1.1.1 原子结构模型 原子核外电子运动描述2023-2024学年高二化学同步讲透教材（人教版2019选择性必修2）

一个新的科学真理会胜出，通常不是因为说服了反对者，敦促他们了解新知，而是因为反对者死掉了，新的一代成长起来。——玻尔量子力学的发展1927年第五届索尔维会议19世纪末，经典力学和经典电动力学在描述微观系统时的不足越来越明显。量子力学是在20世纪初由马克斯·普朗克、尼尔斯·玻尔、沃纳·海森堡、埃尔温·薛定谔、沃尔夫冈·泡利、路易·德布罗意、马克斯·玻恩、恩里科·费米、保罗·狄拉克、阿尔伯特·爱因斯坦、康普顿等一大批物理学家共同创立的。对于原子科学家最感兴趣的是——原子核外的电子是如何运动的？原子核外的电子是如何排布的？原子结构模型原子核外电子运动状态的描述01020304学习目标原子探究史知道有关科学家在不同时期的贡献电子云、原子轨道电子云概念原子轨道类型原子光谱发射光谱吸收光谱能层、能级电子处于不同能层同一能层有不同能级01开天辟地——原子的诞生基于实验证据建构和优化模型

科学家根据实验事实，经过分析和推理，提出原子结构模型；再根据新的实验事实对提出的原子结构模型进行修正，进而提出新的原子结构模型。依据一系列的实验事实，科学家对模型不断进行优化，直至形成更符合原型特点的模型。学法指导葡萄干面包模型1897年，汤姆生在原子内部发现了电子，人们终于抛弃了原子不可分割的陈旧观念。1911年，卢瑟福通过精密的实验证明在原子中心有一个极小的核，电子绕核做高速旋转。核式模型1904年

1911年

构成物质的最小粒子是原子，原子是不可再分的实心球体。实心球模型1803年

18世纪末，随着工业革命的发展，对物质化学成分和化学反应过程的研究需要深入到物质结构领域人类认识原子的历史是漫长的，也是无止境的。氢原子光谱与原子结构模型化学史话

氢原子是最简单的原子。若在真空放电管中充入少量氢气，通过高压放电，能发出不同波长的光，利用三棱镜可观察到不连续的线状光谱。

1885年，瑞士的一位中学教师巴尔末(J.J.Balmer)在研究氢原子的可见光谱谱线时发现，氢原子的可见光谱谱线的波长符合一定规律，他将其归纳为一个数学公式。然而，当时谁也无法解释氢原子光谱谱线的特征。研究原子结构的方法——原子光谱1913年

电子分层排布模型丹麦科学家玻尔

研究了氢原子的光谱后，根据量子力学的观点，大胆突破传统思想的束缚，提出了新的原子结构模型(1)原子核外电子在一系列稳定的轨道上运动，这些轨道称为原子轨道。核外电子在原子轨道上运动时，既不放出能量，也不吸收能量。(2)不同的原子轨道具有不同的能量，原子轨道的能量变化是不连续的。(3)原子核外电子可以在能量不同的轨道上发生跃迁。获得了1922年的诺贝尔物理学奖资料在线

原子结构模型11803年道尔顿实心球模型1904年汤姆孙葡萄干面包模型1911年卢瑟福核式模型1913年波尔电子分层排布模型1926～1935年薛定谔现代电子云模型宏观物体的运动轨迹电子的运动轨迹是什么样子？02如何描述原子核外电子的运动？核外电子的运动宏观物体电子质量很大速度较慢空间大轨迹可描述（画图或函数描述）核外电子运动有何特点?问题探究很小很快(接近光速)极小不可确定德国物理学家、量子力学的创立者海森堡1927年发表著名的海森堡测不准原理1932年获诺贝尔物理学奖

无法同时精确测量某个电子在某一时刻的位置和速率。1926年奥地利物理学家薛定谔提出：可以用一个数学方程描述核外电子的运动状态，为近代量子力学奠定了理论基础。核外电子的运动特点量子力学指出：一定空间运动状态的电子并不在玻尔假设的线性轨道上运动，而是在核外空间各处都可以出现，只是出现的概率不同。薛定谔方程1926～1935年现代电子云模型1926年，玻尔建立的线性轨道模型被量子力学推翻。资料在线问题探究研究核外电子运动，你认为选什么原子?氢原子的五次瞬间照相5张照片叠印100张照片叠印1000张照片叠印用小黑点的疏密来表示小黑点密处表示电子出现的概率密度大，小黑点疏处概率密度小看上去好像一片带负电的云雾笼罩在原子核周围电子云2.1

电子云

电子云和原子轨道201概念处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述

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的运动情况。特别提醒

量子力学指出，一定空间运动状态的电子并不在玻尔假定的线性轨道上运行，而在核外空间各处都可能出现，但出现的概率不同，可以算出它们的概率密度分布。

P表示电子在某处出现的概率

V表示该处的体积

概率密度：ρ=概率密度资料在线使用电子云轮廓图电子云图很难绘制,使用不方便把电子出现概率90%空间圈出来电子云轮廓图电子云球形xyz氢原子核外电子的电子云呈球形对称s电子云2.1

电子云

电子云和原子轨道201概念处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述02类型和形状s

电子云球形无方向同一原子的s电子的电子云轮廓图感受﹒理解①不同电子层s电子的电子云形状一致，均为球形。原因：由于电子能量依次增高，电子在离核更远的区域出现的概率增大，电子云越来越向更大的空间扩展你能发现什么规律？②电子层越高，s电子的电子云半径越大。p电子云电子云s电子云球形哑铃形或纺锤形2.1

电子云

电子云和原子轨道201概念处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述02类型和形状s

电子云球形无方向p电子云纺锤形哑铃状有3种伸展方向d电子云有5种伸展方向有7种伸展方法f

电子云归纳与整理原子轨道只有1个轨道

电子在原子核外的一个空间运动状态2.2

原子轨道电子在原子核外的一个空间运动状态

电子云和原子轨道201概念02类型、形状、数目轨道类型s轨道形状球形轨道数目1

观察氢原子1s电子的电子云示意图，判断下列说法正确的是A．一个小点表示1个自由运动的电子B．s原子轨道的电子云形状为圆形C．电子在s原子轨道上运动就像地球围绕太阳旋转D．s原子轨道电子云小点的疏密表示电子在某一位置出现概率的大小

牛刀小试

解析:图中的小点不表示电子，只表示电子在此位置出现概率的大小。你学会了吗？

下面左图和右图分别是1s电子的概率密度分布图和原子轨道图。下列有关说法正确的是A．图1中的每个小点表示1个电子B．图2表示s电子只能在球体内出现C．图2表明s轨道呈球形，有无数对称轴D．图1中的小点表示电子在核外所处的位置图1图2

图1和图2分别是1s电子的概率密度分布图和原子轨道图。下列有关认识正确的是A．图1中的每个小黑点表示1个电子B．图2表示1s电子只能在球体内出现C．图2表明1s轨道呈圆形，有无数对称轴D．图1中小黑点的疏密表示某一时刻电子在核外出现概率的大小答案:D解析:图2只是表示电子在该区域出现的概率较大,在此之外也能出现,不过概率很小,B错误;1s轨道在空间呈球形而不是圆形,C错误。牛刀小试p电子的原子轨道呈哑铃状p电子的三个原子轨道，它们互相垂直分别以px、py、pz表示同一电子层中px、py、pz的能量相同p原子轨道2.2

原子轨道电子在原子核外的一个空间运动状态

电子云和原子轨道201概念02类型、形状、数目轨道类型s轨道形状球形轨道数目1p纺锤形3

解析:电子云是表示电子在一定区域内出现概率大小的图形,它并不是电子运动的实际轨迹,故C错;s轨道是球形对称的,s电子的电子云是球形对称的,故B对;观察该图可知A对;该p轨道为哑铃形,D正确。

如图是pz原子轨道电子云形状的示意图，请观察图示并判断下列说法中不正确的是A．pz轨道上的电子在空间出现的概率分布是z轴对称B．s电子的电子云形状是球形对称的C．电子先沿z轴正半轴运动，然后再沿负半轴运动D．pz原子轨道形状为哑铃形请你试一试p轨道d轨道f

轨道3个轨道5个轨道7个轨道2.2

原子轨道电子在原子核外的一个空间运动状态

电子云和原子轨道201概念02类型、形状、数目轨道类型s轨道形状球形————轨道数目1p纺锤形3d5f7下列各表示式中轨道数最多的是

A．S

B．pC．d

D．f看谁做得既准又快如图是s能级和p能级的原子轨道图，下列说法正确的是A．s和p的原子轨道形状相同B．每个p都有6个原子轨道C．s能级的原子轨道半径与电子层数有关D．

同一电子层p的原子轨道能量不相等

【解析】s轨道为球形，p轨道为哑铃状的，A项错误；每个p能级只有3个原子轨道，B项错误；电子层序数越小，s能级的原子轨道半径越小，C项正确；同层的p原子轨道能量相同，D项错误。牛刀小试焰火霓虹灯光激光激光与电子跃迁有关的现象身边的化学04研究原子结构的方法——原子光谱基态原子吸收能量，它的电子会跃迁到较高轨道，变成激发态原子KLM处于最低能量状态的原子KLM能量

基态原子

激发态原子资料在线KLMKLM稳定不稳定吸收能量电子跃迁能量资料在线3.1

基态与激发态

基态与激发态原子光谱3基态原子激发态原子处于最低能量状态的原子基态原子的电子吸收能量后电子会跃迁到较高的电子层，变为激发态原子稳定不稳定吸收光子

光(辐射)是电子释放能量的重要形式之一吸收光谱放出光子发射光谱3.2

原子光谱

基态与激发态原子光谱3

不同元素的原子的核外电子发生跃迁时会吸收或释放不同频率的光，可以用光谱仪摄取各种元素的原子的吸收光谱或发射光谱，总称为原子光谱光谱分析仪锂、氦、汞的发射光谱锂、氦、汞的吸收光谱特征：暗背景，彩色亮线，线状不连续特征：亮背景，暗线，线状不连续3.3

光谱分析

基态与激发态原子光谱3在现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析原子发射光谱仪原子吸收光谱仪3.3

光谱分析应用

基态与激发态原子光谱3发现新元素1868年1861年1860年检测元素检测含量光谱分析仪原子核外电子是分层排布的。研究原子结构的方法——原子光谱表示方法——原子结构示意图

Na不同的电子层，其能量是不同的KLM能层03如何描述原子核外电子的排布？能层与能级3.1

能层

能层与能级3能层一二三四五六七……符号KLMNNOP……交流讨论原子核外电子的排布表示

原子结构示意图Na原子第二层上的8个电子的能量是否一样？

Na

在多电子的原子中，同一能层的电子，能量也可能不同，据此把它们分为能级。问题探究能级任一能层的能级数等于该能层的序数KLMN能层+原子核1s2s2p3s3p263d4s4p264d264f依次用ns、np、nd、nf等表示问题探究能层1s2s2p3s3p263d4s4p264d264fKLMNK层L层M层N层在多电子的原子中，同一能层的电子，能量也可能不同，据此将其分为能级。能层能量越来越高L层N层M层能级同一能层各能级能量越来越高能层是楼层能级是楼层的阶梯3.2

能级

能层与能级3（电子亚层）能层KLMN能级s1sp22spd333spdf4444各能级的能量关系1同能层不同能级：ns＜np＜nd＜nf2同能级不同能层：1s＜2s＜3s＜4s3同能层和同能级：2px＝2py＝2pz解析:M能层包含3s、3p、3d三个能级。下列能级不属于M能层的是 A.3s B.4s C.3p D.3d看谁做得既准又快下列能级符号错误的是 A.6s B.3d C.3f D.5p看我七十二变以下各能层不包含p能级的是 A.N B.M C.L D.K看谁做得既准又快下列能级符号正确的是 A.3f B.2d C.4s D.2f看我七十二变下列能层中，包含f能级的是 A.K B.L C.M D.N看谁做得既准又快若n＝3，以下能级符号错误的是 A.np B.nf C.nd D.ns看谁做得既准又快03如何描述原子核外电子的排布？

核外电子描述4能层(电子层)能级(电子亚层)交流讨论原子核外电子的排布表示

原子结构示意图P电子式P1s3s3pKLM2s2p3p有三个轨道，3个电子如何排列？

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核外电子描述4能层(电子层)能级(电子亚层)原子轨道(电子云伸展方向)xp3yp3zp3交流讨论原子核外电子的排布表示

原子结构示意图P电子式P1s3s3pKLM2s2p21s原子轨道有两个电子，那么这两个电子的运动状态有什么差异呢？资料在线塞曼效应1896年，荷兰物理学家塞曼使用半径10英尺的凹形罗兰光栅观察磁场中的钠火焰的光谱，他发现钠的D谱线似乎出现了加宽的现象。这种加宽现象实际是谱线发生了分裂。谱线分裂成间隔相等的3条谱线。1897年12月，普雷斯顿报告称，在很多实验中观察到光谱线有时并非分裂成3条，间隔也不尽相同，人们把这种现象叫做为反常塞曼效应。反常塞曼效应的机制在其后二十余年时间里一直没能得到很好的解释，困扰了一大批物理学家。资料在线电子自旋1925年，两个物理研究生，竟然搞出了电子自旋的概念，认为契合了天才泡利的预测，于是就整出了1页的论文。没想到的是，这个理论竟然违背了爱因斯坦相对论，其速度居然达到了光速10倍，偏偏还是对的！他们分别叫，乌仑贝克和古德斯密特。拍摄时间约为1928年

1925年，两名荷兰学生乌仑贝克和古德斯密特提出了电子自旋假设，很好地解释了反常塞曼效应。物理史上最嚣张的论文——1页乌伦贝克古德斯米特资料在线电子自旋电子除了空间运动状态外，还存在一种运动状态叫自旋

电子自旋在空间有顺时针和逆时针两种取向，简称自旋相反，常用上下箭头(“↑”“↓”)表示自旋相反的电子。电子自旋在空间有顺时针和逆时针两种取向，简称自旋相反，常用上下箭头(“↑”“↓”)表示自旋相反的电子。电子自旋1925年，泡利正式提出，在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，它们的自旋相反，这个原理被称为泡利原理(泡利不相容原理)。

核外电子描述4能层(电子层)能级(电子亚层)原子轨道(电子云伸展方向)电子自旋电子能量与能层、能级有关电子运动的空间范围与原子轨道有关这节课我学到了什么？（用一句话表示）还有什么疑问？课堂小结

原子结构模型的演变1803道尔顿原子学说1904汤姆生葡萄干面包1911卢瑟福核式原子模型1913玻尔电子分层排布模型1926电子云模型历史的脚步铭记这一刻处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述电子云s能级和p能级的原子轨道的对比

能级sp轨道图形轨道形状球形哑铃形轨道数目13(空间相互垂直)最多容纳电子数26相同点

①均以原子核为对称中心②原子轨道的平均半径分别随能层数增大而增大,且同种能级符号的原子轨道形状相似

图1和图2分别是1s电子的概率密度分布图和原子轨道图。下列有关认识正确的是A.图1中的每个小黑点表示1个电子B.图2表示1s电子只能在球体内出现C.图2表明1s轨道呈圆形，有无数对称轴D.图1中小黑点的疏密表示某一时刻电子在核外出现概率的大小

解析:图2只是表示电子在该区域出现的概率较大,在此之外也能出现,不过概率很小,B错误;1s轨道在空间呈球形而不是圆形,C错误。看谁做得既准又快核外电子四描述能层能级原子轨道伸展方向电子的自旋

1．任何能层均含有s能级，但不是任何能层均含有p、d、f能级。易错警示能层与能级的认识误区

2．能层就是电子层，各能层具有的能级数等于能层序数，例如：K层只有1s能级；L层有2s、2p两个能级等