氢原子光谱和波尔的原子结构模型

1、第一章第一章 原子结构原子结构在美丽的城市，我们经常可以看到五光十在美丽的城市，我们经常可以看到五光十色的霓虹灯，霓虹灯为什么能发出五颜六色的霓虹灯，霓虹灯为什么能发出五颜六色的光？色的光？通过本节的学习，将会帮助我们通过本节的学习，将会帮助我们揭开其中的秘密。揭开其中的秘密。【联想联想. .质疑质疑】第一节第一节 原子结构模型原子结构模型一、氢原子光谱和玻尔的原子结构模型一、氢原子光谱和玻尔的原子结构模型光谱的定义光谱的定义许多物质都能够吸收光或发射光。为了研究物质的这种性质，人们许多物质都能够吸收光或发射光。为了研究物质的这种性质，人们利用仪器将物质吸收光或发射光的利用仪器将物质吸收光或发

2、射光的_和和_分布记录下来，就分布记录下来，就得到所谓的光谱。得到所谓的光谱。波长波长强度强度光谱的应用光谱的应用在现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，在现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。在历史上，许多元素是通过原子光谱发现称为光谱分析。在历史上，许多元素是通过原子光谱发现的，如铯的，如铯(1860年年)和铷和铷(1861年年)，其光谱图中有特征的蓝，其光谱图中有特征的蓝光和红光，它们的拉丁文名称由此得名。光和红光，它们的拉丁文名称由此得名。【光光 谱谱】光谱的分类光谱的分类发射光谱吸收光谱光谱的分类光谱的分类连续光谱连续光谱：若由光谱仪获得的光谱是

3、由：若由光谱仪获得的光谱是由_的光所的光所组成，且相近的波长差别极小而不能分辨，则所得光谱为组成，且相近的波长差别极小而不能分辨，则所得光谱为各种波长各种波长连续光谱。例如，阳光形成的光谱即为连续光谱。连续光谱。例如，阳光形成的光谱即为连续光谱。线状光谱线状光谱：若由光谱仪获得的光谱是由具有：若由光谱仪获得的光谱是由具有_的、彼此分立的谱线组成，则所得光谱为线状光谱。的、彼此分立的谱线组成，则所得光谱为线状光谱。例如氢原子光谱、氦原子光谱等都是线状光谱。例如氢原子光谱、氦原子光谱等都是线状光谱。特定波长特定波长1803年英国科学家道尔顿英国科学家道尔顿（Dalten 17661844Dalte

4、n 17661844）把古代模糊的原子假说发把古代模糊的原子假说发展为科学的原子理论，为展为科学的原子理论，为近代化学的发展奠定了重近代化学的发展奠定了重要的基础。恩格斯曾誉称要的基础。恩格斯曾誉称他为他为“近代化学之父近代化学之父”。 原子是组成物质的基本粒子，它们是原子是组成物质的基本粒子，它们是坚实的、不可再分坚实的、不可再分的的实心实心球。球。 按照道尔顿的理论，原子是既不能创造，也不能按照道尔顿的理论，原子是既不能创造，也不能毁灭，又不能再分割的最最基本的物质粒子。毁灭，又不能再分割的最最基本的物质粒子。100100年后：汤姆逊用发现了电子，并且在各种元素的年后：汤姆逊用发现了电子，

5、并且在各种元素的原子中都有电子。原子中都有电子。这样看来，原子就不是不可再分的这样看来，原子就不是不可再分的了！也就是说，原子不是最最基本的物质粒子了！了！也就是说，原子不是最最基本的物质粒子了！ 原子是一个原子是一个平均分布平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多电子，中和了正电荷，从而形成了中性原子。着许多电子，中和了正电荷，从而形成了中性原子。（19031903年）年） 原子中心有一个带正电荷的核，它的质量几乎等于原子的全部质量，电子在它的周围沿着不同的轨道运转，就象行星环绕太阳运转一样。（19111911年）年） 根据已经知道的电磁运动的规律，电子在运动的时候会放

6、出电磁波（能量）。因此，绕着原子核旋转的电子，因为能量逐渐减小，应当沿着一条螺旋形的轨道转动，离中心的原子核越来越近，最后碰在原子核上。这样一来，原子就被破坏了。 实际上，原子很稳定，有一定大小，并没有发生这种电子同原子核碰撞的情况。这又怎样解释呢？ 根据卢瑟福的核式原子结构模型和经典的电磁学观点，围绕原子核高速运动的电子一定会自动且连续的辐射能量，氢原子的光谱就应当是由各种波长的光组成，且相近的波长差别极小而不能分辨。连续光谱然而，实验表明，氢原子的光谱是由具有特定波长。彼此分立的谱线组成的。线状光谱（19131913年）年）丹麦科学家玻尔丹麦科学家玻尔(N.Bohr，18851962)第一

7、次认识到氢原子光谱是第一次认识到氢原子光谱是由氢原子的电子跃迁产生的，并通过纯粹的理论计算得到氢原子光由氢原子的电子跃迁产生的，并通过纯粹的理论计算得到氢原子光谱的谱线波长，与实验结果几乎完全相同，科学界大为震惊。原子谱的谱线波长，与实验结果几乎完全相同，科学界大为震惊。原子结构理论从此长足发展，最后建立了量子力学，人类历史从此进入结构理论从此长足发展，最后建立了量子力学，人类历史从此进入了量子时代。了量子时代。玻尔原子结构模型的基本观点：玻尔原子结构模型的基本观点：(1)原子中的电子在具有确定半径的原子中的电子在具有确定半径的_轨道上绕轨道上绕_运动，并运动，并且不辐射能量。且不辐射能量。(

8、2)在不同轨道上运动的电子具有在不同轨道上运动的电子具有_的能量的能量(E)，而且能量是，而且能量是_的。的。(3)只有当电子从一个轨道只有当电子从一个轨道(Ei)_到另一个轨道到另一个轨道(Ej)才会辐射或吸才会辐射或吸收能量。收能量。h|EjEi|。圆周原子核不同量子化跃迁（19131913年）年）电子层电子层【阅读阅读P P3 3】光谱形成的原因光谱形成的原因原子在正常或稳定状态时，电子尽可能处于能量最低的轨原子在正常或稳定状态时，电子尽可能处于能量最低的轨道，这种状态称为道，这种状态称为_；电子受激发处于能量高于；电子受激发处于能量高于_的状态称为的状态称为_。原子核外电子在一定条件下

9、会发生。原子核外电子在一定条件下会发生跃迁，跃迁过程中伴随着跃迁，跃迁过程中伴随着_的变化。如果辐射或吸收的变化。如果辐射或吸收的能量以光的形式表现并被记录下来，就形成了光谱。的能量以光的形式表现并被记录下来，就形成了光谱。4基态基态激发态能量为什么氢原子光谱是线状光谱？n=4n=3n=2n=1吸收能量释放能量 玻尔的核外电子分层排玻尔的核外电子分层排布的原子结构模型布的原子结构模型成功成功地地解释解释了氢原子光谱是了氢原子光谱是线状光谱的事实，阐明线状光谱的事实，阐明了原子光谱了原子光谱源自源自核外电核外电子在能量不同的轨道之子在能量不同的轨道之间的间的跃迁跃迁，而电子所处，而电子所处的轨道

10、的能量是量子化的轨道的能量是量子化的。的。用镁粉、碱金属盐及碱土金属盐等可以做成焰火。燃放时，焰火发出五颜六色的光，请用原子结构的知识解释发光的原因：_。 燃烧时，电子获得能量，从能量较低的轨道向能量较高的轨道跃迁，跃迁到能量较高的轨道的电子处于一种不稳定的状态，它随即就会跃达到能量较低的轨道，并向外界以光能的形式释放能量【现学现用】焰火、霓虹灯探密 在制作霓虹灯时，首先将封装有电极的细在制作霓虹灯时，首先将封装有电极的细长玻璃管内的气体抽出，然后充入情性气长玻璃管内的气体抽出，然后充入情性气体（氦气、氖气、氮气）或水银蒸气。这体（氦气、氖气、氮气）或水银蒸气。这样，当霓虹灯的电极被加上高电压

11、后，电样，当霓虹灯的电极被加上高电压后，电极中的电子在电场的作用下逸出并撞击气极中的电子在电场的作用下逸出并撞击气体原子，气体原子中的核外电子被体原子，气体原子中的核外电子被激发激发，从而产生从而产生特定波长特定波长的光。（霓红灯的颜色的光。（霓红灯的颜色是由充入的气体种类决定的）是由充入的气体种类决定的）【现学现用】焰火、霓虹灯探密【质疑】波尔只引入一个量子数n（即能层），解释了氢原子光谱是线状光谱的事实。但用高分辨光谱仪在无外磁场的情况下观察时发现，氢原子的电子由n=2的状态跃迁到n=1的状态时，得到的是两条靠得很近的谱线，这如何解释呢？在原子中，同一能层的电子，能量也可能不同还可以把它们

12、分成能级用用nl表示表示任一能层的能级总是从s能级开始同一能层里，能级的能量按s、p、d、f的顺序升高。能级数能级数=该能层序数该能层序数数字符号 每个原子轨道须由三个只能取整数的量子数每个原子轨道须由三个只能取整数的量子数n n、 l l、m m共同描述共同描述. .原子轨道原子轨道原子轨道：原子轨道：量子力学把电子在原子核外的一个量子力学把电子在原子核外的一个空间空间运运动状态称为一个原子轨道动状态称为一个原子轨道思考：思考：1 1、确定核外电子空间运动状态的量子数有哪些？、确定核外电子空间运动状态的量子数有哪些？n l s2 2、确定原子轨道能量的量子数有哪些？、确定原子轨道能量的量子数

13、有哪些？3 3、对于确定的、对于确定的n n值，原子轨道数为多少？值，原子轨道数为多少？n l n2 【质疑】在外磁场存在时，无论是氢原子还是多电子原子的光谱原来的一条谱线都可能分裂为多条，为什么？第二课时核外电子排布能层能层(n)(n) 一一二二三三四四五五六六七七符号符号K KL LM MN NO O P P Q Q能级能级(l)(l) 1s1s 2s2s 2p2p 3s3s 3p3p 3d3d 4s4s 4p4p 4d4d 4f4f 最多容最多容纳的电纳的电子数子数2 22 26 62 26 6 1010 2 26 6 1010 1414 2 28 8181832322n2n2 2量子数

14、和原子轨道的关系量子数和原子轨道的关系nlm原子轨道原子轨道ms取取值值符号符号 取值取值 符号符号取值取值符号符号取值取值1K0s01/22L0s01/21p0, 11/23M0s01/21p0, 11/22d0, 1 21/21s2s2px 2py 2pz3s3px 3py 3pz3dxy 3dyz 3dxz 3dx2-y2 3dz2比较下列轨道能量的高低比较下列轨道能量的高低1. ns np nd nf2. 1s 2s 3s 4s3. 2px 2py 2pz4. 3Px 2S 填充合理的量子数填充合理的量子数（1）n= _ , l=2 , m=0 , . （2）n=2 , l= _ ,

15、m=1, .（3）n= 4 , l=2 , m=0 ,ms = _（4）n= 2 , l=0 , m=_ , . 12sm 12sm 12sm 2、下列能级中容纳电子数最多的是（、下列能级中容纳电子数最多的是（ ） A、6S B、5P C、4d D、4f1、下列能级符号不正确的是（、下列能级符号不正确的是（ ） A、6S B、5P C、4d D、3fDD2、下列能级中容纳电子数最多的是（、下列能级中容纳电子数最多的是（ ） A、6S B、5P C、4d D、4f1、下列能级符号不正确的是（、下列能级符号不正确的是（ ） A、6S B、5P C、4d D、3f或或=3112sm 0电子的排布不是

16、完全按照能层的由小到大顺序排布的，还与能级填充的顺序有关。知道了原子核外电子的能层和能级可容纳的最多电知道了原子核外电子的能层和能级可容纳的最多电子数，是否就可以得出各种原子的电子排布呢？如子数，是否就可以得出各种原子的电子排布呢？如果原子的核外电子完全按能层次序排布，填满一个果原子的核外电子完全按能层次序排布，填满一个能层再开始填下一个能层。那钾原子的电子排布应能层再开始填下一个能层。那钾原子的电子排布应如何？而实际呢？如何？而实际呢？【思考思考】随原子核电荷数递增，绝大多数原子核外电子的排布遵循如右图的排布顺序核外电子在原子轨道上的排布遵循能量最低原则电子排布式将原子核外的电子排布用能级符

17、号表示出来的式子。如K的电子排布式为1s22s22p63s23p64s1 练习：写出：碳、硫、钛（练习：写出：碳、硫、钛（2222TiTi）的电子排布式）的电子排布式先按能量由低到高填充电子，再按能层次序书写。练习：请写出下列元素原子的电子排布式。钪钪21Sc21Sc： ；钒钒23V23V： ；锰锰25Mn25Mn： ；铁铁26Fe26Fe： ；锌锌30Zn30Zn： ；砷砷33As33As： ； 1s22s22p63s23p63d14s21s22s22p63s23p63d34s21s22s22p63s23p63d54s21s22s22p63s23p63d64s21s22s22p63s23p6

18、3d104s21s22s22p63s23p63d104s24p3简化电子排布：Ne3s1写出第8号元素氧、第14号元素硅和第26号元素铁的简化电子排布式!上式方括号里的符号的意义是：该元素前一个周期的惰性气体电子排布结构O：He2s22p4 Si：Ne3s23p2Fe：Ar3d64s2钠 Na的简化电子排布式：1s22s22p63s1钠 Na的电子排布式：一般用小圆圈一般用小圆圈(或方框、短线或方框、短线)表示一个确表示一个确定的定的_，用，用“”“”或或“”“”来区别来区别_不同的电子。不同的电子。原子轨道原子轨道自旋方向自旋方向轨道表示式轨道表示式（又叫电子排布图）（又叫电子排布图）练习：

19、写出：碳、硫、钛（练习：写出：碳、硫、钛（2222TiTi）的轨道表示式）的轨道表示式2 2、泡利不相容原理、泡利不相容原理 每个轨道最多容纳两个自旋状态不同的电子每个轨道最多容纳两个自旋状态不同的电子3 3、洪特规则、洪特规则 在能量相同的轨道上排布时，电子尽可能分占不在能量相同的轨道上排布时，电子尽可能分占不同的轨道，且自旋状态相同同的轨道，且自旋状态相同练习：请写出下列元素原子的电子排布图。钪钪21Sc21Sc， 铬铬24Cr, 24Cr, 铁铁26Fe, 26Fe, 铜铜29Cu, 29Cu, 砷砷33As33As 洪特规则的特例：洪特规则的特例： 对于能量相同的轨道对于能量相同的轨道

20、( (同一电子亚层同一电子亚层) )，当电子排布处于，当电子排布处于全满（全满（s s2 2、p p6 6、d d1010、f f1414）、半满（）、半满（s s1 1、p p3 3、d d5 5、f f7 7）、全空）、全空（s s0 0、p p0 0、d d0 0、f f0 0）时比较稳定，整个体系的能量最低。）时比较稳定，整个体系的能量最低。 第三课时1.按能量由低到高的顺序排列，正确的一组是( )A.1s、2p、3d、4s B.3s、4p、5s、5pC.2s、3s、2p、4s D.4p、3d、4s、2pB【温故知新】2、写出下列基态原子的轨道表示式:P V Cu写出下列基态原子的电子

21、排布式：Br Si Ge3、在基态14C原子中，核外存在对自旋相反的电子24、氧元素基态原子核外未成对电子数为_个2 写出Fe、Fe2+、Fe3+、K+、Br-的电子排布式。1s22s22p63s23p63d64s2 1s22s22p63s23p63d61s22s22p63s23p63d5 1s22s22p63s23p61s22s22p63s23p63d104s24p6注意 原子失去电子先失去最外层电子，而不一定先失去最后填的电子。【试一试】强化训练下列各原子或离子的电子排布式不正确的是( )A.Na+：1s22s22p6 B.Fe3+：1s22s22p63s23p63d34s2C.S2-：1

22、s22s22p63s23p4D.Ar：1s22s22p63s23p6BC价电子(价电子排布式)价电子：【练一练】写出Mn、S、I的外围电子排布式。3d54s2 3s23p4 5s25p5与与化学性质化学性质密切相关的外层原子轨道上的电密切相关的外层原子轨道上的电子，称为价电子。子，称为价电子。即能够影响元素化合价的电子即能够影响元素化合价的电子主族元素：主族元素：价电子即价电子即 为最外层电子为最外层电子过渡元素：过渡元素：价电子包括价电子包括最外层电子和次外层最外层电子和次外层d d能级电子能级电子为了便于研究化学性质与核外电子间的关系，人们常为了便于研究化学性质与核外电子间的关系，人们常常

23、只表示出原子的常只表示出原子的价电子价电子排布排布我们知道了核外电子排布，那核外电子我们知道了核外电子排布，那核外电子是如何运动的呢？是如何运动的呢？电子在核外空间运动会不会和宏观物体一电子在核外空间运动会不会和宏观物体一样呢？样呢？思考：思考：电子云与原子轨道电子云与原子轨道 核外电子核外电子质量小质量小( (只有只有9.119.111010-31 -31 kg)kg)，运动运动空间小空间小（相对于宏观物体而言）（相对于宏观物体而言），运动速率大运动速率大( (近近光速光速) )。1.核外电子运动的特征核外电子运动的特征无确定的轨道无确定的轨道，无法描述其运动轨迹。，无法描述其运动轨迹。无法

24、计算电子在某一刻所在的位置无法计算电子在某一刻所在的位置，只能确定，只能确定它出现在原子核外空间各处的它出现在原子核外空间各处的概率概率（即在核外空（即在核外空间某处出现机会的多少间某处出现机会的多少) )测不准原理测不准原理( (海森堡海森堡) )电子云与原子轨道电子云与原子轨道运用统计学的方法研究核外电子的运动运用统计学的方法研究核外电子的运动1 1、图中的一个小黑点是表示一个电子吗？、图中的一个小黑点是表示一个电子吗？一个小黑点表示电子在这里出现过一次一个小黑点表示电子在这里出现过一次2 2、小黑点的、小黑点的疏密代表：疏密代表：小黑点的疏密表示电子在核外空间单位体积内小黑点的疏密表示电

25、子在核外空间单位体积内出现的概率出现的概率（概率密度）（概率密度）的大小。的大小。电子在原子核外一定空间范电子在原子核外一定空间范围内出现的概率统计起来，围内出现的概率统计起来，好似在原子核外笼罩着一团好似在原子核外笼罩着一团带负电的云雾，带负电的云雾，形象称为形象称为“电子云电子云”电子出现的概率分布图电子出现的概率分布图电子云实际存在吗？电子云实际存在吗？思考？思考？ 电子云电子云只是形象地表示只是形象地表示 电子出现在各点电子出现在各点的的概率密度分布的概率密度分布的高低高低, ,而实际上并不存在。而实际上并不存在。电子云与原子轨道电子云与原子轨道电子云形状电子云形状s s电子云呈球形，

26、在半径相同的球面上，电子云呈球形，在半径相同的球面上，电子出现的机会相同；电子出现的机会相同；p p电子云呈纺锤形电子云呈纺锤形( (或无柄亚铃形或无柄亚铃形) )；d d电子云是花瓣形；电子云是花瓣形；f f电子云更为复杂电子云更为复杂电子云轮廓图的制作常把电子出现的概率约为常把电子出现的概率约为90%90%的空间圈出来，人的空间圈出来，人们把这种电子云轮廓图称为们把这种电子云轮廓图称为原子轨道原子轨道。电子云与原子轨道电子云与原子轨道原子轨道图原子轨道图s s轨道轨道( ( l =0, m=0 ) : =0, m=0 ) : 球形球形m m一一种取种取值值, , 空空间一种取间一种取向向, , 一一个个s s 轨道轨道. . 能层序数越大原子轨道的半径能层序数越大原