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1、第2章 原子结构2.1经典核模型的建立 2.2氢原子光谱与玻尔的氢原子模型 2.3微观粒子的运动属性 2.4氢原子的量子力学模型 2.5多电子原子结构 2.6元素周期表与核外电子构型 2.7元素基本性质的周期性2.1 经典核模型的建立汤姆逊(Thomson)模型1卢瑟福(Rutherford)模型21. 汤姆逊(Thomson)模型v汤姆逊1897年发现电子，1903年提出西瓜模型汤姆逊阴极射线管西瓜模型2. 卢瑟福(Rutherford)模型1908年获得诺贝尔化学奖v卢瑟福1911年提出核式结构模型太阳-行星模型1. 所有原子都有一个核即原子核(nucleus)；2. 核的体积只占整个原子
2、体积极小的一部分；3. 原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上；4. 电子像行星绕着太阳那样绕核运动。根据当时的物理学概念，带电微粒在力场中运动时总要产生电磁辐射并逐渐失去能量，运动着的电子轨道会越来越小，最终将与原子核相撞并导致原子毁灭。由于原子毁灭的事实从未发生，将经典物理学概念推到前所未有的尴尬境地。19世纪末人类科学天空的三朵乌云：氢原子光谱、黑体辐射、光电效应玻尔的氢原子模型普朗克提出能量量子化爱因斯坦提出光子学说2.2 氢原子光谱与玻尔的氢原子模型1能量量子化和光子学说23氢原子光谱玻尔的氢原子模型1. 氢原子光谱v连续光谱从上到下：氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱v线状光谱v氢
3、原子光谱HHHH巴尔麦巴尔麦( (BalmerBalmer) )指出了这些谱线的波长服从如下公式指出了这些谱线的波长服从如下公式 ：当n为3，4，5，6时，分别得出H，H，H，H的波长。后来，里德堡后来，里德堡( (RydbergRydberg) )把上式改写为：把上式改写为：H称为里德堡常数，其数值为1.09677107m-1。v能量量子化Max K.E.L. Planck（18581947）1918年获得诺贝尔物理学奖Planck的量子假说（1900年）：能量有一最小单位E0，称为能 量子或量子， E0 = hv； 宇宙中的任何振动所具有的能 量都是量子hv的整数倍：v：电磁波频率 h：P
4、lanck常数，等于6.62610-34 J s=nhv2. 能量量子化和光子学说v光子学说Albert Einstein （18791955）1921年获得诺贝尔物理学奖Einstein的光子学说（1905年）：一束光是由光子组成，光的能 量是不连续的，光能的最小单 位是光子；光子的能量E0 = hvv：光的频率，光的频率， h h：PlanckPlanck常数，等于常数，等于6.626106.62610-34-34 JsJs。3. 玻尔的氢原子模型v三点假设：+-n=1n=2n=3 hv=EnEnn=1，2，3，定态假设量子化条件频率假设例题：求激发态氢原子的电子从n=4能级跃迁到 n=2
5、能级时所发射的辐射能的频率、波长及能量？解：由Niels Bohr（18851962）1922年获得诺贝尔物理学奖玻尔理论的成功之处l量子化概念引入原子结构 l说明了原子的稳定性 l解释了H及He+、Li2+、B3+ 的原子光谱玻尔理论的不足之处l不能解释氢原子光谱的精细结构 l不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂 l不能解释多电子原子光谱2.3 微观粒子的运动属性波粒二象性1不确定原理21. 波粒二象性光的波动性：光在传播时体现。如干涉、衍射 光的粒子性：光与实物相互作用时体现。如辐射、吸收、光电效应v光的波粒二象性P = h/能量动量频率波长E = hv粒子性波动性Louis de Brogi
6、le （18921987）1929年获得诺贝尔物理学奖v德布罗意假设1924年de Broglie假设：所有的实物微观粒子，如电子、 原子、分子等和光子一样，也具有波 粒二象性，并且预言:波长 m:粒子的质量 :粒子运动的速度与实物粒子相关联的波称为物质 波，也叫德布罗意波。感光屏幕薄晶体片衍射环纹电子枪电子束电子衍射实验示意图电子枪发射高速电子通过薄晶体片射击感光荧屏，得到明暗相间的环纹，类似于光波的衍射环纹。物质波是几率波2. 不确定原理Heisenberg （19011976）1932年获得诺贝尔物理学奖不能同时测准微观粒子的位置和动量x：粒子所在位置的不确定度 px：粒子动量的不确定度
7、粒子m/kgx/m/ms-1电子9.110-311.010-117.3107子弹1.010-21.010-6 6.610-26不确定原理是微观粒子运动的固有特性，对于宏观物体没有实际意义。卢瑟福行星模型玻尔的氢原子模型普朗克定律光子学说德布罗意假设海森堡不确定原理2.4 氢原子的量子力学模型1原子轨道、波函数及量子数23薛定谔方程波函数的有关图形表示1. 薛定谔方程Erwin Schrdinger （ 18871961）1933年获得诺贝尔物理学奖v解薛定谔方程时的几点说明：将直角坐标变成球坐标，解得的波函数由（x，y，z）转换成（r，）Schrdinger方程的解为系列解，每一个解都有一定能
8、量E和其对应为了得到合理解，必须引入三个常数项n，l，m，称为量子数2. 原子轨道、波函数及量子数在量子力学中用 和E描述微观粒子运动状态通常把一个波函数 称作一个原子轨道v原子轨道和波函数注意这里的轨道(orbital)，不是经典力学意义上的轨 道(orbit)，而是服从量子力学意义上的轨道。每一个波函数 都被一组量子数限定v四个量子数n，l，m，ms(1)主量子数n (principal quantum number) 取值： n只能取正整数， n = 1, 2, 3, 4, 光谱学上依此用 K，L，M，N 表示物理意义： 决定电子离核的远近，即电子层数，n越大，电子与原子核的平均距离越远
9、；决定电子能量高低的主要因素。角量子数l (azimuthal quantum number) 取值：受主量子数n的限制， l = 0，1，2，3，4 ，5(n1) 光谱学上依此用 s，p，d，f，g 表示物理意义：决定原子轨道或电子云的形状；决定电子能量高低的次要因素。s轨道：球形p轨道：哑铃形d轨道：花瓣形多电子原子轨道能量 E=E (n，l) n相同，l越大，E越高 E3sE4sE4fE6s3d 与 4s轨道的径向分布图 能级组和近似能级图能级组：由于n，l决定能量，徐光宪把(n+0.7l)的第一位数字相同的能级并为一个能级组，并称为第几能级组。能级组IIIIIIIVVVI原子轨道1s2
10、s 2p3s 3p4s 3d 4p5s 4d 5p6s 4f 5d 6p同一能级组 内能级间的 间隔较小， 组与组之间 的能量间隔 较大。组内电子数288181832Pauling近似能级图核外电子排布的原则能量最低原理：电子先填充能量低的轨道，后填充能量高的轨道，尽可能 保持体系的能量最低。（见书P33图2.17）Pauli（保利）不相容原理：即同一原子中没有运动状态完全相同的电子，即同一原子中没有四个量子数完全相同的两个电子，因此每个原子轨道中只能容纳两个自旋方向相反的电子。 Hund（洪特）规则：电子在能量简并的轨道中，尽量以相同的自旋方式，分占不同的轨道，则体系的能量低。3. 多电子原
11、子核外电子构型洪特规则的特例：等价轨道处于全充满、半充满时，或全空状态较稳定。轨道全空 半充满 全充满注意：注意： 写电子排布式时，将主量子数相同的轨道写在一起 ，按n小的在前，n大的在后的顺序排布。价电子排布是指：主族元素只写最外层ns，np轨 道的电子排布，副族元素只写(n1)d，ns轨道的排 布。例如：K 4s1，Cu 3d104s1 为了避免电子结构式书写过长，通常把内层电子已 达到稀有气体结构的部分写成“原子实”，以稀有气 体的元素符号外加方括号表示。例如：K的电子结构式可表示为Ar4s1 有些元素电子排布情况与上述规律不完全符 合，我们必须尊重事实。例如：44号钌的价电子层结构是4
12、d75s145号铑是4d85s1 实验表明，当原子失去电子形成正离子时， 总是首先失去最外层电子。维尔纳长式周期表2.6 元素周期表与核外电子构型1族与核外电子构型23周期与核外电子构型特征电子组态（周期表分期）1. 周期(period)u周期表中共有七行，每一行为为一个周期，对应对应 一个能级组级组 ，共有七个周期u周期数=电子层数=最外层电子的主量子数nu元素数目=相应能级组中原子轨道的最大电子容量例如：例如：1919KK？核外电子排布：核外电子排布： ArAr 4s 4s1 1，最外层电子对应，最外层电子对应 n n = 4 = 4 ，所以钾元素属于第四周期。，所以钾元素属于第四周期。周
13、 期 数原子 序数元素 数目最高能级组级组最大电电 子容量11221s第一能级组2 231082s,2p第二能级组8 3111883s,3p第三能级组841936184s,3d,4p第四能级组1853754185s,4d,5p第五能级组1865586326s,4f,4d,6p第六能级组32 787116 (未完)307s,5f,5d,7p第七能级组32周期的划分和轨道能级组的关系2. 族(group)原子的电子层结构相似的元素落在同一列，称为族。凡包含长、短周期元素的各列，称为主族从IA到VIIA再加0族共8个主族仅包含有长周期元素的各列，称为副族从IB到VIIB和族共8个副族按电子填充顺序，
14、凡最后一个电子填入按电子填充顺序，凡最后一个电子填入n ns s或或n np p轨轨 道的元素。其内层电子处于全满状态，共有道的元素。其内层电子处于全满状态，共有8 8个主族。个主族。例如：例如： 1616S S？核外电子排布：核外电子排布：1s1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p4 4或或Ne3sNe3s2 23p3p4 4 价电子为：价电子为：3s3s2 23p3p4 4 族数：族数：VIAVIAvv主族主族 表示：表示：A A A A和和0 0族族 族数族数 = = 最外层电子数最外层电子数 = = 价层电子数价层电子数 = = 最高氧化值最高氧化值按电子填充顺序
15、，凡最后一个电子填入次外层按电子填充顺序，凡最后一个电子填入次外层 ( (n n 1)1)d d轨道或倒数第三层轨道或倒数第三层( (n n2)2)f f 轨道的元素，共有轨道的元素，共有8 8个副族。个副族。 表示：表示：IB IB B B和和VIIIVIII 价电子层：价电子层：nsns、npnp、( (n n-1)-1)d d 和和( (n n-2)-2)f f轨道，最外轨道，最外 层一般只有层一般只有 12 12 个电子。个电子。vv副族副族 B B B B 族：族：( (n n-1)-1)d d1 15 5 nsns1 12 2，族数族数 = (= (n n-1)-1)d d + + nsns 电子总数电子总数例如：例如：2525MnMn， ArAr 3 3d d5 54 4s s2 2B B族族
