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1、第四章第四章 原子结构原子结构主讲：李琼芳主讲：李琼芳*1第四章 原子结构从希腊德膜克利特（从希腊德膜克利特（DemocritusDemocritus）首先首先 提出提出“原子原子”概念，到英国道尔顿（概念，到英国道尔顿（ J.DaltonJ.Dalton）创建创建“原子学说原子学说”的漫长岁月中的漫长岁月中 ，人类认识了，人类认识了“从哲学家的主观臆测到科学从哲学家的主观臆测到科学 家的实验总结家的实验总结”的质的飞跃。的质的飞跃。18971897年，英国物理学家汤姆逊（年，英国物理学家汤姆逊（J.J.ThomsonJ.J.Thomson ）在阴极射线的研究中，发现在阴极射线的研究中，发现“
2、电子是一切原电子是一切原 子共有的组分子共有的组分”，并测定了电子的电荷和质量，并测定了电子的电荷和质量 。Date2第四章 原子结构19111911年，英国物理学家卢瑟福年，英国物理学家卢瑟福(E.Rutherford)(E.Rutherford) 为了解释为了解释 粒子散射实验，提出了原子的行星粒子散射实验，提出了原子的行星 模型。模型。但但事实说明卢瑟福的原子模型是极不完善的事实说明卢瑟福的原子模型是极不完善的 ，与宏观物体运动不同，电子、原子、分子，与宏观物体运动不同，电子、原子、分子 、等微观粒子有其独特的运动特性。、等微观粒子有其独特的运动特性。第一节第一节 微观粒子的运动特性微观
3、粒子的运动特性Date3第四章 原子结构一、物理量的不连续性一、物理量的不连续性- -量子化、量子化、 波尔原子模型波尔原子模型19131913年，玻尔年，玻尔(H.D.Bohr)(H.D.Bohr)在卢瑟福行星模型的基础在卢瑟福行星模型的基础 上，结合普朗克上，结合普朗克(M.Planck)(M.Planck)和爱恩斯坦和爱恩斯坦(A.Einstein)(A.Einstein) 的思想，提出了氢原子结构的玻尔理论。的思想，提出了氢原子结构的玻尔理论。物理量变化的不连续性是质量极微小的电子、原子物理量变化的不连续性是质量极微小的电子、原子 、分子、离子等微观粒子与宏观物体的一重要区别、分子、离
4、子等微观粒子与宏观物体的一重要区别 。量子化量子化 量子量子E=E=hvhv式式中，中，h=6.62610h=6.62610-34-34J.sJ.s，称为普朗克常数称为普朗克常数Date4第四章 原子结构玻尔提出了著名的玻尔氢原子模型玻尔提出了著名的玻尔氢原子模型基态基态激发态激发态跃迁跃迁E=E=hvhvE EV=V=h h当当电子由电子由n=3,4,5,6n=3,4,5,6等等轨道退激到轨道退激到n=2n=2的轨道上时，就产的轨道上时，就产 生氢原子的可见光谱生氢原子的可见光谱(H(H ,H,H ,H,H ,H,H ) )。类氢离子类氢离子( (单电子离子，如：单电子离子，如：HeHe+
5、+,Li,Li2+2+,Be,Be3+3+) )Date5第四章 原子结构二、二、 电子的波粒象二性电子的波粒象二性波粒二象性波粒二象性E=E=hvhvh hp=p= p=mp=mP :P :动量动量 E :E :能量能量 V :V :频率频率 :波长波长 :速度速度Date6第四章 原子结构19241924年，巴黎大学年轻的研究生德布罗依年，巴黎大学年轻的研究生德布罗依( (L.V.DeBroglieL.V.DeBroglie) )19271927年，美国的戴维逊和革末，英国的小汤姆逊分别通过年，美国的戴维逊和革末，英国的小汤姆逊分别通过 电子衍射实验，证实了电子波的存在。这些实物粒子波统电
6、子衍射实验，证实了电子波的存在。这些实物粒子波统 称为物质波或德布罗依波。称为物质波或德布罗依波。19291929年，德布罗依荣获诺贝尔物理奖，不久之后，戴维逊年，德布罗依荣获诺贝尔物理奖，不久之后，戴维逊 和革末也双双获得诺贝尔奖和革末也双双获得诺贝尔奖19271927年，德国物理学家海森堡从理论上证明，要想同时准年，德国物理学家海森堡从理论上证明，要想同时准 确测定运动微粒的位置和动量（或速度）是不可能的。这确测定运动微粒的位置和动量（或速度）是不可能的。这 就是微观体系的测不准关系，可用下式表示：就是微观体系的测不准关系，可用下式表示：Date7第四章 原子结构p p x =hx =hp
7、 p 和和 x x分别表示微粒在空间某一方分别表示微粒在空间某一方 向的动量不准量和位置不准量；向的动量不准量和位置不准量； h h是普是普 朗克常数。显然，朗克常数。显然， p p 和和 x x呈反比关呈反比关 系，一个数值小（测得准），另一个必系，一个数值小（测得准），另一个必 然大（测不准）。然大（测不准）。Date8第四章 原子结构三、波粒二象性的统计解释三、波粒二象性的统计解释几率几率几率密度几率密度量子力学量子力学任何微观体系的运动状态都可以用一个波函任何微观体系的运动状态都可以用一个波函 数数 进行描述，微观粒子在空间某点出现的几进行描述，微观粒子在空间某点出现的几 率密度可用波
8、函数的平方率密度可用波函数的平方 2 2来表示。来表示。Date9第四章 原子结构第二节第二节 波函数和单电子原子的结构波函数和单电子原子的结构 一、一、 波函数波函数 量子数量子数（1 1）主量子数）主量子数（2 2）角量子数）角量子数（3 3）磁量子数）磁量子数（4 4）自旋量子数）自旋量子数二、电子云和径向分布图二、电子云和径向分布图*10第四章 原子结构一、一、 波函数波函数 量子数量子数19261926年，奥地利物理学家薛定谔（年，奥地利物理学家薛定谔（ErwinschrodingerErwinschrodinger） 提出了描述微粒运动规律的波动方程，称为薛定谔方程提出了描述微粒运
9、动规律的波动方程，称为薛定谔方程 。薛定谔方程的解薛定谔方程的解 称为波函数。根据波函数，即可计算得称为波函数。根据波函数，即可计算得 知电子的能量、动量、角动量等，且波函数的平方知电子的能量、动量、角动量等，且波函数的平方 2 2表表 示电子的几率密度，所以说核外电子的运动状态可用波示电子的几率密度，所以说核外电子的运动状态可用波 函数来进行描述。函数来进行描述。Date11第四章 原子结构定态薛定谔方程是量子力学处理稳定体系的基本方程，它定态薛定谔方程是量子力学处理稳定体系的基本方程，它 是一个二阶偏微分方程（包括是一个二阶偏微分方程（包括x x，y y，z z三个坐标变量）。三个坐标变量
10、）。Date12第四章 原子结构含有三个坐标变量的微分方程，解中必然含有三个坐标变量的微分方程，解中必然 含有三个常数项，薛定谔方程的解中包含含有三个常数项，薛定谔方程的解中包含n n，l l ，mm三个常数项，为了保证薛定谔方程的解三个常数项，为了保证薛定谔方程的解 具有合理的物理意义，三个常数项取值不可任具有合理的物理意义，三个常数项取值不可任 意，而且具有一定规则。意，而且具有一定规则。薛定谔方程是包括薛定谔方程是包括x x，y y，z z三个坐标变量三个坐标变量 的二阶偏微分方程，所以它的解是包括的二阶偏微分方程，所以它的解是包括x x，y y， z z三个坐标变量的函数式，可表示为三
11、个坐标变量的函数式，可表示为 （ x x，y y ，z z），或用），或用球坐标表示为球坐标表示为（ ， ， ）。）。Date13第四章 原子结构主量子数主量子数 n=1,2,3,n=1,2,3,等自然数。主量子等自然数。主量子 数决定单电子原子中的轨道的能级。数决定单电子原子中的轨道的能级。n n取取 值越大，轨道能量越高，电子出现几率最值越大，轨道能量越高，电子出现几率最 大的区域离核越远。通常称大的区域离核越远。通常称n=1,2,3,4n=1,2,3,4等轨等轨 道为第一、二、三、四等电子层轨道，与道为第一、二、三、四等电子层轨道，与 周期表中周期表中K,L,M,N,O,P,QK,L,M
12、,N,O,P,Q层相对应。在量层相对应。在量 子力学中称能量相同的原子轨道为子力学中称能量相同的原子轨道为“ “简并简并 轨道轨道” ”。单电子原子中，相同的原子轨道。单电子原子中，相同的原子轨道 为简并轨道。为简并轨道。（1 1）主量子数）主量子数(n)(n)Date14第四章 原子结构（2 2）角量子数）角量子数(l)(l)l l取值受主量子数的限制，取值受主量子数的限制，l=0,1,2 ,3 ,(n-1)l=0,1,2 ,3 ,(n-1)。光光 谱学中谱学中l=0,1,2,3l=0,1,2,3的的轨道分别称为轨道分别称为s,p,d,fs,p,d,f轨道，如轨道，如 n=1,l=0n=1,
13、l=0的的轨道称为轨道称为1s1s轨道，轨道，n=2,l=0n=2,l=0和和n=2,l=1n=2,l=1的轨道的轨道 分别称为分别称为2s,2p2s,2p轨道等。角量子数与轨道的形状有关轨道等。角量子数与轨道的形状有关 ，如，如s s轨道是球形对称的，轨道是球形对称的，p p轨道呈双球形（哑铃形轨道呈双球形（哑铃形 ），），d d轨道呈四花瓣形等。轨道呈四花瓣形等。在多在多电子原子中，电子原子中，l l是是决定轨道能量高低的另一个因决定轨道能量高低的另一个因 素。在同一电子层里，电子能量随素。在同一电子层里，电子能量随l l 值的增加而升高值的增加而升高 ，即能量的顺序是：，即能量的顺序是：
14、nsns npnp ndnd nfnf，故故l l代表电子代表电子 亚层。同一电子层同一亚层的原子轨道具有相同的亚层。同一电子层同一亚层的原子轨道具有相同的 能量，属于同一个能级。能量，属于同一个能级。Date15第四章 原子结构（3 3）磁量子数）磁量子数(m)(m)磁量子数，m与轨道的空间伸展方向有关。m的取 值受角量子数l的限制：m=0,1,2.3,l共2l+1 个值。代表同一个亚层2l+1个不同取向的原子轨道 ，它们是一组能量相同的简并轨道。如对于s轨道 (l=0)，m只能取0，即ns轨道只有一条；对于p轨道 (l=1)，m可取0,+1,-1，即np轨道有3条；nd,nf轨道 各有5条
15、和7条等。取向不同的简并轨道的存在，在 强磁场中必然发生能级分裂，即原子光谱的一条谱 线可以分裂为条细线。合理地解释了原子发射光谱 在强磁场中谱线分裂的现象。Date16第四章 原子结构（4 4）自旋量子数）自旋量子数(m(ms s ) )1925年乌仑贝克提出了“电子自 旋”的假设。他认为电子自身有 两种运动状态：正旋和反旋，一 般用和表示，它只能取值 ms=+1/2或-1/2。Date17第四章 原子结构轨轨 道道 轮轮 廓廓 图图Date18第四章 原子结构二、电子云和径向分布图二、电子云和径向分布图几率 几率密度电子在空间的几率密度分布常称为电子云Date19第四章 原子结构Date20第四章 原子结构1s电子云示意图Date21第四章 原子结构核外电子的几率和几率密度是两个相关 但不同的概念。几率密度是指单位微体 积内电子出现的机会，而几率通常指在 以原子核为球心，半径为r的薄球壳中电 子出现的机会。为表示核外电子的几率 分布，量子力学中引进径向分布函数D 的概念。以薄球壳半径r为横坐标，径向 分布函数D为纵坐标做图，所得图形称 为径向分布图，表示电子出现的几率随 球壳半径变化的规律。Date22第四章 原子结构Date23第四章 原子结构Date24第四章 原子结构第三节第三节 多电子原子的结构多电子原子的结构uu一、一、
