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1、1,第10章 原子结构, 10.1 核外电子运动状态及特征 10.2 氢原子的波函数和量子数 10.3 多电子原子的核外电子排布 10.4 原子的电子组态与元素周期表 10.5 核医学简介,2,本章教学要求,原子是由原子核和核外电子组成。化学反应中，原子核不发生变化，只涉及核外电子的运动状态的改变，本章重点研究: 核外电子的运动状态及其特征 氢原子的波函数(量子数、图形) 多电子原子的原子结构(电子组态) 原子的电子组态与元素周期表,3,第一节 核外电子运动状态及特征,一、原子结构的认识史和旧量子论,4,原子结构的认识史,Dalton原子学说 (1803年) Thomson“布丁”模型 (19
2、04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),5,近代原子论: J.Dalton（17661844,英),1808年发表化学哲学新体系论文，提出了“近代原子论”。 他把古代哲学的原子论和化学中的具体实物的组成联系起来，提出原子具有不同种类和一定相对重量，原子形成各种物质的理论，使化学进入一个新时代。恩格斯说：“化学中的新时代是随着原子论开始的” 。 简明、深刻地说明了质量守恒定律、定组成定律、倍比定律，受到科学界重视和承认。缺点：原子不可分割没有结构的固体小球。,6,原子不可分割吗？ J .J .Thomson (
3、18561940，英),十九世纪末电子和放射性的发现，才使人类打开原子结构的大门。英国剑桥大学卡文迪许实验室主任J .J .Thomson 应用磁性弯曲技术证明阴极射线是带负电的微粒电子。 1904年，他提出了原子“布丁(枣糕)模型”：原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多带负电的电子。 原子不可分割的的观点不攻自破了。他获得1906年诺贝尔物理学奖。,枣糕模型,7,原子行星模型 E .Rutherford (18711937，英国),Thomson最器重的学生E .Rutherford 通过粒子 （带正电的氦离子流）穿过金箔时，部分粒子发生散射的实验证明，Thomson 所说带正电
4、的连续体实际上只是一个非常小的核。 1911年提出了“行星系式”原子模型：原子核好比是太阳，电子好比是绕太阳运动的行星，电子绕核高速运动。,8,旧量子论 N. Bohr （18851962，丹麦） E .Rutherford 的学生,9,氢原子光谱,H,H,H,H,不连续光谱,即线状光谱,特征: 不连续的、线状的; 是很有规律的。,10,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(1903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 =6.62610-34Js,11,（1）核外电子只能在有确定半径
5、和能量的轨道上运动。电子在这些轨道上运动时不辐射能量也不吸收能量。电子处于一种“定态” 。,氢原子的玻尔模型,12,（2）在一定的轨道上运动的电子具有一定的能量（E），E 只能取某些由量子化条件决定的数值，而不能处于两个相邻轨道之间。氢原子核外电子的能量公式为：,（n = 1，2，3，4）,13,Bohr的卓越贡献： 成功解释了H原子光谱产生的原因，他的计算值与实验数据极为接近，他使物理和化学统一到了量子理论基础上来，把化学推向一个更高更新的层次，他的理论是原子结构发展史上的一个里程碑。荣获1922年诺贝尔物理学奖 。,Bohr理论的缺陷： 未能冲破经典物理学的束缚，用适合于宏观世界的牛顿力学
6、解释微观世界运动规律。不能解释多电子原子光谱,甚至不能说明氢原子光谱的精细结构。属于旧量子论。,14,核外电子运动状态的现代概念,薛定谔(奥) E.Schrdinger 18871961 薛定谔方程,海森堡(德) W. Heisenberg 19011976 不确定原理,德布罗意(法) L. de Broglie 18921987 波粒二象性,15,1. 光的波粒二象性 光的干涉、衍射等现象说明光具有波动性； 而光电效应、原子光谱又说明光具有粒子性。 因此，光具有波动和粒子两重性质，称为光的波粒二象性。,2. 德布罗依波（de Broglie waves） 德布罗依在光的波粒二象性启发下，于1
7、924年提出一个大胆的假设：实物微粒（如电子、原子等）也具有波粒二象性。也就是说，实物微粒除具有粒子性外，还具有波的性质，这种波称为德布罗依波或物质波。他认为，对于质量为m，速度为v的微粒，其波长可用下式求得：,量子力学的概念,16,微观粒子具有物质波，宏观物体也有物质波，但极微弱，可以认为不表现出波动性。请看下表,几种物质的德布罗依波长,物质波是一种怎样的波呢？,17,德布罗依的假设在1927年为戴维逊（C.T.Divission）和革麦（L.H.Germeer）的电子衍射实验所证实。,电子源,镍晶体（光栅）,照相底版,电子衍射示意图,又根据衍射实验得到的电子波的波长也与按德布罗依公式计算出
8、来的波长相符。,18,电子源,晶体,（a）,电子源,晶体,（b）,（c）,电子衍射原理示意图,19,测不准原理,无法同时准确的测定电子在某一瞬间的位置和速度（或动量），这就是1927年HeisenbergW（海森堡）提出来的著名的测不准原理,pxh/4,式中为方向坐标的测不准量（误差）， px为方向的动量测不准量， h是普朗克常数。,对粒子位置的测定精确度越高（即x 越小），其动量测定的精确度就越差（px越大），反之亦然。不可能同时测得电子的精确位置和精确动量 ！ 推论：玻尔的圆形轨道不存在；微观世界运动有自己的规律。荣获1932年诺贝尔物理学奖。,20,薛定谔方程电子运动的波动方程式,方程式
9、中的 称为波函数，是方程的解，是空间坐标 x，y，z 的函数。解薛定谔方程就是解出其中的波函数及其相应的能量E。,为了描述具有波粒二象性的微观粒子的运动状态，Schrdinger E在1926年提出了著名的薛定谔方程，其基本形式为：,x，y，z为电子在空间的坐标,电子的总能量,电子的势能,波函数 psai,21,量子力学用波函数（x，y，z）和其相应的能量E来描述电子的运动状态。波函数本身的物理意义不明确，但波函数绝对值的平方却有明确的物理意义，即：,|2表示在空间某处电子出现的概率密度，也就是在该点周围微单位体积中电子出现的概率。,薛定谔方程二阶线性偏微分方程， 方程的地位：在宏观世界牛顿力
10、学 在微观世界薛定谔方程 获1933年诺贝尔物理学奖,22,10.2 氢原子的波函数和量子数,一、波函数,解薛定谔时，为了方便起见，要把直角坐标表示的（x，y，z）改换成球坐标表示的 （， ），二者关系如下：,23,P,P,0,z,y,x,z = rcos,y = rsinsin,x = rsincos,r,x = rsincos y = rsinsin z = rcos,球坐标与直角坐标的关系,解出的氢原子波函数n，l，m（r， ）及其相应的能量请看下表：,24,25,为了方便起见，量子力学借用Bohr理论中“原子轨道” 的概念，将波函数仍称为原子轨道。但二者的涵义截然不同。,例如：Bohr
11、理论认为，基态氢原子的原子轨道是半径等于52.9pm的球形轨道。,氢原子核外电子的运动状态还有许多激发态， 如：2s（r， ）、 3s（r， ）等，相应的能量是-5.4510-19J。,而量子力学中，基态氢原子的原子轨道是波函数 1s（r，）= ，其中，A1和B均为常数。 其能量为：-2.181018J。,26,二、原子轨道和量子数,四个量子数的取值限制和它们的物理意义如下：,1、主量子数 （n）（电子层数） 不同的n 值，对应于不同的电子壳层 K L M N O,意义：决定电子在核外空间出现概率最大的区域离核的远近，并且是决定电子能量高低的主要因素。,27,l = 0，1，2，3, 4,(n
12、1) 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 l,28,意义：角量子数决定原子轨道的形状。,29,3、磁量子数（m）,取值：m = 0，1，2，l 等整数。,意义：磁量子数决定原子轨道在空间的伸展方向，与电子的能量无关。,三个p轨道的能量相同，（能级相同），称为简并轨道或等价轨道。,30,表10-2 量子数组合和轨道数,31,研究氢原子光谱的精细结构发
13、现，每条谱线都由两条距离很近的谱线组成，是电子本身具有自旋运动造成。 取值：+1/2和1/2，分别表示两种自旋运动，通常也可分别用符号“”和“” 。,在同一原子轨道中，可容纳两种相反自旋方向的电子，成为成对电子，它们具有相同的能量。,4、自旋量子数 （ms)。,32,如：已知基态Na原子的价电子处于最外层3s亚层，试用n，l，m，s四个量子数描述它的运动状态。,解：n = 3、l = 0、m = 0， 它的运动状态可表示为：3，0，0,+1/2（或-1/2）,一个原子的轨道需要 n, l, m三个量子数决定。但原子中每个电子的运动状态必须用n, l, m, ms 四个量子数来描述。,33,n
14、能量 距离 l 能量 形状,m 取向,s 自旋 方向,决定电子能量,决定原子轨道,决定一个电子的运动状态,归纳一：,34,归纳二：电子能级,H原子 1s2s =2px=2py=2pz 3s= 3px=3py=3pz =3dxy=3dxz=3dyz =3dz2 = 3dx2-y2 多电子原子 1s2s 2px=2py=2pz 3s 3px=3py=3pz 3dxy=3dxz=3dyz =3dz2 = 3dx2-y2,35,原子轨道角度分布图 Y l,m（ ,）,电子云角度分布图 Y 2 l,m(,),电子云的径向分布图 （径向分布函数图） D（r）,概率密度和电子云,三、波函数的图形,n，l，m
15、（r，）= Rn，l（r）Yl，m（ ，）,原子轨道径向分布图 （径向波函数） R n，l（r）,36,为了形象地表示基态氢原子核外空间各处电子出现的概率密度大小的分布情况，将空间各处的|2值的大小用疏密程度不同的小黑点表示出来。这种在单位体积内黑点数与|2呈正比的图形称为电子云。,概率密度与电子云,电子云是电子出现概率密度的形象化描述。,|2 ：原子核外电子出现的概率密度。,概率：电子在空间出现的机会称概率。,概率密度：电子在核外某处单位体积中出现的概率称为该处的概率密度。,37,从图上可以看出： 离核越近，电子出现的概率密度越大，电子云密集； 离核越远，电子出现的概率密度越小，电子云稀疏。,注意两点：,1.电子云中的一个个小黑点不要看成一个个的电子，因为，氢原子核外只有一个电子。,2.这里讲的是概率密度，而不是概率。以后我们往往用电子云来做概率密度的同义词。,38,1s,2s,39,将电子云所表示的概率密度相同的各点连成曲面，称为等密度面。,基态氢原子1s电子云的界面图,界面以内电子出现概率为90%的等密度面图形，称为电子云的界面图 。,40,原子轨道角度分布图是它们的角度波函数通过计算求值作图得到的，,又如：pz轨道的Y
