原子结构1－大学化学基础课件

原子结构1－大学化学基础课件内容摘要：

原子结构1－大学化学基础课件 第二章 原子结构 (-) )(电子（周围）中子质子原子核（中）原子§ 典核模型的建立1879 英 发现阴极射线（电子流）1897英 测电子的核质比 测电子质量1911 卢瑟福 粒子散射实验提出原子有核模型§ 原子光谱与玻尔氢原子模型一、微观粒子能量量子化规律的发现（旧量子论）1900）： 物质吸收或发射的能量是不连续的，只能是某一能量最小单位的倍数。 这种能量的最小单位称为能量子，或 量子 ，即能量是量子化的。 每一个量子的能量 与相应电磁波（光波）的频率 成正比： hh = 10 1905）当光束和物质相互作用时，其能量不是连续分布的，而是集中在一些称为光子（ 或光量子）的粒子上。 光子的能量 正比于光的频率 hh : 要由于光电效应方面的工作而在1921年获诺贝尔物理奖a)阳光b). 线状光谱 (原子光谱 )(子光谱是不连续的，是线状的氢原子可见光谱二、 氢原子的光谱式（可见光区谱线）)121( 22 式 （可见光区以外谱线）)11( 2221 = 1/：波数 n : 大于 2的正整数 107 数 正整数 且 原子结构模型 (1913)(1)原子核外的电子只能在符合一定条件的、 特定的 (有确定的半径和能量）轨道上运动。 电子在这些轨道上运动时处于稳定状态，即不吸收能量也不释放能量。 这些轨道称为定态轨道)(n Z: 原子的核电荷数氢原子 Z=1(2) 电子运动的轨道离核越远，能量越高。 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，这种状态称为 激发态。 (3) 当电子由一个高能量的轨道向低能量的轨道跃迁时，可以光辐射的方式发射其能量。 所发射的光量子的能量大小决定于两个轨道之间的能量差12 高能量轨道的能量 低能量轨道的能量： 辐射光的频率波尔的原子结构模型成功地解释了氢原子的光谱，但无法解释多电子原子的光谱，也无法解释氢原子光谱的精细结构)11(§ 观粒子的运动属性一 . 波粒二象性1、光的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P = h/ 爱因斯坦通过 普朗克常数 (h)把光的 波 粒二象性统一起来，揭示光的本质能量动量频率波长E = 动性22,P:体现粒子性 ：体现波动性2、实物粒子的波粒二象性德布罗意假设和物质波 :1924 年，年仅 32岁的法国理论物理学家 光的波 胆假设：所有的实物的微观粒子，如电子、原子、分子等和光子一样，也具有波粒二象性。 ： 波长 m : 粒子的质量v : 粒子运动的速度德布罗意波（物质波）1927， 美国 C. . 率波”电子衍射当电子通过晶体时，在屏幕上产生明暗交替的衍射环。 这说明电子射线同明了德布罗意假设的正确性，亦证明了 电子具有波动性二、 测不准原理（ 927年，德国科学家海森伯格（ 过严格的推导证明：测不准原理x : 粒子所在位置的不确定度p: 粒子动量（速度）的不确定度 子的质量 m = 10 若 x = 10m则：观粒子的空间位置和运动速率是不能被同时准确确定的。 核外电子运动的轨道是 不复存在 ， 不确定 的。 例 : 对于 m = 10 克的子弹，它的位置可精确到x 速度测不准情况为： . 6 2 对宏观物体可同时测定位置与速度4宏观物体： 4（小）x 和 可以很小，不为人觉察三、 统计性规律单个电子衍射（长时间）明暗相间的环纹，说明电子的位置无法确定如何描述一个电子的运动情况。 统计性的方法：电子在某些地方出现的机会多 （亮）电子在某些地方出现的机会少 （暗）微观粒子的运动使用统计规律描述，即 概率描述具有波动性的电子在空间的几率分布与波的强度有关，电子在空间某区域出现的几率大，即意味着该处电子的波的强度大（衍射强度大），因此，实物微观粒子的波是一种 几率波。 所以找一个函数能描述电子出现几率的大小. 近代量子力学的基础波函数：描述波的运动状态的数学函数例：两端固定的琴弦振动所形成的驻波的波函数2s i n)( x(x)：波长小结：（ 1）物质的微观粒子具有波 2）微观粒子的能量是量子化的（ 3）微观粒子在空间的运动用波函数描述，在某处波的强度与粒子在该处出现的几率有关。 § 氢原子的量子力学模型一、 原子轨道、波函数及四个量子数描述宏观物体运动方程 :F=1、描述微观粒子运动的波动方程式定谔（ 程 (1926)0)(8)( 22222222函数x、 y、 z：空间三维坐标方向m : 微观粒子（电子 ) 的质量E ：微观粒子（电子 ) 的总能量（动能 +势能）V : 微观粒子（电子 ) 的势能当 m,薛定谔方程的解为： 解得的每一个波函数 都有一定的能量 每个解 都要受到三个常数 n， l， n， l， 2 代表几率密度（即在单位体积空间的几率），因此在全部空间的几率密度之和应等于 1 1 2 d波函数，即原子轨道包含三个常量和三个变量，一般形式为：),(ml,n, n,l,x,y, 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 电子体系原子的能量)(n 只有当粒子的能量 定谔方程才能求得满足上述条件的解；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 能级微观粒子的能量是不连续的2、四个量子数 n、 l、 m、 ,(ml,n, 的 n、 l、 m 以及 这四个量子数可以描述一个电子的状态(1) 主量子数 ( n ) ( 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。 决定电子能量高低的主要因素取值： n = 1, 2, 3, 单电子原子中电子的能量只取决于 e V ) 22Z : 原子序数n 越大，则 n 值越大，电子运动轨道离核越远，能量越高(当电子与核相距无限远，即电子与核无相互引力作用时，电子的能量定为零值）2） 在一个原子内，具有相同主量子数的电子几乎在同样的空间内运动，可以看作是构成一“层”，称为电子层。 n = 1， 2， 3， 的电子层也称为 K, L, M ,N, O, P, Q, 层。 注意：主量子数 n 1 2 3 4 5 6 7 ···电子层 一 二 三 四 五 六 七 ···符号 K L M N O P Q ···主量子数与电子层的对应关系 子离核越近，能量越低 子离核越远，能量越高(2) 轨道角动量量子数 ( l ) ( 义： 决定了电子云在空间角度的分布的情况，即与 电子云的形状 有关。 l 的取值为： l = 0, 1, 2, 3, ，（ 共 值常用英文小写字母代替：l : 0 1 2 3 4代号： s p d f g 决定电子能量高低的次要因素注意： 多电子原子轨道的能量与 n， 但氢原子或单电子离子原子轨道的能量仅与 级由 n， 组（ n，l）对应于一个能级（氢原子的能级由 能量相同的轨道称为简并轨道角量子数 0 1 2 3 4 ···亚层符号 s p d f g ···轨道形状 球形 哑铃型 花瓣型 ··· ··· ···角量子数与电子亚层、轨道形状的对应关系 在多电子原子中，当 l 值不同时，电子的能量也稍有不同，（ l 值越小， 以看作是形成了“亚层”。 亚层的符号：1s n=1, l=02s, 2p n=2, l=0,13s, 3p, 3d n=3, l=0,1,24s, 4p, 4d, 4f n=4 , l=0,1,2,3试比较其能量大小 区域）电子云等密度面图电子云的角度分布 :角度波函数的平方 |m（ ， ） |2随角度变量（ ， ）的变化情况从角度侧面反映几率密度分布的方向性表示电子在核外空间不同角度出现的 几率密度的大小特点： 原子轨道角度分布图有正、负之分，而电子云角度分布图全部为正值，这是由于 |Y|平方后，总是正值。 电子云角度分布图比原子轨道角度分布图“瘦”些，这是因为 |Y|值小于 1，因此|Y| 2一定小于 |Y|表示任何角度方向上 R（ r）随 径向分布图4. 径向分布函数图假若考虑电子出现在半径为 r，厚度为 率 =几率密度 体积因此这个球壳内电子出现的几率 = 2 4D(r)表示）D(r)= 2 42 4 2。