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1、原子结构和元素周期律第一节 氢原子结构第二节 量子数和原子轨道第三节 电子组态和元素周期表第四节 元素性质的周期性变化规律第五节 元素和人体健康HISTORY OF THE ATOMHISTORY OF THE ATOM460 BCDemocritus develops the idea of atomshe pounded up materials in his pestle and mortar until he had reduced them to smaller and smaller particles which he calledATOMAATOMA (greek for in
2、divisible)HISTORY OF THE ATOMHISTORY OF THE ATOM1808John Daltonsuggested that all matter was made up of tiny spheres that were able to bounce around with perfect elasticity and called themATOMSATOMS HISTORY OF THE ATOMHISTORY OF THE ATOMEvidence is accumulating that the atom is itself composed of sm
3、aller particles (subatomic particles)Atoms is undividable?Evolution of Atomic ModelEvolution of Atomic Model1898Joseph John Thompsonfound that atoms could sometimes eject a far smaller negative particle which he called anELECTRONELECTRON Thompson develops the idea that an atom was made up of electro
4、ns scattered unevenly within an elastic sphere surrounded by a soup of positive charge to balance the electrons charge like plums surrounded by pudding.1904PLUM PUDDINGMODELEvolution of Atomic ModelEvolution of Atomic Model1910Ernest Rutherford and nucleusoversaw Geiger and Marsden carrying out his
5、famous experiment to probe inside the atom using alpha particles because it is smaller than the atomEvolution of Atomic ModelEvolution of Atomic ModelRutherfords modelRutherford 在粒子散射实验的基础上，提出了行星式原子轨道模型。他认为：原子像一个行星系，其中心有一个体积很小却几乎集中了原 子全部质量的带正电荷的原子核，而带负电荷的 电子在核外空间绕核高速运动，就像行星围绕着 太阳运动一样。一、氢原子光谱和 Bohr 理
6、论二、电子的波粒二象性三、测不准原理四、波函数第一节 氢原子结构（一）氢原子光谱人们肉眼能观察到的可见光的波长范围是 400760nm。当一束白光通过石英棱镜时，形 成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等没有明显分 界线的彩色带状光谱，这种带状光谱称为连续 光谱。The spectrum of white lightTextbook P146气态原子被火花、电弧或其他方法激发产生 的光，经棱镜分光后，得到不连续的线状光谱， 这种线状光谱称为原子光谱。氢原子光谱是最简单的原子光谱。在抽成真 空的光电管中充入稀薄纯氢气，并通过高压放电 所放出的光经棱镜分光后形成按波长次序排列的 不连续的线状光谱。氢原子光
7、谱在可见光区有 条比较明显的谱线，分别用 H，H，H，H表 示。，氢原子光谱及实验示意图1913年，瑞典物理学家 Rudberg 总结出适用 氢原子光谱的谱线频率的通式：在某一瞬间一个氢原子只能产生一条谱线， 实验中之所以能同时观察到全部谱线，是由于很 多个氢原子受到激发，跃迁到高能级后又返回低 能级的结果。波数波长倒数1.097*107m-1Energy-Level DiagramE = Ef Ei = -RH nf2-RH ni2= RH (ni21 nf21) = h = hc/（二）Bohr 理论1913 年，丹麦青年物理学家 Bohr 提出了 新的原子结构模型。其要点如下：（1）电子
8、只能在某些特定的圆形轨道上绕核运动，在这些轨道上运动的电子既不放出能量，也不吸收能量。 （2）电子在不同轨道上运动时，其能量是 不同的。在离核越远的轨道上，能量越高；在离核越近的轨道上，能量越低。轨道的这些不同的能量状态称为能级，其中能量最低的状态称为基态，其余能量高于基态的状态称为激发 态。原子轨道的能量是量子化的，氢原子轨道的能量为：能级假说2.18*10-18J主量子数（3）只有当电子在能量不同的轨道之间跃迁时，原子才会吸收或放出能量。当电子从能 量较高的轨道 (E2) 跃迁到能量较低的轨道(E1)时，原子以光子的形式释放出能量，释放出光的频率与轨道能量的关系为：能级跃迁氢原子能级图 光
9、子频率Planck constant， 6.62610-34 Js Bohr 理论成功地解释了氢原子光谱。当原子从外界接受能量时，电子就会跃迁到能量较高的 激发态。而处于激发态的电子是不稳定的，它会 自发地跃迁回能量较低的轨道，同时将能量以光 的形式发射出来，发射出的光的频率，决定于跃 迁前后两种轨道间的能量差。由于轨道的能量是 不连续的，所发射出的光的频率也是不连续的， 因此得到的氢原子光谱是线状光谱。Niels Bohrstudied under Rutherford at the Victoria University in Manchester. In 1913, he propose
10、d a revolutionary model with orbiting electronsNiels Bohr won the Nobel Prize in Physics 1922 for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them“1. Light waves exhibited particle like properties phenomena called photo-electric effect in which lig
11、ht impinging on certain metals cause instantaneous emission of electrons in a billiard ball like impact. the basis of automatic door openers in grocery stores 2. Electrons (particles) exhibit wave like properties theycan pass through each other ! Phenomenon of electron interference basis of electron
12、 microscopesThe QUANTUM WORLD.The quantum picture of the world is at odds with our common sense view of physical objects. We cannot uniquely define what is a particle and what is a wave !Neils Bohr and Werner Heisenberg were the architects of this quantum world view, along with Planck, Einstein, de
13、Broglie, Schrodinger, Pauli and Dirac. 二、电子的波粒二象性和不确定原理（一）电子的波粒二象性1923 年，法国青年物理学家 de Broglie大胆地提出电子也具有波粒二象性的假说。并预 言：对于质量为me，运动速率为 的电子，其 相应的波长 可由下式给出：1927年，美国物理学家Davisson和Germer用电 子束代替X射线做晶体衍射实验，得到了与X射线 衍射图象相似的衍射环纹图，确认了电子具有波动 性。（a）X射线的衍射图（b）电子衍射图概率波电子在空间区域出 现的概率三、测不准原理对于具有波粒二象性的电子，能否同时准确地测 定电子的位置和动量呢
14、？1927年，德国物理学家 Heisenberg 对此做出了否定回答。 x为坐标上粒子在x方向的位置误差 px为动量在x方向的误差 电子位置测不准电子动量测不准Heisenberg 认为：不可能同时准确地测定电子的位置和动量。这就是测不准原理，它的 数学表达式为：电子与宏观物体具有完全不同的特点，不能同时准确地确定它的位置和动能，而只能达到一定的近似程度。电子的位置确定得 越准确( 越小)，则电子的动量就确定得越不准确( 越大)；反之，电子的动量确定得越准确，电子的位置就确定得越不准确。（一） 方程1926年，奥地利著名的物理学家 首先提出描述了电子运动状态的波动方程，称为 方程：方程的每一个
15、解 ，就表示电子的一种运动状态， 与 相应的E 就是电子在这一运动状态下的能量。至今只能准确求解单电子原子的 方程。而即使是对单电子原子，求解 方程也很复杂，需要较深的数学知识。四、氢原子的波函数波函数量子力学处理化学问题的一般步骤 研究体系物理条件势能函数形式哈密顿算符薛定谔方程求解边界条件合格化波函数、能量，E讨论分布特点等波函数图形解释应用预言体系性质薛定谔方程（电子运动的波动方程）薛定谔采用哈密顿力学体系，把波动方程推向三维， 得到量子力学基本方程薛定谔方程电子的总能量电子的势能波函数x，y，z为电子在空间的坐标薛定谔方程关于空间坐标的二阶线性偏微分方程微观粒子运动状态的描述波动方程波函数 是这个方程的解它不是一个数值，是描述微观粒子运动状态的函数式本身没有准确的物理意义2表示空间某处电子出现的概率密度任何微观粒子的运动状态都可以用一个波函数 来描述，在原子和分子体系中，波函数又分别称为原子轨道和分子轨道 电子具有波粒二象性，电子的波动性与其运动的统计规律相联系，电子波是概率波 微观粒子不能同时准确测定它的位置和动量，它在核外出现只有概率的大小 电子的运动状态可用波函数及其相应的能量 来描述，波函数是薛定谔方程的解，2是核外电子在空间某处出现的概率密度 解薛定谔方程得到一系列波函数和对应的能量 1 E1 2 E2 n En概率密度和电子云|1s |2r氢原
