =6.62610-34Js,核外电子只能在有确定半径和能量的轨道上运动,且不辐射能量； 通常，电子处在离核最近的轨道上，能量最低基态；原子获得能量后，电子被激发到高能量轨道上，原子处于激发态； 从激发态回到基态释放光能，光的频率取决于轨道间的能量差,E：轨道能量,8.1.2 Bohr理论,原子能级,n = 3 红（H） n = 4 青（H ） n = 5 蓝紫 （ H ） n = 6 紫（H,Balmer线系,其它线系,式

3、中： RH 为Rydberg常数，其值,能级间能量差,RH = 2.17910-18J,氢原子各能级的能量,n1,n1,8.2.1 电子的波粒二象性,8.2.4 第四个量子数自旋量子数,8.2 核外电子的运动状态,8.2.3 波函数与原子轨道,8.2.5 概率密度与电子云,1924年，de Broglie关系式,1927年，Davisson和Germer应用Ni晶体进行电子衍射实验，证实电子具有波动性,E=h , p =h,8.2.1 电子的波粒二象性,球坐标(r,)与直角坐标系的关系,r,) = R(r)Y(,坐标变换,1. 主量子数 n,n =1, 2, 3, 4, 5, 6 正整数,对应

4、 K, L, M, N, O, P 电子层,与电子能量有关，对于氢原子而言，电子能量唯一决定于n,n愈大，电子离核平均距离愈远，能量愈高,l = 0，1，2，3, 4,(n1) 对应着 s, p, d, f, g. 电子亚层 l 受 n 的限制： n=1，l=0；1s亚层。 n=2，l=0,1；2s, 2p亚层。 n=3，l=0,1,2；3s, 3p, 3d亚层。 n=4，l=0,1,2,3；4s, 4p, 4d,4f亚层。,2. 角量子数 l,m = 0，1, 2， 3 l ； m决定原子轨道在核外的空间取向。 l=0， m =0，s轨道为球形，只一个取向； l=1， m =0,1，代表pz

5、 , px和py3个轨道； l=2， m =0,1, 2， 代表d亚层有5个取向的轨道,3. 磁量子数m,8.2.3 波函数与原子轨道,n=1，l=0，m=0,即1s轨道,2s 轨道,2pz 轨道,轨道,其中,氢原子的基态：n=1，l=0，m=0,式中，a0=52.9pm，称为Bohr半径,球形对称,p轨道的角度分布图,d轨道的角度分布图,电子自旋现象的实验装置,8.2.4 第四个量子数自旋量子数,n、l、m决定一个原子轨道，n、l、m、ms四个量子数描述一个电子的运动状态,8.2.5 概率密度与电子云,1. Heisenberg不确定原理,x微观粒子位置的测量偏差 p微观粒子的动量偏差 微观

6、粒子的运动不遵循经典力学的规律,微观粒子的波动性与粒子行为的统计性规律联系在一起，表现为,微观粒子的波动性是大量微粒运动表现出来的性质，即是具有统计意义的概率波,电子云是电子出现概率密度的形象化描述,2. 波函数的物理意义,原子核外电子出现的概率密度,节面数=n1,1s,2s,1s电子云的等密度面图。 数字表示曲面上的概率密度,1s电子云的界面图。 界面内电子的概率90,s、p原子轨道和电子云的角度分布图,d电子云的角度分布图,D(r)径向分布函数,空间微体积,3. 径向分布函数图,1s态的 最大值出现在近核处,1s态的D(r)最大值出现在52.9pm处,氢原子的各种状态的径向分布图,N峰=n

7、l,1s,2s,3s,2p,3p,3d,8.3.1 多电子原子的轨道能量,8.3.2 核外电子的排布,8.3 多电子原子的结构,1. 屏蔽效应与有效核电荷,屏蔽效应：由核外电子云抵消一些核电荷的作用,为屏蔽常数，可用 Slater 经验规则算得,Z= Z*，Z* 有效核电荷数,8.3.1 多电子原子的轨道能量,2. Pauling近似能级图,E1s E2s E3s E4s,Ens Enp End Enf “能级分裂,E4s E3d E4p “能级交错,l 相同的能级的能量随 n 增大而升高,n 相同的能级的能量随 l 增大而升高,3. Cotton原子轨道能级图,n 相同的氢原子轨道的简并性。

8、 原子轨道的能量随原子序数的增大而降低。 随着原子序数的增大，原子轨道产生能级交错现象,电子进入原子内部空间，受到核的较强的吸引作用,4.钻穿效应,n相同时，l愈小的电子，钻穿效应愈明显： nsnpndnf，EnsEnpEnd Enf,钠原子的电子云径向分布图,8Z20：4s对K，L内层原子芯钻穿大， E4sE3d Z21 ：4s对原子芯钻穿效应相对变小， E4sE3d,3d和4s对1s2s2p原子芯的钻穿,3d和4s对1s2s2p3s3p原子芯的钻穿,1. 基态原子的核外电子排布原则,最低能量原理 电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上, 使整个原子系统能量最 低,Pauli不相容原理 每个

9、原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子,Hund 规则 在 n 和 l 相同的轨道上分布的电子,将尽可能分占 m 值不同的轨道, 且自旋平行,8.3.2 核外电子的排布,2. 基态原子的核外电子排布,半满全满规则,C：1s2 2s2 2p2,He、Ar原子芯,N：He 2s2 2p3,Z=24,Z=29,Cu,全满：p6，d10，f14； 半满：p3，d5，f7； 全空：p0，d0，f0,Z=11，Na：1s22s22p63s1或Ne 3s1 ， Z=20，Ca：1s22s22p63s23p64s2或Ar 4s2 ， Z=26，Fe： 1s22s22p63s23p63d64s2 ， 或Ar

10、3d64s2 ， 价电子： 例如：Fe的价电子排布式为： 3d64s2,8.4.1 原子的电子层结构 与元素的周期表,8.4 元素周期律,8.4.2 元素基本性质的周期性,8.4.1 原子的电子层结构与元素的周期表,元素周期表中的七个周期分别对应7个能级组,元素周期表中价电子排布类似的元素集中在一起，分为5个区，并以最后填入的电子的能级代号作为区号,ns12,ds区：(n1)d10ns12,f 区：(n2)f014(n1)d02ns2,ns2np16,n1)d110ns12,共价半径,van der Waals 半径,主族元素：从左到右 r 减小； 从上到下 r 增大。 过渡元素：从左到右r

11、缓慢减小； 从上到下r略有增大,金属半径,1. 原子半径,8.4.2 元素基本性质的周期性,镧系收缩：镧系元素从镧(La)到镱(Yb)原子半径依次更缓慢减小的事实,基态气体原子失去电子成为带一个正电荷的气态正离子所需要的能量称为第一电离能，用 I 1表示,由+1价气态正离子失去电子成为带+2价气态正离子所需要的能量称为第二电离能，用 I 2表示,E+ (g) E 2+ (g) + e- I 2,E (g) E+ (g) + e- I 1,例如,2. 电离能,元素的气态原子在基态时获得一个电子成为一价气态负离子所放出的能量称为电子亲和能。当负一价离子再获得电子时要克服负电荷之间的排斥力，因此要吸收能量,O (g) + e - O- (g) A1 =-140.0 kJ . mol-1 O- (g) + e - O2- (g) A2 =84