第一讲原子结构第一部分ppt课件

1、主讲：郭琦、邓海威主讲：郭琦、邓海威元素根本性质的周期性元素根本性质的周期性核外电子的排布和元素周期系核外电子的排布和元素周期系核外电子的运动形状核外电子的运动形状波函数的空间图象波函数的空间图象概率密度和电子云概率密度和电子云波函数和原子轨道波函数和原子轨道微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性氢原子光谱和玻尔实际氢原子光谱和玻尔实际四个量子数四个量子数核核外外电电子子的的运运动动形形状状v 1803年道尔顿提出原子学说v 化学元素均由不可再分的微粒组成。这种微粒称为原子。原子在一切化学变化中均坚持其不可再分性v 同一元素的一切原子，在质量和性质上都一样；不同元素的原子，在质量和性质上都不

2、一样v 不同的元素化合时，这些元素的原子按简单整数比结合成化合物v可是，质子、电子的发现使人们认识到，原子是可分的v于是，新的模型出现了Rutherford 提出提出“太阳太阳-行星模型行星模型 ：1. 一切原子都有一个核即原子核一切原子都有一个核即原子核(nucleus)；2. 核的体积只占整个原子体积极小的一部分；核的体积只占整个原子体积极小的一部分；3. 原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上；原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上；4. 电子像行星绕着太阳那样绕核运动。电子像行星绕着太阳那样绕核运动。 在对粒子散射实验结果的解释上在对粒子散射实验结果的解释上, 新模型的胜利是新模型的胜利是

3、显而易见的显而易见的, 至少要点中的前三点是如此至少要点中的前三点是如此. 根据当时的物理学概念根据当时的物理学概念, , 带电带电微粒在力场中运动时总要产生电磁微粒在力场中运动时总要产生电磁辐射并逐渐失去能量辐射并逐渐失去能量, , 运动着的电运动着的电子轨道会越来越小子轨道会越来越小, , 最终将与原子最终将与原子核相撞并导致原子消灭。核相撞并导致原子消灭。可是，这一发现使经典物理学概念面临窘境 会不会？！光谱光谱v“光谱光谱 (spectrum)一词是牛顿根据太阳光经过三一词是牛顿根据太阳光经过三棱镜后得到红、橙、黄、绿、青、蓝、紫而提出棱镜后得到红、橙、黄、绿、青、蓝、紫而提出的。的。

4、原子光谱原子光谱v焰火是热致发光。v把气体装进真空管，真空管两端施以高压电，气体也会发光，叫做电致发光。如霓虹灯、高压汞灯、高压钠灯就是气体的电致发光景象。例如，氢、氖发红光，氩、汞发蓝光。原子光谱原子光谱v到1859年，德国海德堡大学的基尔霍夫和本生发明了光谱仪，奠定了光谱学的根底,使光谱分析成为认识物质和鉴定元素的重要手段。氢原子光谱氢原子光谱光谱仪可以丈量物质发射或吸收的光的波长，拍摄各种光谱图。光谱图就像“指纹辨人一样，可以区分构成光谱的元素。人们用光谱分析发现了许多元素,如铯、铷、氦、镓、铟等十几种。 然而，直到二十世纪初，人们只知道物质在然而，直到二十世纪初，人们只知道物质在高温或

5、电鼓励下会发光，却不知道发光机理；人高温或电鼓励下会发光，却不知道发光机理；人们知道每种元素有特定的光谱，却不知道为什么们知道每种元素有特定的光谱，却不知道为什么不同元素有不同光谱。不同元素有不同光谱。从上到下氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱从上到下氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱特征特征: 不延续的、线状的不延续的、线状的; 是很有规律的。是很有规律的。氢光谱是一切元素的光谱中最简单的光谱。其波长和代号如下所示：谱线HHHHH编号(n)波长/nm656.279486.133434.048410.175397.009不难发现，从红到紫,谱线的波长间隔越来越小。5的谱线密得用肉眼几乎难以

6、区分。1883年，瑞士的巴尔麦J.J.Balmer1825-1898发现，谱线波长()与编号(n)之间存在如下阅历方程：氢原子光谱氢原子光谱3646 00422.nn 氢原子光谱由五组线系氢原子光谱由五组线系组成组成, , 任何一条谱线的波数任何一条谱线的波数(wave number)(wave number)都满足简单都满足简单的阅历关系式的阅历关系式: : 222111nnR名字名字n1n2Lyman 系系Balmer系系Paschen系系Brackett系系Pfund系系123452,3,4,3,4,5,4,5,6,5,6,7,6,7,8,如：对于如：对于Balmer线系的处置线系的处置

7、12215s )121(10289. 3nvn = 3 红红 Hn = 4 青青 H n = 5 蓝紫蓝紫 H n = 6 紫紫 H v原子是相对稳定的v原子光谱是不延续的谱线而非延续光谱 Plank 公式 1900年年, 普朗克普朗克 (Plank M) 提出著名的普朗克方提出著名的普朗克方程：程：E = hv式中的式中的h叫普朗克常量叫普朗克常量(Planck constant), 其值为其值为6.62610-34 Js。 普朗克以为普朗克以为, , 物体只能按物体只能按hvhv的整数倍的整数倍( (例如例如1hv, 1hv, 2hv, 3hv2hv, 3hv等等) )一份一份地吸收或释出

8、光能一份一份地吸收或释出光能, , 而不能够而不能够是是0.5 hv, 1.6 hv, 2.3 hv0.5 hv, 1.6 hv, 2.3 hv等任何非整数倍。即所等任何非整数倍。即所谓的能量谓的能量量子化概念。量子化概念。 普朗克提出了当时物理学界一种全新的概念普朗克提出了当时物理学界一种全新的概念, , 但它但它只涉及光作用于物体时能量的传送过程只涉及光作用于物体时能量的传送过程( (即吸收或释出即吸收或释出) )。光波的粒子性光波的粒子性v1905年, 爱因斯坦(Einstein A)胜利地将能量量子化概念扩展到光本身,解释了光电效应(photoelectric effect) 。v爱因

9、斯坦对光电效应的胜利解释最终使光的微粒性为人们所接受。爱因斯坦的光子学说爱因斯坦的光子学说 普朗克的量子化学说普朗克的量子化学说 氢原子的光谱实验氢原子的光谱实验 卢瑟福的有核模型卢瑟福的有核模型Bohr在在的根底上，建的根底上，建立了立了Bohr实际实际波粒二象性波粒二象性v电子不是在恣意轨道上绕核运动，而是在电子不是在恣意轨道上绕核运动，而是在一些符合一定条件的轨道上运动，即电子一些符合一定条件的轨道上运动，即电子轨道的角动量轨道的角动量P，必需等于，必需等于h/2的整数倍。的整数倍。这种符合量子化条件的轨道称为稳定轨道，这种符合量子化条件的轨道称为稳定轨道，电子在稳定轨道上运动时，并不放

10、出能量，电子在稳定轨道上运动时，并不放出能量，在一定轨道中运动的电子具有一定的能量，在一定轨道中运动的电子具有一定的能量，称为定态称为定态v电子的轨道离核越远，原子所含的能量越电子的轨道离核越远，原子所含的能量越大，原子在正常或稳定形状时称为基大，原子在正常或稳定形状时称为基态，各电子尽能够处在离核最近的轨道态，各电子尽能够处在离核最近的轨道上，这时原子的能量最低。上，这时原子的能量最低。v原子中的电子通常处于能量最低的形状基态，当原子中的电子通常处于能量最低的形状基态，当从外界获取能量时电子处于激发态从外界获取能量时电子处于激发态v只需电子从较高的能级即离核较远的轨道跃只需电子从较高的能级即

11、离核较远的轨道跃迁到较低的能级即离核较近的轨道时，原子迁到较低的能级即离核较近的轨道时，原子才会以光子方式放出能量。才会以光子方式放出能量。 h=E2- E 1v胜利的解释了氢光谱，v玻尔从核外电子的能量的角度提出的定态、基态、激发态的概念至今依然是阐明核外电子运动形状的根底玻尔实际的运用 v胜利解释了胜利解释了H H及及He+ He+ 、Li2+Li2+、B3+B3+原子光谱的产生和原子光谱的产生和规律性规律性 “延续或延续或“不延续实践上就是量的变化有没有一不延续实践上就是量的变化有没有一个最小单位。个最小单位。v阐明了氢原子的稳定性阐明了氢原子的稳定性 v计算氢原子的电离能与实验值非常接

12、近计算氢原子的电离能与实验值非常接近vE E-2.17-2.1710-2110-216.026.0210231023-1305.4kJ/mol-1305.4kJ/molv实验值为实验值为 -1312 kJ -1312 kJmolmol玻尔实际局限性 v对氢原子光谱的精细构造无法阐明对氢原子光谱的精细构造无法阐明 v不能阐明多电子原子光谱不能阐明多电子原子光谱 v不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂v结论：量子性是微观世界的重要特征，结论：量子性是微观世界的重要特征，要正确客观地反映微观世界微粒运动要正确客观地反映微观世界微粒运动的规律，就必需用建筑在微观世界的的规律

13、，就必需用建筑在微观世界的量子性和微粒运动的统计性这两个根量子性和微粒运动的统计性这两个根本特征根底上的量子力学来描画。本特征根底上的量子力学来描画。 微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性v德布罗依德布罗依1924 年说：年说：“ 过去，对光过分强调过去，对光过分强调波性而忽视它的粒性；波性而忽视它的粒性；如今对电子能否存在如今对电子能否存在另一种倾向，即过分另一种倾向，即过分强调它的粒性而忽视强调它的粒性而忽视它的波性。，它的波性。，“既然既然光是一种微粒又是一光是一种微粒又是一种波，那么静止质量种波，那么静止质量不为零的实物粒子也不为零的实物粒子也含有类似的二象性含有类似的二象性动摇性

14、的直接证据动摇性的直接证据 光的衍射光的衍射灯光源灯光源微粒动摇性的近代证据 电子的波粒二象性1927年，年，Davissson (戴维逊戴维逊)和和 Germer (盖末尔盖末尔)运用运用 Ni 晶体进展电子衍射实验，证明电子具有动摇性。晶体进展电子衍射实验，证明电子具有动摇性。(a)(b)电子经过电子经过A1A1箔箔(a)(a)和石墨和石墨(b)(b)的衍射图的衍射图KVDMP 实验原理实验原理灯光源灯光源X X射线管射线管电子源电子源结论结论不能用经典物理的波和粒的概念来了解它的行为电子具有波粒二象性电子具有波粒二象性描画电子等微粒的运动规律只能用描画微粒运动规律的量子力学不确定原理和几

15、率概念v不确定原理：v 一个粒子的位置和动量不能同时地、准确地测定。v留意：这里所讨论的不确定性并不涉及所用的丈量仪器的不完好性，它们是内在固有的不可测定性。v xh/4mv例1: 对于 m = 10 克的子弹，它的位置可精到x 0.01 cm,其速度测不准情况为：对宏观物体可同时测定位置与速度xmh434326.62 104 3.14 1.0 100.01 102815.27 10m s例例2: 对于微观粒子如电子对于微观粒子如电子, m = 9.11 10-31 Kg, 半径半径 r = 10-10 m，那么，那么x至少要到达至少要到达10-11 m才相对准确，那么其速度的测不准情况为：才

16、相对准确，那么其速度的测不准情况为：161131341029. 5101011. 914. 34106.62sm假设假设m非常小，那么其位置与速度是不非常小，那么其位置与速度是不能同时准确测定的能同时准确测定的xmh4对于氢原子的基态电子，玻尔实际得出结论是：氢原子核外电子的玻尔半径是52.9pm;它的运动速度为2.18107m/s,相当于光速(3108m/s)的7。知电子的质量为9.110-31kg,假设我们对电子速度的丈量准确量v=104m/s时，即：(mv)=9.110-31104kgm/s=9.110-27kgm/s这样,电子的运动坐标的丈量偏向就会大到:x=5.27310-35kgm

17、2s-19.110-27kgm/s=579510-12m=5795pm这就是说，这个电子在相当于玻尔半径的约110倍(5795/52.9)的内外空间里都可以找到,那么必需突破轨迹的束缚：宏观确定时间确定位置轨迹。结论：v 不确定原理很好地反映了微观粒子的运动特征不确定原理很好地反映了微观粒子的运动特征波粒二波粒二象性；象性；v 根据量子力学实际，对微观粒子的运动规律只能采用统计根据量子力学实际，对微观粒子的运动规律只能采用统计的方法作出几率性的判别。不确定原理促使我们对微观世的方法作出几率性的判别。不确定原理促使我们对微观世界的客观规律有了更全面更深化的了解。界的客观规律有了更全面更深化的了解

18、。 Erwin Schrodinger , 奥地利物理学家奥地利物理学家n波函数和原子轨道 一定的波函数表示电子的一种运动形状，形状轨道。 波函数叫做原子轨道，即波函数与原子轨道是同义词。n薛定谔方程的物理意义：n方程的每个合理的解，就是表示核外电子运动的某一稳定形状。n每一个波函数都有对应的能量 En波函数没有明确的直观的物理意义,但波函数绝对值的平方|2却有明确的物理意义 0)(822222222VEhmzyx 从薛定谔方程中求出的详细函数方式，即为方从薛定谔方程中求出的详细函数方式，即为方程的解。它是一个包含程的解。它是一个包含n n、l l、m m 三个常数项的三三个常数项的三变量变量

19、x x、y y、z z的函数。通常用的函数。通常用表示。表示。 该当指出，并不是每一个薛定谔方程的解都是该当指出，并不是每一个薛定谔方程的解都是合理的，都能表示电子运动的一个稳定形状。所合理的，都能表示电子运动的一个稳定形状。所以，为了得到一个合理的解，就要求以，为了得到一个合理的解，就要求n n、l l、m m 不不是恣意的常数而是要符合一定的取值。在量子力是恣意的常数而是要符合一定的取值。在量子力学中把这类特定常数学中把这类特定常数n n、l l、mm称为量子数。经过称为量子数。经过一组特定的一组特定的n n、l l、mm就可得出一个相应的就可得出一个相应的 每一个每一个 即表示原子中核外

20、电子的一种运动即表示原子中核外电子的一种运动形状。形状。zyxmln,zyxmln,zyxmln,波函数和原子轨道v波函数在量子力学中起了中心作用，展现出原子波函数在量子力学中起了中心作用，展现出原子和分子中电子的运动形状，是讨论化学键实际的和分子中电子的运动形状，是讨论化学键实际的重要根底。重要根底。v 按照实物粒子波的本性和测不准原理的几率概念，按照实物粒子波的本性和测不准原理的几率概念，物理学家玻恩物理学家玻恩M.Born M.Born 假定粒子的波函数已不再假定粒子的波函数已不再是振幅的函数，取代它的是粒子出现的几率，当是振幅的函数，取代它的是粒子出现的几率，当这个波函数的绝对值越大，

21、粒子出现的几率也就这个波函数的绝对值越大，粒子出现的几率也就越大。越大。v 一定的波函数表示电子的一种运动形状，一定的波函数表示电子的一种运动形状，v 形状形状轨道。轨道。v波函数叫做原子轨道，波函数叫做原子轨道，v即波函数与原子轨道是同义词。即波函数与原子轨道是同义词。 14 14 概率密度和电子云概率密度和电子云 v 概率和概率密度概率和概率密度 概率概率 |(xyz)|2 dv 概率密度概率密度 =|(xyz)|2 v 电子云电子云 |2的空间图像就是电子云分布图像的空间图像就是电子云分布图像 | ),(|2ddzyx电子云v| |2 的空间图像就是电子云分布图像v即电子云是从统计的概念

22、出发，对核外电子出现的概率密度做笼统化的描画。v当电子云中黑点密的地方表示电子在此处出现的概率密度大，黑点稀的地方表示概率小。 v 假设我们定义一个离核间假设我们定义一个离核间隔为隔为r, r,厚度为厚度为drdr的薄层球的薄层球壳，由于以壳，由于以r r为半径的球面为半径的球面的面积为的面积为4r2,4r2,球壳的体球壳的体积为积为dV=4r2dr,dV=4r2dr,那么那么在此球壳内电子出现的概在此球壳内电子出现的概率为率为4r22dr4r22dr。v 令令D(r)D(r)4r22,4r22,并把并把D(r)D(r)叫做径向分布函数，叫做径向分布函数，它是半径它是半径r r的函数。的函数。

23、v 以以D(r)D(r)为纵坐标，半径为纵坐标，半径r r为为横坐标所作的图叫做径向横坐标所作的图叫做径向分布函数图。分布函数图。v对比图对比图1-11-1与图与图1-31-3，可见，可见D(r)D(r)与与22的图形是不同的图形是不同的，的，1s 1s轨道的轨道的22最大值出如今近核处，而最大值出如今近核处，而D(r)D(r)在在r r52.9pm52.9pm处有极大值。由于近核处虽然处有极大值。由于近核处虽然22值最值最大，而大，而r r很小很小 ，D(r)D(r)不会很大，在远离核处，虽然不会很大，在远离核处，虽然r r很大，但因此时很大，但因此时22变小，变小，D(r)D(r)也不会很

24、大也不会很大 表示径向电子云分布的两种方法之一之一:(蓝色曲线蓝色曲线) 纵坐标纵坐标: R2 离核越近离核越近, 电子出现的概率密电子出现的概率密 度度(单位体积内的概率单位体积内的概率)越大。越大。 (这种曲线酷似波函数分布曲线这种曲线酷似波函数分布曲线) )()()(222,YrRr表示径向电子云分布的两种方法之二之二:(红色曲线红色曲线) 纵坐标纵坐标: 4r 2 R 2 4r2R2曲线是曲线是4r 2曲线和曲线和R 2 曲线的合成曲线曲线的合成曲线 曲线在曲线在 r =53 pm 处出现极大处出现极大值值, 阐明电子在距核阐明电子在距核53 pm的单位的单位厚厚 度球壳内出现的概率最

25、大度球壳内出现的概率最大 动摇力学模型得到的半径恰好动摇力学模型得到的半径恰好 等于氢原子的玻尔半径等于氢原子的玻尔半径)()()(222,YrRr Z=cos Z=cos数学表达式数学表达式 =sincos =sincos y=sinsin y=sinsin 2=2+y2+Z2 2=2+y2+Z2 tan=y/ tan=y/15 15 波函数的空间图象波函数的空间图象 变数分别变数分别: :(,y,Z)=(,)=R()Y(,) (,y,Z)=(,)=R()Y(,) 径向波函数图 径向密度函数图径向密度函数图 径向分布函数图径向分布函数图 Z / cos cos2 0 1.00 1.00 15

26、 0.97 0.93 30 0.87 0.75 45 0.71 0.50 60 0.50 0.25 90 0.00 0.00120 0.50 0.25 0.71 0.50150 0.87 0.75165 0.97 0.93180 1.00 1.00波函数的角度分布图波函数的角度分布图角度部分的图形 电子云等密度面图 电子云界面图电子云界面图 电子云图电子云图 原子轨道的外形原子轨道的外形 量子量子 数数物理意义取取 值值 范范 围围主量子数主量子数n n描画电子离核远近及描画电子离核远近及能量高低能量高低n=1,2,3, 正整数正整数角量子数角量子数l l描画原子轨道的外形描画原子轨道的外形及

27、能量的高低及能量的高低l=0,1,2,小于小于n的正的正整数整数磁量子数磁量子数m m描画原子轨道在空间描画原子轨道在空间的伸展方向的伸展方向自 旋 量 子自 旋 量 子数数msms描画电子的自旋方向描画电子的自旋方向ms =+1/2,-1/216 四个量子数 2m=0,+1,-1, +2, l主量子数n角量子数l磁量子数m轨道符号轨道数1001s12002s110，1，-12p33003s110，1，-13p320，1，-1，2，-23d54004s110，1，-14p320，1，-1，2，-24d530，1，-1，2，-2，3，-34f75005s110，1，-15p320，1，-1，2，

28、-25d530，1，-1，2，-2，3，-35f740，1，-1，2，-2，3，-3,+4,-45g9描画电子运动形状的四个量子数1主量子数主量子数 n (principal quantum number)J10179.2218nE 与电子能量有关，对于氢原子，电子能量独一决与电子能量有关，对于氢原子，电子能量独一决 定于定于n n 确定电子出现概率最大处离核的间隔确定电子出现概率最大处离核的间隔 不同的不同的n 值，对应于不同的电子壳层值，对应于不同的电子壳层 . K L M N O. 与角动量有关，对于多电子原子与角动量有关，对于多电子原子, l , l 也与也与E E 有关有关 l l

29、的取值的取值 0 0，1 1，2 2，3n-1(3n-1(亚层亚层 s, p, d, f. s, p, d, f. l l 决议了决议了的角度函数的外形的角度函数的外形2 角量子数角量子数l (angular momentum quantum umber)nl1234亚层亚层0000s111p22d3f ) 与角动量的取向有关，取向是量子化的与角动量的取向有关，取向是量子化的 m m可取可取 0 0，1, 1, 22l l 取值决议了取值决议了角度函数的空间取向角度函数的空间取向 m m 值一样的轨道互为等价轨道值一样的轨道互为等价轨道3 磁量子数磁量子数m ( magnetic quantum number)Lm轨道数轨道数 0(s) 1(p) 2(d) 3(f) 0 1 0 1 2 1 0 1 2 3 2 1 0 1 2 31357s 轨道轨道