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1、第五章 原子结构与元素周期表Atomic Structureandthe Periodic Table of Elements微观粒子的波粒二象性 氢原子光谱与玻尔理论 波函数和原子轨道 几率密度和电子云 主量子数 n 角量子数 l 磁量子数 m 自旋量子数 ms四个量子数径向分布函数和角度分布图 屏蔽效应和钻穿效应 多电子原子的原子轨道能级 基态原子的电子排布 原子结构与元素周期系 元素周期律 原子半径 电离能 电子亲和能 电负性原 子 结 构核外电 子的运 动状态原子核 外电子 的排布原子参数本章内容本章重点、难点与要求1 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
2、电子云概念。2 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 。3 在了解核外电子运动状态和规律的基础上， 理解四个量子数的物理意义和量子化条件。 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 。 明确原子的电子构型和元素周期律的关系（ 周期、族、区的划分）。 熟悉元素的某些性质（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，及其在周期表中的变化规律。 第一节 波粒二象性 Wave-particle duality5.1.3 微粒的波动性 Wave - like particle5.1.2 波的微粒性 Parti
3、cle - like wave 5.1.1 能量量子化 Energy quantization 5.1.4 海森堡不确定原理 Uncertainty principle现代原 子结构 的实验 和理论 基础1900年，普朗克 (Plank M)在研究黑体辐射时，为解释辐射能量与辐射频率的关系，提出著名的普朗克方程：普朗克认为，辐射物体的辐射能只能按hv的整数倍(例如1hv, 2hv, 3hv等)一份一份地吸收或释出能量，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 能量(当时指的辐射能振荡的原子能
4、量)的传递过程(即吸收 或释出)。5.1.1 能量量子化 Energy quantization 原子的振荡频率(s1)E = hv h-Planck constant (6.626 1034 Js)爱因斯坦认为，不仅振荡的原子能量是量子化的，辐射 能本身也是量子化的，辐射能也是由一份一份的量子组成， 辐射能和量子也称为光子(photons)。光子学说认为入射光 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的能量集合叫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
5、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) 。5.1.2 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。 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！Plank 的量子论 Einstein 的光子学说5.1.3 微粒的波动性德布罗意192
6、4 ： 德布罗意关系式 一个伟大思想的诞生h 为Planck 常量德布罗意关系式“ 过去，对光 过分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。” 微粒波动性的直接证据 光的衍射和绕射灯光源l = h/mv = h/p 电子等实物粒子具有波粒二象性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 KVDMP实验原理灯光源X射线管电子源微观粒子电子：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
7、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，才符合德布罗意公式。宏观物体子弹：m = 1.0 102 kg, v = 1.0 103 m s1,l = 6.6 1035 m波粒二象性是否只有微观物体才具有？Question 1Solution波尔以波的微粒性（即能量量子化概念）为基础建立了氢原子模型。薛定谔等则以微粒波动性为基础建立起原子的波动力学模型。波粒二象性对化学的重要性 x 粒子的位置不确定量粒子的运动速度不确定量关系式说明：粒子位置的测定准确度越高(x越 小)，则相应的动量准确度就会越低(P越大)； 反之亦
8、然。微观粒子，不能同时准确测量其位置和动量 关系式：5.1.4 海森堡不确定原理(Werner Heisenberg, 1926)例1：对于 m = 10 克的子弹，它的位置可精确到x = 0.01 cm，其速度测不准情况为： 对宏观物体可同时测定位置与速度速度不准确程度过大例2：对于微观粒子如电子，m = 9.11 1031 kg，半径 r = 1010 m，则x至少要达到1011 m才相对准确，则其速度的测不准情况为： 若m非常小，则其位置与速度是不能同时准确测定的。第二节 氢原子结构的量子力学模型 (玻尔模型 Bohrs model)5.2.1 经典物理学概念面临的窘境5.2.2 氢原子
9、光谱氢原子可见光谱巴尔麦( J. Balmer)经验公式(1885)5.2.3 玻尔模型5.2.1 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，
10、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是什么？5.2.2 氢原子光谱特征：不连续的、线状的；是很有规律的。光谱：指含有不同频率(或波长)的光波通过棱镜(或光栅)被分离，在屏幕上记录下来的一种图像。1885年，巴尔麦(J. Balmer)经验公式：B = 364.56 nm1890年，Rydberg : 谱线波长的倒数，波数(cm1)。 n: 大于2的正整数（当时物理意义并不明朗）。RH：Rydberg常数, 109737 cm1 n = 3, 4 , 5, 6 分别对应氢光谱中 可见光区四条谱线H、H、H、H 、 Balmer系名字n1n2Lyman 系 Balme
11、r系 Paschen系 Brackett系 Pfund系1 2 3 4 52, 3, 4, 3, 4, 5, 4, 5, 6, 5, 6, 7, 6, 7, 8,Rydberg 公式 ：n2 n1Balmer和Rydberg看到了光谱的规律性，而Bohr则思考了 更深一层，即为什么氢原子光谱是不连续的线状光谱？爱因斯坦的光子学说普朗克的量子化学说氢原子的光谱实验卢瑟福的有核模型Bohr在的基础上，建 立了Bohr理论5.2.3 玻尔模型提出了氢原子结构模型，目的在于解释氢原子光谱 。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 道角动量L只能等于h/
12、(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h = 6.6261034 Js; k = 8.988109 Nm2C2; m = 9.1101031 kg; Z = 1; e = 1.6021019 C电子只能处于上述条件所限定的几个轨道。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)： 电子只能在有确定半径和能量的定态轨道上运动， 不吸收也不
13、辐射能量，这时电子处于稳定状态。基态(ground state): n 值为 1 的定态(对氢而言)。通常电子保持在能量最低的这一基态。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在一定轨道上运动的电子有一定的能量，这些 能量只能取由某些量子化条件决定的分立数值 。E = 2k22mZ2e4/ h2n2 = B/n2 B = 2k22mZ2e4/ h2 = 13.6 eV E = E动 + E位E动 = m2 E位 = kZe2/ r电子只有在不同的能态之间跃迁时才能吸收或放出能 量，放出或吸收的能量取决于两轨道能级的能量之差 。Plank-
14、Einstein 公式：E = E光子 = E2 E1 = hv = hc/lE = B/n2推导从第n1轨道跃迁到第n2轨道发出光波的频率 。关于能量的吸收和发射E = B/n2 (eV) n值越大，轨道离核越远，能量越高。无限远能量为零玻尔理论的局限：1. 不能解释氢原子的精细光谱2. 不能解释多电子原子光谱 解释了 H 及 He+、Li2+、B3+ (类氢原子)的原子光谱波型 H H H H计算值 /nm 656.2 486.1 434.0 410.1实验值 /nm 656.3 486.1 434.1 410.2 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
15、解释玻尔理论的成功之处：例3 计算氢原子中电子从 n = 6 能级回到 n = 2 能级时，由辐射能量产生的谱线频率。已知：h = 6.63 1034 Js；1 eV = 1.60 1019 J. E6 = 13.6/62 = 0.38 (eV) = 0.60 1019 (J)E2 = 13.6/22 = 3.40 (eV) = 5.44 1019 (J)E = hv E = B/n2方法一：v = E/h = (5.44 0.60) 1019 / 6.63 1034 = 7.30 1014 (s1)方法二 ：v = 3.289 1015 (1/22 1/62)= 7.31 1014 (s1) 例4 根据Balmer氢原子光谱经验公式计算：(1) Balmer系中波长最长的谱线 n 和 l 各为多少？(2)
