原子结构与元素周期表ppt课件

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1、第五章 原子结构 和元素周期表,费曼(1918-1988) Richard Feynman 美国理论物理学家 1965年诺贝尔物理奖 引自费曼物理学讲义,如果有一天人类遭遇灭顶之灾，我们的全部知识也将随之被毁灭。假如我们还有时间给后人留一句话，那么这句话应当是：所有物质由原子组成。原子是一种永远运动的、远距离相互吸引、近距离相互排斥的微小粒子。,原子,原子结构,原子序数= 核电荷数(z) = 质子数 = 核外电子数 质量数(A) = 质子数 + 中子数 (N)质子 z 个原子核原子( ) 中子 N=(A-z)个核外电子 z 个,原子的古典理论,世界上任何东西都是由原子组成的（包括物质和灵魂）。

2、原子是不可分割的。Democritus BC460-370 古希腊哲学家 公元前440年,德谟克利特,Dalton原子论 (1803),所有物质是由原子组成的。原子不可再分。 某一元素的所有原子都是相同的，但是与其它元素的原子不同。 化合物是由不同元素的原子按一定比例形成的。 化学反应是原子的重排，但既没有新原子的产生，也没有原来原子的消失。,Thomson电子荷质比测定实验,Rutherford原子行星模型 (1911),电子在原子内绕核旋转，就象行星绕太阳运转一样,卢瑟福 Sir Ernest Rutherford 1871-1937 新西兰裔英国化学家 获1908年Nobel化学奖,氢原

3、子光谱实验,连续光谱氢原子光谱,量子论的诞生,1900年12月14日，普朗克解释了黑体辐射现象，并且引入量子化能量假说： 辐射能的放出或吸收不是连续的，而是按照一个基本量或基本量的整数倍被物质放出或吸收 Eh,普朗克 Max Ludwig Planck 1858-1947 德国物理学家 1918年Nobel物理奖,Bohr氢原子模型 (1913),尼尔斯玻尔 N. Bohr 1885-1962 丹麦物理学家,Bohr氢原子模型要点,原子内电子按能级分层排布于适合一定条件的轨道上，电子在稳定轨道中旋转时完全不放出能量，处于一种稳定状态； 电子在不同轨道上旋转时具有不同能量，各能级间能量是不连续的

4、，即量子化的；电子在轨道间跃迁时才有能量的放出和吸收 ，放出的量子具有的频率由轨道的能量差决定,氢原子光谱与氢原子能量,Bohr理论的优点和局限,优点：首先引入量子化的概念，解释了氢原子光谱为不连续光谱。 缺点： 未能完全冲破经典力学连续概念，只是勉强加进了一些人为的量子化条件和假定。 只能解释氢原子或类氢原子（He+, Li2+）光谱。不能解释多电子原子（核外电子数大于1的原子） 、分子或固体的光谱，即使是有两个电子的He ，其结果与实验相去甚远。 亦不能解释氢光谱的每条谱线实际上还可分裂为两条谱线的现象，即精细结构 未考虑其运动的波动性，采用了宏观轨道的概念。,原子的量子力学模型,微观粒子

5、：电子、原子、分子 微观粒子的运动特征 量子化 波粒二象性 光的波粒二象性 既有波动性又有微粒性： 光 波粒二象性的数学表达 （能量量子化） E=nh (n=1,2, .) P= h/ 、：波动性 E、P：微粒性,de Broglie波粒二象性,德布罗意波（物质波） 电子具有波长 h/m,德布罗意 L. de Broglie 法国物理学家 获1929年Nobel物理奖,物质波证明电子的晶体衍射,C. Davisson和L. Germar 当电子通过晶体时，在屏幕上产生明暗交替的衍射环。这说明电子射线同X射线一样有衍射现象，证明了德布罗意假设的正确性，亦证明了电子具有波动性。,070410电子衍

6、射实验,铝箔（a）,石墨（b）,感光屏幕,薄晶体片,衍射环纹,电子束,电子枪,电子具有波动性的实验证明,Heisenberg测不准原理 (1),具有波粒二象性的微观粒子，不能同时测准其位置和速度（动量）。如果微粒的运动位置测得愈准确，则相应的速度愈不易测准，反之亦然。,海森堡 Werner Carl Heisenberg 1902-1972 德国物理学家 获1932年Nobel物理奖,Heisenberg测不准原理 (2),式中 x 表示位置测不准量，P 表示动量测不准量，h 为普朗克常数 (6.626 10-34Js)， 为圆周率，m 为质量，v 表示速度的测不准量。,Schrdinger方

7、程,薛定鄂 Erwin Schrdinger 1887-1961 奥地利物理学家 获1933年Nobel物理奖,“当所有其它方法都行不通时，就用薛定鄂方程。”罗素派克Russell T. Pack美国化学教育家April 1978,薛定谔方程,薛定谔(Schrdinger)方程：E：体系的总能量 V：势能 m：微粒的质量 ：描述电子运动的波函数，也称为原子轨道、原子轨迹或原子函,波函数和原子轨道, 通过薛定谔方程求解而得 可以描述原子核外电子运动状态,对x的二阶偏导数,对y的二阶偏导数,对z的二阶偏导数,求解 (1),必须在球极坐标系中求解 (x,y,z) (r,) Rn(r)Yl,m(,),

8、0r 0 纬度 02 经度,x = r sin cos y = r sin sin z = r cos ,求解 (2),R(r)只与电子离核半径有关，称为波函数的径向部分 Y(,)只与、 两个角度有关，故称为波函数的角度部分 在解 R(r)方程时，要引入一个参数 n，在解 ()方程时要引入另一个参数 l，在解 ()方程时还要引入一个参数 m。 主量子数 n = 1，2，3，4，7 角量子数 l = 0，1，2，3，n-1，共可取n个数值。 磁量子数 m = 0，1，2，l。共可取2l +1个数值。 在量子力学中，三个量子数都有确定值的波函数称为原子轨道。,氢原子的基态,1.总能量2.波函数径向

9、部分：角度部分：,概率密度和电子云, 没有物理意义，复数表达式为=a+bi |2 代表微粒在空间某点出现的概率密度，即单位体积中的概率 电子云是|2 的具体图像,s 电子云的界面图（电子出现概率达到90的等密度面）,1s电子云|2 r图,电子云的概念,假想将核外一个电子每个瞬间的运动状态，进行摄影。并将这样数百万张照片重叠，得到如下的统计效果图，形象地称为电子云图。 电子云没有明确的边界，在离核很远的地方，电子仍有出现的可能，但实际上在离核200300pm以外的区域，电子出现的概率可以忽略不计。,四个量子数,主量子数 n 1，2，3，4 角量子数 l 0，1，2，3，(n-1)，共 n 个取值

10、 磁量子数 m 0，1，2，l，共2l+1个取值 自旋量子数 ms ,主量子数 n,取值 1, 2, 3, 4, n 为正整数(自然数) 能量量子化 光谱学上用 K , L , M , N , 表示 意义 表示原子轨道能量的高低，核外电子离核的远近，或者说是电子所在的电子层数。n= 1表示第一层(K层)，能量最低，离核最近。n的数值大，电子距离原子核远，则具有较高的能量。,主量子数 n,角量子数 l,用来描述同层中 (n 相同 ) 不同形状的原子轨道（亚层），取值受主量子数 n 的限制， 对于确定的主量子数 n ，角量子数 l 可以为 0, 1, 2, 3, 4, ( n-1 )， 共 n 个

11、取值，光谱学上依次用 s , p , d , f , g , 表示 。 意义 角量子数 l 决定原子轨道的形状 n = 4 时： l = 0 表示 s 轨道，能量最低，形状为球形，即4s 轨道； l = 1 表示 p 轨道，形状为哑铃形，4p 轨道； l = 2 表示 d 轨道，形状为花瓣形，4d 轨道； l = 3 表示 f 轨道，能量最高，形状复杂, 4f 轨道,磁量子数 m,取值受角量子数 l 的影响，对于给定的 l， m可取：0, 1, 2, 3, l意义 m 决定原子轨道的空间取向若l=3，则m=0, 1, 2, 3 共7个值。 每一种 m 的取值，对应一种空间取向。 n 和 l 一

12、定的轨道，如 2 p 轨道（n =2 , l=1）在空间有三种不同的取向。但一般不影响能量。3 种不同取向的 2 p 轨道能量相同。 能量相同的原子轨道称为等价轨道或简并轨道,原子轨道的空间取向,电子自旋的发现,Stern-Gerlach 实验 电子自旋：电子自身存在的两种不同的运动状态,自旋量子数 ms,电子在沿外磁场方向上的自旋角动量分量，可用 Ms 表示： Ms = msh/2ms称为自旋量子数，取值只有两个，+ 和 。电子的自旋方式只有两种，通常用 “ ” 和 “ ”顺时针，逆时针表示。,填充允许的量子数,n =2 l =( ) m =1 ms=+1/2 n =2 l =1 m =(

13、) ms=+1/2 n =3 l =0 m =( ) ms=+1/2 n =( ) l =2 m =0 ms=+1/2 n =2 l =( ) m = -1 ms=+1/2 n =4 l =( ) m =0 ms=+1/2 n = 4 l = 2 m =( ) ms=1/2,1 0,1 0 3 1 0 0, 1, 2,不合理的量子数,n = 2, l = 1, m = 0 n = 2, l = 2, m = -1 n = 3, l = 0, m = 0 n = 3, l = 1, m = 1 n = 2, l = 0, m = -1 n = 2, l = 3, m = 2,合理 l = 1 合

14、理 合理 m = 0或l=1 l=0,1; m=0, 1或n3,填表,示例 (1),对于n = 3, m = -2的电子来说，下列说法哪种正确？ 电子位于d轨道中 电子位于p轨道中 电子位于第二电子层中 以上均不正确 n=3 l = 0, 1, 2 m-2 l 2,示例 (2),5d轨道中的电子的磁量子数 m: 可能为0-5之间的任何一个 为0 为+ 或 - 为3 以上都不对,原子轨道的角度分布图,用图形表示Yl,m的数值大小随角度，的变化。s轨道 p轨道,d轨道角度分布图,070412电子云的角度分布图,以|2 作图得到的图像 电子云的角度分布图和相应的原子轨道的角度分布图是相似的，它们之间

15、主要区别有两点： （1）因角度函数Yl，所以Y2值比Y值更小，电子云的角度分布图比原子轨道角度分布图“瘦” ； （2）原子轨道角度分布图有正、负之分，而电子云的角度分布图因角度函数经平方后无正、负之分，全为正值。,多电子原子中的能级图,能级交错现象,鲍林近似能级图 (1),近似能级图是按原子轨道的能量高低顺序排列的，能量相近的划为一组，成为能级组，共七个能级组。 能级组的存在，是周期表中化学元素可划分为各个周期及每个周期应有元素数目的根本原因。 对于4、5、6、7能级组，在一个能级中包含不同电子层的能级现象称为能级交错 每个小圆圈代表一个原子轨道，同高度的圆圈代表简并轨道。,鲍林近似能级图 (2),l 相同，n 越大，能量越高 n 相同，l 越大，能量越高 同一主层中各亚层能级产生差别的现象叫做能级分裂 n、l 都不同，比较能量使用 (n+0.7l)：(n+0.7l) 越小，能量越低 注意：Pauling 能级图 不能完全反映出每种元素的原子轨道能级的相对高低，有例外 不能用此图来比较不同元素原子轨道能级的相对高低。,