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1、8.1 原子结构的Bohr理论 8.2 微观粒子运动的基本特征 8.3 氢原子结构的量子力学描述第八章 原子结构(atomic structure)8.4 多电子原子结构 8.5 元素周期表 8.6 元素性质的周期性第二篇 物质结构基础 http:/ 历史的回顾8.1.3 Bohr原子结构理论8.1.2 氢原子光谱8.1 原子结构的Bohr理论8.1.1 历史的回顾Dalton原子学说(1803年)Thomson“西瓜式”模型(1904年)Rutherford核式模型(1911年) Bohr电子分层排布模型(1913年) 量子力学模型(1926年)1.光和电磁辐射8.1.2 氢原子光谱红 橙
2、黄 绿 青 蓝 紫2.氢原子光谱HHHH 不连续光谱，即线状光谱 其频率具有一定的规律n= 3,4,5,6式中 2，n，3.2891015各代表什么意义？经验公式：氢原子光谱特征：8.1.3 Bohr原子结构理论Plank量子论(1900年)：微观领域能量不连续。Einstein光子论(1905年)：光子能量与光的频率成正比h光子的能量光的频率hPlanck常量， h =6.62610-34JsBohr理论(三点假设)：核外电子只能在有确定半径和能量的轨 道上运动,且不辐射能量；通常，电子处在离核最近的轨道上，能 量最低基态；原子获得能量后，电子被 激发到高能量轨道上，原子处于激发态；从激发态
3、回到基态释放光能，光的频率 取决于轨道间的能量差。E：轨道能量原子能级n = 3 红（H） n = 4 青（H ） n = 5 蓝紫 （ H ） n = 6 紫（H ）Balmer线系其它线系式中： RH 为Rydberg常数，其值：能级间能量差RH = 2.17910-18J氢原子各能级的能量：8.2.1 微观粒子的波粒二象性8.2.2 不确定原理与微观粒子运动的统计规律8.2 微观粒子运动的基本特征1924年，de Broglie关系式1927年， Davisson和 Germer应用Ni 晶体进行电子 衍射实验，证 实电子具有波 动性。E=h , p =h/ 8.2.1 微观粒子的波粒二
4、象性8.2.2 不确定原理与微观粒子运动的统计规律1927年，Heisenberg不确定原理x微观粒子位置的测量偏差p微观粒子的动量偏差微观粒子的运动不遵循经典力学的规律。微观粒子的波动性与粒子行为的统 计性规律联系在一起，表现为：微观粒子的波动性是大量微粒运动 表现出来的性质，即是具有统计意义的 概率波。8.3.2 量子数8.3 氢原子结构的量子力学描述8.3.3 概率密度与电子云8.3.4 原子轨道与电子云的空间图像8.3.1 Schrodinger方程与波函数8.3.1 Schrodinger方程与波函数球坐标(r,)与直角坐标系的关系 222zyxr+=cosrz =qsinsinry
5、 =q cossinrx=q(r,) = R(r)Y(,)坐标变换1. 主量子数 n n =1, 2, 3, 4, 5, 6 正整数8.3.2 量子数对应 K, L, M, N, O, P 电子层与电子能量有关，对于氢原子而言， 电子能量唯一决定于n。n愈大，电子离核平均距离愈远， 能量愈高。l = 0，1，2，3, 4,(n1)对应着 s, p, d, f, g. 电子亚层l 受 n 的限制：n=1，l=0；1s亚层。n=2，l=0,1；2s, 2p亚层。n=3，l=0,1,2；3s, 3p, 3d亚层。n=4，l=0,1,2,3；4s, 4p, 4d,4f亚层。 2. 角量子数 lm =
6、0，1, 2， 3 l ； m决定原子轨道在核外的空间取向。l=0， m =0，s轨道为球形，只一个取向；l=1， m =0,1，代表pz , px和py3个轨道；l=2， m =0,1, 2，代表d亚层有5个取向的轨道：3. 磁量子数mn主 层l亚 层m原子轨道1 K 0 1s 01s 2 L0 12s 2p0 0,12s 2pz,2px,2py 3 M 0 1 23s 3p 3d0 0,1 0,1, 23s 3pz,3px,3py4 N 0 1 2 34s 4p 4d 4f0 0,1 0,1, 2 0,1, 2, 34s 4pz,4px,4py4. 自旋量子数 ms电子自旋现象的实验装置原
7、子的单电子波函数，又称原子 轨道波函数，例如：n=1，l=0，m=0即1s轨道；2s 轨道；2pz 轨道；轨道；0/ 3 01area-=p其中，()41,Y=pq( )0/ 3 012arearR-=氢原子的基态：n=1，l=0，m=0式中，a0=52.9pm，称为Bohr半径。球形对称。角度部分电子云是电子出现概率密度的形象化描述。8.3.3 概率密度与电子云 ：原子核外电子出现的概率密度。节面数=n11s2s1s电子云的等 密度面图。数字表示曲面 上的概率密度。1s电子云的界 面图。界面内电子的 概率90%。D(r)径向分布函数。空间微体积1s态的 最大值出现在近核处，1s态的D(r)最
8、大值出现在52.9pm处。氢原子的各种状态的径向分布图N峰=nl 1s2s3s2p3p3d8.3.4 原子轨道与电子云的空间图像原子轨道和电 子云的角度分布图 ：原子轨道和电子云的角度分布图：原子轨道和电子云的角度分布图：小结： n：决定电子云的大小 l：决定电子云的形状 m：决定电子云的伸展方向 一个原子轨道可由n,l,m 3个量子数确定。 一个电子的运动状态必须用n,l,m,ms 4个 量子数描述。8.4.1 多电子原子轨道能级8.4.2 核外电子的排布8.4 多电子原子结构1.Pauling近似能级图8.4.1 多电子原子轨道能级E1s E2s E3s E4s Ens Enp End E
9、nf “能级分裂” E4s E3d E4p “能级交错”。(n + 0.7l)l 相同的能级的能量随 n 增大而升高。n 相同的能级的能量随 l 增大而升高。徐光宪的能级高低的近似原则：n + 0.7l例如：第四能级组4s 3d 4pn + 0.7l 4.0 4.4 4.7第六能级组6s 4f 5d 6pn + 0.7l 6.0 6.1 6.4 6.72.Cotton原子 轨道能级图n 相同的氢原子 轨道的简并性。原子轨道的能量 随原子序数的增 大而降低。随着原子序数的 增大，原子轨道 产生能级交错现 象。3.屏蔽效应+2e-e-He+2e-He+2-e-假想He 由核外电子云抵消一些核电 荷
10、的作用。屏蔽效应：为屏蔽常数，可用 Slater 经验规则算得。Z= Z*，Z* 有效核电荷数有效核电荷Z*H He 1s 1 1.70Li Be B C N O F Ne 1s 2.70 3.70 4.70 5.70 6.70 7.70 8.70 9.70 2s,2p 1.30 1.95 2.60 3.25 3.90 4.55 5.20 5.85Na Mg Al Si P S Cl Ar 1s 10.70 11.70 12.70 13.70 14.70 15.70 16.70 17.70 2s,2p 6.85 7.85 8.85 9.85 10.85 11.85 12.85 13.85 3s
11、,3p 2.20 2.85 3.50 4.15 4.80 5.45 6.10 6.75电子进入原子内部空间，受到核的较强 的吸引作用。4.钻穿效应n相同时，l愈小的电子，钻穿效应愈明显： nsnpndnf，EnsEnpEnd Enf 。钠原子的电子云径向分布图8Z20：4s对K，L内层原子芯钻穿大， E4sE3dZ21 ：4s对原子芯钻穿效应相对变小， E4sE3d3d和4s对1s2s2p原子芯的钻穿3d和4s对1s2s2p3s3p原子芯的钻穿1. 基态原子的核外电子排布原则 最低能量原理电子在核外排列应尽先分布在低能级轨 道上, 使整个原子系统能量最 低。 Pauli不相容原理每个原子轨道中
12、最多容纳两个自旋方式 相反的电子。 Hund 规则在 n 和 l 相同的轨道上分布的电子,将尽 可能分占 m 值不同的轨道, 且自旋平行。8.4.2 核外电子的排布半满全满规则：C：1s2 2s2 2p2He、Ar原子芯N：He 2s2 2p31s2s2pZ=24Z=29Cu：全满：p6，d10，f14； 半满：p3，d5，f7； 全空：p0，d0，f0。2. 基态原子的核外电子排布基态原子的核外电子在各原子轨道上排布顺序：1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d,7p出现d轨道时，依照ns,(n-1)d,np顺序排布；d,f轨
13、道均出现时，依照ns, (n-2)f,(n-1)d,np顺序排布。帮助记忆图Z=11，Na：1s22s22p63s1或Ne 3s1 ，Z=20，Ca：1s22s22p63s23p64s2或Ar 4s2 ，Z=50，Sn： Kr 4d105s2 5p2，Z=56，Ba： Xe 6s2 。价电子：例如：Sn的价电子排布式为： 5s2 5p2 。8.5.1 元素的周期8.5.2 元素的族8.5 元素周期表8.5.3 元素的分区8.5.1 元素的周期元素周期表中的七个周期分别对应7个能级组周 期特点能级 组对应的 能级原子 轨道数元素数一 二 三 四 五 六 七特短周期 短周期 短周期 长周期 长周期
14、 特长周期 不完全周期1 2 3 4 5 6 71s 2s2p 3s3p 4s3d4p 5s4d5p 6s4f5d6p 7s5f6d7p1 4 4 9 9 16 162 8 8 18 18 32 应有328.5.2 元素的族第1，2，13，14，15，16和17列为主族， 即,A,A,A,A,A,A,A。主族：族序数=价电子总数稀有气体(He除外)8e为A,通常称为零族，第37，11和12列为副族。 即, B,B,B,B,B,B和B。前5个副族的价电子数=族序数。B,B根据ns轨道上电子数划分。第8,9,10列元素称为族，价电子排布 （n-1)d6-8ns2。8.5.3 元素的分区元素周期表中价电子排布类似的元素 集中在一起，分为5个区，并以最后填入的 电子的能级代号作为区号。s 区：ns12
