《原子结构》PPT课件-(2)

1、第2章 原子结构19世纪末物理学上的三大发现：X射线放射性电子1ppt课件第2章 原子结构X射线：1895年德物理学家伦琴，1901年首届诺贝尔物 理学奖。放射性：1896年法科学家贝克莱尔、居里夫妇发现铀的 放射性，1903年诺贝尔物理学奖。 电子：1897年英科学家汤姆逊的阴极射线实验发现电子， 1906年诺贝尔物理学奖；1911年美物理学家密里根 油滴实验求得电子的质量，1923年诺贝尔物理学奖。2ppt课件第2章 原子结构原子 原子核 电子 中子 质子 原子中的基本粒子: 3ppt课件第2章 原子结构电子在原子核外是怎样运动的呢？ (4) 卢瑟福的原子行星模型（1911）(1) 氢原子

2、光谱（1883）(2) 普朗克的量子论（1900）(5) 玻尔假说（玻尔理论，1913）(6) 微观粒子的波粒二象性（1924，1927）(7) 海森堡不确定原理（1927）(3) 爱因斯坦的光子学说（1905）4ppt课件(1)氢原子光谱（1883）5ppt课件(1)氢原子光谱（1883）线状光谱6ppt课件(1)氢原子光谱（1883）指纹7ppt课件(1)氢原子光谱（1883） 1913年，瑞典物理学家里德伯（Rydberg）仔细地测定了氢原子光谱各谱线的频率，找出了适用所有氢光谱谱线规律性关系的公式，即里德伯公式： 式中：为波长， R 为里德伯常量(实验值)，其值为1.097105cm1

3、， n1和n2为正整数，而且n2n1，n为1，2，3，4，8ppt课件(1)氢原子光谱（1883）9ppt课件(1)氢原子光谱（1883）10ppt课件(1)氢原子光谱（1883）氢原子光谱特征： 为什么原子光谱是线状的呢？ 从紫外区（短波）到红外区（长波），n的取值越来越大，能量也越来越高，当n趋于无穷大时，电子脱离原子核束缚，能量为零。 不连续的线状光谱，从紫外到红外区呈现多条具有特征波长的谱线。11ppt课件(2)普朗克的量子论（1900） 德国物理学家普朗克，第一个冲破经典物理学中能量连续变化的框框，首先在物理学中引入了“量子”的概念，提出了著名的、当时被誉为物理学上一次革命的量子化理

4、论。普朗克M. Planck，1858-194712ppt课件(2)普朗克的量子论（1900） 经典物理学中的一些物理量，如时间、速度、长度、面积等的变化是连续的，没有一个最小单位，无限可分。 有些物理量的变化是有最小单位的，例如电荷量，电荷量变化的最小单位是1个电子的电荷量，即1.6021019 C，电荷量的改变不能小于1个电子的电荷量，只能是这个数的整倍数来增减，这是不连续的意思。不连续性只有在微观世界里才有意义氢原子光谱的不连续性就是量子化的13ppt课件(3)爱因斯坦的光子学说（1905）1887年光电效应实验说明了光具有粒子性。14ppt课件(3)爱因斯坦的光子学说（1905）爱因斯

5、坦A.Einstein ，1879-1955爱因斯坦通过对光电效应的研究，1905年提出光子学说，为量子论提供了实验依据和理论基础。 光是由一群颗粒性的光子组成，光子的能量与入射光的频率有关，当光子与金属中的电子相碰撞时，就把它的全部能量，即一个能量子转移给了电子。 光子的能量越高，转移给电子的能量也越高，电子的速度就越大。光子的数目越多（即光越强），释放出电子的数目也就越多。光电效应说明了光不仅具有波动性，而且具有粒子性。15ppt课件(3)爱因斯坦的光子学说（1905） 爱因斯坦用两个公式把表征光波动性的物理量(和)和表征光粒子性的物理量(E 和 p)定量地联系起来。光子能量E的大小与光的

6、频率成正比，光子动量p的大小与光的波长的倒数成正比：式中：h为普朗克常量， v为光的频率，为光的波长。E = hp =h16ppt课件(4)卢瑟福的原子行星模型（1911）17ppt课件(4)卢瑟福的原子行星模型（1911）卢瑟福 Ernest Rutherford1871-1937 英国物理学家卢瑟福根据 粒子穿透金属箔实验，提出原子行星模型： 原子中有一个极小的核，即原子核； 原子核几乎集中了原子全部的质量，并带有Z 个正电荷； 另有Z 个电子在原子核外像行星绕着太阳旋转一样绕核运动。 经典电磁理论和卢瑟福原子行星原子模型，无法解释氢原子光谱的实验事实。18ppt课件(5)玻尔假说（玻尔理

7、论，1913） 丹麦物理学家玻尔将卢瑟福的原子行星模型与普朗克量子论巧妙地结合，提出著名的玻尔假说:尼尔斯 玻尔N.Bohr ，1885-1962 原子中的电子只能在符合一定量子化条件的固定的轨道上绕核运动； 电子在一个轨道中运动的角动量mvr 必须是 的整倍数，即： h2式中m为电子的质量；v是电子运动的速度；r 是轨道的半径；h 是普朗克常量；n 是量子数。这些符合量子化条件的轨道称为稳定轨道，具有固定的能量E，电子在稳定轨道上运动时，不放出能量。19ppt课件(5)玻尔假说（玻尔理论，1913） 电子在离核越远的轨道上运动，其能量越大。通常电子保持在能量最低的状态即基态，基态是最稳定的状

8、态。当原子从外界获得能量时，电子可以跃迁到离核较远的较高能量的轨道上去，这时电子所处状态称为激发态。 处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到离核较近的轨道上，这时会以光子形式释放出光能，光的频率决定于两条轨道之间的能量之差： 式中E2为电子处于激发态时的能量；E1为电子处于低能级时的能量；为光的频率；h为普朗克常量。 20ppt课件(5)玻尔假说（玻尔理论，1913） 玻尔根据经典力学原理 和量子化条件，计算了电子运动的轨道半径 r 和电子的能量 E，推求出氢原子核外电子运动的轨道半径和能量： n=3 时， r3=33 52.9pm， E3 = -1312.17/33 kJmol1当 n=1 时，

9、 r1=1252.9pm， E1= -1312.17/12 kJmol1n=2 时， r2=2252.9pm， E2 = -1312.17/22 kJmol1 从距核最近的一条轨道算起, n值分别等于1,2,3,4, 5,6,7,根据假定条件算得n=1时允许轨道的半径为52.9pm, 这就是著名的玻尔半径。21ppt课件(5)玻尔假说（玻尔理论，1913） 解释了激发态原子为什么会发射出光射线； 说明了氢光谱线波长的不连续性； 说明了氢光谱线频率的规律性（验证了里德 伯公式，里德伯常量）； 提出了n 是能级的概念，这为人们后来研究 光谱学以及发展物质结构的现代理论做出了 贡献。玻尔假说成功之处

10、：22ppt课件(5)玻尔假说（玻尔理论，1913） 未能完全冲破经典物理的束缚，只是在经典力学连续性概念的基础上，人为地加上了一些量子化的条件；如在讨论和计算电子运动的轨道半径时，都是以经典力学为基础的，认为电子在核外的运动有固定轨道，而对于电子本身所特有的波粒二象性，在当时是玻尔所不能认识的。 玻尔理论解释不了多电子原子的光谱和氢光谱的精细结构等问题。玻尔假说的缺陷：23ppt课件(6)微观粒子的波粒二象性（1924，1927） 光的波粒二象性 光的传播形式和光的衍射现象都表示了光的波动性。光电效应说明了光具有粒子性。 24ppt课件(6)微观粒子的波粒二象性（1924，1927） 电子的

11、波粒二象性德布罗意 Louis de Broglie 1892-1987 1924年法国年轻的物理学家德布罗意在光的波粒二象性启发下，大胆地提出了“物质波”的假设，预言电子等粒子会像光一样发生衍射，显示具有波动性。式中 m为电子的质量， h为普朗克常量，p为电子的动量，v为电子的速度，这种波称为物质波，亦称为德布罗意波。 并根据波粒二象性的关系式预言了高速运动的电子的波长 公式： 25ppt课件 电子的波粒二象性 1927年，电子衍射的实验证实了德布罗意的预言，电子不仅是一种具有一定质量、高速运动的带电粒子，而且还能呈现波动性。(6)微观粒子的波粒二象性（1924，1927）26ppt课件(7

12、)海森堡不确定原理（1927） 1927年，德国物理学家海森堡提出了量子力学中的一个重要原理不确定原理：不可能同时测得电子的精确位置和精确的动量。海森堡 Heisenberg 19011976式中x 为粒子位置的不确定值； p 为粒子动量的不确定值； v 为粒子运动速度的不确定值； m 为粒子的质量；h为普朗克常数； 27ppt课件(7)海森堡不确定原理（1927） 质量m=10g的宏观物体子弹，它的位置能准确测到x = 0.01cm，那么此时其速度不确定值为： = 6.62610-34/(23.141010-30.0110-2) = 1.0551028（ms1） 电子的质量m= 9.1101

13、0-31kg，原子半径的数量级为10-8 cm，那么位置的不确定值x 至少要达到10-9cm 才近乎合理，这时其速度的不确定值为：=6.62610-34/(23.149.11010-3110-910-2) = 1.15810 7（ms1）28ppt课件小结 在经典力学中，我们能准确地同时测定一个宏观物体的位置和动量，对微观粒子，如电子，质量极小，它在原子核外运动的速度每秒约30万公里，接近光速。在原子这样小的空间内（108cm），电子速度如此之大，不可能同时准确地测定出它的空间位置和它在那个位置上的速度。 不确定原理对宏观物体不起作用，反映了微观粒子的运动特征，不能用经典力学的方法去处理微观粒

14、子。用什么方式描述微观粒子的运动规律呢？29ppt课件原子结构-教学要求1. 了解电子等微观粒子运动的特殊性：能量量子化、波粒二象性、不确定原理等。2. 了解薛定鄂方程的意义，掌握和区分原子轨道、波函数、概率、概率密度、电子云的概念，重点掌握描述电子运动状态的四个量子数的物理意义、取值规律和合理组合。3. 了解多电子原子中屏蔽效应和钻穿效应的意义及其对电子能量的影响，掌握能级、能级组、电子层、电子亚层和价电子层构型等概念。4. 根据电子排布三原则和鲍林原子轨道近似能级图，重点掌握原子核外电子排布规律，能书写一般元素原子核外电子的排布式和价电子构型（特殊情况除外），并根据电子排布式判断元素在周期

15、表中的位置及有关性质。5. 理解原子的电子层结构和元素周期表的关系，元素的若干性质（原子半径、电离势、电子亲和势、电负性）与原子的电子层结构的关系。30ppt课件原子结构-教学内容一、核外电子的运动状态三、原子的电子层结构和元素周期系二、核外电子的排布1. 薛定谔方程微粒的波动方程2. 波函数的空间图像3. 四个量子数4. 小结1. 多电子原子的能级2. 核外电子排布的原则31ppt课件一、核外电子的运动状态1. 薛定谔方程微粒的波动方程2. 波函数的空间图像 （1）波函数的角度分布图 （2）波函数的径向分布图 （3）波函数的空间分布图3. 四个量子数4. 小结32ppt课件1. 薛定谔方程微

16、粒的波动方程 1926年，奥地利物理学家薛定谔从德布罗意的假设中得到启示，首先提出了描述微观粒子运动规律的波动方程，建立了迄今最为成功的原子结构模型波动力学模型。亦称为薛定谔方程，是一个二阶偏微分方程：式中 ：波函数是空间坐标 x、y、z的函数； E：体系的总能量 ； V：体系的势能； m：粒子的质量 ； h：普朗克常量 薛定谔Schrdinger, 1887-196133ppt课件1. 薛定谔方程微粒的波动方程与球极坐标 (r,) 的转换直角坐标 (x, y, z)球极坐标与直角坐标的关系x = r sin cos，z = r cosy = r sin sin，r2 = x2 + y2 +

17、z2 r：径向坐标, 半径，决定了球面的大小； ：角坐标,余纬度，由 z 轴沿球面延伸 至 r 的弧线所表示的角度；：角坐标,平经度，由r 沿球面平行 xy 面延伸至 xz 面的弧线所表示的角度。(x, y, z) (r,) 34ppt课件1. 薛定谔方程微粒的波动方程 求解薛定谔方程, 是为求得波函数和能量E 薛定谔方程有非常多的解，为得到合理的解，需要引入三个只能取某些整数值的参数n、l、m。对应于一组合理的n、l、m取值，则有一个确定的波函数 (r,)n,l,m和其对应的能量 E 值。解得的不是具体的数, 是包括三个参数(n, l, m) 和三个变量(r,)的一个函数式(r,)n, l,

18、 m n、l、m称为量子数，它们决定着波函数某些性质的量子化情况。 有合理解的函数式叫做波函数35ppt课件1. 薛定谔方程微粒的波动方程三个量子数的取值要求n = 1， 2， 3， 4， 5， 6， 7， （正整数）n的取值范围： K， L， M， N， O， P， Q， （光谱符号）l 的取值范围： l = 0， 1， 2， 3， 4， 5，（n1）s， p， d， f， g， h，（光谱符号） m = 0，1，2，3，l。m 的取值范围：36ppt课件1. 薛定谔方程微粒的波动方程三个量子数的取值要求波函数=薛定谔方程的合理解=原子轨道 n=1, l=0, m=0, 1,0,0 1s原子

19、轨道, 1s l=0, m=0, 2,0,0 2s原子轨道, 2s l=1, m=0, 2,1,0 2p原子轨道, 2p l=0, m=0, 3,0,0 3s原子轨道, 3sn=3 l=1, m=0, 3,1,0 3p原子轨道, 3p l=2, m=0, 3,2,0 3d原子轨道, 3dn=237ppt课件 波函数和概率密度|2都可以用几何图形形象的表示，和|2均是空间坐标r,的函数，要画出它们之间的关系需要四维坐标，因此常常为了不同的目的，从不同的角度考察和|2的性质，如只考察随r变化的为径向分布图；只考察随,变化的称为角度分布图；综合考察随r,变化的为空间分布图。2. 波函数的空间图像 (

20、r,)n,l,m = Rn,l (r) Yl,m(,) 径向部分 角度部分38ppt课件（1）波函数的角度分布图 (r,)n,l,m = Rn,l (r) Yl,m(,) 径向部分 角度部分 如果将Yl,m(,) 随,的角度变化作图，就可以得到波函数的角度分布图，也就是原子轨道的角度分布图。若将| Yl,m(,) |2 对,作图，则可以得到电子云的角度分布图。39ppt课件（1）波函数的角度分布图 原子轨道的角度分布图 电子云的角度分布图 原子轨道与电子云角度分布图比较40ppt课件 原子轨道的角度分布图 由于Yl,m(,)只与量子数l，m有关，与量子数n无关，所以只要量子数l，m相同的原子轨

21、道，它们的角度分布就相同。 如2pz、3pz、4pz原子轨道的角度分布相同，统称为pz轨道的角度分布，以pz轨道为例，来讨论原子轨道的角度分布图。41ppt课件 原子轨道的角度分布图42ppt课件 原子轨道的角度分布图43ppt课件 原子轨道的角度分布图44ppt课件波函数=薛定谔方程的合理解=原子轨道 原子轨道的角度分布图三个量子数n,l,m 确定的波函数称为一个原子轨道 波函数是量子力学中描述核外电子在空间运动状态的数学函数式，一个波函数就称为一个原子轨道。波函数 就叫做原子轨道。n=1, l=0, m=0, 1,0,0 1s原子轨道, 1s l=0, m=0, 2,0,0 2s原子轨道,

22、 2s l=1, m=0, 2,1,0 2pz原子轨道, 2pzn=2 45ppt课件 原子轨道的角度分布图 波函数就是原子轨道，是一个函数式。 每一个原子轨道即每一个波函数都有与之相对应的能量E，氢原子或类氢离子(核外只有1个电子) 其能量为：eV46ppt课件 电子云的角度分布图 与原子轨道的角度部分相对应，也有电子云即概率密度|2的角度部分|Yl,m(,)|2的分布图。例如pz电子云的角度部分是|Ypz|2= cos2，若将|Ypz|2对作图，便可得到pz电子云的角度分布图。 它表示了电子在空间不同角度出现的概率密度的大小，从角度的侧面反映了电子云概率密度分布的方向性。47ppt课件 电

23、子云的角度分布图48ppt课件 电子云的角度分布图 电子云也可以是用统计的方法描述电子在核外空间某一区域内出现概率大小的一个形象化的图示，s 电子经常出现的区域是核外的一个球形空间。 图中密集的小点只是说明氢原子核外的一个电子在核外空间的一种运动状态，并不代表有这么多个电子在核外运动。 s 电子云 l = 049ppt课件 电子云的角度分布图处于不同状态的电子，它们的波函数各不相同，其|2 当然也各不相同，表示|2 的图像电子云图也不一样。 50ppt课件 电子云的角度分布图51ppt课件 电子云的角度分布图52ppt课件 电子云的角度分布图f 电子云l = 3的状态即为f 状态f 电子云形状

24、不要求记53ppt课件 原子轨道与电子云角度分布图比较54ppt课件 原子轨道与电子云角度分布图比较 形状相似，不同的是电子云的角度分布图形比原子轨道的角度分布图形要“瘦”些；这是由于Y= cos 值小于1，而|Y|2 值就更小的缘故。 正负号不同，原子轨道角度分布图上有、号之分，而电子云角度分布图上都是正值；原子轨道角度分布图上的、号只是代表波函数中角度部分Y的正、负，并不表示波函数的正、负。55ppt课件（2）波函数的径向分布图 D (r)是r 的函数， 称D (r) 为径向分布函数。 径向分布图是指电子在原子核外距离为r、厚度为r的薄层球壳中出现的概率随半径 r变化时的分布情况。球壳薄层

25、示意图球面面积 4 r2,球壳薄层的体积4 r2 r,概率密度|2,球壳体积中发现电子的概率4 r2 r |2,单位厚度球壳中的概率令D (r) = 4 r2 |24 r2 |2,56ppt课件（2）波函数的径向分布图. 在图中r = 53pm 处曲线有一个高峰，说明电子在 r = 53pm的球壳上出现的概率最大。这个极大值正是玻尔半径 值。 57ppt课件（2）波函数的径向分布图 1s电子的概率密度（电子云）在原子核附近最大，为什么它的概率的径向分布却是在离核53pm处最大呢？ 因为在靠近核处，电子出现的概率大，概率密度|2有较大值，但r 很小，即球壳的体积很小，所以D (r)值不会很大；在

26、离核较远处，r 值大，即球壳的体积大，但电子出现的概率却不大，即概率密度|2较小，所以D (r)值也不会很大；这两个变化趋势相反的因素结合在一起，在某一点上就会出现一个极大值。 58ppt课件（2）波函数的径向分布图 径向分布函数D (r)只与电子离核半径r 的大小有关，r 的大小与量子数n 和l 有关；类氢原子各种状态的径向分布图r = 213pm r = 477pm r =53pm s态， n= 1, l = 0 s态， n= 2, l = 0 p态，n= 2, l = 1 s态， n= 3, l = 0p态，n= 3, l = 1 d态，n= 3, l = 2n l 个峰59ppt课件（

27、2）波函数的径向分布图由波函数的径向分布图可以看出核外电子是按层分布的。当主量子数n相同时，ns比np多一个离核较近的峰，np比nd多一个离核较近的峰，nd比nf多一个离核较近的峰，这些离核较近的峰都伸到(n-1)各峰的内部，而且深入内部的程度是各不相同的。电子在核附近出现的机会： ns np nd nf60ppt课件O（2）波函数的径向分布图4s、3d 和 4p电子云的径向分布图 外层电子钻到内层空间而靠近原子核的现象，称为“钻穿效应 ”。 n- l 个峰能级交错61ppt课件（2）波函数的径向分布图 电子概率的径向分布图表示了电子在整个空间出现的概率随半径变化的情况，反映了核外电子概率分布

28、的层次性 和穿透性。 62ppt课件（3）波函数的空间分布图 原子轨道的角度分布图和电子云的角度分布图，都只是反映了波函数的角度部分，而不是原子轨道和电子云的实际形状的全部，原子轨道和电子云的实际空间分布要综合考虑波函数的径向分布和角度分布。 空间分布图有多种形式，如电子云黑点图、等密度曲线图、界面图、网格立体图、原子轨道轮廓图等。63ppt课件（3）波函数的空间分布图电子云黑点图1s2s3s2pz3pz64ppt课件（3）波函数的空间分布图等密度曲线图65ppt课件（3）波函数的空间分布图界面图66ppt课件（3）波函数的空间分布图网格立体图1s 轨道2p 轨道3dxy 轨道3dz2 轨道6

29、7ppt课件（3）波函数的空间分布图原子轨道轮廓图1s2s3s3pz68ppt课件3. 四个量子数 由n、l、m三个量子数所确定下来的一套参数就可以表示一种波函数。在求解薛定谔方程的过程中除了直接引入的这三个量子数之外，后来根据实验和理论的要求，又引入了一个描述电子自旋特征的量子数ms。这些量子数对描述核外电子的运动状态、确定原子中电子的能量、原子轨道或电子云的形状和空间伸展方向，以及多电子原子核外电子的排布非常重要。69ppt课件3. 四个量子数主量子数主量子数 nn = 1， 2， 3， 4， 5， 6， 7， （正整数）主量子数n是决定电子层数的。用它来描述原子中电子出现概率最大的区域离

30、核的远近。 n的取值范围： K，L，M，N，O，P，Q， （光谱符号）70ppt课件3. 四个量子数主量子数主量子数 n主量子数n是决定电子能量高低的主要因素。对单电子原子或类氢离子：电子能量只与主量子数n有关，n值越大，电子的能量越高。n=3 时， r3=32 52.9pm， E3 =(-1312.17/32) kJmol1当 n=1 时， r1=52.9pm， E1=(-1312.17/12) kJmol1n=2 时， r2=22 52.9pm， E2 =(-1312.17/22) kJmol1E1sE2sE3sE4s E4s =E4p =E4d =E4f = 71ppt课件3. 四个量子

31、数主量子数主量子数 n 核外电子能量既与n有关，又与l 有关，取决于 n 和 l 的取值。不能只决定于n值的大小。主量子数n是决定电子能量高低的主要因素。对多电子原子：（在多电子原子的能级里讲授）72ppt课件3. 四个量子数角量子数角量子数 l（亦称副量子数）角量子数 l 表示原子轨道或电子云的形状。l 的取值范围： 对于给定的n值，l只能取小于n的整数值。 l = 0，1， 2，3， 4， 5，（n1）s，p，d， f， g，h，（光谱符号） 73ppt课件3. 四个量子数角量子数角量子数 l（亦称副量子数）用主量子数n表示电子层时，角量子数l 就表示同一电子层中具有不同状态的分层，对于给

32、定的主量子数n来说，就有n个不同的角量子数 l。电子层数n值电子分层 l 值电子分层数和类别1 0 1s2 0 1 2s 2p3 0 1 2 3s 3p 3d4 0 1 2 3 4s 4p 4d 4f74ppt课件3. 四个量子数角量子数角量子数 l（亦称副量子数）角量子数l与多电子原子中的电子能量有关；即多电子原子中电子的能量不仅与主量子数n 有关，还与角量子数l 有关。 （ n、 l 都不同，能级交错，在多电子原子的能级里讲授）E4s E4p E4d E4f l = 0 1 2 3 n 相同， l 值越大，电子能量越高。75ppt课件3. 四个量子数磁量子数磁量子数 m 磁量子数 m 决定

33、原子轨道或电子云在空间的伸展方向。m 的取值与角量子数 l 有关，对于给定的 l 值，有 2l +1 个m 的取值，可以取从 l 到l 的所有整数，其中包括零：m = 0，1，2，3，l。76ppt课件3. 四个量子数磁量子数磁量子数 m 磁量子数 m 决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向。l=0，s电子m=0一种状态在空间无方向性l=1，p电子m=0，1三种状态在空间有三种取向l=2，d电子m=0，1，2五种状态在空间有五种取向l=3，f电子m=0，1，2，3七种状态在空间有七种取向角量子数 l 与磁量子数 m 的关系 77ppt课件3. 四个量子数磁量子数磁量子数 m 在没有外加磁场的作用

34、时，磁量子数 m 与能量无关。 三种 p 轨道虽在空间方向取向不同，但能量相同，称为简并 轨道；五种 d 轨道、七种 f 轨道同理也是简并的。l = 1 m = 02,1,0 2pz 轨道m = +1m = 12,1,1与2,1,-1线性组合2px 轨道2py 轨道2pz2px2py78ppt课件3. 四个量子数磁量子数磁量子数 m在有外加磁场作用时，五个简并的d轨道会发生能级分裂。 79ppt课件3. 四个量子数自旋量子数ms 表示电子自旋运动的状态，取值只有两个：自旋量子数 ms 直接从薛定谔方程得不到自旋量子数ms，它是据后来的理论和实验的要求引入的。 精密观察强磁场存在下的原子光谱，每

35、一条谱线实际是由靠得很近的两条谱线组成的。为了解释这一现象，1925年乌伦贝克（Uhlenbeck）和哥德希密特（Goudsmit）提出了电子自旋的假设。12ms = + ， 1280ppt课件3. 四个量子数四个量子数确定后，电子在核外空间的一种运动状态就确定了。原子中每个电子的运动状态需要用n，l，m，ms四个量子数来描述；主量子数n决定电子层数和主要决定电子的能量；角量子数 l 决定原子轨道的形状，同时也影响电子的能量；磁量子数m决定原子轨道在空间的伸展方向；自旋量子数ms决定电子自旋的方向。81ppt课件3. 四个量子数82ppt课件4. 核外电子的运动状态小结（2）在微观世界中，核外

36、电子运动的能量是不连续的，分为不同的能级（n），电子运动的每一个状态均需要用四个量子数（n、l、m、ms）来确定。（1）电子是微观粒子，具有波粒二象性，不能同时确定其位置和动量，它的空间运动状态需要用波函数来描述。（3）波函数、原子轨道、电子云的区别和联系：四个量子数n、l、m、ms确定电子的一种空间运动状态。 三个量子数n、l、m确定一个波函数n,l,m，波函数 就 是原子轨道。83ppt课件4. 核外电子的运动状态小结原子轨道和电子云的图像形状相似，不同是原子轨道的图像中有正、负号，电子云的图像中则没有。原子轨道的正、负号在原子轨道组合成分子轨道时会起到关键的作用。 （3）波函数、原子轨道

37、、电子云的区别和联系：电子云是电子在空间出现的概率密度分布的形象化表示。 （4）四个量子数之间互相联系又互相制约，同一个原子中没有彼此状态完全相同的电子，或者说，在同一个原子中不可能有四个量子数完全相同的两个电子存在。 84ppt课件二、核外电子的排布1. 多电子原子的能级 （1）鲍林原子轨道能级图 （2）科顿原子轨道能级图 （3）屏蔽效应 （4）钻穿效应 2. 核外电子排布的原则 （自学） （1）能量最低原理 （2）泡利不相容原理 （3）洪特规则 85ppt课件1. 多电子原子的能级 薛定谔方程只能对单电子原子体系做出精确的解，对多电子原子来说，由于原子中各电子之间的相互作用，当电子处在不同

38、状态时，其能量不仅与主量子数n有关，还与角量子数 l 有关，从薛定谔方程不能得到精确的解，只能借助于某些实验数据或做近似处理得到核外电子排布的基本规律。86ppt课件1. 多电子原子的能级 原子中各电子之间有相互作用，当电子处在不同状态时，其能量不仅与主量子数n有关，还与角量子数l 有关。 单电子体系各种状态的电子的能量只与主量子数 n 有关E4s = E4p = E4d = E4f E2p E3p E4p E5p 多电子原子体系E4sE4pE4dE4f 能级分裂87ppt课件（1）鲍林原子轨道能级图 美国结构化学家鲍林根据光谱实验的结果，提出了多电子原子中原子轨道的近似能级图，图中的能级顺序

39、是指价电子层中填入电子时各能级能量的相对高低。 鲍林L.Pauling1901-1994 1931年他应用量子力学理论研究原子和分子的电子结构及化学键的本质，创立了杂化轨道理论。他因对化学键本质的研究而获得1954年诺贝尔化学奖。1962年又荣获诺贝尔和平奖。 88ppt课件（1）鲍林原子轨道能级图能级分裂能级交错89ppt课件（1）鲍林原子轨道能级图 在近似能级图中，每个小圆圈代表一个原子轨道。简并状态等价轨道简并度p 轨道是三重简并d 轨道是五重简并f 轨道是七重简并 近似能级图按原子轨道的能量高低排列，不按原子轨道离核远近顺序排列（即不按电子层的顺序排列）。能级组 ：能量相近的能级划为一

40、组第五能级组： 5s，4d，5p第六能级组： 6s，4f，5d，6p第七能级组： 7s，5f，6d，7p第一能级组： 1s第二能级组： 2s，2p第三能级组： 3s，3p第四能级组： 4s，3d，4p90ppt课件（1）鲍林原子轨道能级图 由近似能级图看出：角量子数 l 相同的能级，其能量大小由主量子数n决定，n 越大能量越高。主量子数 n 相同，角量子数 l 不同的能级，其能量随 l 值增大而升高。 同一电子层 (n 相同)，各种轨道能量不同的现象叫能级分裂。E3d E4d E5d E6d l = 2E4s E4pE4d E4f n = 4主量子数n和角量子数 l 同时变动时，能级的能量次序

41、变化比较复杂，不同电子层的能级划分在同一能级组，叫能级交错。E4s E3d E4pE5s E4d E5pE6s E4f E5d E6p91ppt课件（1）鲍林原子轨道能级图 由近似能级图看出，每个电子层中的轨道数目为该电子层主量子数n 的平方，即n2。 由近似能级图看出，能级组的划分是造成元素周期表中元素划分为周期的本质原因。每一个原子轨道中只能填充2个电子，每填充1个电子，就形成了一种元素，因此，由近似能级图可以得到按能级组排列的元素周期系的图。按能级组排列的元素周期系图可更清楚地显示出是原子的电子层结构的周期性决定了元素性质的周期性变化。也是物质由量变到质变的一个很好的说明。92ppt课件

42、（1）鲍林原子轨道能级图93ppt课件（1）鲍林原子轨道能级图评论 简单明了，基本反映了 多电子原子的核外电子填充的次序1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f第4能级组第5能级组第6能级组 第71 2 394ppt课件（1）鲍林原子轨道能级图评论 简单明了，基本反映了 多电子原子的核外电子填充的次序1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 第26号元素Fe的光谱符号：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 3d6 4s2

43、 95ppt课件（1）鲍林原子轨道能级图 所有元素的同一原子轨道能级次序都一样，反映不出元素的原子序数与某一能级能量的关系。 随着原子序数的增加，核电荷对电子的吸引力增强，所以轨道能量会降低，但各轨道能量随原子序数增加而能量降低的幅度不同，所以不同元素的相同原子轨道的能级次序不会完全一致，这一重要事实在鲍林的原子轨道能级图中没有体现出来。评论96ppt课件（2）科顿原子轨道能级图 美国化学家科顿( F. A . Cotton ) 总结了前人工作，提出原子轨道能量随原子序数变化的轨道能级图形，称为：科顿原子轨道能级图197ppt课件（2）科顿原子轨道能级图简明清晰地反映了原子轨道能量和原子序数的

44、关系，随着原子序数的增加，核电荷对电子的吸引力增强，所有轨道能量都会降低，但降低程度各不相同；反映了氢原子轨道能级的简并性，氢原子轨道能量只与主量子数n有关；多电子原子轨道能量不仅与主量子数 n 有关，还和角量子数 l 有关，所以相同主量子数的s、p、d、f 轨道能级要产生分裂。科顿原子轨道能级图的优点：98ppt课件（2）科顿原子轨道能级图在科顿原子轨道能级图中，除了3d与4s相交在Z21处外，4d与5s，5d与6s都与实验结果相差较远。不如鲍林原子轨道能级图直观和易于掌握；科顿原子轨道能级图存在的问题：99ppt课件（3）屏蔽效应 对一个指定的电子,它会受到来自内层电子和同层其他电子负电荷

45、的排斥力, 这种球壳状的负电荷就像一个屏蔽罩, 部分抵消了核电荷对该电子的吸引力，使有效核电荷降低，这种作用称为屏蔽作用或屏蔽效应。100ppt课件（3）屏蔽效应有效核电荷Z*与屏蔽常数Z* = Z- 屏蔽常数 代表由于电子间的斥力而使核电荷数Z减小的部分，它只是一个经验常数，科学上现在还无法对屏蔽作用进行精确的分析和计算；多电子原子中一个电子的能量可以用如下公式讨论：E = -13.6 (Z-)2n2eV 的大小可由 Slater 提出的规则近似求算， Slater 规则略。101ppt课件（3）屏蔽效应 外层电子对内层指定电子的屏蔽作用忽略不计。 指定电子只受处于内层和同层的其他电子的屏蔽

46、。 如果指定电子是最外层电子，处于内层和同层的其他电子对它屏蔽作用的大小是：同处于n层的电子处于n-1层的电子处于n-2层的电子 若将原子核比做光源，各层电子比做遮光的障碍物，障碍物距光源越近，它屏蔽掉的光线越多。 同一内层电子对指定外层电子的屏蔽作用，指定外层电子的l 值越大，它受到内层电子的屏蔽作用就越大：s电子 p电子 d电子 f电子钻穿效应解释102ppt课件（3）屏蔽效应为什么 2s 电子比 2p 电子受到的屏蔽作用小? 2s电子云径向分布曲线除主峰外，还有一个距核更近的小峰，这表示2s电子云有机会能钻至离核更近的空间，从而部分地回避了其他电子对它的屏蔽作用。103ppt课件O（4）

47、钻穿效应4s、3d 和 4p电子云的径向分布图 外层电子钻到内层空间而靠近原子核的现象，称为“钻穿效应 ”。 104ppt课件（4）钻穿效应钻穿效应越强，钻得越深，意味着受到其他电子的屏蔽越小。受到屏蔽作用的大小：3s电子 3p电子 3d电子在多电子原子中，对给定n 值的电子，其有效核电荷随l 值的增大而减小；轨道能级的能量随l 值的增大而升高。E3sE 3p E 3d这是产生能级分裂的原因105ppt课件（4）钻穿效应 电子的钻穿能力顺序如下: nsnpndn f ；导致 亚层能级按 E(ns)E(np)E(nd)E(nf) 顺序分裂。 如果能级分裂的程度很大, 就可能导致与邻近电子层 中的

48、亚层能级发生交错。E4s E 3d106ppt课件2. 核外电子排布的原则（自学）（1）能量最低原理（2）泡利不相容原理 （3）洪特规则 自学课件第2章第二节第2个问题 自学近代化学导论第二版上册第4章4.3和 4.4节中相关内容（第61、66页）107ppt课件2. 核外电子排布的原则（自学）（1）能量最低原理（2）泡利不相容原理 （3）洪特规则 鲍林原子轨道能级图 泡利不相容原理并不是从量子力学的基础上推导出来的，是泡利根据光谱实验总结出来的规律，即在一个原子中不能有两个或更多的电子处在完全相同的状态（四个量子数完全相同），应用这一规律，就可以解释原子内部的电子分布状况和元素周期律。因此它

49、适合于量子力学，并为实验所证实，是微观粒子运动的基本规律之一。108ppt课件2. 核外电子排布的原则（自学）（1）能量最低原理（2）泡利不相容原理 （3）洪特规则 洪特规则：在能量相同的简并轨道上，电子总是尽先占据不同轨道，且自旋平行；简并轨道全充满、半充满和全空的状态时能量较低，比较稳定。109ppt课件三、原子的电子层结构和元素周期系1. 原子的电子层结构与元素的分区2. 原子的电子层结构与元素的周期（1）原子半径的周期性（2）电离势的周期性（3）电子亲和势的周期性（4）电负性的周期性3. 原子的电子层结构与元素的族4. 元素基本性质的周期性110ppt课件三、原子的电子层结构和元素周期

50、系 自学课件第2章第二节第3个问题 自学近代化学导论第二版上册第4章4.4.5节 参看书后元素周期表1. 原子的电子层结构与元素的分区2. 原子的电子层结构与元素的周期3. 原子的电子层结构与元素的族111ppt课件ns12,(n-1)d19ns12, (n-1)d10ns12, ns2np16, (n-2)f 014(n-1)d02ns2 价电子构型三、原子的电子层结构和元素周期系 原子的电子层结构与元素的分区112ppt课件三、原子的电子层结构和元素周期系周期相应的轨道轨道总数容纳电子总数各周期元素数目11s12222s 2p48833s 3p48844s 3d 4p9181855s 4d

51、 5p9181866s 4f 5d 6p16323277s 5f 6d 7p16未满未满各周期元素数目与原子结构的关系113ppt课件三、原子的电子层结构和元素周期系周期数核外电子层数 n能级组数1n 1 1s （第一能级组）2n 2 2s 2p （第二能级组）3n 3 3s 3p （第三能级组）4n 4 4s 3d 4p （第四能级组）5n 5 5s 4d 5p （第五能级组）6n 6 6s 4f 5d 6p （第六能级组）7n 7 7s 5f 6d 7p （第七能级组）各周期数核外电子层数 n 能级组数114ppt课件三、原子的电子层结构和元素周期系12313456789101112141

52、5161718主族元素的族数=最外电子层的电子数（稀有气体除外）副族元素的族数=最外电子层的电子数+次外层d电子数(B、B族和第族除外)115ppt课件三、原子的电子层结构和元素周期系（1）原子半径的周期性（2）电离势的周期性（3）电子亲和势的周期性（4）电负性的周期性4. 元素基本性质的周期性116ppt课件5. 元素基本性质的周期性（1）原子半径的周期性原子半径一般分为： 共价半径、金属半径、范德华半径一般同一元素的半径： 范德华半径金属半径共价半径讨论原子半径的变化规律，采用的是共价半径，稀有气体用范德华半径代替。117ppt课件5. 元素基本性质的周期性（1）原子半径的周期性118ppt课件5. 元素基本性质的周期性（1）原子半径的周期性一般规律： 同一周期主族元素自左向右，原子半径逐渐减小； 同一周期过渡元素的原子半径也在减小，但减小的幅度不如短周期的大； 在超长周期中，内过渡元素的原子半径减小的幅度更小，如镧系元素从镧到镥半径共减小了14pm，这一现象称为镧系收缩； 同一主族元素自上而下，原子半径逐渐增大； 同一副族元素自上而下，原子半径逐渐增大，但由于镧系收缩