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1、第六章第六章 原子结构原子结构6.1 微观粒子的波粒二象性6.2 氢原子核外电子的运动状态6.3 多电子原子核外电子的运动状态6.4 原子结构和元素周期律作 业1.连续光谱(continuous spectrum) 2.线状光谱(原子光谱)(line spectrum) 3.氢原子可见光谱6-1 微观粒子的 波粒二象性一、氢原子光谱4. 巴尔麦( J. Balmer)经验公式(1885): 谱线波长的倒数, 波数(cm-1). n:大于2的正整数. R：常数, 1.097107m-1n = 3, 4 , 5, 6 分别对应氢光谱中 H、H、H、H 、 Balmer系里得堡(Rydberg) -
2、瑞典 1913n2 n1n2, n1均为正整数矛盾：1.原子光谱是不连续的，是线状的2.核外电子不会毁灭二、玻尔（Bohr）理论的三点假设1.特定的轨道有特定的角动量2.轨道离核越远，其能量越高3.电子尽可能处于能量最低的轨道结论：1.原子轨道半径2.轨道能量3.原子的线性光谱玻尔理论的局限性： 1.多电子原子光谱 2.氢原子的精细光谱三、微观离子的运动规律1. 光的波粒二象性 2. 微粒的波粒二象性(Louis de Broglie,1924)3.革末衍射实验感光屏幕薄晶体片电子枪电子束电子枪发射高速电子通过薄晶体片 射击感光荧屏，得到明暗相间的环 纹，类似于光波的衍射环纹。衍射花纹衍射花纹
3、测不准原理(Werner Heisenberg, 1926) 微观粒子，不能同时准确测量其位置和 动量测不准关系式：四、测不准原理 x粒子的位置不确定量 粒子的运动速度不确定量例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1例2: 对于微观粒子如电子, m = 9.11 10-31 Kg, 半径 r = 10-10 m，则x至少要达到10-11 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 同时准确测定的速度不准确程度过大6-2 氢原子核外 电子的运动状态一、波函数和薛定谔方程Erwin
4、 Schrodinger 奥地利物理学家x,y, z 为微粒的空间坐标， (x,y,z) 波函数1.薛定谔方程(1926)量子力学中描述核外电子 在空间运动的数学函数式，即原子轨道 E轨道能量（动能与势能总和 ） V原子中电子的势能 m 微粒质量，h 普朗克常数坐标变换再经过“变量分离”直角坐标与球坐标之间的关系直角坐标与球坐标之间的关系(x,y,z) (，)(x,y,z) = R(r) Y(，)将直角坐标三变量 x，y，z 变换成球 坐标三变量 r， 。yzxoPPr最后可以解得最后可以解得 (n,l,m,) (，) P129表6-2nlm轨道名称轨道数 1001s1002s 2102p4
5、12p 004s1 10, 14p3 420, 1 24d51630, 1, 2, 34f7 氢原子轨道与三个量子数的关系 见P129 表6-12. . 四个量子数(1) 主量子数n，n = 1, 2, 3正整数，它 决定电子离核的远近和能级。(2) 角量子数l，l = 0, 1, 2, 3n-1，以s，p ，d ， f 对应的能级表示亚层，它决定 了原子轨道或电子云的形状(3) 磁量子数m，原子轨道在空间的不同 取向， m = 0, 1, 2, 3.l,一种取向相 当于一个轨道，共可取2l + 1个数值。m值 反应了波函数 (原子轨道)或电子云在空 间的伸展方向(4)自旋量子 数ms，ms
6、= 1/2, 表示 同一轨道中 电子的二种 自旋状态 根据四个量子 数的取值规 则，则每一 电子层中可 容纳的电子 总数为2n2.(4) 粒子的运动不存在经典的轨道，而只呈现几率分布。3. 核外电子运动状态(量子力学的方法)(1) 电子在原子中运动服从薛定谔方程(n,l,m)(x,y,z)是薛定谔方程的合理解。表示原子核外轨道的一种运动状态(2) 每一波函数(n,l,m)(x,y,z) 都有确定的能量E(n,l)。(3) n，l，m规定了核外轨道的运动状态。（7）在同一原子中，不可能存在四个量子数完全相同的电子。（6） 表示电子云, 表示在微体积元d内电子出现的几率, 代表了核外电子的几率密度
7、。（5）粒子分布呈波动性，可以为正值、负值或零。1 1、直角坐标与球坐标之间的关系直角坐标与球坐标之间的关系(n,l,m)(x,y,z) (，)(n,l,m)(x,y,z) = R(n,l)(r) Y(l,m)(，)2 2、波函数的角度分布图波函数的角度分布图 Y(，) - - ，图图 （原子轨道角度分布图原子轨道角度分布图）二、原子轨道的图形以2pz为例 (m=0)s、p、d 轨道角度部分剖面图（1 ）P131 图6-5s、p、d 轨道角度部分剖面图（2）P131 图6-5P131 图6-63. 电子云角度分布图Y2(，) - - ， 图4.电子云径向分布图D(r)R2(r)D(r)R2(r
8、)D(r)52.9图6-7 氢原子电子云径向分布函数图 (1)图6-7 氢原子电子云径向分布函数图(2)三、轨道能量与量子数的关系对于单电子体系:对于多电子体系:四、四个量子数1.主量子数n对于单电子体系； 对于多电子体系，E还要受到l的影响。1）取值范围：1，2，3 2）几何意义（对原子轨道几何形状、大 小、方向的影响）：表示离核的远近。n 越大，电子离核越远。3）物理意义（与什么物理量有关）：电 子离核越远，能量越高，即n是决定电子 能量高低的主要因素。2.角量子数l1）取值范围：0，1，2，n-12）几何意义：反映了电子在空间不同角 度的分布情况，即决定了原子轨道或电 子云角度部分的形状
9、。3）物理意义：对于多电子体系，E是由n，l决定的。3.磁量子数m1）取值范围：2）几何意义：反映了原子结构或电子云的空间取向。3）物理意义：m的取值决定MZ，4.自旋量子数ms1）取值范围：2）几何意义：描述轨道里面电子的自旋状态。本节小结1.电子在原子中运动服从Schrdinger方程, 没有确定的轨道,但有与波函数对应的、确定 的空间概率分布.2是电子概率密度分布函 数,可分别通过径向分布、角度分布及电子云 空间分布图来描绘电子单位球壳、单位立体 角以及核外空间单位体积内的概率分布情况. 波函数角度分布图突出表示了轨道函数极值 方向和正负号.2.电子的概率分布状态是与确定的能量相联 系.
10、而能量是量子化的,与量子数n和l有关.3.量子数规定了原子中电子的运动的状态.四 个量子数有规定的取值范围,对于一定的n,共 有N2个状态(轨道).4.熟练掌握波函数角度分布图、电子云图形 和电子云径向分布图 5.H原子的轨道能级图6-3 多电子原子 核外电子排布能级分裂 能级交错多电子原子中，其他电子对指定电子的排 斥作用看作部分地抵消（或削弱）核电荷 对该电子的吸引.Z* = Z - ：屏蔽常数，即其他电子起到了部分地屏蔽核电荷对某 电子的吸引力，而该电子只受到“有效核 电荷”Z*的作用。 一、屏蔽效应一、屏蔽效应(1)分组：按以下次序(1s) , (2s,2p), (3s,3p), (3
11、d), (4s, 4p), (4d), (4f), (5s, 5p), (5d), (5f) (3) 在同组中，每一个电子屏蔽同组电子为 0.35/e，而1s组内的电子相互屏蔽0.30/e.(2) 每一小组右边各组的电子对该组电子不 产生屏蔽作用。屏蔽常数的计算屏蔽常数的计算( (Slater)Slater)规则规则：(4)对外层(ns, np），内层(n-1)层中每一个电子 上电子屏蔽为0.85/e。 更内层的(n-2)层及更内 层中每一个电子对它的电子屏蔽为1.00/ e(5) 当被屏蔽电子是(nd)组或(nf)组电子时，左边各组电子屏为1.00/ e19K的电子排布是1s2，2s2 2p
12、6, 3s2 3p6 , 4s1而不是1s2，2s2 2p6, 3s2 3p6 , 3d1？当为4s时 Z = 19 (0.858 + 1 10) = 2.2 E = (2.22/ 42) 13.6 = 4.114eV当为3d时 Z = 19 ( 18 1) = 1 E = (12/ 32) 13.6 = 1.51eVn相同，l不同的轨道，由于电子云径向分 布不同，电子穿过内层到达核附近以回避 其他电子屏蔽的能力不同，而使电子具有 不同的能量，这种由于s，p，d，f 轨道径 向分布不同而引起的能量效应（ penetrating effect)。二、钻穿效应二、钻穿效应能级交错能级交错能级分裂能
13、级分裂简并轨道简并轨道对于单电子体系：E3s = E3p = E3d对于多电子体系：E3s ns(n-1)d(n-2)f 26Fe Ar3d64s2 Ar3d64s0 Ar3d54s0 Ar3d44s2 Ar3d34s2 Fe2+ Fe3+6.电子填入轨道的次序的记忆方法见下页图1）以光谱数据为准 2）原子实 3）离子的电子排布式5.几点说明练习：6C 7N 8O 14Si 17Cl 53I21Sc 23V 24Cr 25Mn 26Fe 28Ni 29Cu 30Zn Mn2+ Cu+ Cu2+ Cr3+1. 1. 能级组与元素周期的划分能级组与元素周期的划分 周期的划分就是核外电子能级的划分，
14、 各能级组容纳的电子数就等于相应周期 元素的数目。一、元素周期表一、元素周期表见下页表6-4 氢原子结构 和元素周期律周期的划分和轨道能级组的关系周期的划分和轨道能级组的关系周期 数原子 序数元素 数目最高能级组最大电 子容量 11221s第一能级组2 231082s,2p第二能级组8 3111883s,3p第三能级组8 41936184s,3d,4p第四能级组18 53754185s,4d,5p第五能级组18 65586326s,4f,5d,6p第六能级组32 78710 9(未完)237s,5f,6d,7p第七能级组32周期数元素电子层数能级组中最高主量子数元素数目相应能级组中原子轨道的最
15、大电子容量2. 2.原子的电子构型及周期表中族的划分原子的电子构型及周期表中族的划分 主族的族数 = 最外层电子数的总和 主族元素的最高氧化态 =最外层电子数 副族元素的族数 =（最外层电子数ns）+（ 次外层电子数n-1d）（除IB,IIB,VIII外）KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRbPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHaTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnLiBeNaMgHBCNOFNeAlSiPSClArHeFrRaAcRfDbSgBhHsMtUunUuuUub镧 系LaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu锕 系AcThPaUNpPuAmC mBkCfEsFmMdNoLrAB B B B BB BA A A A A03.3.结构分区结构分区A（一）、原子半径（一）、原子半径二、原子结构和元素的基本性质二、原子结
