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1、第五章 原子结构和元素周期律,第一节 原子内部的发现第二节 氢原子光谱和玻尔氢原子理论第三节 微观粒子的波粒二象性及其运动规律 第四节 原子核外电子运动状态的描述 第五节 原子轨道和电子云的分布图 第六节 核外电子的运动状态 第七节 多电子原子结构,一、了解微观粒子运动的特点，学习运用统计规律理解微观粒子 的波粒二象性；二、理解波函数角度分布图，电子云角度分布图和电子云径向 分布图；三、掌握四个量子数的量子化条件及其物理意义，以及对电子 运动状态的描述；四、掌握多电子原子近似能级图，根据核外电子排布的三条原则 熟练写出原子核外电子排布式和价电子构型；五、明确原子的电子构型和元素周期律的关系，元
2、素的某些性质 （如：原子半径、电离能、电子亲合能和电负性）与原子结构 的关系。,本章学习要求,第一节 原子内部的发现,1808年英国化学家Dalton（近代化学之父）创立的原子学说，虽为近代化学的发展奠定了理论基础。但它的巨大缺陷和错误统治了相当长的时期，阻碍了原子结构理论的发展。直至19世纪末20世纪初科学上的一系列重大发现，初步揭开了原子内部结构的奥秘。,1、天然放射性的发现,1896年法国物理家Becquerel研究物质时，偶然发现铀矿放射出肉眼看不到的射线。,1898年Curie夫人亦发现Po、Ra亦具有天然放射性。,2、电子的发现,1897年英国物理学Thomson在研究阴极射线的本
3、质时，发现它是一群带负电的粒子流。,打开了人类通往原子科学的大门，标志着人类对物质结构的认识进入了一个新的阶段。,电子的电量为,1909年，美国物理学家Millikan设计了油滴实验，得到e,3、原子结构模型的建立,（1）Thomson“葡萄干蛋糕”模型,e=1. 60210-19C,me=9.11 10-31kg,（2）Rutherford“太阳行星”模型,a.原子由原子核和电子所组成,b.原子核的体积很小，带正电荷，它 的质量代表整个原子的质量,c.电子绕着核做圆周运动，并有不同的运动轨道， 就像行星绕太阳一样,1910年，Rutherford和他的合作者进行了a粒子散射实验,会不会？！,
4、该模型的缺点：,根据物理学概念, 带电微粒在力场中运动时总要产生电磁辐射，逐渐失去能量, 电子的运动轨道会越来越小, 最终将与原子核相撞并导致原子毁灭。但原子毁灭的事实从未发生。,（3） Bohr理论,Plank的量子化理论,该理论认为:,物质吸收光或放出光的能量是不连续的，即量子化的,光的能量具有最小单位光子,E = hv,E光子的能量,光的频率,c光的速度2.997108 ms-1,波长,h-Plank常数,h= 6.62610-34 JS,=hc /,1900年 德国物理学家Plank提出了著名的、当时被喻为物理学上的一次革命的量子理论。, Bohr理论,1885年，瑞士的中学教师Bal
5、mar总结了公式：,任何元素在被加热时都会释放出含有特定波长的光线 。焰色反应，钠盐-黄光；钾盐-紫光,在可见光区间内，氢原子的光谱线依次为：656，486，434，410纳米,1913年，Bohr在Planck量子论、氢原子光谱实验和Rutherford有核原子模型的基础上，提出了原子结构的模型,原子有一系列定态轨道，每个定态轨道有一个能量E，电子在这些定态轨道上绕核做圆周运动，角动量满足h/2p的整数倍：既不放出能量，也不吸收能量，而处于稳定的状态。每个定态轨道上的能量E是量子化的。,当电子从一个定态轨道跃迁到另一个定态轨道时，就会吸收或放出频率为v =E/h 的光子，光子的频率也是量子化
6、的。,轨道离核越远，能量越高。当电子处在离核最近的轨道时，它们处于最低能量的状态，称为基态。当原子从外界获得能量时，电子可以跃迁到离核较远的高能量轨道上，这种状态称为激发态。,第二节 氢原子光谱和玻尔氢原子理论,一、连续光谱和线状光谱,红 橙 黄 绿 青 蓝 紫,光谱之间没有明显的界限，如太阳光、白炽灯发出的光。,气体原子被火花、电流等激发而产生的光，经过分光后，得到的是有明显界限的谱线。 焰色反应 原子光谱,二. 氢原子光谱,H,H,H,线状光谱,H,在某一瞬间，一个氢原子只能释放出一条谱线，许多氢原子才能释放出许多谱线，我们在实验中所以能够同时观察到全部谱线，是无数个氢原子受到激发到了高能
7、级，而后又回到低能级的结果。,说明,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,1885年，瑞士一位中学教师Balmar找出氢原子光谱可见光区各谱线的波长有如下关系：,n = 3, 4, 5, 6,n = 3 红（H）,n = 4 青（H ）,n = 5 蓝（ H）,n = 6 紫（H ）,RH：里德伯(Rydberg)常数，其值为3.2891015s-1,氢原子各谱线间频率的关系也可用下式表示：,R：Rydberg常数，其值为1.097105cm-1。,波数，即波长的倒数,1913年，瑞典光谱学家Rydberg提出了应用于所有氢原子光谱的通式：,氢原子光谱由五组线系组成,
8、Lyman系,Balmer线系,Paschen系,Brackett系,Pfund系,任何一条谱线的频率都满足简单的经验关系式:,三、玻尔理论对氢原子光谱的解释,1、玻尔根据经典力学原理，计算了电子运动的轨道 半径r和电子的能量E。,电子绕核作圆周运动的向心力是由核与电子之间的静电引力提供的，故有：,求得：,根据角动量,式中k=8.988109Nm2C-2，h=6.62610-34Js，m=9.11010-31kg，Z=1，e=1.60210-19C，所以,2、电子的总能量,EE动+E势,电子的能量即氢原子各轨道的能量也是量子化的。,电子绕核运动的轨道半径是量子化的。,将电子从离质子无限远处(势
9、能为零)移入电场中距质子为r的轨道中，这时的功可以认为是电子的势能,r=5.2910-11n2(m),=52.9n2(pm),式中n=1、2、3.，,n=1时，r=52.9pm，称为波尔半径,3、氢原子的电离能I,使电子从n=1的轨道变为自由电子 （n=）所 需的能量,I=E=EE1=0(-13.6/12)=13.6eV,4、氢原子从高能级向低能级跃迁时所发射的光子的能量hv=E=E2-E1, 计算氢原子的电离能, 解释了 H 及 He+、Li2+、B3+等单电子单核原子的光谱, 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,1922年的诺贝尔物理学奖。, 不能解释氢原子光谱
10、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？,第三节 微观粒子的波粒二象性及其运动规律,1、光的波粒二象性,英国Newton微粒学说，荷兰Hugens波动学说，这两种学说争论了近两个世纪，直至1905年著名的物理学家Einstein成功的解释了光电效应后，把光的粒子性和波动性巧妙的统一起来。,光既具有波动性又具有粒子性-波粒二象性,P = mc = E/c = hv/c = h/,P、E体现粒子性,v、体现波动性,二者由h联系起来，揭示了光的本质,与光类似的微观粒子，如电子是否也具有波粒二象性呢？,1924年，年仅31岁的法国人Louis de Br
11、oglie在光的波粒二象性的启发下，提出微观粒子，如电子、原子、中子、质子等都具有波粒二象性。,他的这一提法震惊了整个科学界，同时受到了众多知名科学家的嘲讽与漫骂（这如同当初哥白尼提出日心学说一样）。,但Einstein立即看到这非同一般的意义，冒着风险，以个人的名义写信给予充分的肯定和鼓励。果然三年后，即1927年他的这一预言，被英国物理学家Thomson的电子衍射现象所证明。,2、 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 常数，m是电子的质量，v是电子的速度，P是电子的动量，这种波称为物质波，也称为德布罗意波。,“ 过去，对光过 分
12、强调波性而忽 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。”, 光的波动性的直接证据 光的衍射和干涉,1929 年因其在电子的波动性方面的工作而获诺贝尔物理学奖,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,两人合得了1937年的诺贝尔物理学奖。,微观粒子电子：,宏观物体子弹：,让我们选一个微观粒子和一个很小的宏观物体进行一项计算：,显然，包括宏观物体如运动着的垒球和枪弹等都可按德布罗意公式计算它们的波长
13、。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。只有象电子、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，表现出波性。,m = 1.0 10-2 kg, = 1.0 103 m s-1, = 6.6 10-35 m,问题： 波粒二象性是否只有微观物体才具有？,3、Heisenberg测不准原理,xp h,x粒子位置的测不准量,p动量的测不准量,重要暗示不可能存在 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。
14、,对运动中的微观粒子来说，不能同时准确确定它的位 置和动量。位置的不确定度愈小，则动量的不确定度 越大。反之亦然。,1926年，德国物理学家海森堡提出了著名的不确定原理，又称测不准原理。,第四节 原子核外电子运动状态的描述,一.Schrdinger方程,核外电子运动状态的波动方程,求解薛定谔方程，就要解出和能量E，那是很深的数学知识，不是我们研究的内容。 我们所需要的是它的求解结果，以及求解的应用（仅讨论其求解结果）。,在薛定谔方程中，包含着体现微粒性的m和波动性的两种物理量，因此它能准确的描述电子的运动状态,发音为psai,1、波函数的含义：波函数是量子力学 中描述电子在 空间运动状态的数学
15、表 达式。2、薛定谔方程是一个二阶偏微分方程，解得的不是具体的数值, 而是包括三个常数(n, l, m)和三个变量(r,)的函数式 n, l, m (r,)。一个波函数表示电子的一种运动状态。3、数学上可以解得许多个n, l, m (r,) , 但其物理意义并非都合理;为了得到合理解, 三个常数项只能按一定规则取值, 很自然地得到三个量子数。有合理解的函数式叫做波函数(Wave functions), 它们以n, l, m的合理取值为前提。,波函数 = 薛定谔方程的合理解 = 原子轨道,二、薛定谔方程的变换,直角坐标( x,y,z)与球坐标(r,)的转换,r : 径向坐标, 决定了球面的大小: 角坐标, 由 z轴沿球面延伸至 r 的弧线 所表示的角度.: 角坐标, 由 r 沿球面平行xy面延伸至xz 面的弧线所表示的角度.,变换后的Schrodinger 方程为：,
