大学医用化学

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1、第九章 原原 子子 结结 构构 和元素周期律和元素周期律 （Atomic Structure and Periodiclaw of Elements）李尚德 22896567(办) 22896477（宿）物质分子原子化学键堆积原子核核外电子物质的化学变化一般只涉及核外电子运动状态的改变原子结构主要是研究核外电子的运动状态及其排布规律核外电子运动状态及特性核外电子运动状态及特性第一节一一. .氢光谱和氢原子的氢光谱和氢原子的BohrBohr理论理论(一).原子结构的认识史1. 古原子学说2. Rutherford 有核原子模型-粒子散射实验:-粒子： He+2核外电子有怎样的状态呢？连续连续 光

2、谱谱：白光通过棱镜分光得到没有 明显分界线的光谱。1885年Balmer J是发现可见光区谱线的波 长有简单的规律。原子得到能量会发发出单单色光，经过经过 棱镜镜 分光得到线线状光谱谱。3. Bohr 理论：(1). 能级假说：定态：电子在轨道上运动时，不吸收也不辐射 能量。能级：轨道上电子有特定的能量值。E= -RH n2RH=2.1810-18Jn=1,2,3Bohr N+量子化轨道定态能量具有确定值基态激发态能量最低n=1n=2n=3量子化-表征微观粒子运动 状态的某些物理量只能不连续 的变化，称为量子化E = - 2.1810-18 JE= -RH n2RH=2.1810-18Jn=1

3、,2,3主量子数氢原子基态n=1能量氢原子第一激发态n=2能量E = -(2.1810-18)/4 J(2).能级间的跃迁电子由一定态跃迁到另一定态时要吸收 或放出能量跃迁：电子的能量由一个能级改变到另一个能级。+基态(n1)激发态(n2)+基态(n1)激发态(n2)吸收能量+E = En2 - En1 =h基态(n1)激发态(n2)吸收能量+E = En1 - En2 =- h基态(n1)激发态(n2)放出能量 Bohr理论的成功之处：运用了量子化的观点，可解释氢原子光谱。 Bohr理论的不足之处：没有完全摆脱经典力学的束缚，无法解释 多电子原子光谱。（微观粒子的运动规律需用量子力学处理）(

4、二).电子的波粒二象性1. Einstein 光子论学说确立了光具有波粒二象性。光具有波的性质，能量：E=h光具有粒子的性质，动量：p=mcEinstein方程式E=mc2 与 =c/=h/mc联系光的波动性和粒子性的关系式2. de Broglie 关系式= h/p = h/mv de Broglie L粒子性物理量 （p, m, v)波动性物理量（ )Planck常数（h )= 6.62610-34 Js = = -phh mvde Broglie关系式 1927年戴维思(Davisson)和革末 (Germer) 借鉴X衍射实验;得到了电子衍射图，证实了de Broglie 假设。电子衍

5、射图的意义电子具有波动性明纹暗纹电子波是概率波明纹波强度大电子出现概率大 暗纹波强度小电子出现概率小例9-1（1）在1V电压下，电子的运动 速度为5.9105 ms-1 ，电子的质量为 9.110-31 kg，试计算电子波的波长。解：解： = -h mv例9-1（1）在1V电压下，电子的运动 速度为5.9105 ms-1 ，电子的质量为 9.110-31 kg，试计算电子波的波长。解： = -h mv= 6.62610-349.110-315.9105例9-1（1）在1V电压下，电子的运动 速度为5.9105 ms-1 ，电子的质量为 9.110-31 kg，试计算电子波的波长。解： = -h

6、 mv= 6.62610-349.110-315.9105= 1.210-10(m)例9-1（1）在1V电压下，电子的运动 速度为5.9105 ms-1 ，电子的质量为 9.110-31 kg，试计算电子波的波长。= 1200pm例9-1（2）质量为1.010-8 kg的沙粒 以1.010-2ms-1的速度运动,波长是多少。解：例9-1（2）质量为1.010-8 kg的沙粒 以1.010-2ms-1的速度运动,波长是多少。解：= -h mv例9-1（2）质量为1.010-8 kg的沙粒 以1.010-2ms-1的速度运动,波长是多少？解：= -h mv6.62610-341.010-81.01

7、0-2= 6.610-24(m)=说明:物质的质量愈大,波长愈小= -hmvde Broglie关系式电子= 1.210-10 (m)沙粒= 6.610-24 (m)宏观物体的波长，小到难以测量，以致其波动性难以察觉，仅表现出微观世界粒子质量小，其波长不可忽略而表现出= 1200pm粒子性波动性(三).测不准原理宏观物体运动状态可同时准确测定运动坐标和动量有确定的运动轨道微观粒子运动状态无法同时准确测定运动坐标和动量没有确定的运动轨道Heisenberg WHeisenberg测不准关系式x px h / 4x 为x方向位置的测不准量px 为x方向的动量测不准量意义：具有波动性的粒子没有确定运

8、动轨道，只能用其在空间某一微区域可能出现的几率大小来描述它的运动状态。意义： 具有波动性的微观粒子没有确定运动轨道。 Heisenberg测不准关系式x px h / 4核外电子运动状态及特征结论：微观电子运动不能同时准确测定其坐标和动量。 微观粒子只能用其在空间某一微区域可能出现的几率大小来描述它的运动状态。例9-2 电子在原子核附近运动的速度约为6106ms-1,原子半径约10-10m。若速度误差为1%，电子的位置误差x有多大？xh/4mv = 解：v = 6106ms-1 0.01 = 6104ms-16.626 10-34kgm2s-14 9.110-31kg6 10-4ms-1=11

9、0-9mx比原子半径大10倍，无精确的位置。(四).氢原子的波函数de Broglie关系式仅适用于无作用力下微观粒子的运动。原子中核外电子要受到原子核和其它电 子的作用， 核外电子的运动就不适用于 de Broglie关系式。薛定谔（Schrdinger)方程式e2 2ex+e2 2ey+e2 2ez+22h(E-V) = 08mx、y、z 电子在空间的坐标m 电子的质量E 电子的总能量V 电子的势能 电子的波函数粒子性波动性方程式的解Schrdinger E波函数绝对值的平方2有明确的物理 意义波函数( )描述电子的运动状态，但 没有明确的物理意义。2表示在原子核外空间某点电子出现的概率密

10、度。薛定谔方程的解 波函数（）即在该点处单位体积中电子出现的概率以2对(r,)作图。黑色深的地方表示电 子的概率密度大，浅的地方概率密度小。形象化表示电子概率 密度的几何图形电子云。通过解薛定谔方程式得到的每个合理解 波函数，描述原子中一个电子的运动 状态，又常称为原子轨道。第一节小结： Borh 理论的基本要点， 核外电子运动的特性：微粒二象性统计性能量量子化 微观粒子的运动遵循测不准原理， 电子的运动状态用波函数来描述。量子数和原子轨道量子数和原子轨道第二节H He+ Li2+核外只有一个电子可精确求解其Schrodinger方程 把直角坐标换成极坐标氢原子的波函数一、量子数r( r,)P

11、 ( x, y, z )zxy直角坐标与球极坐标的关系氢原子的波函数0Pr( r,)P ( x, y, z )zxyP直角坐标与球极坐标的关系氢原子的波函数O( r,)量子数引入三个取值一定的参数薛定谔方程才有合理的解n，l，m (r,)代表一个原子轨道nl m（电子的运动状态）氢原子的波函数氢原子的波函数1、三个量子数的取值和物理意义(1) 主量子数(n):主量子数是描述电子层能量的高低次序和离 核远近的参数；它的取值可为除零以外的正整数，例如 n=1,2,3,4等正整数。主量子数(n) 1 2 3 4 5 6 电子层 K L M N O P 氢原子的波函数1、三个量子数的取值和物理意义(2

12、) 角量子数(l):n值相同时,电子云形状不同,能量稍有差别(“亚层”)角量子数是描述原子轨道或电子云的不同形状 ；l 取值: : n值确定后,l = 0,1,(n-1)的正整数；角量子数(l) 0 1 2 3 4 5 亚层符号 s p d f g h 氢原子的波函数1、三个量子数的取值和物理意义(3) 磁量子数(m):l 值相同的电子,具有确定的电子云形状,但可 以有不同的伸展方向；磁量子数是描述原子轨道或电子云在空间的伸 展方向；m取值: : - l0+ l 共(2l+1)个值。通常把n、l 以及m都确定的电子运动状态称为 原子轨道。1、三个量子数的取值和物理意义nlm物理意义取值规律决定

13、电子离核的远近 和能量的高低(电子层数)1、2、3n决定原子轨道形状 和能量的高低(能级或亚层)0、1、2、3(n-1) s、p、d、f 决定原子轨道在空 间的伸展方向0、1、2l主量子数轨道角动 量量子数磁量子数氢原子的波函数2、量子数组合与轨道数n l m 同层轨道数(n2) 能级1 0 011s (或1、0、0）2 0 02s1 02pz *412px ,2py氢原子的波函数2、量子数组合与轨道数3 0 03s1 03pz * 92 03dz2 *3dxy ,3d(x2-y2)n l m 同层轨道数(n2) 能级13px ,3py13dxz,3dyz2氢原子的波函数* 简并(等价)轨道:

14、能量相同即能级相同3、自旋角动量量子数（S) 表示电子自旋方向的量子数氢原子的波函数3、自旋角动量量子数（S) 表示电子自旋方向的量子数取值：+ 、- （或和）特点：与n、l、m无关结论：描述原子轨道： n、l、m描述电子运动状态： n、l、m、 S1 21 2氢原子的波函数nsns： n、l = 0、m = 0 一个原子轨道np1np：n、l = 1、m = 1 pX pZ pY三个简并(原子)轨道0m 1 0 1氢原子的波函数ndnd：n、l = 2、m = 2 10 1 2m 2 1 0 1 2 五个简并（原子）轨道dX2Y2dYZdZ2dXZdXY氢原子的波函数取值问题n l = 0、1、2、 n1 m = 0、1、 2、 l 合理的取值：例：n=1， l=0，m=0 n=2， l=0，m=0 n=2， l=1，m=0 n=2， l=2，m=0 氢原子的波函数（2l+1)个值n个值下列各套量子数中哪些是不可能存在的