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1、1无机化学第九章原子结构与元素周期律Atomic structure and Periodic trends9.1 原子核外电子的基本特征9.2 单电子原子的结构9.3 多电子原子的结构9.4 元素周期律中南大学化学化工学院无机化学DNA规则的双螺旋结构可使 DNA双链分离以进行复制这是一种传递遗传信息的简单机制。（美国国家人类基因组研究中心）DNA 双螺旋结构无机化学古原子学说 公元前五世纪原子学说 公元十九世纪初电子的发现 公元十九世纪末二十世纪初元素放射性及镭元素的发现 1898年电子电量和质量的测定 1909年原子有核模型 1911年定态原子模型 1913年电子波粒二象性 1924年电
2、子波动性实验 1927年测不准原理 1927年Schrdinger方程 1926年原子结构理论发展简史无机化学古原子学说 (公元前五世纪 )Democritusthe material world mustbe made up of tiny indivisibleparticles, called atomosDemocritus(460 370 B.C.)a Greek philosopher第一节无机化学主页 第一节Atom are the basic building blocks ofmatter. They are the smallest particlesof an eleme
3、nt that retain thechemical identity of the element.According to Daltons atomic theory原子是最小的微粒原子学说公元十九世纪初无机化学电子的发现1879年 Crookes 阴极射线 (cathode radial)2无机化学电子的发现 J.J. Thomson (1897)Based on the observations of many properties of cathode radials(阴极射线 ), including the fact that the nature of the rays is
4、the same regardless of the identity of the cathode material, in a paper published in 1897 J.J. Thomson summarized and concluded that thecathoderadials are not waves but particles with mass.J.J. Thomson (1856-1940)a British Scientist1906年 Nobel Prize第一节电子(瓜籽 )带正电原子(整个西瓜 )Thomsons atomic model was ver
5、y short-lived.1904年提出原子的 “西瓜模型西瓜模型 ”无机化学电子电量和质量的测定（ 1909年）Millikan oil-drop experiment1923 nobel prize in physics第一节无机化学1911 Ernest Rutherford 有核原子模型a.角度偏转 b反弹回来 c穿过金箔原子核nucleus粒子散射实验Rutherford 太阳系 (行星式 )原子模型：原子皆由原子核和核外电子组成，原子核体积极小，但却集中了几乎全部质量和所有的正电荷，核外电子绕核作高速运动，类似行星绕太阳旋转。无机化学质子的发现 （ 1919年 ） Ernest
6、Rutherford卢瑟福 在粒子散射实验中发现，被轰击的原子中可能跑出带正电荷的粒子，这种粒子所带的电量和质量也与原子种类无关，而电量正好等于 1个电子电量的正值。卢瑟福将其命名为 质子 (proton)。粒子散射实验示意图无机化学11名称与符号 电荷 质量 au au原子核质子 ( ) 1.6 10-19 1.7 10-271836中子 ( ) 0 1.7 10-271839核外电子 (-) 1.6 10-19 9.1 10-311au为原子单位原子的内部组成元素： 将质子数相同的一类单核粒子统称为同一种元素，用元素符号 表示。核素： 将质子数和中子数都相同的单核粒子称为同一种核素，用核素
7、符号 表示。式中左下标 Z为质子数，左上标 A为核子数 (质子数与中子数之和 )，因为它近似等于原子质量的数值，故 A又称为质量数。EAZ无机化学原子组成微粒的体积关系原子核是原子体积的百万亿分之一！ 1 1012-15原子几乎是空的。原子组成微粒的质量关系原子核的质量却占了原子质量的99.9% 以上 。原子组成微粒的电荷关系原子序数（Z）= 核内质子数 = 核电荷数 = 核外电子数3无机化学普朗克量子论 （ 1900年 ） Max PlankMax Plank(1858-1947)A German physicist1918 Nobel Prize in physics9.1 原子核外电子的
8、基本特征提出微观粒子具有 量子化特征（变化不连续，而是以最小单位作跳跃式增减）的假说。最小能量单元 光量子 EE = hh=6.626 10-34J.S成功解释了氢原子光谱 (线状光谱而非连续光谱 )无机化学光子学说 （1905年） Albert EinsteinAlbert Einstein（ 1879-1955）A jewish scientist from USA1921 Nobel Prize in physicsphotoelectric effect: (光电效应 )Einsteins theory of light has, however, posed a Dilemma(两难
9、选择 ). Is light a wave？does it consist of particles?To date, the only way to resolve this dilemma is to adopt what might seem to be an unusual position: We must consider light to possess both wavelike and particle-like properties.We will see that this dual nature(双重性 ) is also characteristic of matte
10、r.无机化学氢原子光谱与Bohr理论单电子原子氢原子结构氢原子的激发态氢原子的基态Schrdinger方程与量子数电子的波粒二象性无机化学700nm 600 500 400太阳光线状光谱原子光谱连续光谱红橙 黄绿 青蓝 紫光和电磁辐射无机化学氢原子光谱18sm10998.2 = cc光速H3.65657.4H1.48607.6H0.43491.6H2.41031.7/nm1/s)10 (14 氢原子光谱特征：不连续光谱 ,即线状光谱 。其频率具有一定的规律。无机化学玻尔的氢原子模型 （ 1913年） Niels BohrNiels Bohr(1885-1962)A Danish physici
11、st1922 Nobel Prize in physicsBohr理论Rutherford 有核原子模型Planck量子论Einstein光子学说Bohr理论4无机化学定态假设： 通常情况下，当电子在某一状态中绕核运动时，并不吸收能量，也不辐射能量，电子处于 定态 。量子化条件假设： 在某一的定态中运动的电子具有一定的能量,不同定态能量不同，电子运动的角动量L必须等于h/2 的整数倍： L= mvr= n h/2 （n=1、2、3 ）基态： 原子能量最低的定态 。 激发态： 除基态外的其他定态。氢原子核外电子能量公式21822.18 10nZEJn= 频率条件 频率假设： 电子从一个定态跃迁到
12、另一定态时，要吸收或放出能量 E。如能量以光辐射的形式表现出来，则光子能量等于光的频率 与 h的乘积：E = E2-E1= h (=c/)Bohr理论要点：三个假设无机化学氢原子光谱谱线形成示意图 (有理论计算依据)12215s)121(10289.3=nvn = 3 红（ H） n = 4 青（ H）n = 5 蓝紫 （ H） n = 6 紫（ H）Balmer线系 (可见光区 )轨道跃迁： n2无机化学局限性未摆脱经典力学的束缚，依然用 宏观物体的牛顿定律 处理微观粒子体系，不仅不能解释多电子原子的光谱，也不能说明氢原子光谱的 精细结构 ，更不能解释原子形成分子的 化学键本质 。玻尔理论成
13、功地解释了 氢原子 和 类氢离子 的光谱。无机化学德布罗意的物质波假设(微观粒子的波粒二象性 )受Einstein光的波粒二象性启示，1924年de Broglie提出假设：具有静止质量的微观粒子（电子、质子、原子、甚至分子等）都具有波粒二象性，并提出著名的物质波公式de Broglie关系式mhph=联系纽带粒子特征波动特征There was no experiment evidence for De Broglieshypothesis at that time. The publication of his Ph.D. thesis was supported by Einstein s
14、ince most of the scientists then opposed his hypothesis.无机化学电子产生衍射条纹电子具有波动性 （假设终于获得实验证明）1927年，美国贝尔电话实验室的 Davisson CJ 和Germer LH 应用 Ni晶体进行电子衍射实验，证实电子具有波动性。无机化学同年，英国的 G.P. Thomson （ J.J.Thomson的儿子）将电子束通过金箔也得到了电子衍射图，并根据De Broglie 关系式 =h/mv 计算出了 电子波的波长 (6.6 10-24m)G.P. Thomson (1892-1975)1937年 Nobel Pri
15、zeJ.J. Thomson (1856-1940)1906年 Nobel Prize5无机化学海森堡的测不准原理uncertainty principle具有波动性的微观粒子，不能同时准确测定它的位置和动量，其位置测得愈准，它的动量就愈测不准；反之亦然 。xpx h/4粒子动量测不准量W.Heisenberg位置测不准量由于不能同时测定电子的位置和运动速率，因此不能用经典力学的方法来描述电子的运动状态。玻尔理论违反了该原理。无机化学核外电子运动状态的描述依据：量子力学（微观粒子的波粒二象性） 1926年，奥地利物理学家薛定谔（Schrdinger）提出了量子力学用波函数 ( x, y, z )描述核外电子运动状态的数学表达式，建立了著名的电子运动方程薛定谔方程：波峰波谷9.2 单电子原子 氢原子结构无机化学x, y, z: 电子的空间坐标；m: 电子质量E: 体系总能量V: 电子的势能( E-V):电子的动能: 电子的波函数(wave function)，记作： ( x, y, z ) ，是Schrdinger方程的合理解()222 2222280mEVxyzh + =电子的波动方程Schrdinger方程式波函
