第五章原子结构

第五章原子结构绪论：原子结构的探索过程

100年前的今天，正是人类揭开原子结构秘密的非常时期。我们共同来回顾19世纪末到20世纪初，科学发展史上的一系列重大的事件。

一、天然放射性的发现

1896年，贝克勒尔(Becquerel,法国物理学家):发现铀（U）的天然放射性；1898年，居里夫妇(MarieCurie，波兰人

):钋(Po)和镭(Ra)的放射性,二者蜕变后最后都变成铅。

贝克勒尔，1852年生，他的父亲和祖父都是物理学家，使他从小就受到良好的教育，25岁就取得工程师资格，1892年，44岁的贝克勒尔，对物理学已很有研究了。发现放射性的初期，人们不知它的危害，贝克勒尔由于毫无防护下长期接触放射物质，健康受到严重损害，50多岁就逝世了。科学界为了表彰他的杰出贡献，将放射性物质的射线定名为“贝克勒尔射线。”1898年，居里夫妇发现钋(Po)和镭(Ra)的放射性,二者蜕变后最后都变成铅。居里是法国人，玛丽却是波兰人玛丽·居里（1867.11.7—1934.7.4）。世界著名科学家，研究放射性现象，发现镭和钋（pō）两种天然放射性元素，一生两度获诺贝尔奖（第一次获得诺贝尔物理奖，第二次获得诺贝尔化学奖）。作为杰出科学家，居里夫人有一般科学家所没有的社会影响。尤其因为是成功女性的先驱，她的典范激励了很多人。经研究发现上述射线是由α、β、γ三种射线组成。α粒子：带两个正电荷，质量为氢原子的4倍β粒子：带1个负电荷，（后证明是电子)γ射线：波长很短的电磁波天然放射性物质及其蜕变现象的发现，使人们开始意识到原子并非是组成物质的“最终质点”，它是可分的，而且具有复杂的内部结构。二、电子的发现1897年，汤姆森（J.J.Thomson，英国）

在研究物质在真空管的放电现象发现电子，测定了电子的荷质比不论阴极射线管中的气体是什么气体或电极材料是用什么金属制成的，发射的阴极射线的电子其荷质比都是相等的。因此证明电子是各种原子的共同组成部分。放射性、电子的发现，证明了原子是可分可变的，原子还有其内部结构。这是人们对物质认识的一个重大突破，使人们对物质结构的认识从宏观领域进入到了微观领域。汤姆森（Thomson,Elihu）英国-美国发明家。1853年3月29日生于英格兰；1937年3月13日卒于美国。

汤姆森五岁上随全家来到美国，1870年毕业于一所尖子学校。他是一位有才华的发明家，一生共取得近七百项发明的专利权，主要是电学和应用辐射学上的发明。交流电机的成功正是汤姆森的发明成果。1890年，他设计出了一种高频发电机。他还成立了一家公司，它后来于1892年和爱迪生的公司共同组建成通用电气公司。三、核电荷的确定1913年，英国物理学家莫斯莱Moseley，系统地研究了用各种元素分别制成阴极所得到的X射线的波长，发现不同元素各有其特征的X射线谱线，得出原子序数与其X射线波长的关系，而原子序数在数值上正好等于该原子的核电荷。这样通过测定元素的特征X射线光谱，就可以确定其核电荷数。莫斯莱(HenryGwysJeffreysMoseley，1887—1915)，英国物理学家。对化学元素周期律及周期表的实质性内容的研究颇有贡献。他利用X射线去研究元素，为化学、核物理学和原子化学的发展做出了卓越的贡献并奠定了基础。第一次世界大战期间应征入伍，年仅28岁的、极有成就的莫斯莱在加利波利的苏维拉湾战斗中阵亡,一颗科学新星从此陨落。四、质子的发现1919年，卢瑟福Rutherford用α粒子轰击氮，发现氮原子可以放出一个带正电荷的粒子，其电量与电子相等。由于任何中性原子都可以失去一个或多个电子而成为带正电荷离子，这就说明每一个原子的原子核中都含有一个或多个正电性单元—质子。质子的发现，还不能解释除H核以外的其它原子核的问题。例如：He原子核内含有两个质子，而它的质量却是H原子的4倍。这多出来的2倍质量又是哪里来的呢？为此，卢瑟福预言，在原子核中必定还存在着一种电中性的粒子。1871年8月30日生于新西兰纳尔逊的一个手工业工人家庭。23岁时获得了三个学位（文学学士、文学硕士、理学学士）。1895年在新西兰大学毕业后，获得英国剑桥大学的奖学金进入卡文迪许实验室，成为汤姆生的研究生。提出了原子结构的行星模型，为原子结构的研究做出很大的贡献。科学成就：1、他关于放射性的研究确立了放射性是发自原子内部的变化。放射性能使一种原子改变成另一种原子，而这是一般物理和化学变化所达不到的；这一发现打破了元素不会变化的传统观念，使人们对物质结构的研究进入到原子内部这一新的层次，为开辟一个新的科学领域——原子物理学，做了开创性的工作。2、1911年，卢瑟福根据α粒子散射实验现象提出原子核式结构模型。该实验被评为“物理最美实验”之一。α粒子散射实验

3、人工核反应的实现是卢瑟福的另一项重大贡献。自从元素的放射性衰变被确证以后，人们一直试图用各种手段，如用电弧放电来实现元素的人工衰变，而只有卢瑟福找到了实现这种衰变的正确途径。这种用粒子或γ射线轰击原子核来引起核反应的方法，很快就成为人们研究原子核和应用核技术的重要手段。在卢瑟福的晚年，他已能在实验室中用人工加速的粒子来引起核反应。诺贝尔奖章桃李满天下：1921年，卢瑟福的助手索迪获诺贝尔化学奖；1922年，卢瑟福的学生阿斯顿获诺贝尔化学奖；

1922年，卢瑟福的学生玻尔获诺贝尔物理奖；1927年，卢瑟福的助手威尔逊获诺贝尔物理奖；1935年，卢瑟福的学生查德威克获诺贝尔物理奖；19霸48年，刑卢瑟羽福的畅助手漏布莱龙克特舅获诺爱贝尔山物理毙奖；19割51年，脖卢瑟狂福的迷学生消科克境拉夫驶特和冬瓦耳涛顿，共同庸获得樱诺贝劝尔物且理奖跪；19假78年，陪卢瑟踪蝶福的矿学生街卡皮红茨获塔诺贝讨尔物期理奖齐。有人蚊说，榴如果爪世界诸上设家立培蜓养人搏才的傲诺贝灶尔奖金的晓话，险那么翁卢瑟责福是订第一遥号候庙选人碰。五、融中子处的发漫现19标23年，卢瑟栋福的初学生喇、美安国物港理学幸家查焦德威歌克Ch逼ad安wi废ck用高裤速α粒子桨轰击Be时，它发现闸了这云种不聪带电由的粒肺子。筒它的休质量垒比质独子的修质量嗓略大少。中子昨的发浇现，剧上述政原子朽核的竖质量福问题渴就解地决了鸦。He核的用质量魔之所央以为H原子铅的两伸倍，成是因贡为核拔中除他含有2个质仍子外诵，还沟含有2个中售子的才缘故油。由于晶上述稍一系谊列的抓重大栗发现管和研锋究，棒人们赴基本锣弄清取了原富子的航主要遍组成皂。原见子是勇由电照子、财质子图和中委子三若种基干本粒拿子所荡组成雾。其倍中质岔子和桥中子夜靠核机力组舒成原拾子核停，核些靠静茎电引盐力而牺将电典子束私缚在嘉核外坑的一膛定空尽间运壁动。5.凶1核外头电子万运动闸状态5.熔1.主1氢光旺谱和谅玻尔鸦理论低压城氢气扬放电偶管，术通高萍压电音流氢戒原子薪受激假发后座发光汽，可年见光停区有克四条浮线状笼光谱悦：红橙黄绿青蓝

紫太阳氧光谱肢：连续扩光谱丘（七向彩虹贤）按照尸经典慕物理否学理症论，技如果港电子拐绕原坛子核者做圆锁周运骆动：飞会连编续光概谱.电子羞因能葱量的于减少亭而循挪螺线首逐渐枪接近优原子费核，赤最后殊落到位原子鉴核上半，所铃以原偏子应被是一奴个不半稳定虾的系件统。但事井实上各原子身是稳心定的棋，原饰子所霞发射喘的光肢谱是纪线状良的，忽而不奶是连温续的电。这麦些事扯实表歪明：煤从研薄究宏妥观现蚁象中射确立食的经似典电虎动力胆学，刻不适蚁用于遥原子崭中的恢微观呢过程谣。邮这就果需要帐进一废步分碗析原稍子现疫象，仙探索颈原子敬内部熔运动誉的规观律性紫，并雾建立恳适合劝于微慌观过榆程的恼原子烤理论穿。线状运光谱本也叫稠原子蜡光谱柿：怎样拿产生意的？庸为什领么发跟光？（无但机物端的鉴们定方值法）n为主帮量子士数--软--能级肌序数普朗剧克量榨子论设认为：微腹观粒送子吸佣收和音发射姜能量偷是不竖连续盆的，柴即是量抛子化贩的。只正能以钉一个散最小膨的能推量单懒位的宁整数制倍发般射或萍吸收志能量代。而攻宏观么物体躲吸放絮能量锐可以胜是连咸续的械。马克篮斯.普朗必克（18旬58愉-1樱94灶7）黑德典国理榜论物亲理学耐家。铃普粪朗克痕的一绣生在希科学诸上提淹出了怠许多慌创见轿，但且贡献烛最大悲的还搂是19损00年提赶出的嗽量子益假设送。他呈指出舰，辐结射过腿程不廊是连须续的此，而佳是以央最小庸的分如量一塌份一嗽份地醉放射牌出来谢，这姜个最达小能社量单止位叫威量子招，并接且还劫给出商了公邮式。普朗订克公萝式是爹一个夏与实居验结涂果完槐全一明致的阿公式织。量塘子假歉说的魄提出缓对量妨子论胳的发治展起例了重狭大的另作用熔。因亭此，退普朗杜克于19腾18年获遇得了典诺贝正尔物钱理学要奖。玻尔稀原子犁模型促（理庭论）潮要点辜：1、定顷态轨期道（版能量屑不随弯时间陕变化辅）：电子往的运乡丰动不器是随建意的供，只坝能在夸某个奴定态轨道拍上运肌动，洋并具辆有该桑轨道湖的特笛定能睡量。2、轨道反能级党：离泥核越饿远，售与核据的作络用越勒小，花能量族越高票；离剥核越越近，靠被核近束缚态的越痛牢，穗能量深越低鼠。轨刘道这奇些不椒同的什能量裤状态蛛称为吵能级势。3、能老级跃唱迁基态同：（不少是指将某个苏特定捆的轨肯道）旋能量这最低联的状蜡态叫由基态好。激发邻态：（不暴是指撕某个餐特定则的轨民道）佛能量何较高袋的状级态叫绕激发坑态。电子啄从一途个定毁态轨呀道厌跳到番另一太个定墨态轨伤道，禽称为能级尸跃迁，要桂放出罢或吸急收辐蜓射能指：激发纲态原狗子发使光的汽原因：能孝级跃伸迁。创并以汉光的形式斧放出爸能量治。玻尔(1寺88甘5-请19艰62升)螺18聪85年10月7日,出生覆于丹筒麦哥舟本哈凑根。谣由于园对原杯子结喜构和职辐射拥研究要的贡盐献，痕他于19锣22年获捏得了勺诺贝枕尔物穿理学匹奖。玻尔突理论狮成功真地解皆释了挨氢原痕子光卷谱。连续丙光谱氢原最子光瓦谱并提秩出原岩子能培级、靠主量偿子数串、定草态轨秩道等者重要紧概念狱，并争成功据地把鲁氢原遭子光净谱现帽象与乱氢原丧子内余电子誓运动庭的定相态相许联系炕起来妹，为碗运用筐光谱乡丰现象霞研究悲原子队的内隙部结原构提初供了老理论衔基础盐与成秃功的封经验单。当氢原都子的师电子脆从n2=3，4，5，6能级跳回则到第缸二级（n1=2）时，因在可见光债区就鸭可以丽观察到分株立的插四条伐谱线坊。能级套跃迁5.姜1.沫2微观芒粒子熊的波怨粒二娘象性由于坊玻尔喘原子郑结构恼理论侮在进币一步瞎发展辩中遇播到难甜以克固服的好困难构，19绸24年法旦国青婆年物淘理学届家德·布罗承意（de促B册ro顾gl险ie）用与衬光的森量子协论相渠类比袄的方肺法提拿出电象子等倘微观敏质点损的运状动兼宇具波换动性兵的见党解，倘后来收他的州这一薯假说沙得到系实验庆的证汗明。德布骡罗依湾提出殊微观殃粒子贫的波址粒二刚象性彼假设动：λ=h/注mvh为Pl魄an骆ck常量著名恋的德布采罗依纽奉关系蜂式电子作衍射亿实验伪指出栏：当静用很跳弱的嫩电子偏流做管衍射实验陡，电涉子是熊一个渔一个拾地通龙过晶畜体发厘生衍威射的坟。因为电残子有回粒子态性，能开始耀只是饱落到节照相缴底片蜘的一祥个一个点廊上，睁每次旋所落殿的点贫都不颤是重本合在脉一起证的。晋经过足够忽长的惩时间渗，通扇过大短量的安电子篇后，驰得到叉的衍逗射图呈现璃出波就动性屡。若羞用较持强的溜电子婚流可拴在较专短的赖时间内得承到同或样的电子吉衍射环纹挪。由此迷可见改，波嚷动性失是和意微粒肺行为著的统搁计规不律联济系在一佩起的掏。在笋底片召上衍细射强枯度大哨的地带方（晒明处帖），也蕉就是敢波强混度大花的地脸方，浙一定登是电切子在柱该处单位植微体拢积内堤出现延的机谱会多脖，衍荡射强烦度小罢的地会方，一陷定是俘电子吨在该灰处单之位微扒体积移内出职现的拘机会抬少（概腾率密同度小艰）。于是瞎薛定幻玉谔、海森哲堡、悬狄拉桑克等炮在这明一假组说的闯基础削上有美选择惩地吸嘴取了板经典驰物理槽学的贯光辉旁成就液，建六立了私量子其力学兆理论俭。HeisenbergWSchrodingerE

波尔以波的微粒性（即能量量子化概念）为基础建立了氢原子模型。

薛定谔等则以微粒波动性为基础建立起原子的波动力学模型。5.氏1.醋3波函绳数和占原子雄轨道1、波托函数胸和薛防定谔争方程圆周努运动淡：有袭相应滋的数确学方萌程式还来描收述。两维祖绳波叠：Y=As缝in受θθ玩0迅π榴2疾π镜3痰π绞4统πY=碧2s拼in左θ申0片2博0版-2副0电子财运动兴：薛出定谔用方程—表示惹原子融核外吹空间辫某点朱电子出现唉的几撕率。薛定吵谔(E.搅Sc膛hrÖdi肯ng呆er)方程——求解2、波鱼函数捉与电祝子云格（原对子轨炭道（杀函）约）图爷形电子欲并不喉象宏急观物氧体一祸样沿马着一帖定的工轨道迎运动融，而蓬是高怠速做剖“毫无艇规律”的兆运动咐。照雾相：怎么湾办？牙找规失律。突电预子云电子矿的几掘率分音布规桑律：5.禾1.睡4概率初密度赞和电禁子云几率乒分布秆规律:每个似电子茎的落叶点是盗不确付定的截，但药大量学统计融的结进果是驶确定蠢的。帽比如头扔硬遥币，寄比如道容器换内气药体分汇子对两器壁党的碰惕撞和拒压力看。表高明微坐观粒汇子的轨运动哥是随戴机的萄，不导确定羡的，约但符秩合几肆率分错布规离律。原子喷中的盖电子病，无切法知戴道他桨的运兴动轨冶道，去无法竭知道车某电脾子某瓶时刻元在什演么地危方出百现，裁但可稠以知贫道他趁在原梨子核去外什采么区路域出化现的株几率猪较大草、什悟么区筐域出饿现的绒几率枣较小千。电子闻云。5.万1.仔5波函积数的跪空间舱图象薛定必谔方狭程→法解薛纺定谔霸方程翁→Ψ=f竖(x、y、z)Ψ：波辫函数屿，表库示电僚子出幕现的攀几率团，对珠于（x1、y1、z1），相应补的Ψ1值表没示原彻子核墙外一禾点（x1、y1、z1）处电锹子出润现的卖几率临大小雄。但截无法提做直妖观的怨的图陆象。Ψ衫=f晚(x、y、z)→度Ψ江=f烦`晌(Υ、θ、φ)竭→Ψ=R（Υ）Y（θ、φ）Ψ场=R（Υ）Y（θ、φ）Y（θ、φ）：角向烈分布竭函数于。R（Υ）：径向暂分布滚函数步。角向死分布协函数桶的图折象即足是原孤子轨矮道（束函）S、P、d原子跨轨道旋的图序象5.领1.暂6四个谨量子揉数解薛结定谔舍方程倦必须墓引入围三个摔常数蛙，才鸦有确纱定的解。解例如Y=aX抗+b,表示授一组愚直线闭，没秆有确群定的进解或晋图线族。1.主量唤子数n（表示毫主层未）描述栗电子梢层能杀量高月低盼和离炭核远效近,n越大琴，离名核越远蓬，能陵量越急高。将同矩一主干量子纠数的餐各轨酷道并抱为一龙个电匙子层鄙。取值凶：主量清子数n货1夏2买3据4棕5电子摘层代郊号K写L啊M靠N转P由于n只能冬取正岭整数汽，所幼以电画子的徒能量丧是分立的铸、不闪连续苏的，鼓或者饼说能休量是圈量子犬化的触。2.副（摔角）单量子咽数L表示拉亚层春，描痰述电皱子的巧运动叛状态假和能鱼量，叠亚层希确定哀时，范对应响于确旺定形要状的丢原子绞轨道剃，其焰取值拜受n的制辨约。副（守角）房诚量子红数L恭0员1挺2老3涛4膀…（n-际1）亚层傲（原晶子轨辨道符他号）S婶P芦d路f习惯倦上常厘把n相同类，L不同妖的状类态称灵为电勇子亚惩层。一个链电子锯层可怎以分浴为几垃个亚努层。n值不牙同而L值相宣同的犹原子享轨道异和电持子云樱的形示状相同飘，只若是大友小不竿同而屿已，n越大册能量卵越高自；n值相同而L不同理，则L越大卸，能尊量越给高。n1234（亚层0000s111p22d3f)nL1234（亚层0000s111p22d3f)S原子苏轨道现角度绪分布聋图p原子魄轨道初角度钓分布漆图d原子踩轨道角度俊分布炮图3.磁量阵子数m描述悬原子劫轨道银的空右间伸寸展方皮向。尺在通孔常状拔况下湖，m相同纤的电劈燕子能念量相捉同。梁其取裕值受L的制姿约。对同哨一亚刺层，味可以糟有几爆个伸寸展方象向。示如p轨道右，在空间锅有三谢个伸商展方肢向，志它们犯能量链相同椅，称扮为等际价轨道院。对于点一定被的L，m取值就的个坚数表锄示这通种形剩状轨道的扶数目但：0蛋±1旨±己2寺±联3…炸…±眉LL

m轨道数

0(s)1(p)2(d)3(f)

0

＋10－1

＋2＋10－1－2

＋3＋2＋10－1－2－31357s轨道扑(l=采0,m=宫0饺):m一种取北值,明空简间一两种取占向,帐一虫条s轨道p轨道南(l=掏1,m=素+芝1,贝0,吨-1雪)m三种夹取值健,兆三种殊取向兼,怖三条截等价拜(简鞠并)p轨道4.自旋槐量子累数ms表示朴电子视的自陡旋方震向，苗取值布为±1浴/2电话宾号码挑：8位确物定一句个用鼻户电子返：4个量仁子数率的取判值，恨决定源一个俘运动席状态碍。例如:n123L（轨道形状代号）0

01012m（轨道数）000±100±10±1±2ms±1/2±1/2±1/2轨道符号1S2S2P3S3P3d电子叠运动表状态伞的表带示方槐法：曾原子添轨道远符号组成脂：主解层数+亚层论符号+电子开数例如舅：3S24P43d5（含义寨？）Ψ个(2、1、1)表示斤什么破意思岩？5.剧2核外甜电子置的排挡布和糖元素线周期来系5.庙2.饲1多电亏子原果子能今级多电仍子原扒子中辆，不丸仅存扎在电糊子与毙核之诱间的属静电引力壳，还孝有电标子与明电子汉之间汽的相遮互排斑斥力走，电弹子的能染量不炭能纯曾由n决定羊，而贵由n和l共同虾决定锈。这主要挤是由中于多退电子腔原子料之间栏的屏独蔽所聋致，经说明多电食子原示子的顿能级核与屏配蔽作材用有米关。原子除中各展轨道羽的能信级高细低可曾以根漆据光嘴谱实独验得钉出的犬，也丈可以座用理慌论计秤算的容方法斗也可茎以得硬出。各原弄子轨籍道能顺级的丈高低蜜情况鞭，如器果用芬图示帐近似智地表淋示出丙来，萄就是近似缘瑞能级扇图。19郑39年,鲍林(Pa挤ul与in殊g胶L)从大稀量光枕谱实脚验数苍据出滤发,通过叉计算裙得出脉多电叙子原罪子(Ma跟ny泪-e让le搞ct市ro询n耀at脑om礼s)中轨挨道能成量的否高低汇顺序,提出局了多割电子置原子衣的原垦子轨误道近龄似能宝级图析。图中稠一个冒小圆尘圈代押表一裹个轨爱道(同一点水平脸线上那的圆仰圈为给等价先轨道)；箭浮头所斧指则苏表示健轨道鸣能量榜升高轧的方偿向.1s2s落2p3s质3学p4s朴3请d猛4p5s填4诊d光5p6s夫4城f唐5d缎6里p7s光5f售6d揪7p能级穗顺序戚：具有蹄一定重能量繁的轨侧道处债于一次个能级自；能量被相同道的轨卖道，捞能级虑相同委，称祸为简并毫轨道；能贿量相姨近的董轨道济划分翠为一柔组称林为能级飞组。同绣组内姓的能丽级的老能量简相近侮，但酱组与愧组之绸间能羽量差州别大岂。主垄量子寇数相昼同的廊为一概层。能级川组然能级慨可容仍纳的堪相战应周税期典元素坏数目最多鼠电子这数Ⅰ郊1五s垦2一2Ⅱ淘2缓s2等p值8二8Ⅲ清3藏s3敌p差8三8Ⅳ输4值s3床d4的p馋1巨8四18Ⅴ良5畅s4薄d5蜓p照1奋8五18Ⅵ榨6浸s4映f5刑d6霞p础32六32Ⅶ词7泰s5更f6渗d7棒p菜32七32各周商期元盐素数修目龟＝裤相应原能级肿组中桶原子纺轨道搏容纳圾的最喷多电汗子数5.厉2.征2核外警电子神排布蝴的原悟理（1）泡(保)利不伶相容填原理每个防原子筹轨道怕内只城允许撇排布群两个靠自旋得相反吴的买电子搬。即不劝可能逮有两蹲个电扛子具犯有完无全相秩同的随量子孙数剖。按照爪这一拉原理戏，每描个原杠子轨暑道上狸只能女容纳耕自旋勾相反的察两个室电子泉。北京童大学倒结构歌化学则家徐亭光宪途提出多了“n+倍0.独7L笔”规则,轨道趋的这诸个值馆越小,能量里越低,比如:4S轨道乡丰和3d轨道,伪n+辟0.忘7L值分别鞋为4和4.券4,因此,激4S轨道外能量精比3d轨道术能量宴低,应优府先填卖充.(3已)洪德隔规则等价领轨道上的杂电子郑尽可绩能分坑占不仪同的绳轨道,且自奔旋平螺行.例如3d5:(4苏)特殊压稳定杨性规而则半充妙满、瓣全充狸满有隶特殊坡的稳说定性.例如铜的价层叛结构Cu伸:恭3d104S1.而不侦是3d94S2例如35号元资素原锈子的废核外蔑电子遥排布坊式为柳：1S22S22P63S23P64S23d104P5，价层拒电子赶排布录式为判：4S24P5(与成迟键和蜘化学散反应朋有关)1.电子葱结构假排布谱原理宇是概披括了酷大量让事实流后提饭出的丢一般结论务。因燥此绝软大多妹