基础化学12基础化学第8章 原子结构

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1、8 4 元素周期表和元素周期律 第8章 原子结构和元素周期 律 8 1 电子运动状态的量子力学概念 8 2 氢原子的波函数 8 3 多电子原子的核外电子排布 Date1 8 1 1 原子结构的认识史 Democritus 古原子学说 Dalton 原子学说 Thomson 布丁原子模型 Rutherford 行星式模型 Bohr 定态原子模型 各种理论的形成都有它的历史背景 都有进步的方面 当然也有它的不足 Date2 道尔顿原子模型 19世纪初 英国科学家道尔顿提出近代原子学说 他认为原子是微小的不可分割的实心球体 Date3 1897年 英国科学家汤姆逊发现了电 子 汤姆生提出了原子的布丁

2、模型 Date4 卢瑟福的 粒子散射实验表明绝大多数 粒子穿过金箔后仍沿着原 来的方向前进 但有少数 粒子发生了较大的偏转 且有极少数 粒子的偏转超过了90度 有的甚至达到180度 像是被金箔弹了 回来 Date5 英国科学家卢瑟福1911年提出原 子有核模型 E Rutherford1871 1937 Date6 波尔原子模型的建 立 Date7 源于自然界的启发 连续光谱 太阳光 或白炽灯光 通过三棱镜折射 后可分成赤橙黄绿青蓝紫所有不同波长的光谱 Date8 Date9 8 1 电子运动状态的量子力学 概念 8 1 2 氢原子光谱 Date10 8 1 2 核外电子运动的特征 1 氢原子

3、光谱特征 不连续的 线状的 线状光谱即不连续光谱 n 3 4 5 6 任何单原子气体受到激发时都会发射线状光谱 不同元素原子所发出的谱线各不相同 相同元 素原子所发出的谱线都是一样的 发现 特征谱线 元素原子所发出谱线 Date11 3 Bohr理论 三点假设 核外电子只能在有确定半径和能量的轨道 上运动 且不辐射能量 通常 电子处在离核最近的轨道上 能量 最低 基态 原子获得能量后 电子被激发 到高能量轨道上 原子处于激发态 从激发态回到基态释放光能 光的频率取 决于轨道间的能量差 E 轨道能量 h Planck常数 Date12 玻尔的氢原子模型 Date13 n 3 红 H n 4 青

4、H n 5 蓝紫 H n 6 紫 H Balmer线系 Date14 Date15 玻尔的氢原子模型 1 原子中电子处于离核较远 能量较高轨道上 运动状态 2 电子可在不同的定态轨道间跃迁 在这过程 中吸收一定的辐射或以光的形式放出能量 吸收或发出辐射的频率 与两个定态轨道间 能量差 E的关系为 式中h为普朗克常数 6 626 10 34J s Date16 玻尔的氢原子模型 例如当氢原子中电子从n 3的轨道跃迁回n 2的轨 道时所发射光的波长为 656 0nm 不同的原子 由于核电荷数和核外电子数不同 电 子运动轨道的能量有差别 因而不同元素的原子就具 有自己的特征谱线 正由于原子轨道的能量

5、是不连续的 即量子化 所以原子光谱是一种线状光谱 Date17 玻尔理论的优缺点 局限性 电子运动有固定的轨道 无法解释氢原子光谱的精细结构 优点 成功运用了量子化观点 成功解释了氢原子光谱 Date18 8 1 2 电子的波粒二象性 1 微观粒子的运动特征 1 德布罗意假设 1924年 任何静质量不为零的实物粒子 都具有波粒二 象性 等式左边 是表示波动性的物理量 右边动量 p m v 是表示粒子性的物理量 两者通过普朗克常数联系起来 Date19 8 1 2 电子的波粒二象性 a 光的波动性 凡与传播有关的现象均用波动性 来描述 b 光的粒子性 凡与物体相互作用的现象均用 粒子性来描述 在

6、光具有波粒二象性的启示下 1927年 Davissson和Germer应用Ni晶体进行电 子衍射实验 证实电子也具有波动性 Date20 8 1 2 电子的波粒二象性 2 电子衍射实验 Date21 2 电子衍射实验 实例1 1927年戴维逊和革末把被一定电势差加 速得到一定速度的电子束射到镍单晶体上 结果观 察到完全类似伦琴射线被晶体衍射的图 衍射环 纹 证实了电子确有波动性 而实验所得衍射图纹 的电子波波长与上式计算结果基本相符 实例2 同年 汤姆逊用电子束通过金箔也获得 了同样图纹 1928年以后发现了质子射线 粒子 射线 中子射线 并符合德布罗意公式 这就充分 证实了他的假设 Date

7、22 电子衍射实验图谱 Date23 1 物质波 概率波 采用照像的方法可得到电子衍射实验同样 的图案 这就显示出电子的波动性 电子波 动性是许多相互独立的电子在完全相同的情 况下运动的统计结果 实物粒子二象性的统计解释 Date24 区别 机械波 媒质质点的振动在空间的传播 物质波 微粒在空间出现的概率 概率波 电子衍射图纹中 衍射强度大的地方电子出现的 概率就大 衍射强度小的地方电子出现的概率就小 Date25 8 1 3 测不准原理 1 测不准原理 1926年 电子衍射实验表明 具有波动 性的电子等微观粒子是没有确定的 运动轨道 电子经过晶体后每次到 达什么地方无法准确预测 对于具有波粒

8、二象性的微粒而 言 不可能同时准确测定它们在某 瞬间的位置和速度 或动量 海森堡 Date26 以数学表达式表示为 为位置不准量为动量不准量 Date27 例 质量为50g的子弹 V 300m s 1 0 01 300 解 对于同样速度的电子 2 4 cm 这一计算结果已没有实际意义了 Date28 8 1 4 波函数 薛定谔方程 1 波函数 1926年薛定谔提出了描述微观粒子运动的基本方程 Date29 式中 称为波函数 E为原子的总能量 V为原子核对电子的吸引能 m为电子的质量 h 为普朗克常数 x y z 为电子的空间坐标 对于氢原子来说 是描述氢原子 核外电子运动状态的数学表达式 奥地

9、利科学家 薛定谔 Date30 在经典力学中 物体在任一瞬间的状态可用坐标和动量 或速度 来描述 但在原子内运动着的电子由于测不准 关系 不能用经典力学来处理 具有波粒二象性的微观粒子的运动状态就必需用特定的 波函数来描述 其合理的一个解 代表着电子的一种运动状态 n个 代表着电子的n个运动状态 8 1 4 波函数 薛定谔方程 Date31 坐标变换 Date32 在这里我们无需了解它的求解过程 而只注重其解 的结果 称为径向部分 径向波函数 称为角度部分 角度波函数 我们对微观粒子的运动性质可用波函数 波动 方程来描述 但这是概率波 它不能用经典的牛顿力 学来描述 它没有一个确定的运动规道

10、只有出现的 概率大小 Date33 核外电子运动状态的描述 描述氢原子与类氢离子的球坐标 Date34 8 2 2 量子数及其物理意义 薛定谔方程在数学上有很多解 即符合方程的 有多个 原子中电子运动状态的描述 不是所有的 都是合理的 只有那些符合特定的物理条件的 连 续 单值 有限 归一 才是方程的合理解 这些特定条件的出现和限制就自然地得到了各个量 子数和能量量子化的结果 薛定谔方程每一个合理的解 i代表了原子中电子一种可 能的运动状态 其对应的能量值就是该定态对应的能级 Date35 8 2 2 量子数及其物理意义 根据薛定谔方程的求解 原子轨道 这里完全 不同与玻尔的原子轨道 是由主量

11、子数 n 角量子 数l 磁量子数 m来决定 这些量子数决定轨道的能 量 形状和伸展方向 Date36 8 2 2 量子数及其物理意义 1 主量子数 n 决定了电子在核外出现概率最大区域 电子 层 离核的远近及其能量的高低 n 值 1 2 3 4 5 6 n 值代号 K L M N O P 主量子数如果更要与旧量子论相连系 那就是 我们所知的电子层 Date37 8 2 2 量子数及其物理意义 2 角量子数 l 决定原子轨道的能量和形状 它的取值主要取决于 n 当 n一定时 l 可取值为 0 1 2 3 n 1 L 值 0 1 2 3 符 号 s p d f 符号 s p d 形状 球形 无柄哑

12、铃形 梅花瓣形 旧称 亚层 Date38 8 2 2 量子数及其物理意义 3 磁量子数 m l 值相同的电子 具有确定的原子轨道形状 但有不同 的伸展方向 磁量子数就是 描述原子轨道在空间的伸展方向 当l一定时m的取值为 磁量子数共可取 2 l 1 个值 例 当角量子数l等于 1时 磁量子数可取 1 0 1 这也就表明该原子轨道在磁场中有三个伸展方向 Date39 8 2 2量子数及其物理意义 4 自旋量子数 ms 自旋量子数 m s 不受上述三个量子数的限制 电子的自旋可有两个相反的方向 所以自旋量子 数 只有2个值 1 2 1 2 通常用 和 表示 总结 描述原子核外某一个电子运动状态就必

13、需用 四个量子数 Date40 原子轨道 atomic orbital 描述原子中单个电子运动状态的波函数 n l m r 常称作原子轨道 原子轨道 仅仅是波函数的代名词 绝无经典力学中的 实际轨道的含义 8 2 2 量子数及其物理意义 Date41 设 n l m r Rn l r Yl m 空间波函数 径向部分 角度部分 n l m 波函数 n l m r 原子轨道 atomic orbital n l En l 决定原子轨道的能量 波函数图形又称为 原子轨道 函数 图形 8 2 2 量子数及其物理意义 Date42 主量子 数n 轨轨道角 动动量量子 数l 磁量子 数m 波函数 同层轨层

14、轨 道数 n2 容纳电纳电 子数 2n2 100 1s12 2 00 2s 48 1 0 1 2pz 2px 2py 量子数组合和原子轨道数 Date43 主量子 数n 轨轨道角 动动量量子 数l 磁量子 数m 波函数 同层轨层轨 道数 n2 容纳电纳电 子数 2n2 3 00 3s 918 1 0 1 3pz 3px 3py 2 0 1 2 3dz2 3dxz 3dyz 3dxy 3dx2 y2 Date44 Date45 1 n 3的原子轨道可有哪些轨道角动量量子数和磁 量子数 该电子层有多少原子轨道 解 当 n 3 l 0 1 2 当 l 0 m 0 当 l 1 m 1 0 1 当 l

15、2 l 2 1 0 1 2 共有9个原子轨道 Date46 四个量子数描述核外电子运动的可能状 态 例 原子轨道 ms n 1 1s 1个 1 2 n 2 l 0 m 0 2s 1个 1 2 l 1 m 0 1 2p 3个 1 2 n 3 l 0 m 0 3s 1个 1 2 l 1 m 0 1 3p 3个 1 2 l 2 m 0 1 2 3d 5个 1 2 n 4 Date47 8 2 2 量子数及其物理意义 原子轨道的 2p 状态 n 2 l 1 m 1 0 1 共为三组 2 1 1 2 1 0 2 1 1 这种因 n 和 l 相同 而 m不同的三种组合 n l m 在量子力学中称为等价轨道

16、也叫简并轨道 它 们的能量相同 但空间伸展方向不同 Date48 量子数及其物理意义 同一轨道中最多容纳两个电子且自旋方向相反 因此 每个电子的运动需用4个量子数n l m以及ms来 描述 缺一不可 例如n 2 l 1 m 1 ms 1 2 指的是第2电子层p亚层中2py轨道上自旋方向以 1 2 为 特征的那个电子 例题 补足下列缺少的量子数 n 3 l 1 m ms 1 2 在同一原子中没有n l m及ms完 全相同的两个电子存在 保里不相容原理 Date49 8 2 3 概率密度和电子云 在原子核外某处单位体积内电子出现的概 率 用 2 来表示 概率密度和概率是两个概念 概率密度和 该空间区域体积的乘积才是电子在此区域中 出现的概率 1 概率密度 Date50 2 电子云 为了形象化地表示出电子的概率密度分布 可以将其 看作为带负电荷的电子云 电子云的正确意义并不是电子真的象云那样分散 不 再是一个粒子 而只是电子行为统计结果的一种形象表 示 电子云图象中每一个小黑点表示电子出现在核外空 间中的一次概率 概率密度越大 电子云图象中的小黑 点越密 8 2 3 概率密度和电子云 Dat