大学化学基础 第2章 原子结构1资料讲解.ppt_第1页
大学化学基础 第2章 原子结构1资料讲解.ppt_第2页
大学化学基础 第2章 原子结构1资料讲解.ppt_第3页
大学化学基础 第2章 原子结构1资料讲解.ppt_第4页
大学化学基础 第2章 原子结构1资料讲解.ppt_第5页
已阅读5页,还剩84页未读 继续免费阅读

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

1、第二章 原子结构,2.1 经典核模型的建立,Crockes 英 发现阴极射线(电子流) Thomson 英 测电子的核质比 Millikan 测电子质量 1911 卢瑟福 粒子散射实验提出原子有核模型,2.2 氢原子光谱与玻尔氢原子模型,一、微观粒子能量量子化规律的发现(旧量子论),Planck的量子假说(1900):, 物质吸收或发射的能量是不连续的,只能 是某一能量最小单位的倍数。这种能量的最 小单位称为能量子,或量子,即能量是量子 化的。, 每一个量子的能量与相应电磁波(光波)的 频率成正比:,h = 6.62610-34 J.s-1 Planck常数,Einstein的光量子假说(19

2、05),当光束和物质相互作用时,其能量不是连 续分布的,而是集中在一些称为光子(photon) (或光量子)的粒子上。光子的能量正比于光 的频率,h : Planck常数,Einstein 主要由于光电效应方面的工作而在 1921年获诺贝尔物理奖,a).连续光谱(continuous spectrum) 太阳光 b).线状光谱(原子光谱)(line spectrum) 原子光谱是不连续的,是线状的 氢原子可见光谱,二、氢原子的光谱,Balmer 公式(可见光区谱线),Rydberg 公式 (可见光区以外谱线),= 1/:波数 n : 大于2的正整数,RH = 1.0973731534107 m

3、-1 Rydberg 常数 n1 , n2 : 正整数 且 n2 n1,3. Bohr 的原子结构模型(1913),原子核外的电子只能在符合 一定条件的、 特定的(有确 定的半径和能量)轨道上运 动。电子在这些轨道上运动时处于稳定状态, 即不吸收能量也不释放能量。这些轨道称为 定态轨道,Z: 原子的核电荷数 氢原子 Z=1,(2) 电子运动的轨道离核越远,能量越高。当 电子处在能量最低的状态时,称为基 态。 当原子从外界获得能量时,电子可由离核 较近的轨道跃迁到离核较远的能量较高的 轨道上,这种状态称为激发态。,(3) 当电子由一个高能量的轨道向低能量的轨 道跃迁时,可以光辐射的方式发射其能量

4、。 所发射的光量子的能量大小决定于两个轨 道之间的能量差,E2 : 高能量轨道的能量 E1 : 低能量轨道的能量 : 辐射光的频率,波尔的原子结构模型成功地解释了氢原 子的光谱,但无法解释多电子原子的光谱, 也无法解释氢原子光谱的精细结构,2.3 微观粒子的运动属性,一. 波粒二象性,1、光的波粒二象性,光的波动性:光在传播时体现。如干涉、衍射,光的粒子性:光与实物相互作用时体现。如辐射、 吸收、光电效应,P = h/,爱因斯坦通过普朗克常数(h)把光的波粒二象性统一起来,揭示光的本质,能量,动量,频率,波长,E = hv,粒子性,波动性,P:体现粒子性 :体现波动性,2、实物粒子的波粒二象性

5、,德布罗意假设和物质波:,1924 年,年仅32岁的法国理 论物理学家De Broglie 在光的波-粒 二象性的启发下,大胆假设:,所有的实物的微观粒子,如电子、原子、 分子等和光子一样,也具有波粒二象性。,: 波长 m : 粒子的质量 v : 粒子运动的速度,德布罗意波(物质波),1927, 美国C. Davisson and L. Germar “几率波”,电子衍射,当电子通过晶体时,在屏幕上产生明暗交替的衍射环。这说明电子射线同X射线一样有衍射现象,证明了德布罗意假设的正确性,亦证明了电子具有波动性,二、 测不准原理(uncertainty principle),1927年,德国科学家

6、海森伯格(Heisenberg) 经过严格的推导证明:,测不准原理,x : 粒子所在位置的不确定度 p: 粒子动量(速度)的不确定度,例: 电子的质量 m = 9.110-31 kg , 若 x = 10-11 m,则:,结论: 微观粒子的空间位置和运动速率是不能被 同时准确确定的。,核外电子运动的轨道是不复存在,不确定的。,例: 对于 m = 10 克的子弹,它的位置可精确到 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,宏观物体:m很大,(小),可以很小,不为人觉察,三、 统计性规律,单个电子衍射(长时间),明暗相间的环纹,,说明电子的位置无法确定,如何描述一

7、个电子的运动情况?,统计性的方法:,电子在某些地方出现的机会多 (亮),电子在某些地方出现的机会少 (暗),微观粒子的运动使用统计规律描述, 即概率描述,具有波动性的电子在空间的几率分布与波的强度有关,电子在空间某区域出现的几率大,即意味着该处电子的波的强度大(衍射强度大),因此,实物微观粒子的波是一种几率波。,所以找一个函数能描述电子出现几率的大小,.近代量子力学的基础,波函数:描述波的运动状态的数学函数,例:两端固定的琴弦振动所形成的驻波的波 函数,x,(x),:波长,小结:,(1)物质的微观粒子具有波-粒二重性,(2)微观粒子的能量是量子化的,(3)微观粒子在空间的运动用波函数描述, 在

8、某处波的强度与粒子在该处出现的几 率有关。,2.4 氢原子的量子力学模型,一、 原子轨道、波函数及四个量子数,描述宏观物体运动方程 : F=ma,1、描述微观粒子运动的波动方程式 - 薛定谔(Schrodinger)方程(1926),:波函数 x、y、z:空间三维坐标方向 m : 微观粒子(电子) 的质量 E :微观粒子(电子) 的总能量 (动能+势能) V : 微观粒子(电子) 的势能,当m,V已知,薛定谔方程的解为:,解得的每一个波函数都有一定的能量 E和其对应。,每个解都要受到三个常数n,l,m的规定。n,l,m称为量子数(quantum number)。, 2 代表几率密度(即在单位体

9、积空间 的几率),因此在全部空间的几率密度之和应 等于1 -归一化条件。,-量子力学中描述核外电子在空间运动的数学函数式,称波函数,即原子轨道,包含三个常量和三个变量,一般形式为:,n,l,m为常量 x,y,z为变量,波函数的意义:,(1) 每一个可以描述原子核外电子运动状态,(2) 俗称原子轨道,它不是一个有形的轨道, 而是一个区域。有正负号之分,(3) 有固定的能量E与之相对应。,单电子体系原子的能量,只有当粒子的能量E取某些特殊的值时, 薛定谔方程才能求得满足上述条件的解;,微观粒子的能量是量子化的,微观粒子能够 允许具有的能量称 为能级,微观粒子的能量是不连续的,2、四个量子数n、l、

10、m、ms,中的n、l、m 以及ms ,这四个量子 数可以描述一个电子的状态,(1) 主量子数( n ) ( Principle quantum number),意义: 决定电子离核的远近。即电子层数。 n 越大,电子与原子核的平均距离越远。, 决定电子能量高低的主要因素,取值: n只能取正整数, n = 1, 2, 3, ,单电子原子中电子的能量只取决于n值,Z : 原子序数,n 越大,则E越高,1) n 值越大,电子运动轨道离核越远,能量越高 (当电子与核相距无限远,即电子与核无相互 引力作用时,电子的能量定为零值),2) 在一个原子内,具有相同主量子数的电 子几乎在同样的空间内运动,可以看

11、作是构 成一“层”,称为电子层。n = 1, 2, 3, 的电子层也称为K, L, M ,N, O, P, Q, 层。,注意:,主量子数与电子层的对应关系,n值越小,电子离核越近,能量越低 n值越大,电子离核越远,能量越高,(2) 轨道角动量量子数 ( l ) (Orbital angular momentum quantum number),意义: 决定了电子云在空间角度的分 布的情况,即与电子云的形状有关。,l 的取值为: l = 0, 1, 2, 3, ,(n-1) 共n个取值,l 的值常用英文小写字母代替:,l : 0 1 2 3 4 代号: s p d f g, 决定电子能量高低的次

12、要因素,注意:多电子原子轨道的能量与n,l有关,(但氢原子或单电子离子原子轨道的能量仅与n有关)能级由n,l共同定义,一组(n,l)对应于一个能级(氢原子的能级由n定义);能量相同的轨道称为简并轨道,角量子数与电子亚层、轨道形状的对应关系,在多电子原子中,当n值相同,而 l 值不同 时,电子的能量也稍有不同,( l 值越小,E越小) 可以看作是形成了“亚层”。,亚层的符号: 1s n=1, l=0 2s, 2p n=2, l=0,1 3s, 3p, 3d n=3, l=0,1,2 4s, 4p, 4d, 4f n=4 , l=0,1,2,3,试比较其能量大小,E2sE2p E3sE3pE3dE

13、4sE4pE4dE4f 从能量角度看,亚层也可以称为能级,Ens=Enp=End=Enf n=4: E4s=E4p=E4d=E4f,n相同,l越大能量越高,氢原子或类氢原子只有一个电子,n相同,轨道能量相同,(3) 磁量子数 m (magnetic quantum number),意义:反映了原子轨道在空间的伸展方向,m 的允许取值为: m = 0, 1, 2, 3, , l 共(2l+1)个取值,l=0时,m=0,只有一个取值,光谱学符号用s表示,l=1时, m=0,1,有三种取向, 光谱学符号(pz,px,py),一个波函数(原子轨道)的值由n, l, m三个量子数决定,记作n,l,m 。

14、,l=2时, m=0,1,2 五种取向 光谱学符号为,轨道名称为:?,例如: 2,1,0 代表n = 2, l =1, m = 0的电子轨道,问:写出氢原子中可能存在的轨道类型和个数(按原子轨道能量高低)。,同一亚层(n,l相同),原子轨道能量相同,称为等价轨道或简并轨道。P、d、f分别有3、5、7个等价轨道 n=2 l=1: E2px=E2py=E2pz,注意:,在第n个主层上,有n2 个轨道(波函数),l,m取值与轨道名称的关系,(4) 自旋量子数 ms(spin quantum number),物理意义:表示电子运动的自旋方向 自旋只有两个方向:顺时针、逆时针 同一轨道只能容纳两个自旋相

15、反的电子,综上所述,描述一个原子轨道要用三个量子数(n、l、m),而描述一个原子轨道上运动的电子,要用四个量子数 (n、l、m、ms),主量子数n决定原子轨道的大小(即电子层)和电子的能量。 角量子数l决定原子轨道或电子云的形状同时也影响电子的能量。 磁量子数m决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向。 自旋量子数ms决定电子的自旋方向,小结:,1)各电子层中不同原子轨道形状的数目=,n ( l 可取的数目),2)每种形状的原子轨道(伸展方向) 的数目=,2l+1 (m的取值个数),3)各电子层中原子轨道的总数目=,n2,n=1, 1s 1,n=2, 2s ,2p(pz,px,py ) 4,n=3

16、, 3s,3p (pz,px,py ),3d,9,4)各电子层中可容纳的电子总数为=,2n2,例1:用四个量子数描述基态5B原子中五个电子的运动状态,例2:氢原子的一个电子受激发后,可处于各种激发态,但下列那些激发态是可能存在的?,nlmms,3 2 0 +1/2 3 0 0 -1/2 2 2 0 +1/2 4)2 0 1 -1/2,二、波函数的有关图形表示 1,一维直线y=ax+b,二维面y=ax+by,三维立体,四维空间,波函数图像很难直接表示出来,坐标变换:,x = r sin cos y = y sin sin z = r cos,0r 0 纬度 0 2经度,分离变量:,通过解上述方程

17、得到的描述核外电子运 动状态的波函数称为原子轨道波函数,简称 为原子轨道(Atomic orbital)或轨函,R n, l (r) :波函数的径向部分,由n, l决定, n, l, m (r, , ) = R n, l (r) Y l, m (, ),Y l, m (, ):波函数的角度部分,由l, m决定,1、波函数的角度分布图Y(,) - , 图(原子轨道角度分布图),Y l, m (, ):表示电子几率随空间角度变化的分布情况,以原子核为原点建立三维空间直角坐标系,从原点引出各条方向为(,)的直线 ,取它们长度等于相应的| Y l, m (, ) |值,将所有这些线段的端点连起来,在空

18、间形成一个曲面,并在曲面各部分标上Y的正、负号,就得到波函数的角度分布图。,具体做法:,Y2Pz = cos,Pz轨道角度分布示意图,特点:,1)与主量子数无关,由l, m决定,s原子轨道角度分布图。s状态 l=0,m=0,,所以s原子轨道的角度分布图是球形,从原点出发,半径为 作图,波函数角度分布图,是角度函数Y l, m (, )随, 变化的图象。,s轨道:,问题:1S, 2S,3S角度分布图一样吗?,有相同的球曲面,2)角度分布图有正负之分(不是表示正负电荷,丝毫没有“电性”意义 ),表示波函数有正负值,pz,px,py,波函数角度分布图: p轨道,其中,浅色为“”号,深色为“”号(下面

19、的d轨道中同此)。正负号以及Y的极大值空间取向将对原子之间能否成键及成键的方向性起着重要作用。,波函数角度分布图: d轨道,2. 电子云的角度分布图,核外电子在空间分布的几率密度(| | 2)的形象表示称为电子云( Electron cloud ),用小黑点的疏密来表示空间各点的几率密度大小,这种形象化的几率分布好像带负电荷的电子云故称电子云图,电子云的图形表示:,S电子云图,3S电子云界面图 (电子出现几率95%的区域),电子云 等密度面图,电子云的角度分布:,角度波函数的平方|Yl,m(,)|2随角度变量(,)的变化情况,从角度侧面反映几率密度分布的方向性,表示电子在核外空间不同角度出现的

20、几率密度的大小,特点:,原子轨道角度分布图有正、负之分,而电子云角度分布图全部为正值,这是由于|Y|平方后,总是正值。,电子云角度分布图比原子轨道角度分布图“瘦”些,这是因为|Y|值小于1,因此|Y| 2一定小于|Y|,表示任何角度方向上R(r)随r的变化情况,3. 径向分布图,4. 径向分布函数图,假若考虑电子出现在半径为r,厚度为dr的薄球壳的几率,几率=几率密度 体积,因此这个球壳内电子出现的几率 = 2 4r2dr,单位厚度的球壳夹层的几率(D(r)表示),D(r)= 2 4r2dr /dr,反映电子几率在任意角度随r的变化情况,= 2 4r2,离核近(r小), 2 大, 4r2 小,

21、离核近(r大), 2 小, 4r2 小,讨论:,有极值,在a0处最大,52.9,氢原子电子云径向分布函数图,径向分布函数图特点:,不同状态的径向分布函数图有(nl)峰数,3s轨道,n=3,l=0,即有三个极大值,Dr曲线上有三个峰,n相同,l 不同,极大值峰数目不同,但l越小,最小峰离核越近,主峰(最大峰)离核越远, l 相同, n越大,主峰离核越远,电子分层排布,说明“波尔理论”一定的合理性,电子云的空间分布图,对核外电子运动的量子力学描述小结:, 原子中核外电子的运动具有波-粒二象性。 描述其运动状态的波函数服从Schrodinger 方程。, 核外电子运动没有确定的运动轨道,但有 与波函

22、数相对应的、确定的空间几率分布, 核外电子的运动状态由4个量子数决定: 主量子数 n 决定了电子与核的平均距离, 取值为:1, 2, 3, 角动量量子数 l 决定了电子运动在空间 的角度分布(即电子云的形状),取值 为:0,1, 2, , (n-1) 磁量子数 m 反映了原子轨道在空间的不 同取向,取值为:m = 0, 1, 2, l 。 自旋角动量量子数 mS 反映了电子的两种 不同的自旋运动状态,取值为+1/2 或-1/2, 核外电子的能量是量子化的。单电子原子 中电子的能量仅由n决定,多电子原子中 电子的能量由n、l 二者决定,2.5 多电子原子结构,氢原子中,核电荷数Z=1,核外只有一个电子 ,仅受到核吸引 ,能量仅与n有关 :,多电子原子中每个电子除了受到核吸引外,还要受到其它电子的排斥,一、 屏蔽效应与钻穿效应,1. 屏蔽效应,核电荷为Z的多电子原子中,电子既受核的吸引,又受其余(Z1)个电子的排斥,即其它电子对某电子i的排斥力相当于降低了原子核对该电子i的吸引。我们把电子之间的排斥相当于部分抵消了核对电子的吸引作用称为屏蔽效应(screening effect),所以若考虑其余电子对该电子i的排斥,则该电子i的能量公式可以

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论