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1、,中国药科大学 无机化学教研室,第五章 原子结构,5-1 波尔的氢原子模型 5-2 氢原子的量子力学模型 5-3 多电子原子结构 5-4 电子层结构与元素周期表 5-5 元素的基本性质的周期性,引入：,化学研究的对象,本章研究对象：原子结构以及核外电子的运动状态,微观的角度 原子结构及核外电子的运动状态 量子力学的研究方法 微观粒子质量小，运动速度快，不遵循经典物理学规律，不能用研究宏观物体的方法进行研究。,本章学习特点,引入：,原子的概念及原子论： 古希腊哲学家德谟克利特（Democritus, 460-370 B.C.）提出原子的概念：万物是由很小的、不可分割的微粒构成的，即“原子”ato
2、m。 The matter is composed of small，indivisible particles, which are called atoms.,19世纪初，英国科学家道尔顿提出科学原子论，他认为原子是微小的不可分割的实心球体。,英国化学家道尔顿 J. Dalton (1766-1844),道尔顿原子模型,19世纪末的物理学三大发现,X射线（1895，伦琴，N. C. Rontgen，1845-1923，德国物理学家） 放射性（1896，贝克勒尔，H. Becquerel，1852-1908，法国物理学家） 电子（1897，汤姆生，J. J. Thomson，1856-194
3、0，英国物理学家）,1897年，英国科学家Thomson发现了电子。,汤姆生原子模型 （枣糕模型）,1906年诺贝尔物理学奖获得者,路瑟福 (Rutherford) 粒子散射实验,结论：原子内存在原子核,争论：原子是否有核？,汤姆逊 “枣糕模型”,“太阳行星”模型,1. 所有原子都有一个核原子核(nucleus) 2. 核的体积小只占整个原子体积极小的一部分 3. 核的密度大约占原子总质量的99.9%以上 4. 电子像行星绕着太阳那样绕核运动,太阳行星模型优、缺点,优点：,提出以核为中心，大胆承认高密度原子核的概念,将原子分为核内和核外两部分,缺点：,无法解释原子发射光谱是线状光谱及原子的稳定
4、性,带负电荷的电子围绕带正电荷的原子核高速运动时，应不断以电磁波的形式释放能量，原子发射电磁波的频率(光谱)应是连续的；能量的释放使得电子的运动轨道会越来越小, 电子应向着核作螺旋形运动，最终将与原子核相撞并导致原子毁灭 。, 5-1 波尔的氢原子模型,连续光谱 (continuous spectrum),红 橙 黄 绿 青 蓝 紫,一、氢原子光谱,Balmer线系,氢原子光谱,已发现14条，分在5个系： 紫外区：赖曼系；可见区：巴耳末系；红外区：帕邢系，布喇开系，普丰特系,其它原子的线状光谱,为什么原子的发射光谱是线状光谱？,二、波尔理论,1. 能量量子化 (Planck),理论基础：普朗克
5、量子论和爱因斯坦光子学说,黑体：能全部吸收而不反射、透射发射到其表面的辐射。,黑体模型：不透明的材料制成的带小孔的空腔,能量像物质微粒一样是不连续的，有一最小单位o (能量子quantum)，物质吸收和发射能量的能量一定是最小单位o的整数倍。,普朗克在研究黑体辐射问题时提出：,2. 光子学说 (Einstein),当能量以光的形式传播时，其最小单位是光量子(光子photon)。光子的能量o正比于光的频率：,量子化微观世界的重要特征,波尔以波的微粒性（即能量量子化概念）为基础建立了他的氢原子模型.,H+ H H- D He,3、Bohr的氢原子模型,定态假设,2,核外电子在符合量子化条件的轨道(
6、经典轨道)上绕核作圆周运动时，不辐射也不吸收能量，这些轨道称为定态轨道。离核最近的轨道(基态)能量最低，离核越远(激发态)能量越高。正常情况下，原子中的各电子尽可能的处在离核最近的轨道上。,E：轨道能量 h：Planck常数,频率假设,3,原子从外界吸收能量，电子可从低能量状态跃迁至高能量状态。处于高能态的电子不稳定，可以跃迁至离核较近的轨道，这时会以光子形式放出能量。光的频率决定于两个轨道能级之间的能量差。,最高轨道能量,Bohr氢原子模型示意图,基态,激发态,电子在定态轨道上运动时，不吸收也不放出能量。,波尔理论优、缺点,解释了氢原子的稳定性及线状光谱产生的原因,稳定性：,优点：,氢原子的
7、电子在特定的轨道上运动，不会放出能量，所以氢原子不会发生自灭现象。,当氢原子受到激发时，电子获得能量从基态跃迁到激发态。处于激发态的电子不稳定，回到低能量的轨道，并以光子的形式放出能量。光子频率大小取决于两个轨道能量差。由于轨道能量量子化，所以光的频率是不连续的，产生线状光谱。,不连续性：,缺点：,无法解释多电子原子的光谱。如：简单程度仅次于氢原子的氦原子光谱。 无法解释光谱的精细结构。在精密分光镜下发现每一条谱线是由靠得很近的几条谱线组成。 无法解释在磁场内，谱线的裂分。,波尔理论将量子化的条件建立在经典力学的基础上，量子化不彻底，因此不能完全反映微观粒子的运动规律。, 5.2 氢原子量子力
8、学模型,一、微观粒子的运动属性 光的波粒二象性 实物粒子的波粒二象性德布罗意假设 海森堡不确定原理 二、氢原子的量子力学模型 1. 薛定谔方程、原子轨道、波函数 2. 四个量子数(n、l、m、ms) 3. 电子云和几率密度 4. 波函数的有关图形表示,一、微观粒子的运动属性,波动性和粒子性,都是能量传播的方式,如：,无法同时使用,思考：光的本质，波or粒子？,光的波粒二象性,牛顿“光的微粒学说” (光的粒子性)： 光与实物相互作用时体现：光的吸收、发射、光电效应,惠更斯“光的波动学说” (光的波动性)： 光在传播时体现，如光的干涉、衍射、偏振,爱因斯坦光的量子学说,通过普朗克常数把光的波粒二象
9、性统一起来，揭示光的本质。,2. 实物粒子的波粒二象性 德布罗意假设,德布罗意 (De Broglie) 假设：,所有微观粒子，如电子、原子、分子等和光子一样，也具有波粒二象性。,： 波长 P：粒子的动量 m : 粒子的质量 v ： 粒子运动的速度,实物微粒所具有的波德布罗意波(物质波),正确吗？,Davisson和Germer电子衍射实验,?,确认了电子具有波动性，证实了德布罗意的预言。 实验进一步证明质子、中子、原子等都具有波粒二相性。,Note：,1). 若电子发生器将电子一个一个发射，每一个电子在屏幕上出现一个点(微粒性)，其位置无法预测。,2). 一定时间后，在屏幕上同样出现衍射环，
10、这与大量电子短时间内发射得到相同的衍射图案。,电子的运动规律具有统计性,3). 衍射强度大(条纹亮)，电子出现的概率大，波强度大； 衍射强度小(条纹暗)，电子出现的概率小，波强度小。,4). 德布罗意波是微观粒子的运动属性，不能用经典物理学解释，只能用量子力学解释物质波是大量粒子在统计行为下的概率波。,3. 海森堡不确定原理 (uncertainty principle),由于运动规律的统计性，不可能同时准确测定微观粒子的位置和动量。,px: 在x方向粒子动量的不确定程度 x : 在x方向粒子坐标的不确定程度,宏观粒子在任一瞬间的位置和动量可以同时准确测定。,思考：微观粒子呢？,Heisenb
11、erg W,对于 m = 1.010-2 kg的子弹，它的位置可精确到x 1.0 10-6 m，其速度测不准情况为：,对宏观物体可同时测定位置与速度,微观粒子(电子)，m = 9.110-31 kg，原子大小数量级10-11 m，其合理的准确度x 1.0 10-11 m，其速度的不确定程度为：,对微观粒子不可能同时测定位置与速度,1). 不确定原理不可知论，而是人们对微观物体运动规律认识的深化。 2). 不确定原理来源于微观粒子运动的波粒二象性，不是目前测量技术不够精确，而是微观粒子的固有属性。 3). 一般认为宏观物体可以同时具有确定的坐标和动量，是由于其不确定原理的影响可以忽略。,Note
12、:,物体运动状态的描述,微观粒子的空间位置和运动速率不能被同时准确确定。经典力学的轨道概念在微观世界不存在。核外电子运动状态的描述不能用描述宏观物质的经典力学，必须采用特殊的方法,总结,二、 氢原子的量子力学模型, = (x, y, z)波函数，原子轨道 E轨道能量(动能与势能总和) V体系势能 m微粒质量 h普朗克常数：6.62610-34 Js x，y， z 微粒的空间坐标,1. 薛定谔方程、原子轨道、波函数,Note：,1). Schrdinger 方程是一个二阶偏微分方程，是描述核外电子运动状态的方程；它的解是系列解，每一个解对应于一个运动状态。 2). 它的解(波函数)是描述核外电子
13、运动状态的函数，即描述电子在空间某处出现的几率。量子力学将其称为原子轨道(atomic orbital)。 3). 是空间坐标的函数解，即= (x，y，z)，每个解都有一定的能量E与其对应。微观粒子的能量是量子化的，微观粒子能够允许具有的能量称为能级。,波函数的意义：,（1） 每一个可以描述原子核外电子运动状态,（2） 俗称原子轨道，它不是一个有形的轨道， 而是一个区域。有正负号之分,（3） 有固定的能量E与之相对应。,单电子体系原子的能量,电子运动的轨道离核越远，能量高。 当电子处在能量最低的状态时，称为基态。 当原子从外界获得能量时，电子可由离核较近的轨道跃迁到离核较远的能量较高的轨道上，
14、这种状态称为激发态。,一般形式为：,n，l，m为常量 x，y，z为变量,如：1，0，0表示1s原子轨道；2，0，0表示2s原子轨道,5). 量子力学中的原子轨道，和经典力学中物体的动量和位置能同时确定的轨道在本质上是不同的。 6). 可以将从直角坐标转换成球坐标。,4). 每个解由n，l，m三个常数来规定， n，l，m称为量子数(quantum number)，因而一个波函数(一个原子轨道)可以简化为一组量子数来表示。,Note：,直角坐标 ( x,y,z) 与球坐标 (r,) 的转换,x = r sin cos y = y sin sin z = r cos, n, l, m (r, , )
15、 = R n, l (r) Y l, m (, ),6). 每个解的球坐标可以表示为径向部分和角度部分函数的乘积。,氢原子的某些波函数、径向波函数和角度波函数,2. 四个量子数(n、l、m、ms),处于不同状态的电子都可以用四个量子数来表征 四个量子数可以确定核外的任意一个电子的运动状态,(1) 主量子数 n (principal quantum number), 表示电子出现最大概率区域离核的远近和轨道能量高低。 取值：从1到的任何正整数； 不同的n 值对应于不同的电子层。,Note：,1). n越小/大，表示电子出现概率最大的区域离核越近/远。 2). n越小/大，轨道的能量越低/高。 对于单电子原子，电子能量只决定于n。 氢原子轨道能量： 3). 对于同一个n，有时会有几个原子轨道，这些轨道上的 运动的电子在近于相同的空间范围运动，可认为属于 同一个电子层。,(2) 角量子数l (azimuthal quantum number), 表示原子轨道的形状。 取值：0，1，2，3，4n-1，共n个值。 n相同、 l 不同：对应于同一主层中不同的电子亚层。,n = 3，l = 0，1，2 对应三个分层, s、p、d,共n个值,思考： n = 3，l = ？,球形,
