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1、第 1 章,原子结构和 元素周期表,1初步了解原子核外电子运动的近代概念、原子能级、 波粒二象性、原子轨道和电子云概念。,2了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌握 四个量子数的物理意义、取值范围。,3熟悉 s、p、d 原子轨道的形状和方向。,4理解原子结构近似能级图，掌握原子核外电子排布 的一般规则和s、p、d、f 区元素的原子结构特点。,5会从原子的电子层结构了解元素性质，熟悉原子半 径、电离能、电子亲和能和电负性的周期性变化。,1.1 亚原子粒子 Subatomic particles,1.2 波粒二象性 赖以建立现代模型的量子力学 概念 Wave-particle duality
2、a fundamental concept of quantum mechanics,1.3 氢原子结构的量子力学模型 波尔模型 The quantum mechanical model of the structure of hydrogen atom Bohrs model,1.4 原子结构的波动力学模型 The wave mechanical model of the atomic structure,1.5 多电子原子轨道的能级 Energy level in polyelectronic atoms,1.6 基态原子的核外电子排布 Ground-state electron conf
3、iguration,1.7 元素周期表 The periodic table of elements,1.8 原子参数 Atomic parameters,1.1 亚原子粒子 Subatomic particles,1.1.1 化学研究的对象 The object of chemical study,1.1.3 夸克 Quark,1.1.2 亚原子粒子（基本粒子） Subatomic particles ( elementary particles),1.1.1 化学研究的对象,哪些是关键性的问题呢？ 化学反应的性能问题;化学催化的问题;生命过程中的化学问题。,当今化学发展的趋势大致是： 由宏
4、观到微观，由定性到定量，由稳定态向亚稳态，由经验上升到理论并用理论指导实践，开创新的研究。,1.1.2 亚原子粒子,人们将组成原子的微粒叫亚原子粒子。亚原子粒子曾经也叫基本粒子, 近些年越来越多的文献就将其叫粒子。迄今科学上发现的粒子已达数百种之多。,1.1.3 夸克,根据 1961 年由盖尔-曼（Gell M-Mann）建立的新模型， 质子和中子都是由更小的粒子夸克组成的， 但现有的理论还不能预言 (当然更不用说从实验上证明)电子是可分的。,1.2 波粒二象性 赖以建立现代 模型的量子力学概念 Wave- particle duality a fundamen- tal concept of
5、 quantum mechanics,1.2.3 微粒的波动性 Wave like particle,1.2.2 波的微粒性 Particle like wave,1.2.1 经典物理学概念面临的窘境 An embarrassment of the concepts of the classical physics,1.2.1 经典物理学概念面临的窘境,Rutherford “太阳-行星模型 ”的要点：,1. 所有原子都有一个核即原子核(nucleus)； 2. 核的体积只占整个原子体积极小的一部分； 3. 原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上； 4. 电子像行星绕着太阳那样绕核运动。,在对粒
6、子散射实验结果的解释上, 新模型的成功是显而易见的, 至少要点中的前三点是如此。,根据当时的物理学概念, 带电微粒在力场中运动时总要产生电磁辐射并逐渐失去能量, 运动着的电子轨道会越来越小, 最终将与原子核相撞并导致原子毁灭。由于原子毁灭的事实从未发生, 将经典物理学概念推到前所未有的尴尬境地。,经典物理学概念面临的窘境 ？,会不会？！,1.2.2 波的微粒性, 电磁波是通过空间传播的能量。可见光只不过是电 磁波的一种 。,电磁波在有些情况下表现出连续波的性质，另一些情况下则更像单个微粒的集合体，后一种性质叫作波的微粒性。,1900年, 普朗克 (Plank M) 提出著名的普朗克方程：E =
7、 hv 式中的h叫普朗克常量(Planck constant), 其值为6.62610-34 Js。,普朗克认为, 物体只能按hv的整数倍(例如1hv, 2hv, 3hv等)一份一份地吸收或释出光能, 而不可能是0.5 hv, 1.6 hv, 2.3 hv等任何非整数倍。即所谓的能量 量子化概念。,普朗克提出了当时物理学界一种全新的概念, 但它只涉及光作用于物体时能量的传递过程(即吸收或释出)。, Plank 公式,爱因斯坦认为, 入射光本身的能量也按普朗克方程量子化, 并将这一份份数值为1hv的能量叫光子(photons), 一束光线就是一束光子流. 频率一定的光子其能量都相同, 光的强弱只
8、表明光子的多少, 而与每个光子的能量无关。,爱因斯坦对光电效应的成功解释最终使光的微粒性为人们所接受。, 光电效应,1905年, 爱因斯坦(Einstein A)成功地将能量量子化概念扩展到光本身,解释了光电效应(photoelectric effect) 。,钾的临界频率为 5.01014 s-1, 试计算具 有这种频率的一个光子的能量。对红光和黄光进行类似的计算, 解释金属钾在黄光作用下产生光电效应而在红光作用下却不能。,E(具有临界频率的一个光子) = 6.62610-34 Js 5.01014 s-1 = 3.310-19 J E(黄光一个光子) = h= 6.62610-34 Js
9、5.11014 s-1 = 3.410-19 J E(红光一个光子) = h= 6.62610-34 Js 4.61014 s-1 = 3.010-19 J,Question 1,Solution,另一面谁来翻开？,波的微粒性,导致了人们对波的深层次认识，产生了讨论波的微粒性概念为基础的学科 量子力学(quantum mechanics）。,钱币的一面已被翻开！,Einstein 的光子学说,电子微粒性的实验,Plank 的量子论,1.2.3 微粒的波动性,德布罗依1924 年说：, 德布罗依关系式 一个伟大思想的诞生,h 为Planck 常量,著名的德布罗依关系式,“ 过去，对光过 分强调波
10、性而忽 视它的粒性；现在对电子是否存在另一种倾向，即过分强调它的粒性而忽视它的波性。”,1927年，Davissson 和 Germer 应用 Ni 晶体进行电子衍射实验，证实电子具有波动性。,(a),(b),电子通过A1箔(a)和石墨(b)的衍射图, 微粒波动性的近代证据 电子的波粒二象性,K,V,D,M,P,实验原理,微观粒子电子：,由于宏观物体的波长极短以致无法测量，所以宏观物体的波长就难以察觉，主要表现为粒性，服从经典力学的运动规律。只有像电子、原子等质量极小的微粒才具有与X射线数量级相近的波长,才符合德布罗依公式。,波粒二象性是否只有微观物体才具有？,Question 2,Solut
11、ion,H+ H H- D He,1.3 氢原子结构的量子力学模型：玻 尔模型 The quantum mechanical model of the structure of hydrogen atom Bohrs model,特征: 不连续的、线状的; 是很有规律的。,氢原子光谱由五组线系组成, 任何一条谱线的波数(wave number)都满足简单的经验关系式:,如：对于Balmer线系的处理,n = 3 红 （H） n = 4 青 （H ） n = 5 蓝紫 （ H ） n = 6 紫 （H ）,玻尔模型认为, 电子只能在若干圆形的固定轨道上绕核运动。它们是符合一定条件的轨道：电子的轨
12、道角动量L只能等于h/(2)的整数倍：,从距核最近的一条轨道算起, n值分别等于1, 2, 3, 4, 5, 6, 7。根据假定条件算得 n = 1 时允许轨道的半径为 53 pm, 这就是著名的玻尔半径。,关于固定轨道的概念,原子只能处于上述条件所限定的几个能态。,指除基态以外的其余定态. 各激发态的能量随 n 值增大而增高。电子只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态。,定态(stationary states)：,所有这些允许能态之统称。电子只能在有确定半径和能量的定态轨道上运动, 且不辐射能量。,基态(ground state):,n 值为 1 的定态。通常电子保持在能量最低的这一基态。
13、基态是能量最低即最稳定的状态。,激发态(excited states):,关于轨道能量量子化的概念,关于能量的吸收和发射,E: 轨道的能量 ：光的频率 h: Planck常量, 计算氢原子的电离能, 说明了原子的稳定性, 对其他发光现象（如射线的形成）也能解释, 不能解释氢原子光谱 在磁场中的分裂, 不能解释氢原子光谱 的精细结构, 不能解释多电子原子 的光谱,Why？,请计算氢原子的第一电离能是多少？,（氢原子的第 一电离能）,（氢原子其他能级的能量）,Question 3,Solution,1.4.1 不确定原理和波动力学的轨道 Uncertainty principle and orbi
14、tal on the wave mechanical model,1.4 原子结构的波动力学模型 The wave mechanical model of atomic structure,1.4.2 描述电子运动状态的四个量子数 Four quantum nummers defining the movement state of electron,1.4.4 波函数的图形描述 Portrayal of wave functions,1.4.3 薛定谔方程和波函数 Schrdinger equation and wave functions,1.4.1 不确定原理和波动力学的轨道概 念, 重
15、要暗示不可能存在 Rutherford 和 Bohr 模型中 行星绕太阳那样的电子轨道。, 具有波粒二象性的电子，不再遵守经典力学规律， 它们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间概率分 布。实物的微粒波是概率波。,（1）主量子数 n (principal quantum number),1.4.2 描述电子运动状态的四个量子数, 与电子能量有关，对于氢原子，电子能量唯一决 定于n, 确定电子出现概率最大处离核的距离, 不同的n 值，对应于不同的电子壳层 . K L M N O., 与角动量有关，对于多电子原子, l 也与E 有关 l 的取值 0，1，2，3n-1(亚层） s, p, d, f.
16、 l 决定了的角度函数的形状,（2） 角量子数l (angular momentum quantum umber), 与角动量的取向有关，取向是量子化的 m可取 0，1, 2l 取值决定了角度函数的空间取向 m 值相同的轨道互为等价轨道,（3） 磁量子数m ( magnetic quantum number),s 轨道(l = 0, m = 0 ) : m 一种取值, 空间一种取向, 一条 s 轨道,p 轨道(l = 1, m = +1, 0, -1) m 三种取值, 三种取向, 三条等价(简并) p 轨道,d 轨道(l = 2, m = +2, +1, 0, -1, -2) : m 五种取值, 空间五种取向,
