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1、 第第 七七 章章 原子的电子结构原子的电子结构1803年 Dalton 原子学说（原子是不可分割的最小微粒）19 世纪 发现电子 ( 阴极射线)1874年 斯通尼 (G. J. Stoney)把在导线内流动的电的基本单元称为电子1897年 汤姆逊 (J. J. Thomson) 通过带电粒子在电场和磁场中的运动规律，测出了电子的荷质比：e / me = 1.7588196 1011 C kg-1 1906年 米立根 (R. A. Millikan) 悬浮油滴法测定出电子的电荷： e = 1.602177310-19 C 电子的质量: me = 9.11 1031 kg 1904年，汤姆逊提出
2、了第一个原子模型：枣糕模型 原子犹如一个体积颇大的带正电球体，一定数量的电子均匀地分布在这个球体中，与球内的正电荷中和，因而整个原子呈电中性。松软的蛋糕 P. 71911年 卢瑟福 (E. Rutherford) 粒子散射实验粒子散射实验( (盖革和马斯登盖革和马斯登) )核型原子模型核型原子模型 粒子： He2+ 质量数 4 V = 1.60 107 ms-1金箔104104号元素号元素 约万分之一约万分之一 个别个别 推测：（1）原子中存在带正电的基本粒子，而且质量比较大，但体积很小（个别折回）；（2）大部分空间是空的（大部分直线通过）核型原子模型：原子中心有一个很小的正电荷核心，称为原子
3、核，原子的全部质量几乎都集中在原子核上，而数量和核电荷数相等的电子围绕着原子核运行。电电 磁磁 波波 谱谱 1. 氢原子光谱与玻尔理论可见光区： 400nm700nm紫外区： 10nm 400nm红外区： 700nm1000m氢氢 原原 子子 光光 谱谱 紫外区 可见区 红外区397.007 410.120 434.010 486.074 656.210 氢原子光谱是线光谱（可见区有5条谱线），而不是连续的带光谱，这一实验结果不符合经典电磁学理论。按照经典电磁学理论，电子绕核作圆周运动，原子不断发射连续的电磁波（即原子光谱），故原子光谱应该是连续的；而且电子的能量逐渐降低，最后坠入到原子核里去
4、，使原子不复存在。1885年 巴尔默(J. J. Balmer，瑞士的中学老师) 上述五条谱线的波长可以用一个简单公式表示： = B = 364.6 nmn = 3 = 656.210 nm n = 4 = 486.074 nmn = 5 = 434.010 nmn = 6 = 410.120 nmn = 7 = 397.007 nm1890年 里德堡(J. R. Rydberg) 提出了描述氢光谱的通用公式为:(波数) = =n: 正整数, n2 n1, R = 1.09737107 m-1 (里德堡常数 ) n1 = 1, n2 = 2, 3, 4, 赖曼(Lyman)系 远紫外区 n1
5、= 2, n2 = 3, 4, 5, 巴尔默 (Balmer)系 可见区 n1 = 3, n2 = 4, 5, 6, 派兴(Paschen)系 近红外区 n1 = 4, n2 = 5, 6, 7, 勃拉克(Bracket)系 红外区 n1 = 5, n2 = 6, 7, 8, 芬德(Pfund)系 红外区 Planck 旧量子论 (1900) : 物质吸收或者释放能量不是连续的，而是量子化的, 也就是说, 能量只能按某一个最小单位一份一份地吸收或者释放的。这一最小的能量单位称为“能量子”。 光的能量单位称为“光量子”或 “光子”。光子的能量大小 E光 = h = C / 总能量 E总= nh
6、玻尔理论（1913）中的两个重要假设1. 量子化条件：核外电子只能在有确定半径和能量的特定轨道上运动，而且每一个稳定轨道的角动量P是量子化的，它等于h/2的整数倍 P = nh / (2) P = mvr定态轨道的半径： r = nh / (2mv) r = 定态轨道半径 n = 不连续的正整数 h = Planck常数（6.62610-34 Js） m = 电子的质量 v = 电子的运动速度 2. 频率条件：电子在这些轨道上运动时并不辐射出能量，电子在不同轨道之间跃迁时，原子会吸收或辐射能量（光子），并且光子的能量为跃迁轨道的能量之差。E光 = E = E2 E1 E光 = h = c/ E
7、 = hc/ 在此假设基础上运用牛顿力学原理 , 计算出氢原子各定态轨道的半径和能量.在定态上，向心力和离心力达平衡： =因为： mevr = nh/(2) 所以: v = nh/(2mer)=r = a0( a0 =)r = a0 n2/Z a0 ：波尔半径，52.9 pm（即0.529 ） Z：核电荷数； n：正整数 氢原子或类氢原子（单电子离子：He+, Li2+, Be3+等）氢原子各定态轨道的半径:r = ar = a0 0 n n2 2n = 1 r = 52.9 (1)2 = 52.9 pm n = 2 r = 52.9 (2)2 = 212 pm n = 3 r = 52.9
8、(3)2 = 477 pm n = 4 r = 52.9 (4)2 = 634.8 pm电子在各定态的总能量 E为: E = Ek + EpEk =Ep= -=E = Ek + Ep= -= -Eh Eh ( 其中Eh = ) = -氢原子或类氢原子（单电子离子：He+, Li2+, Be3+等）各定态轨道的能量:Eh = 27.2 eV= 1 a.u.Eh: 哈特里能；a.u.：能量的原子单位e: 1.60210-19 CZ：核电荷数；n：正整数 氢原子各定态轨道的能量:Eh = 27.211396 eV= 1 a.u.Eh: 哈特里能；a.u.：能量的原子单位；e: 1.60210-19
9、Cn = 1 E = -0.5 a.u.n = 2 E = -0.125 a.u.n = 3 E = -0.056 a.u.n = 4 E = -0.031 a.u.n = E = 0氢原子的轨道和能级图氢原子的轨道和能级图 轨道图轨道图 能级图能级图 P. 51Bohr理论对氢光谱的解释:因为轨道的半径不连续，所以轨道的能量也不连续因为E = hc/ ，所以只能有某些波长的光因为氢原子的轨道能量 1/ = n2 n1 Eh/(2hc) = RH 1.0967759107 m-1实验结果： 1.09737107 m-1 2.1. 2.1. 微观粒子具有波粒二象性微观粒子具有波粒二象性微观粒子：
10、电子、原子、中子等 1923年，德布罗意(L. de Broglie) 指出：微观粒子也有波粒二象性，它们的波长为： = h / P P = mv = h / (mv)任何运动的物体都有波动性例：重 0.10 kg、速度为 5.0 ms-1的篮球 = 6.62610-34 / (0.10 5.0) = 1.310-33 m后来，电子的衍射实验证明了德布罗意的观点。2. 微观粒子的特性和运动规律2.2.2.2. 不确定性原理不确定性原理 ( (测不准原理测不准原理) )测不准关系式：x p = x：位置的测量误差（或不确定性）p：动量的测量误差（或不确定性），即反映速度的测量误差（或不确定性）
11、p = m v x v = h / (4m) h: planck常数 6.626 10-34 Js例：考察在一个直径约为1.0 10-10 m的原子内电子的运动。若原子内电子的空间位置的不确定性 为x = 1.0 10-10 m，计算其速度的不确定性。P55/例18-2薛定谔(Schrdinger)方程 - 描述原子核外电子运动的波动方程用波动方程描述微观粒子运动的科学称为波动力学或量子力学3. 氢原子的量子力学模型 + V = E（在以 x , y , z为变量的正交坐标系中） ：核外电子运动的波函数me：电子质量 9.1 10-31 Kgh：planck常数 6.626 10-34 JsE
12、：电子的总能量；V：电子的势能 电子的一种运动状态（物理意义不明确）2 核外空间某处电子出现的“几率密度”（单位体积里出现的几率）在一个体积为 d = dxdydz的微小空间内发现波粒子的几率为： w = 2 d 因为在全部空间内发现一个粒子的总几率是1，所以描述几率密度的波函数必须满足条件：= 1n：主量子数，1，2，3，.，nl：角量子数，0，1，2，.，n-10 1 2 3 4 5 6 .s p d f g h i .m（ml）：磁量子数 0，1，2，l原子轨道名称 波函数n=1, l=0, m=0 1s 1s n=2, l=0, m=0 2s 2s l=1, m=0 2Pz 2pz m=1, -1 2Px, 2py 2px, 2py 原子轨道名称 波函数n=3, l=0, m=0
