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1、第6章 原子结构与周期表Date中山大学无机化学第六章 原子结构与周期表n n6.1 6.1 原子结构理论的发展简史原子结构理论的发展简史n6.2 核外电子的运动状态n6.3 多电子原子结构与元素周期律n6.4 元素基本性质的周期性变化Date中山大学无机化学第六章 原子结构与周期表6.1 6.1 原子结构理论的发展简史原子结构理论的发展简史 n n一、古代希腊的原子理论一、古代希腊的原子理论 n n二、道尔顿二、道尔顿(J. Dolton) (J. Dolton) 的原子理论的原子理论- - - 19 19世纪初世纪初 n n三、卢瑟福三、卢瑟福(E.Rutherford)(E.Ruther
2、ford)的行星式原的行星式原 子模型子模型-19-19世纪末世纪末n n四、近代原子结构理论四、近代原子结构理论-氢原子光谱氢原子光谱Date中山大学无机化学6.2 核外电子的运动状态n学习线索：n氢原子发射光谱（线状光谱）n玻尔原子结构理论（电子能量量子化，经典电磁 理论对微观世界失效）n光子和实物粒子的“波粒二象性”波动性 衍射、干涉、偏振微粒性 能量、动量、光电效应、实物发射或吸收光n 测不准原理（经典力学对微观世界失效）n量子力学（描述微观世界运动规律的新理论）对 核外电子运动状态的描述 薛定谔方程。Date中山大学无机化学6.2 核外电子的运动状态(续)n n一一 、氢原子光谱、氢
3、原子光谱n连续光谱(continuous spectrum)n线状光谱(原子光谱)(line spectrum)n氢原子光谱（原子发射光谱）Date中山大学无机化学连续光谱（自然界）Date中山大学无机化学连续光谱(实验室）Date中山大学无机化学电磁波连续光谱Date中山大学无机化学电磁波 电场组分和磁场组分互相垂直Date中山大学无机化学电磁波连续光谱（续）Date中山大学无机化学Date中山大学无机化学氢原子光谱（原子发射光谱）真空管中含少量H2(g)，高压放电， 发出紫外光和可见光 三棱镜 不连续的线状光谱Date中山大学无机化学氢原子光谱（续）Date中山大学无机化学一、氢原子光谱（
4、原子发射光谱）（续）（一）氢原子光谱特点1. 不连续的线状光谱2. 谱线频率符合 = R（6.1）式中，频率 (s-1), Rydberg常数 R = 3.2891015 s-1n1、n2 为正整数，且 n1 m2时， m2nh Planck常数，h = 6.626 10-34 J.snE 电子总能量(动能 + 势能）/ JDate中山大学无机化学nV 电子势能 / J . 在单电子原子/离子体系中：V = - Ze2 / (4 0 r ) （单电子体系） （6.10）0 介电常数，e 电子电荷，Z 核电荷， r 电子到核距离。“解薛定谔方程” 针对具体研究的原子体系 ，先写出具体的势能函数V
5、 表达式（例如电子体 系的6.10式），代入(6.7式薛定谔方程)求出 和 E的具体表达式 (“结构化学”课程详细学习)。只介绍解薛定谔过程中得到的一些重要结论 。（一）薛定谔方程（续）Date中山大学无机化学（一）薛定谔方程（续）n1. 坐标变换：在解薛定谔方程的过程中，要设法使3个自变量分离 ；但在直角坐标系中：r = (x 2 + y 2 + z 2)1/2无法使x、y、z分开；因此，必须作坐标变换，即：直角坐标系坐标( x, y, z) 球坐标系坐标( r, , )由教材p.135图7.5得：x = r sin cos y= r sin sin z = r cos r = (x2 +
6、y2 + z2)1/2 ( x, y, z) ( r, , )Date中山大学无机化学直角坐标直角坐标( (x, y, zx, y, z) )与与球坐标球坐标( (r, , ) 之间的关系之间的关系 Date中山大学无机化学（一）薛定谔方程（续）2. 3个量子数(n、l、ml)和波函数 :n薛定谔方程（6.7）的数学解很多，但只有少数 数学解是符合电子运动状态的合理解。n在求合理解的过程中，引入了3个参数（量子数 ）n、l、ml .于是波函数 ( r, , )具有3个参数 和 3个自变量，写为： ( r, , ) n, l, m (r, , )Date中山大学无机化学（一）薛定谔方程（续）量子
7、数n、l、ml的意义：每一组允许的n、l、ml值 核外电子运动的一种空间状态 由对应的特定波函数 n, l, m（ r, , ）表示 有对应的能量En, l即： n、l、ml 波函数 n, l, m（ r, , ）(原子轨道)；n、l 能量En,lDate中山大学无机化学3. 四个量子数n、l、ml和ms的意义(续)n(1) 主量子数n (principal quantum number )nn = 1, 2, 3, 4正整数，它决定电子离核的平均距离、能 级和电子层。n1.确定电子出现最大几率区域离核的平均距离。n,则平 均距离。n2.在单电子原子中，n决定电子的能量;En = - Z2 1
8、3.6 eV /n2在多电子原子中n与l一起决定电子的能量:En,l = - (Z*)2 13.6 eV /n2 （Z*与n、l有关）3. 确定电子层（n相同的电子属同一电子层）:n 1 2 3 4 5 6 7电子层 K L M N O P QDate中山大学无机化学3. 四个量子数n、l、ml和ms的意义(续)n(2) 角量子数l (轨道角动量量子数, orbital angular momentum quantum number )n对每个n值 : l = 0, 1, 2, 3n-1，共有 n个值.n1. 确定原子轨道和电子云在空间的角度分布情况（形状）；n2.在多电子原子中，n与l一起决
9、定的电子的能量；n3.确定电子亚层(下图)： l 0 1 2 3 4 电子亚层： s p d f gn4.决定电子运动的角动量的大小：|M| = l(l+1)1/2 h/2 l=0 l=1 l=2 l=3an f orbitalDate中山大学无机化学3. 四个量子数n、l、ml和ms的意义(续)n(3) 磁量子数ml (或m) (magnetic quantum number)n对每个l 值, ml = 0,1, 2, l .（共有“2l + 1”个值）n1. ml值决定波函数(原 子轨道)或电子云在空间的 伸展方向:由于ml可取（2l + 1）个值，所以相应 于一个l值的电子亚层共有（2l
10、 + 1）个取向，例 如d轨道，l = 2， ml = 0，1, 2，则d 轨道共有5 种取向。 n2. 决定电子运动轨道角动量在外磁场方向上的分 量的大小： Mz = ml h /2 Date中山大学无机化学3. 四个量子数n、l、ml和ms的意义(续)(4)自旋量子数ms (spin quantum number)ms = 1/2, 表示同一轨 道(n, l, m（ r, , ）) 中电子的二种自旋状 态。n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2 n2.Date中山大学无机化学电子自旋运动Date中山大学无机化学四个量子数描述核外电子运动的可能状态n例： 原子轨
11、道 msn n = 1 1s (1个) 1/2n n = 2 l = 0， ml = 0 2s (1个) 1/2n l = 1， ml = 0 , 1 2p (3个) 1/2n n = 3 l = 0， ml = 0 3s (1个) 1/2n l = 1， ml = 0 , 1 3p (3个) 1/2n l = 2， ml = 0 , 1， 2 3d (5个) 1/2n n = 4 ?Date中山大学无机化学3个量子数n、l、ml与原子轨道符号原子轨轨道符号 1s 2s 2pz 2px 2py 3s 3pz 3px 3py 3dz2 3dxy 3dyz 3dxz 3dx2-y2 4s 4pz
12、4px 4py 4dz2 4dxy 4dyz 4dxz 4dx2-y2 4f (7 orbitals)nlml 100 200 10, 1 300 10 ,1 20, 1, 2 400 10, 1 20, 1, 2 30, 1, 2, 3Date中山大学无机化学（一）薛定谔方程（续）n可见：“能量量子化”是解薛定谔方程的自然结果，而不是人为的做法（如玻尔原子结构模型那样）。n4. 薛定谔方程的物理意义：n对一个质量为m，在势能为V 的势能场中运动的微粒（如电子），有一个与微粒运动的稳定状态相联系的波函 数 ，这个波函数服从薛定谔方程，该方程的每一个特定的解 n,l,m（ r, , ）表示原子中
13、电子运动的某一稳定状态，与这个解对应的常数En,l就是电子在这个稳定状态 的能量。 Date中山大学无机化学氢原子和类氢离子(单电子体系) 的几个波函数 (见教材p.136表7-4 )Date中山大学无机化学（二）波函数图形波函数n,l,m( r, , )是三维空间坐标r, , 的函数，不可能用单一图形来全面表示它，需要用各种不同类型 的图形表示。设 n, l, m(r, , ) = Rn, l(r) Yl, m(, )空间波函数 径向部分 角度部分3参数3自变量 2参数1自变量 2参数2自变量n、l、ml 波函数n, l, m(r, , ) (原子轨道)；n、l 能量En, l原子轨道“at
14、omic orbital”，区别于波尔的“orbit”. 波函数图形又称为“原子轨道（函）图形”。Date中山大学无机化学（二）波函数图形（续）1.波函数（原子轨道）的角度分布图 即 Yl, m(, ) - (, )对画图. （1）作图方法：原子核为原点，引出方向为(, )的向量；从原点起，沿此向量方向截取长度 = | Yl, m(, ) | 的线段；所有这些向量的端点在空间组成一个立体曲面 ，就是波函数的角度分布图。 Date中山大学无机化学（二）波函数图形（续）n 例：氢原子波函数210(r, , ) 的角度部分为n Y10(,) = (3/4)1/2cos n （又称pz原子轨道）n 把各个 值代入上式，计算 出Y10(,)的值，列表如下，得 到的图是双球型的曲面. Date中山大学无机化学n波函数（原子轨道）的角度分布图(剖面图)
