大学物理原子及微观粒子性质课件

1第五章物质结构基础★

原子结构的近代概念★

多电子原子的电子分布方式和周期系★

化学键与分子间相互作用力★

晶体结构1第五章物质结构基础★原子结构的近代概念★多电子原子的25.1原子结构的近代概念一.原子结构理论的发展概况

从小家境很穷，少年时代自学，12岁在乡村学校教书；自学数学、哲学、希腊文、法文和拉丁文等；27岁移居曼彻斯特，从此，这个没有受过高等教育的人开始在大学里讲授数学和哲学；1816年当选法国科学院通讯院士，1822年成为皇家学会会员；道尔顿一生大量的工作就是观察天气，他一生记录了20万条观察记录。1801年总结出气体分压定律；1803年发表化学原子论，认为元素是由非常微小的、看不见的、不可再分割的原子组成；25.1原子结构的近代概念一.原子结构理论的发展概况从小3一.原子结构理论的发展概况

1885年天然放射性1897年电子1895年X射线物理学上三大发现汤姆逊(Thomson，JosephJohn)(1856~1940)英国物理学家1906年诺贝尔物理学奖贝克勒尔(Becquerel，AntoineHenri，1852~1908)法国物理学家，1903年诺贝尔物理学奖伦琴(WilhelmKonradRontgen)(1854~1923)德国物理学家1901年诺贝尔物理学奖1.19世纪末物理学的三大发现3一.原子结构理论的发展概况1885年1897年1895年4一.原子结构理论的发展概况

出生于新西兰，毕业于新西兰大学和剑桥大学；1898年任加拿大马克歧尔大学物理学教授，这期间他在放射性方面的研究贡献很多；1907年任曼彻斯特大学物理学教授；1908年因对放射化学的研究获诺贝尔化学奖；1919年任剑桥大学教授，并任卡文迪许实验室主任；1909年他指导他的两个学生做了著名的实验：用粒子轰击金箔，从而提出含核原子模型：原子核带正电，位于原子中心，电子在它的周围旋转，于1911年发表。2.原子的含核模型(1911年)卢瑟福(ErnestRutherford)(1871-1937)英籍新西兰物理学家

4一.原子结构理论的发展概况出生于新西兰，毕业于新西兰大学5一.原子结构理论的发展概况

1911年获哥本哈根大学博士学位后开始研究金属中电子运动的理论；1911年进入剑桥大学和曼彻斯特大学深造，并结识了良师益友卢瑟福；玻尔大胆地把卢瑟福的模型和普朗克的量子理论结合起来，把原子只用于能量的量子概念推广的到角动量，创立了量子化轨道原子结构理论；为以后各种物理量的量子化打开了大门；1913年初，玻尔提出了他著名的原子理论，这个理论随即被用于分析各种谱线，获得了巨大的成功；因他对原子结构模型的研究成果，他获得了1922年的诺贝尔物理奖。3.原子结构的玻尔模型(1913年)玻尔

(NielH.D.Bohr)(1885-1937)丹麦物理学家4.原子结构的波动力学方程(1926年)－薛定谔方程5一.原子结构理论的发展概况1911年获哥本哈根大学博士学6二.微观粒子的运动特征－波、粒二象性1.光的波、粒二象性(1)光的波动性(2)光的微粒性(1900年)Plank公式：E=hv光的能量与频率的关系普朗克认为,物体只能按hv的整数倍(如1,2,3等)一份一份地吸收或释出光能,而不可能是0.5,1.6,2.3等任何非整数倍－能量量子化概念。h为普朗克常数，h=6.62610-34J·s-1普朗克(MaxKarlErnstLudwigPlanck)(1858~1947)德国物理学家1918年诺贝尔物理学奖6二.微观粒子的运动特征－波、粒二象性1.光的波、粒二象7(2)光的微粒性(1905年)Einstein光子学说：E=mc2爱因斯坦认为,入射光本身的能量也按普朗克方程量子化,并将这一份数值为1的能量叫光子(photons)。c=vhv=mc2=mcv

=h/mc

爱因斯坦(AlbertEinstein)(1879~1955)德裔美国科学家二.微观粒子的运动特征－波、粒二象性1.光的波、粒二象性7(2)光的微粒性(1905年)Einstein光子学说8二.微观粒子的运动特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性德布罗依(L.deBroglie)法国物理学家λ=h/mv体现粒子波动性体现粒子粒子性戴维逊

(Davission)美国物理学家1927年，美国Davission和Germeer应用Ni晶体进行电子衍射实验，证实了电子具有波动性。8二.微观粒子的运动特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二9电子衍射示意图定向电子射线晶片光栅衍射图象L.deBroglie和

Davission等分别获得1929年和1937年诺贝尔物理学奖二.微观粒子的运动特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性9电子衍射示意图定向电子射线晶片光栅衍射图象L.deBro10电子通过Al箔(a)和石墨(b)的衍射图物质波或德布罗依波★微观粒子遵循特有的运动特征和规律，即能量的量子化、

波粒二象性和统计性。★空间任意一点物质波的强度与微粒出现的几率密度成正比。★物质波是具有统计性的几率波（概率波）。二.微观粒子的运动特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性10电子通过Al箔(a)和石墨(b)的衍射图物质波或德布罗依11核外运动的电子，已不再遵守经典力学规律，它们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间几率分布，即电子的波动性与其微粒行为的统计性规律相联系。微粒的运动没有确定的位置，只有一定的和波的强度成正比的空间几率分布规律。波的微粒性电子微粒性的实验Plank

的量子论Einstein

的光子学说量子力学(quantum

mechanics)二.微观粒子的运动特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性11核外运动的电子，已不再遵守经典力学规律，它们的运动没有确12二.微观粒子的运动特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性2008年瑞典科学家首次通过飞秒激光成功拍摄到了电子运动的连贯影片。12二.微观粒子的运动特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒13三.波函数(Wavefunctions)

(ψ)薛定谔(E.Schrodinger)(1887-1961)奥地利物理学家1910年获物理学博士学位后在维也纳第二物理研究所工作；1921年他受聘到瑞士苏黎士大学任数学物理学教授；1926年在德布罗依波粒二象性基础上，独立创立了波动力学，提出了薛定谔方程，确定了波函数的变化规律，成为波动力学的创始人；1927年他接替普朗克任柏林大学理论物理学教授，同年当选普鲁士科学院院士；1933年，受纳粹迫害，离开苏黎士到牛津大学任物理学教授，同年和狄拉克一起荣获诺贝尔物理奖。13三.波函数(Wavefunctions)(ψ)薛14三.波函数(Wavefunctions)

(ψ)1.薛定谔方程空间坐标核外电子总能量核外电子的势能电子的质量

解此方程可得：系统的能量E

，波函数ψ；ψ是描述电子运动状态的数学函数式。

方程中既体现微粒性(m)，也体现波动性(ψ)；14三.波函数(Wavefunctions)(ψ)1.151.薛定谔方程(1)直角坐标(x,y,z)与球坐标(r,θ,φ)的转换球面坐标变换rsinzxy•P(x,y,z)z=rcosθx=rsinθcosφy=rsinθsinφφθrx=rsinθcosφ

y=rsinθsinφz=rcosθ

r2=x2+y2+z2

151.薛定谔方程(1)直角坐标(x,y,z)与161.薛定谔方程●求解过程中，需引入三个参数n、l

和m。解得的ψ不是具体的数值，而是包括三个常数(n,l,m)和三个变量(r,θ,φ)

的函数式：

=n,l,m(r,,)(2)求解●

数学上可以解得多个Ψn,l,m(r,θ,φ)，但其物理意义并非都合理;有合理解的函数式叫做波函数，它们以n，l，m的合理取值为前提。●参数的取值是非连续的，n、l

和m称为量子数。当n、l

和m

的值确定时，波函数(原子轨道)便可确定。即：每一个由一组量子数确定的波函数表示电子的一种运动状态。161.薛定谔方程●求解过程中，需引入三个参数n、l172.波函数用空间坐标(x,y,z)来描述电子运动状态的数学表达式原子轨道波函数空间图象数学表达式原子轨道：特定能量的电子在核外空间出现最多区域。一条原子轨道是一个数学函数，很难阐述其的物理意义，它不是行星绕太阳运行的“orbit”，不是火箭的弹道，也不是电子在原子中的运动途径，只能将其想象为特定电子在原子核外可能出现的某个区域的数学描述(概率)。172.波函数用空间坐标(x,y,z)来描述电子运动状态的183.描述电子运动状态的四个量子数(1)主量子数

n

(principalquantumnumber)◆

确定电子出现几率最大处离核的距离和能级；◆

不同的n值，对应于不同的电子层(能级)。

1

2

3

4

5……..

KLMNO……..◆

n值越大，表示电子离核的平均距离越远，所处状态的能级越高。◆

n的取值1，2，3……n；

对于氢原子，电子能量唯一决定于n；183.描述电子运动状态的四个量子数(1)主量子数n19(2)角量子数l(angularmomentumquantumnumber)◆

l的取值0，1，2，3……n－1；nl1234subshellsymbol0000s111p22d3fs

轨道球形p

轨道哑铃形d轨道有两种形状◆确定亚层，决定ψ的原子轨道的形状；◆对于多电子原子，与n共同确定原子轨道的能量。3.描述电子运动状态的四个量子数19(2)角量子数l(angularmomentum20主量子数(n)和角量子数(l)相同的轨道，能量相等，称为等价轨道(equivalentorbital)或简并轨道；(3)磁量子数m(magneticquantumnumber)◆

描述原子轨道在空间的伸展方向；◆m可取0，±1,±2……±l(2l+1个)；lmnumberoforbital0(s)1(p)2(d)3(f)0

＋10－1

＋2＋10－1－2

＋3＋2＋10－1－2－31357(2)角量子数l(angularmomentumquantumnumber)3.描述电子运动状态的四个量子数20主量子数(n)和角量子数(l)相同的轨道，能量相等，称为213.描述电子运动状态的四个量子数(3)磁量子数m(magneticquantumnumber)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.213.描述电子运动状态的四个量子数(3)磁量子数m22d

轨道(l=2,m=+2,+1,0,-1,-2)

m

五种取值,空间五种取向,五条等价(简并)d轨道.3.描述电子运动状态的四个量子数(3)磁量子数m(magneticquantumnumber)22d轨道(l=2,m=+2,+1,0,23本课程不要求记住f

轨道具体形状!

f轨道(l=3,m=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3)

m七种取值,空间七种取向,七条等价(简并)f轨道.3.描述电子运动状态的四个量子数(3)磁量子数m(magneticquantumnumber)23本课程不要求记住f轨道具体形状!f轨道(l24第五章物质结构基础★

原子结构的近代概念★

多电子原子的电子分布方式和周期系★

化学键与分子间相互作用力★

晶体结构1第五章物质结构基础★原子结构的近代概念★多电子原子的255.1原子结构的近代概念一.原子结构理论的发展概况

从小家境很穷，少年时代自学，12岁在乡村学校教书；自学数学、哲学、希腊文、法文和拉丁文等；27岁移居曼彻斯特，从此，这个没有受过高等教育的人开始在大学里讲授数学和哲学；1816年当选法国科学院通讯院士，1822年成为皇家学会会员；道尔顿一生大量的工作就是观察天气，他一生记录了20万条观察记录。1801年总结出气体分压定律；1803年发表化学原子论，认为元素是由非常微小的、看不见的、不可再分割的原子组成；25.1原子结构的近代概念一.原子结构理论的发展概况从小26一.原子结构理论的发展概况

1885年天然放射性1897年电子1895年X射线物理学上三大发现汤姆逊(Thomson，JosephJohn)(1856~1940)英国物理学家1906年诺贝尔物理学奖贝克勒尔(Becquerel，AntoineHenri，1852~1908)法国物理学家，1903年诺贝尔物理学奖伦琴(WilhelmKonradRontgen)(1854~1923)德国物理学家1901年诺贝尔物理学奖1.19世纪末物理学的三大发现3一.原子结构理论的发展概况1885年1897年1895年27一.原子结构理论的发展概况

出生于新西兰，毕业于新西兰大学和剑桥大学；1898年任加拿大马克歧尔大学物理学教授，这期间他在放射性方面的研究贡献很多；1907年任曼彻斯特大学物理学教授；1908年因对放射化学的研究获诺贝尔化学奖；1919年任剑桥大学教授，并任卡文迪许实验室主任；1909年他指导他的两个学生做了著名的实验：用粒子轰击金箔，从而提出含核原子模型：原子核带正电，位于原子中心，电子在它的周围旋转，于1911年发表。2.原子的含核模型(1911年)卢瑟福(ErnestRutherford)(1871-1937)英籍新西兰物理学家

4一.原子结构理论的发展概况出生于新西兰，毕业于新西兰大学28一.原子结构理论的发展概况

1911年获哥本哈根大学博士学位后开始研究金属中电子运动的理论；1911年进入剑桥大学和曼彻斯特大学深造，并结识了良师益友卢瑟福；玻尔大胆地把卢瑟福的模型和普朗克的量子理论结合起来，把原子只用于能量的量子概念推广的到角动量，创立了量子化轨道原子结构理论；为以后各种物理量的量子化打开了大门；1913年初，玻尔提出了他著名的原子理论，这个理论随即被用于分析各种谱线，获得了巨大的成功；因他对原子结构模型的研究成果，他获得了1922年的诺贝尔物理奖。3.原子结构的玻尔模型(1913年)玻尔

(NielH.D.Bohr)(1885-1937)丹麦物理学家4.原子结构的波动力学方程(1926年)－薛定谔方程5一.原子结构理论的发展概况1911年获哥本哈根大学博士学29二.微观粒子的运动特征－波、粒二象性1.光的波、粒二象性(1)光的波动性(2)光的微粒性(1900年)Plank公式：E=hv光的能量与频率的关系普朗克认为,物体只能按hv的整数倍(如1,2,3等)一份一份地吸收或释出光能,而不可能是0.5,1.6,2.3等任何非整数倍－能量量子化概念。h为普朗克常数，h=6.62610-34J·s-1普朗克(MaxKarlErnstLudwigPlanck)(1858~1947)德国物理学家1918年诺贝尔物理学奖6二.微观粒子的运动特征－波、粒二象性1.光的波、粒二象30(2)光的微粒性(1905年)Einstein光子学说：E=mc2爱因斯坦认为,入射光本身的能量也按普朗克方程量子化,并将这一份数值为1的能量叫光子(photons)。c=vhv=mc2=mcv

=h/mc

爱因斯坦(AlbertEinstein)(1879~1955)德裔美国科学家二.微观粒子的运动特征－波、粒二象性1.光的波、粒二象性7(2)光的微粒性(1905年)Einstein光子学说31二.微观粒子的运动特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性德布罗依(L.deBroglie)法国物理学家λ=h/mv体现粒子波动性体现粒子粒子性戴维逊

(Davission)美国物理学家1927年，美国Davission和Germeer应用Ni晶体进行电子衍射实验，证实了电子具有波动性。8二.微观粒子的运动特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二32电子衍射示意图定向电子射线晶片光栅衍射图象L.deBroglie和

Davission等分别获得1929年和1937年诺贝尔物理学奖二.微观粒子的运动特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性9电子衍射示意图定向电子射线晶片光栅衍射图象L.deBro33电子通过Al箔(a)和石墨(b)的衍射图物质波或德布罗依波★微观粒子遵循特有的运动特征和规律，即能量的量子化、

波粒二象性和统计性。★空间任意一点物质波的强度与微粒出现的几率密度成正比。★物质波是具有统计性的几率波（概率波）。二.微观粒子的运动特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性10电子通过Al箔(a)和石墨(b)的衍射图物质波或德布罗依34核外运动的电子，已不再遵守经典力学规律，它们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间几率分布，即电子的波动性与其微粒行为的统计性规律相联系。微粒的运动没有确定的位置，只有一定的和波的强度成正比的空间几率分布规律。波的微粒性电子微粒性的实验Plank

的量子论Einstein

的光子学说量子力学(quantum

mechanics)二.微观粒子的运动特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性11核外运动的电子，已不再遵守经典力学规律，它们的运动没有确35二.微观粒子的运动特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性2008年瑞典科学家首次通过飞秒激光成功拍摄到了电子运动的连贯影片。12二.微观粒子的运动特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒36三.波函数(Wavefunctions)

(ψ)薛定谔(E.Schrodinger)(1887-1961)奥地利物理学家1910年获物理学博士学位后在维也纳第二物理研究所工作；1921年他受聘到瑞士苏黎士大学任数学物理学教授；1926年在德布罗依波粒二象性基础上，独立创立了波动力学，提出了薛定谔方程，确定了波函数的变化规律，成为波动力学的创始人；1927年他接替普朗克任柏林大学理论物理学教授，同年当选普鲁士科学院院士；1933年，受纳粹迫害，离开苏黎士到牛津大学任物理学教授，同年和狄拉克一起荣获诺贝尔物理奖。13三.波函数(Wavefunctions)(ψ)薛37三.波函数(Wavefunctions)

(ψ)1.薛定谔方程空间坐标核外电子总能量核外电子的势能电子的质量

解此方程可得：系统的能量E

，波函数ψ；ψ是描述电子运动状态的数学函数式。

方程中既体现微粒性(m)，也体现波动性(ψ)；14三.波函数(Wavefunctions)(ψ)1.381.薛定谔方程(1)直角坐标(x,y,z)与球坐标(r,θ,φ)的转换球面坐标变换rsinzxy•P(x,y,z)z=rcosθx=rsinθcosφy=rsinθsinφφθrx=rsinθcosφ

y=rsinθsinφz=rcosθ

r2=x2+y2+z2

151.薛定谔方程(1)直角坐标(x,y,z)与391.薛定谔方程●求解过程中，需引入三个参数n、l

和m。解得的ψ不是具体的数值，而是包括三个常数(n,l,m)和三个变量(r,θ,φ)

的函数式：

=n,l,m(r,,)(2)求解●

数学上可以解得多个Ψn,l,m(r,θ,φ)，但其物理意义并非都合理;有合理解的函数式叫做波函数，它们以n，l，m的合理取值为前提。●参数的取值是非连续的，n、l

和m称为量子数。当n、l

和m

的值确定时，波函数(原子轨道)便可确定。即：每一个由一组量子数确定的波函数表示电子的一种运动状态。161.薛定谔方程●求解过程中，需引入三个参数n、l402.波函数用空间坐标(x,y,z)来描述电子运动状态的数学表达式原子轨道波函数空间图象数学表达式原子轨道：特定能量的电子在核外空间出现最多区域。一条原子轨道是一个数学函数，很难阐述其的物理意义，它不是行星绕太阳运行的“orbit”，不是火箭的弹道，也不是电子在原子中的运动途径，只能将其想象为特定电子在原子核外可能出现的某个区域的数学描述(概率)。172.波函数用空间坐标(x,y,z)来描述电子运动状态的413.描述电子运动状态的四个量子数(1)主量子数

n

(principalquantumnumber)◆

确定电子出现几率最大处离核的距离和能级；◆

不同的n值，对应于不同的电子层(能级)。

1

2

3

4

5……..

KLMNO……..◆

n值越大，表示电子离核的平均距离越远，所处状态的能级越高。◆

n的取值1，2，3……n；

对于氢原子，电子能量唯一决定于n；183.描述电子运动状态的四个量子数(1)主量子数n42(2)角量子数l(angularmomentumquantumnumber)◆

l的取值0，1，2，3……n－1；nl1234subshellsymbol0000s111p22d3fs

轨道球形p

轨道哑