第七章物質(zhì)結(jié)構基礎

1、第七章物質(zhì)結(jié)構基礎第七章物質(zhì)結(jié)構基礎2一、氫原子光譜1、實驗 一只裝有氫氣的放電管，通過高壓電流，則氫原子中的1個電子被激發(fā)到高能態(tài)后，回到低能態(tài)時，發(fā)出的光經(jīng)過三棱鏡分光后，得到如下圖所示的原子光譜。第七章物質(zhì)結(jié)構基礎3一、氫原子光譜第七章物質(zhì)結(jié)構基礎4一、氫原子光譜2、結(jié)論： 氫原子光譜是不連續(xù)的線狀光譜，具有量子化的特征。3、特點： 從長波到短波，譜線間的距離越來越小，且譜線具有確定的位置，具有明顯的規(guī)律性。 第七章物質(zhì)結(jié)構基礎5一、氫原子光譜 n 為大于 2的正整數(shù) =1.097107m-13108ms-1 =3.2891015s-1R=1.097107 m-1C=3108 ms-1

2、當n=3時，得到H n=4時，得到H 當n=5時，得到H n=6時，得到H 221211vR Cnn2211()2n2211()2n第七章物質(zhì)結(jié)構基礎6二、玻爾理論1、理論要點： 核外電子運動取一定的軌道，在此軌道上運動 的電子既不吸收能量也不放出能量。 在一定軌道上運動的電子具有一定的能量，其能量只能取某些由量子化條件決定的正整數(shù)值。第七章物質(zhì)結(jié)構基礎7對于氫原子 n1的正整數(shù) 或 n1的正整數(shù)2、波爾理論的應用（對氫原子光譜的解釋） 氫原子在正常或穩(wěn)定狀態(tài)時，電子在n=1的軌道上運動，稱為基態(tài)或2.17910-18J,其半徑為，稱為玻爾半徑。 213.6Eevn1822.179 10 EJ

3、n二、玻爾理論第七章物質(zhì)結(jié)構基礎8二、玻爾理論對于氫原子，當激發(fā)到高能態(tài)E2的電子跳回到較低能態(tài)E1時所放出的能量以光的形式表現(xiàn)出來。E2E1h n2n1 且n1=2，n2=，222118182.179 102.179 10() hvnn 221215113.289 10 ()vnnv第七章物質(zhì)結(jié)構基礎9二、玻爾理論3、優(yōu)點 沖破了經(jīng)典物理中能量連續(xù)變化的束縛，用量子化解釋了經(jīng)典物理學無法解決的原子結(jié)構和氫光譜的關系，指出原子結(jié)構具有量子化的特性。4、缺陷 由于沒有考慮電子運動的另一重要特性波粒二象性，使電子在原子核外的運動采取了宏觀物體的固定軌道，致使玻爾理論在解釋多電子原子的光譜和光譜線在

4、磁場中的分裂，譜線的強度等實驗結(jié)果時，遇到了難于解決的困難。 第七章物質(zhì)結(jié)構基礎10三、核外電子運動的波粒二象性、德布羅依假設 具有質(zhì)量為m的微觀粒子，運動速度為 v，其相應的波長為 。 結(jié)論：普朗克 常數(shù)h是聯(lián)系宏觀（p代表粒子性） 和微觀（代表波動性）的橋梁。、實驗結(jié)果（電子衍射圖） hhmvp結(jié)論：電子具有波粒二象性。第七章物質(zhì)結(jié)構基礎11三、核外電子運動的波粒二象性、測不準原理 xph （x確定粒子位置的不準量；p確定粒 子動量的不準值） 結(jié)論：a、粒子位置的測定準確度越大，則相應的動 量的測定正確度越小，反之亦然。 b、微觀粒子運動與宏觀物體的運動不同，沒 有確定的一成不變的固定軌道

5、，軌道一詞 在微觀世界中根本就不存在。 第七章物質(zhì)結(jié)構基礎12四、核外電子運動狀態(tài)的描述 、波函數(shù)() 波函數(shù)是描述核外電子在空間運動狀態(tài)的 數(shù)學表達式（x，y，z）、四個量子數(shù) 三維空間內(nèi)的薛定諤方程222222228()0mEVxyzh第七章物質(zhì)結(jié)構基礎13四、核外電子運動狀態(tài)的描述 E：總能量勢能動能 V：勢能 m：電子的質(zhì)量 ：波函數(shù) h：普朗克常數(shù) x，y，z：空間坐標解上述方程可以得到 和E 合理的解必須滿足的條件： a、主量子數(shù)n1，2，3，4，5 b、角量子數(shù)l0，1，2，3，4（n-l） c、磁量子數(shù) d、自旋量子數(shù) 0, 1, 2ml1122mors第七章物質(zhì)結(jié)構基礎14四

6、、核外電子運動狀態(tài)的描述、四個量子數(shù)的物理意義（）主量子數(shù)n決定了電子運動的能量，n值越大，能量越高。主量子數(shù)n相同的電子稱為一個電子層，它們具有大致相同的空間運動范圍： n= 1，2， 3，4， 5， 6， 7 電子層符號： K，L，M，N，O，P，Q （）角量子數(shù)l確定了原子軌道（波函數(shù)）的形狀，并在多電子原子中和主量子數(shù)一起決定電子的能級。 l 0，1，2，3，4，（n- l ） 能級符號： s，p，d，f，g，第七章物質(zhì)結(jié)構基礎15四、核外電子運動狀態(tài)的描述（）磁量子數(shù)決定原子軌道（波函數(shù)）在空間的取向。 第七章物質(zhì)結(jié)構基礎16四、核外電子運動狀態(tài)的描述例如： 角量子數(shù)l=1的p軌道為

7、啞鈴形，在空 間有三種取向 m=-1，0，1 而角量子數(shù)l=2的d軌道為花瓣形,在空 間有三種取向 m=-2，-1，0，+1，+2 又角量子數(shù)l=0的s軌道，其磁量子數(shù) m只能為0，因而在空間只有一種取向。 第七章物質(zhì)結(jié)構基礎17四、核外電子運動狀態(tài)的描述結(jié)論： a、 軌道名稱 運動狀態(tài) 簡并度 s 1 非簡并 p 3 三重簡并 d 5 五重簡并 f 7 七重簡并b、l相同而m不同的軌道稱為簡并軌道，簡并 軌道是具有相同的能量，但在磁場中, 它們的能量卻會顯出微小的差別。c、 (n,l,m) 第七章物質(zhì)結(jié)構基礎18四、核外電子運動狀態(tài)的描述（）自旋量子數(shù)ms決定了電子在原子軌道 中的取向 a、

8、一個原子軌道中最多只能容納個電 子，且自旋方向相反； b、順時針和逆時針，分別為 和（）各電子層最多可容納的電子數(shù) K層 n=1，l=0， m=0 1個1s軌道，2個電子 L層 n=2，l=0， m=0 1個2s軌道 l=1， m= -1，0，+1 3個2p軌道1212共4個軌道，8個電子第七章物質(zhì)結(jié)構基礎19四、核外電子運動狀態(tài)的描述M層 n=3，l=0，m=0 1個3s軌道 l=1，m= -1，0，+1 3個3p軌道 l=2，m=-2，-1，0，+1，+2 5個3d軌道結(jié)論：電子數(shù) 2n2五、波函數(shù)的角度部分和徑向部分 RY R=f（r），Y=f（）、角度部分（又稱為原子軌道的角度分布圖或

9、波函數(shù)的角度分布圖） 共9個18個電子軌道，第七章物質(zhì)結(jié)構基礎20五、波函數(shù)的角度部分和徑向部分 a、 “”表示波函數(shù)的正 值部分，“”表示波 函數(shù)的負值部分，它 既不代表正電荷，也 不代 表負電荷； b、角度分布圖與角量子 數(shù)有關，其取向與磁 量子數(shù)有關，但與主 量子數(shù)無關。例如： 3d, 4d ,5d,6d具有相 同的角度分布圖。 特點： 第七章物質(zhì)結(jié)構基礎21五、波函數(shù)的角度部分和徑向部分、徑向部分（又稱原子軌道的徑向分布圖或波函數(shù)的徑向分布圖）特點：反映了在任意角度 ，波函數(shù)隨r的變化情況。第七章物質(zhì)結(jié)構基礎22六、幾率和幾率密度 、幾率p： 可能性的大小，例如：打靶、投擲幣； 、幾率

10、密度D： 單位體積中出現(xiàn)的幾率， ，例如：打靶。 pD=V第七章物質(zhì)結(jié)構基礎23七、電子云 電子云是電子在核外空間出現(xiàn)的幾率密度分布的形象化描述。 例如：基態(tài)氫原子電子云第七章物質(zhì)結(jié)構基礎24八、電子云的角度分布和徑向分布、電子云的角度分布Y2特點：a、無“”、“” 之分，因為幾率密 度無正負；b、與原子軌道的 角度分布圖相比要 “瘦”一些。 第七章物質(zhì)結(jié)構基礎25八、電子云的角度分布和徑向分布、電子云的徑向分布 Dr 電子在原子核外距離為r處的一薄層球殼中出現(xiàn)的幾率密度 分子：隨r的增大而增大分母：隨r的增大而增大()()rdrrrrdrrPPDVV出現(xiàn)極值點第七章物質(zhì)結(jié)構基礎26八、電子云

11、的角度分布和徑向分布第七章物質(zhì)結(jié)構基礎27八、電子云的角度分布和徑向分布結(jié)論： a、n相同，l不同的幾率徑向分布曲線出現(xiàn)峰 的個數(shù)為（n-l）； b、反映了核外電子幾率分布的層次性和穿透性。第七章物質(zhì)結(jié)構基礎28九、多電子原子的能級、氫原子的能級 特點： a、核電荷Z，原子核外只有一個電子 b、電子只受到原子核的作用 213.6 eVEn 第七章物質(zhì)結(jié)構基礎29九、多電子原子的能級、多電子原子的能級 在多電子原子中，電子不僅受原子核的吸引，而且它們彼此之間也存在著相互排斥作用。（）屏蔽效應 其它電子對某一選定電子的排斥作用實際上就是削弱了原子核對該電子的吸引作用，因此原子核作用于該電子的正電荷

12、降低了，不再是Z，而是變成了比Z小Z*的，其中Z* = Z ，我們把Z*稱之為有效核電荷， 叫做屏蔽常數(shù)，上述作用稱之為屏蔽效應。 第七章物質(zhì)結(jié)構基礎30a、將原子中的電子按內(nèi)外次序分組:(1s)；(2p)； (3s3p)；(3d)；(4s 4p)；(4d)；(4f)；(5s 5p)； (5d)；(5f)；（6s，6p）等；b、外層電子對內(nèi)層電子沒有屏蔽作用，=0；c、同一組，=0.35(但1s, =0.30)；d、（n-1）組對（ns，np）的，對nd或nf的 ；e、更內(nèi)層的各組。（n-2,n-3,n-4;對n組）（2）屏蔽常數(shù)的計算方法（Slater規(guī)則）九、多電子原子的能級九、多電子原子

13、的能級第七章物質(zhì)結(jié)構基礎31九、多電子原子的能級（3）多電子原子的能級 *182822.179 10()2.179 10()ZZEJnn第七章物質(zhì)結(jié)構基礎32十、能級順序圖1、能級順序的理論推導 （1）角量子數(shù)相同，主量子數(shù)不同時的能級順序 l=0時，即1s、2s、3s、4s、5s、6s之間的能級順序 當n越大時，電子離核的平均距離越遠，所以原子中其它電子對它的屏蔽作用則越大，即值越大，根據(jù)多電子原子的能級計算公式知能級就越高。第七章物質(zhì)結(jié)構基礎33十、能級順序圖 結(jié)論：E(1s) E(2s) E(3s) E(4s) E(5s) E(6s) l=1、2、3時，同理可得 E(2p) E(3p)

14、E(4p) E(5p) E(6p) E(3d) E(4d) E(5d) E(6d) E(4f) E(5f) E(6f) 第七章物質(zhì)結(jié)構基礎34十、能級順序圖（2）主量子數(shù)相同，角量子數(shù)不同時的能級順序 n=2時，即2s、2p之間的能級順序 從2s和2p電子云的徑向分布圖可知，盡管2s和2p電子具有相同的主量子數(shù)，且電子離核的平均距離相同，但由于2s電子離核最近處有一個小峰，而2p電子離核最近處沒有小峰，離核最近處有一個小峰的2s電子，則說明它鉆到核附近的機會比較多，可以更好地接受原子核對它的吸引，因此其它電子對它 的屏蔽作用就越小，即值就越小。根據(jù)多電子原子的能級計算公式知其能量就越低。第七章

15、物質(zhì)結(jié)構基礎35十、能級順序圖 結(jié)論：E(2s) E(2p) n=3、4時，同理可得 E(3s) E(3p) E(3d) E(4s) E(4p) E(4d) E(4f) 第七章物質(zhì)結(jié)構基礎36十、能級順序圖（3）鉆穿效應 由于電子的角量子數(shù)不同，軌道電子云的徑向分布不同，電子鉆到核附近的幾率不同，因而能量不同的現(xiàn)象，稱為電子云的鉆穿效應。鉆穿效應反映了選定電子回避其它電子對其屏蔽的能力。（4）主量子數(shù)n和角量子數(shù)l都不相同時的能級順序 由前述知：E(1s) E(2s) E(3s) E(2s) E(2p) 但我們無法知道E(3s)和E(2p)之間的關系。 第七章物質(zhì)結(jié)構基礎37十、能級順序圖例如

16、： 對于5號元素硼(B)其電子進入原子軌道的順序是 1s22s22p1還是1s22s23s1呢？ 根據(jù)斯萊特（S）規(guī)則知 2p； 3s； 根據(jù)多電子原子的能級計算公式知 E(2p)=-13.6(5-2.40)2/22 E(3s)=-13.6(5-3.70)2/32第七章物質(zhì)結(jié)構基礎38十、能級順序圖 結(jié)論：E(2p) E(3s) 結(jié)論：E(1s) E(2s) E(2p) E(3s) 由前述知：E(3s) E(4s)； E(3s) E(3p)；但 我們無法知道E(4s)和E(3p)之間的關系。E(4s)和E(3p)之間的能級順序 例如：對于13號元素鋁(Al)其電子進入原子軌道的順序是1s22s

17、22p63s23p1還是1s22s22p63s24s1呢？ 根據(jù)斯萊特（S）規(guī)則知 3p 4s20.85=11.70 第七章物質(zhì)結(jié)構基礎39十、能級順序圖 根據(jù)多電子原子的能級計算公式知 E(3p)=-13.6(13-9.50)2/32 E(4s)=-13.6(13-11.70)2/42 結(jié)論：E(3p) E(4s) 由前述知：E(3p) E(3d)；但我們無法知道E(3d) 和E(4s)之間的關系。 E(3d)和E(45)之間的能級順序 例如：對于19號元素鉀(K)其電子進入原子軌道的 順序是1s22s22p63s23p63d1還是1s22s22p63s23p64s1 呢？ 第七章物質(zhì)結(jié)構基

18、礎40十、能級順序圖 根據(jù)斯萊特（S）規(guī)則知 3d； 4s； 根據(jù)多電子原子的能級計算公式知 E(3d)=-13.6(19-18.00)2/32 E(4s)=-13.6(19-16.80)2/42 結(jié)論：E(4s) E(3d) 結(jié)論：E(1s) E(2s) E(2p) E(3s) E(3p) E(4s) E(3d) 第七章物質(zhì)結(jié)構基礎41十、能級順序圖 依次類推有： E(1s) E(2s) E(2p) E(3s) E(3p) E(4s) E(3d) E(4p) E(5s) E(4d) E(5p) E(6s) E(4f) E(5d) E(6p) E(7s) E(5f) E(5d) E(6p)第七

19、章物質(zhì)結(jié)構基礎422、近似能級圖 十、能級順序圖十、能級順序圖第七章物質(zhì)結(jié)構基礎43十、能級順序圖 特點： a、相鄰兩個能級組之間的能量相差較大； b、組內(nèi)能級之間的能量相差較小。第七章物質(zhì)結(jié)構基礎44十一、核外電子排布的規(guī)律 1、能量最低原理 電子在原子軌道上的分布，要盡可能地使電子 的能量最低。即按能量由低到高的順序排列，亦即 按近似能級圖的順序依次填充電子，這就是能量最 低原理。 2、保里不相容原理 一個原子軌道最多只能容納兩個電子，而且這 兩個電子的自旋方向必須相反。第七章物質(zhì)結(jié)構基礎45十一、核外電子排布的規(guī)律3、洪特規(guī)則 在主量子數(shù)n和角量子數(shù)l相同的簡并軌道上分布的電子，將盡可能

20、分占磁量子數(shù)不同的軌道，且自旋方向平行，在簡并軌道上分布的電子以半充滿，全充滿和全空狀態(tài)最為穩(wěn)定。第七章物質(zhì)結(jié)構基礎46十二、元素周期表中原子結(jié)構規(guī) 律及特例分析1、第四周期 K(19)，Ca(20)，Cr(24)，Cu(29) 2、第五周期 Rb(37), Sr(38), Mo(42), Ag(47) 3、第六周期 Cs(55), Ba(56), La(57), Gd(64), Lu(71)第七章物質(zhì)結(jié)構基礎47十二、元素周期表中原子結(jié)構規(guī) 律及特例分析4、第五周期例外的元素 Nb(41), Ru(44), Rh(45),Pd(46)5、第六周期例外的元素 Ce(58), W(74), Pt

21、(78)原因：5s和4d之間的能級差較小，存在電子間的相 互激發(fā)較多。結(jié)論：不能拿客觀事實去適應原理，它只能說明我 們的原理還不夠完善，有待改進。 第七章物質(zhì)結(jié)構基礎48十三、原子結(jié)構與元素周期律 1、周期=最外層的主量子數(shù) 2、能級組與各周期所含元素的個數(shù)能級組n+0.7l周期數(shù)所含元素個數(shù)1s1. 122s2p2 . 283s3p3 . 384s3d4p4 . 4185s4d5p5 . 5186s4f5d6p6 . 6327s5f6d7p7. 7未滿第七章物質(zhì)結(jié)構基礎49十三、原子結(jié)構與元素周期律 3、能級交錯與各層所能容納最多電子數(shù) a、四個量子數(shù)的要求 2n2 b、能級交錯的要求 最外層不超過8個電子； 次外層不超過18個電子； 倒數(shù)第三層不超過32個電子。 4、主族與副族 a、主族元素的族數(shù)=原子最外層的電子數(shù) 特點：次外層的電子數(shù)為8或18 第七章物質(zhì)結(jié)構基礎50十三、原子結(jié)構與元素周期律b、副族元素：主族元素以外的其它元素 特點：8次外層的電子數(shù)0 Mg+(g) Mg2+(g)+e H=I20 Na(s) Na+(g)+2e H=H升華+I1 Mg(s) Mg2