第一章原子結(jié)構(gòu)

1、第一章第一章 原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)：原子結(jié)構(gòu)：主要研究核外電子運動狀態(tài)主要研究核外電子運動狀態(tài)。化學(xué)反應(yīng)中，原子核不發(fā)生變化，只涉及核外電子化學(xué)反應(yīng)中，原子核不發(fā)生變化，只涉及核外電子運動狀態(tài)的改變。運動狀態(tài)的改變。物質(zhì)結(jié)構(gòu)：物質(zhì)結(jié)構(gòu)：研究研究原子、分子及晶體原子、分子及晶體的結(jié)構(gòu)及其與物的結(jié)構(gòu)及其與物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系。質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系。 認(rèn)識物質(zhì)的基礎(chǔ)認(rèn)識物質(zhì)的基礎(chǔ)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與醫(yī)學(xué)：物質(zhì)結(jié)構(gòu)與醫(yī)學(xué)：目前生命科學(xué)的研究已深入到分子目前生命科學(xué)的研究已深入到分子水平和電子水平，原子結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代水平和電子水平，原子結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)的重要基的重要基礎(chǔ)。礎(chǔ)。 目的要求：目的要求：1掌握核外電子的排布

2、及與元素周期表的關(guān)系。掌握核外電子的排布及與元素周期表的關(guān)系。2熟悉核外電子運動狀態(tài)的描述法熟悉核外電子運動狀態(tài)的描述法電子云和電子云和四個量子數(shù)。四個量子數(shù)。3了解波函數(shù)的概念。了解波函數(shù)的概念。教學(xué)重點：教學(xué)重點：核外電子的排布、四個量子數(shù)、元素周期律。核外電子的排布、四個量子數(shù)、元素周期律。教學(xué)難點：教學(xué)難點：波函數(shù)、四個量子數(shù)。波函數(shù)、四個量子數(shù)。 第一節(jié)第一節(jié) Bohr的氫原子模型的氫原子模型Rutherford E有核原子模型：有核原子模型： 實實 驗驗: 用用粒子流轟擊金箔，絕大多數(shù)粒子幾乎粒子流轟擊金箔，絕大多數(shù)粒子幾乎無阻礙地穿過，極少數(shù)粒子散射或反射。無阻礙地穿過，極少數(shù)粒

3、子散射或反射。 Rutherford 的困惑：的困惑：（1）電子繞核旋轉(zhuǎn)會輻射能量，在）電子繞核旋轉(zhuǎn)會輻射能量，在10-10s內(nèi)就會墜內(nèi)就會墜入原子核。事實是電子作不停的運轉(zhuǎn)。入原子核。事實是電子作不停的運轉(zhuǎn)。（2）電子因輻射電磁波會得到連續(xù)光譜。事實是）電子因輻射電磁波會得到連續(xù)光譜。事實是得到了原子的線狀光譜。得到了原子的線狀光譜?！靶行窍凳叫行窍凳健痹幽Ｐ停涸雍撕帽忍枺娮雍帽仍幽Ｐ停涸雍撕帽忍?，電子好比是繞太陽運動的行星，電子繞核高速運動。是繞太陽運動的行星，電子繞核高速運動。不連續(xù)的線狀光譜不連續(xù)的線狀光譜一、氫原子光譜一、氫原子光譜氫氫 原子光原子光 譜譜 電子躍遷電子

4、躍遷釋放光子釋放光子二、二、 能量量子化和光子學(xué)說能量量子化和光子學(xué)說能量量子化：能量有一個最小的單位能量量子化：能量有一個最小的單位0，稱為能，稱為能的量子；的量子； 0 =h 光子學(xué)說：一束光由光子組成，光的能量是不連光子學(xué)說：一束光由光子組成，光的能量是不連續(xù)的，光能的最小單位是光子的能量，光子的能續(xù)的，光能的最小單位是光子的能量，光子的能量為量為 0 =h 1913年，丹麥年，丹麥Bohr的的“定態(tài)原子模型定態(tài)原子模型” 借助借助Planck的熱輻射的量子理論應(yīng)用于原子中的熱輻射的量子理論應(yīng)用于原子中的電子運動，建立了氫原子模型。提出了著名的的電子運動，建立了氫原子模型。提出了著名的B

5、ohr假定假定。三、三、 Bohr模型模型RH2.1810-18J ，n 稱為主量子數(shù)，取整數(shù)值稱為主量子數(shù)，取整數(shù)值 。 n =1時，電子能量最低，稱為時，電子能量最低，稱為基態(tài)（基態(tài)（ground state）。n2時，電子能量較高，稱為時，電子能量較高，稱為激發(fā)態(tài)（激發(fā)態(tài)（excited state） 在一定的軌道上運動的電子具有一定的能量值在一定的軌道上運動的電子具有一定的能量值E,稱為稱為能級（能級（energy level），），核外電子的能量為：核外電子的能量為：1.定態(tài)假設(shè)定態(tài)假設(shè)：原子中的電子沿固定軌道繞核運動原子中的電子沿固定軌道繞核運動,電子電子在軌道上運動時，不吸收也不

6、輻射能量，稱為在軌道上運動時，不吸收也不輻射能量，稱為“定態(tài)定態(tài)” （stationary state）；E = -RHn2n = 1, 2, 3, 4, .2.頻率假設(shè)頻率假設(shè)：當(dāng)電子能量由一個能級改變?yōu)榱硪粋€能當(dāng)電子能量由一個能級改變?yōu)榱硪粋€能級時，稱為級時，稱為躍遷（躍遷（transition）。電子躍遷時所吸收或）。電子躍遷時所吸收或輻射的光子的能量等于兩能級差，即：輻射的光子的能量等于兩能級差，即：為光子的頻率；為光子的頻率； h為普朗克常數(shù)為普朗克常數(shù)（6.62610-34 Js）h = E2E1 =E1/ =RHhc1n12n221-譜線的波長：譜線的波長： 量子化條件假設(shè)：量子

7、化條件假設(shè)：mvr nh/2 n1,2,3, 2202hrnmZe24222018Z meEhn 玻爾的氫原子模型的優(yōu)缺點玻爾的氫原子模型的優(yōu)缺點 :優(yōu)點：優(yōu)點：成功運用了成功運用了量子化量子化觀點；成功解釋了觀點；成功解釋了氫原子光譜。氫原子光譜。 缺點：缺點：沒有完全擺脫經(jīng)典力學(xué)沒有完全擺脫經(jīng)典力學(xué),不能說明多電子原子結(jié)不能說明多電子原子結(jié)構(gòu)構(gòu),因此不能完全反映因此不能完全反映微觀粒子微觀粒子的全部特性和運動的規(guī)的全部特性和運動的規(guī)律。律。 因此因此Bohr理論被稱為理論被稱為舊量子論。舊量子論。 量子力學(xué)的現(xiàn)代概念是法國量子力學(xué)的現(xiàn)代概念是法國de Broglie LV、德國、德國Hei

8、senberg w和奧地利和奧地利Schrodinger E等創(chuàng)立的。等創(chuàng)立的。一、微觀粒子的波粒二象性一、微觀粒子的波粒二象性二、氫原子的量子力學(xué)模型二、氫原子的量子力學(xué)模型第二節(jié)第二節(jié) 氫原子的量子力學(xué)模型氫原子的量子力學(xué)模型 一、微觀粒子的波粒二象性一、微觀粒子的波粒二象性(Duality) L de Broglie的假設(shè)的假設(shè) 1905年愛因斯坦根據(jù)光的干涉、衍射和光電效應(yīng)，年愛因斯坦根據(jù)光的干涉、衍射和光電效應(yīng)，提出了光具有波粒二象性。提出了光具有波粒二象性。 1924年法國物理學(xué)家年法國物理學(xué)家德布羅意德布羅意(L.de Brogile) 在研究電子的運在研究電子的運動規(guī)律時，受光

9、的波粒二象性的動規(guī)律時，受光的波粒二象性的啟發(fā)，大膽提出：啟發(fā)，大膽提出：提出了提出了“物質(zhì)波物質(zhì)波”公式，稱為公式，稱為德布羅意關(guān)系式德布羅意關(guān)系式： 電子等實物粒子電子等實物粒子(原子、質(zhì)子、中子原子、質(zhì)子、中子)不僅具有粒子性，也具有波動性。不僅具有粒子性，也具有波動性。 P為微粒的動量，為微粒的動量，m為微粒的質(zhì)量為微粒的質(zhì)量, 為微粒的運為微粒的運動速度動速度, h為普朗克常數(shù)為普朗克常數(shù), 為微粒波的波長。為微粒波的波長。關(guān)系式的意義：關(guān)系式的意義：把微觀粒子的把微觀粒子的粒子性粒子性p (m 、)和和波動波動性性統(tǒng)一起來。統(tǒng)一起來。 該假設(shè)三年后被多個實驗所證實。如：該假設(shè)三年后

10、被多個實驗所證實。如：m hph 電子衍射實驗電子衍射實驗 1927年年,美國的美國的Davisson和和Germer證明證明了了電子束同電子束同X射線一樣具有波動性射線一樣具有波動性。如下圖：。如下圖：由該實驗計算出的電子波的波長與由該實驗計算出的電子波的波長與de Broglie關(guān)系式關(guān)系式計算出的波長一致。計算出的波長一致。 電子衍射實驗電子衍射實驗屏幕屏幕 衍射強度大衍射強度大的地方出現(xiàn)的機會的地方出現(xiàn)的機會多多，衍射強度小衍射強度小的地方出現(xiàn)的機會的地方出現(xiàn)的機會少，少，電子波動性的微觀解釋：電子波動性的微觀解釋：大量電子行為的大量電子行為的統(tǒng)計結(jié)果統(tǒng)計結(jié)果。 如圖：如圖：電子波是電

11、子波是概率波概率波, 反映了電子在反映了電子在空間區(qū)域出現(xiàn)的概率?？臻g區(qū)域出現(xiàn)的概率。 1. 光的波粒二象性光的波粒二象性光的干涉、衍射光的干涉、衍射 波動性波動性光電效應(yīng)光電效應(yīng) 粒子性粒子性 波粒二象性波粒二象性2. de Broglie 關(guān)系式關(guān)系式mvh式中：式中：為波長為波長 h 為為Planck常數(shù)常數(shù) = 6.62610-34Js m、v 分別代表實物微粒的質(zhì)量和運動速度分別代表實物微粒的質(zhì)量和運動速度 例：例： 電子在電子在1V電壓下運動的速度為電壓下運動的速度為5.9105 ms-1，電，電子質(zhì)量子質(zhì)量 m = 9.110-31 kg , h為為6.62610-34 Js ,

12、 電子波電子波的波長是多少？的波長是多少？ 質(zhì)量質(zhì)量1.010-8 kg的沙粒以的沙粒以1.010-2 ms-1速度運動，波長是多少？速度運動，波長是多少？53134109.5101.910626.6 mvh pm1200m102 . 19 解解： 2834100.1100.110626.6)2( mvh m106 . 624 3、測不準(zhǔn)原理、測不準(zhǔn)原理(Uncertainty Principle)xpx P= h1927年海森堡提出著名的測不準(zhǔn)原理年海森堡提出著名的測不準(zhǔn)原理: 無法同時準(zhǔn)確測定運動坐標(biāo)和無法同時準(zhǔn)確測定運動坐標(biāo)和動量。它的坐標(biāo)測得越準(zhǔn)動量。它的坐標(biāo)測得越準(zhǔn), 其動其動量量(

13、速度速度)就測得越不準(zhǔn)；它的動就測得越不準(zhǔn)；它的動量測得越準(zhǔn)量測得越準(zhǔn), 其坐標(biāo)就測得越不其坐標(biāo)就測得越不準(zhǔn)。準(zhǔn)。無確定的運動軌道。無確定的運動軌道。 位置（坐標(biāo)）和動量位置（坐標(biāo)）和動量（速度）能同時準(zhǔn)確測（速度）能同時準(zhǔn)確測定定可預(yù)測運動軌道可預(yù)測運動軌道宏觀物體宏觀物體微觀粒子微觀粒子宏觀物體與微觀粒子運動特征比較宏觀物體與微觀粒子運動特征比較x 為為x方向坐標(biāo)的測不準(zhǔn)量方向坐標(biāo)的測不準(zhǔn)量(誤差誤差), px為為x方向方向的動量的測不準(zhǔn)量。的動量的測不準(zhǔn)量。總結(jié)：總結(jié)： 1.測不準(zhǔn)原理是量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理是量子力學(xué)的基本原理基本原理之一；之一； 2.它并不意味著微觀粒子運動無規(guī)律可言，

14、只它并不意味著微觀粒子運動無規(guī)律可言，只是說它不符合經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律是說它不符合經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律; 3.應(yīng)該用應(yīng)該用量子力學(xué)來描述微觀粒子的運動量子力學(xué)來描述微觀粒子的運動。 二、氫原子的量子力學(xué)模型二、氫原子的量子力學(xué)模型（一）（一） 波函數(shù)波函數(shù) E. Schrdinger方程方程(二階偏微分方程二階偏微分方程)VEhmzyx222222228空間直角坐標(biāo)常數(shù)質(zhì)量勢能總能量波函數(shù):,Planck: : : zyxhmVE從薛定諤方程得到的結(jié)論：從薛定諤方程得到的結(jié)論：(1)波函數(shù)波函數(shù)是是Schrodinger方程的解，它不是一個數(shù)值，方程的解，它不是一個數(shù)值，而是一個空間坐標(biāo)的函數(shù)式。而是一

15、個空間坐標(biāo)的函數(shù)式。(2) 本身的物理意義不明確本身的物理意義不明確, 但但 卻有明確的物理卻有明確的物理意義。它表示在空間某處電子出現(xiàn)的意義。它表示在空間某處電子出現(xiàn)的概率密度概率密度，即在，即在該點周圍微單位體積中電子出現(xiàn)的概率。該點周圍微單位體積中電子出現(xiàn)的概率。概率密度概率密度 常用幾何圖形直觀的表示常用幾何圖形直觀的表示形象稱為形象稱為電子云（電子云（electron cloud）2 22 2電子云：電子云：電子運動的統(tǒng)計性結(jié)果，電子運動的統(tǒng)計性結(jié)果，是是|2的具體形象描述。的具體形象描述。小黑點圖小黑點圖界面圖界面圖H原子原子1s 的概率密度分布示意圖的概率密度分布示意圖（3）描述

16、原子中單個電子運動狀態(tài)的波函數(shù)描述原子中單個電子運動狀態(tài)的波函數(shù) 稱為稱為原原子軌道（子軌道（atomic orbital）。原子軌道的大小指原子軌道的大小指電子出電子出現(xiàn)的概率在現(xiàn)的概率在99的空間區(qū)域的界面。的空間區(qū)域的界面。(4) 解解Schrodinger方程可以獲得一系列合理的解方程可以獲得一系列合理的解及及其相應(yīng)的能量其相應(yīng)的能量E ，電子的能量是不連續(xù)的，電子的能量是不連續(xù)的(量子化量子化) 。 每一能量每一能量E 稱為稱為“定態(tài)定態(tài)”, 能量最小的稱為能量最小的稱為基態(tài)基態(tài), 其余其余的的稱為稱為激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)。（二）四個量子數(shù)（二）四個量子數(shù) 主量子數(shù)主量子數(shù)n (電子層電子層

17、) 表示核外電子出現(xiàn)最大概率區(qū)域離核的遠(yuǎn)近；表示核外電子出現(xiàn)最大概率區(qū)域離核的遠(yuǎn)近； 是確定軌道能量高低的主要因素是確定軌道能量高低的主要因素n =1 2 3 4 5 6 7 K L M N O PQn越小越小, 電子出現(xiàn)概率最大的區(qū)域離核越近電子出現(xiàn)概率最大的區(qū)域離核越近,能量越低。能量越低。n越大，電子出現(xiàn)概率最大的區(qū)域離核越遠(yuǎn)越大，電子出現(xiàn)概率最大的區(qū)域離核越遠(yuǎn),能量越高。能量越高。 對氫原子來說電子的能量完全由主量子數(shù)對氫原子來說電子的能量完全由主量子數(shù)n決定決定,2nREHn 2. 角量子數(shù)角量子數(shù) l l =0, 1, 2, 3 (n1) ， 共共n個數(shù)值。個數(shù)值。角量子數(shù)：角量子

18、數(shù)： l =0, l = 1, l = 2, l = 3光譜學(xué)符號光譜學(xué)符號： s, p, d, f又稱又稱副量子數(shù)副量子數(shù), 簡稱簡稱角量子數(shù)角量子數(shù)。它的取值受。它的取值受n的限制的限制, 它它只能取小于只能取小于n的正整數(shù)和零，的正整數(shù)和零，物理意義：物理意義：決定決定原子軌道的形狀原子軌道的形狀，多電子原子中決定，多電子原子中決定電子能量高低的電子能量高低的次要因素次要因素。 一組一組n,l 值代表一個能級值代表一個能級 如：如：2sn=2, l=0球形對稱球形對稱 3pn=3, l=1啞鈴形啞鈴形 4dn=4, l=2十字梅花十字梅花角量子數(shù)不同的原子軌道能量：角量子數(shù)不同的原子軌道

19、能量：氫原子或類氫離子原子軌道的能量，只與氫原子或類氫離子原子軌道的能量，只與n有關(guān)，有關(guān)，與與l無關(guān)無關(guān)。多電子原子軌道的能量，與多電子原子軌道的能量，與n、l 有關(guān)。有關(guān)。n相同相同, l 不不同的電子其能量不相等。即在同一電子層中，電子同的電子其能量不相等。即在同一電子層中，電子還分為若干不同的還分為若干不同的能級能級(energy level)，l又稱為又稱為能級能級或或電子亞層電子亞層(subshell)。 氫原子或類氫離子：氫原子或類氫離子： Ens = Enp = End = Enf 多電子原子：多電子原子： EnsEnpEndEnf 3.磁量子數(shù)磁量子數(shù) m取值受取值受l 的限

20、制的限制, m=0,1,2 l 共共 (2 l1) 個。個。 m決定原子軌道在空間的決定原子軌道在空間的伸展方向。伸展方向。m有幾個取有幾個取值值, 就有幾種空間伸展方向。就有幾種空間伸展方向。 如，如，l =1時時, m = 0,1,說明說明p軌道在空間有三種不軌道在空間有三種不同的伸展方向。同的伸展方向。 m與與電子能量無關(guān)，上述三個電子能量無關(guān)，上述三個p軌道的能級相同，軌道的能級相同，能量相等，稱為能量相等，稱為簡并軌道簡并軌道 (或等價軌道或等價軌道)。 角量子數(shù)角量子數(shù) 磁量子數(shù)取值磁量子數(shù)取值 軌道伸展方向軌道伸展方向 l=1 (p) m=0、+1、-1 三種三種 px、py、p

21、z l=2 (d) m=0、1、2 五種五種 dz2、dxz、dyz、dx2-y2、dxyl=0 (s) m=0 一種一種不同磁量子數(shù)的原子軌道伸展方向見下表：不同磁量子數(shù)的原子軌道伸展方向見下表： n=1 l=0 0 1s 球形球形 1 1,0,0 n l m 軌道軌道 形狀形狀 軌道數(shù)軌道數(shù)(n2) 波函數(shù)波函數(shù) l=0 0 3s 球形球形 3,0,0n=3 l=1 0, 1 3p 啞鈴形啞鈴形 9 3,1,0、 3,1,-1 3,1,+1 、 3,2,0 l=2 0, 1, 2 3d 梅花瓣形梅花瓣形 3,2,-1 、 3,2,+1 3,2,+2、 3,2,-2 l=0 0 2s 球形球

22、形 2,0,0 n=2 4 2,1,0、 l=1 0, 1 2p 啞鈴形啞鈴形 2,1,+1、2,1,-1 綜上得出綜上得出n、l、m 的取值的一般規(guī)律：的取值的一般規(guī)律：4.自旋量子數(shù)自旋量子數(shù) ms21 sm表示，或用表示，或用和和表示。表示。 電子本身還有自旋運動，且有兩種相反的方向，電子本身還有自旋運動，且有兩種相反的方向，分別用分別用 自旋方向相同，叫自旋方向相同，叫平行自旋平行自旋；自旋方向相反叫；自旋方向相反叫反平行自旋反平行自旋。問題問題1: 1: n n=3=3時，有時，有3s,3p,3d,3f 3s,3p,3d,3f 四條軌道？四條軌道？ n n =3 =3 l l = 0

23、= 0 1 2 1 2 1 1個個3s 33s 3個個3p3p 5 5個個3d3d問題問題2 2：s s 電子繞核運動，其軌道為一圓圈電子繞核運動，其軌道為一圓圈? ? s s 電子運動的幾率密度分布為球形對稱。電子運動的幾率密度分布為球形對稱。 共共9 9條軌道條軌道問題問題3：有無以下的電子運動狀態(tài)？：有無以下的電子運動狀態(tài)？ (1, 1, 0, 1/2) (2, 0, 1,-1/2） (3, 2, -2,-1/2) (4, 3, -1,-1/2) l 應(yīng)應(yīng) I1(B) 2s2 2s22p1 I1(N) I1(O) 2s22p3 2s22p4三、原子的電子親合能三、原子的電子親合能A(electron affinity)氣態(tài)的基態(tài)原子得到一個電子變成氣態(tài)氣態(tài)的基態(tài)原子得到一個電子變成氣態(tài)陰離子時所放出的能量。陰離子時所放出的能量。A1如：如： F(g) + e- F-(g)同一周期從左同一周期從左右，右，A同一主族從上同一主族從上下，下，A四、元素的電負(fù)性四、元素的電負(fù)性X（electronegativity）原子在分子中吸引成鍵電子的能力。原子在分子中吸引成鍵電子的能力。 變化規(guī)律：變化規(guī)律： 同一周期從左同一周期從左右，右，X同一主族從上同一主族從上下，下，X課堂練習(xí)：課堂練習(xí)： 已知已知A、B、C 和和D的原子序