原子結(jié)構(gòu)和元素周期表

1、原子結(jié)構(gòu)和元素周期表第六章第六章 原子結(jié)構(gòu)和元素周期表原子結(jié)構(gòu)和元素周期表本章要求本章要求n要求理解四個(gè)量子數(shù)的物理意義。要求理解四個(gè)量子數(shù)的物理意義。n理解近似能級(jí)圖的意義，能夠運(yùn)用核外電子理解近似能級(jí)圖的意義，能夠運(yùn)用核外電子排布的三個(gè)原則，寫出元素的原子核外電子排排布的三個(gè)原則，寫出元素的原子核外電子排布式。布式。n學(xué)會(huì)利用電離勢(shì)、原子半徑等數(shù)據(jù)，討論各學(xué)會(huì)利用電離勢(shì)、原子半徑等數(shù)據(jù)，討論各種元素的某些性質(zhì)與電子層結(jié)構(gòu)的關(guān)系。種元素的某些性質(zhì)與電子層結(jié)構(gòu)的關(guān)系。n重點(diǎn)掌握原子結(jié)構(gòu)與元素同期律間的關(guān)系。重點(diǎn)掌握原子結(jié)構(gòu)與元素同期律間的關(guān)系。西西 昌昌 學(xué)學(xué) 院院原子結(jié)構(gòu)和元素周期表第一節(jié)、

2、人類認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)史第一節(jié)、人類認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)史n 公元前公元前460-370,460-370,德莫克利特（德莫克利特（DemocritusDemocritus）年提出萬物）年提出萬物原子構(gòu)成說。原子構(gòu)成說。n 中國(guó)的物質(zhì)無限可分說：中國(guó)的物質(zhì)無限可分說：“一尺之椎，日取其半，萬世一尺之椎，日取其半，萬世不竭。不竭?！眓 17561756年，俄羅蒙諾索夫的質(zhì)量守恒定律。年，俄羅蒙諾索夫的質(zhì)量守恒定律。n 17791779年，法普勞斯特的定組成定律。年，法普勞斯特的定組成定律。n 18031803年，英道爾頓的倍比定律。年，英道爾頓的倍比定律。n 18081808年，英道爾頓的原子學(xué)說。年，英道

3、爾頓的原子學(xué)說。n 18111811年，意阿佛加德羅的分子學(xué)說。年，意阿佛加德羅的分子學(xué)說。n 18971897年，小湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子，提出湯姆遜原子模型。年，小湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子，提出湯姆遜原子模型。n 普朗克的量子理論。普朗克的量子理論。( (黑體輻射黑體輻射) )n 19051905年，愛因斯坦的光電效應(yīng)解釋。年，愛因斯坦的光電效應(yīng)解釋。n 19111911年，英盧瑟福原子模型。年，英盧瑟福原子模型。n 19131913年，丹玻爾原子模型。年，丹玻爾原子模型。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表第二節(jié)、核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)第二節(jié)、核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)n n n1 1=1=1時(shí)，在紫外光區(qū)時(shí)，在紫外光區(qū), ,為拉曼系。

4、為拉曼系。n n n1 1=2=2時(shí)，在可見光區(qū)，為巴爾麥系。時(shí)，在可見光區(qū)，為巴爾麥系。n n n1 1=3=3時(shí)，在紅外光區(qū)，為帕邢系。時(shí)，在紅外光區(qū)，為帕邢系。一、一、 氫原子光譜和玻爾理論氫原子光譜和玻爾理論1 1、氫原子光譜、氫原子光譜原子結(jié)構(gòu)和元素周期表2 2、玻爾原子模型、玻爾原子模型n核外電子運(yùn)動(dòng)有一定的軌道，在軌道核外電子運(yùn)動(dòng)有一定的軌道，在軌道上運(yùn)動(dòng)的電子不放出也不吸收能量。上運(yùn)動(dòng)的電子不放出也不吸收能量。n在一定軌道上運(yùn)動(dòng)的電子能量一定，在一定軌道上運(yùn)動(dòng)的電子能量一定，不同軌道能量不同，且不連續(xù)，即量不同軌道能量不同，且不連續(xù)，即量子化。對(duì)氫原子，其軌道能量滿足子化。對(duì)氫

5、原子，其軌道能量滿足： E=-13.6/nE=-13.6/n2 2 eV=-2.179 eV=-2.1791010-18-18/n/n2 2 J J據(jù)第一假定，原子能穩(wěn)定存在；據(jù)第據(jù)第一假定，原子能穩(wěn)定存在；據(jù)第二假定，電子在不同軌道間發(fā)生躍遷二假定，電子在不同軌道間發(fā)生躍遷則產(chǎn)生原子光譜。則產(chǎn)生原子光譜。E=EE=En2n2-E-En1n1=h=h h=6.626 h=6.6261010-34-34J.sJ.s-1-1原子結(jié)構(gòu)和元素周期表3、電子躍遷能量計(jì)算、電子躍遷能量計(jì)算 求氫原子電子由第四電求氫原子電子由第四電子層跳回第三和第二電子層時(shí)放出的光子波子層跳回第三和第二電子層時(shí)放出的光子波

6、長(zhǎng)長(zhǎng). .解解: E: E4 4=-2.179=-2.1791010-18-18/4/42 2 =-0.1362 =-0.1362 1010-18-18 E E3 3=-2.179=-2.1791010-18-18/3/32 2 =-0.2421 =-0.2421 1010-18-18 E E2 2=-2.179=-2.1791010-18-18/2/22 2 =-0.5448 =-0.5448 1010-18-18 3434= =19.88 19.88 1010-26 -26 /1.059/1.059 1010-19-19 =1.877 =1.877 1010-6-6m m 3434= =1

7、9.88 19.88 1010-26 -26 /4.086/4.086 1010-19-19 =4.865=4.8651010-7-7m m 原子結(jié)構(gòu)和元素周期表二、二、 核外電子運(yùn)動(dòng)的波粒二象性核外電子運(yùn)動(dòng)的波粒二象性1 1、德布羅意的預(yù)言：若光具有波粒二、德布羅意的預(yù)言：若光具有波粒二象性，則物質(zhì)具有二象性。象性，則物質(zhì)具有二象性。=h/P=h/(mv)=h/P=h/(mv)以以8Km/s8Km/s運(yùn)行的火箭，質(zhì)量運(yùn)行的火箭，質(zhì)量1000T1000T的運(yùn)的運(yùn)動(dòng)波長(zhǎng)和以動(dòng)波長(zhǎng)和以1000km/s1000km/s運(yùn)動(dòng)的電子，質(zhì)運(yùn)動(dòng)的電子，質(zhì)量量9.119.111010-31-31KgKg所產(chǎn)生

8、的波長(zhǎng)。所產(chǎn)生的波長(zhǎng)。解：解：火箭火箭=6.63=6.631010-34-34/8/810109 9 =8.29 =8.291010-44-44m m 電子電子=6.63=6.631010-34-34/9.11/9.111010-31-31/10/106 6 =7.28 =7.281010-10-10m m原子結(jié)構(gòu)和元素周期表2 2、 電子衍射實(shí)驗(yàn)電子衍射實(shí)驗(yàn)原子結(jié)構(gòu)和元素周期表3 3、測(cè)不準(zhǔn)原理：微觀粒子不能、測(cè)不準(zhǔn)原理：微觀粒子不能同時(shí)測(cè)定其位置和動(dòng)量。同時(shí)測(cè)定其位置和動(dòng)量。 x xphph繞核運(yùn)動(dòng)的電子，其位置測(cè)定誤差為繞核運(yùn)動(dòng)的電子，其位置測(cè)定誤差為1010-11-11m,m,則其速度

9、測(cè)定誤差為多少？則其速度測(cè)定誤差為多少？解：解：v=6.63v=6.631010-34-34/10/10-11-11/9.11/9.111010-31-31 =7.28=7.2810107 7m/sm/s 從結(jié)果可以看出，其速度誤差已超過從結(jié)果可以看出，其速度誤差已超過其運(yùn)動(dòng)速度。其運(yùn)動(dòng)速度。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表三、核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述三、核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述1 1、薛定諤方程、薛定諤方程: :波函數(shù)波函數(shù) n,l,m,msn,l,m,ms(x,y,z,t)(x,y,z,t)主量子數(shù)主量子數(shù)n: 1 2 3 4 n: 1 2 3 4 角量子數(shù)角量子數(shù)l: 0 1 2 3 4 (n-1)l:

10、 0 1 2 3 4 (n-1)磁量子數(shù)磁量子數(shù)m: 0 m: 0 1 1 2 2 3 3 l l原子結(jié)構(gòu)和元素周期表n 主量子數(shù)主量子數(shù)n :n :單電子原子中能量完全由單電子原子中能量完全由它來決定它來決定, ,多電子運(yùn)動(dòng)的能量主要由它多電子運(yùn)動(dòng)的能量主要由它決定。決定。E=-13.6Z/nE=-13.6Z/n2 2 eV ( eV (單電子原子中單電子原子中) )電子離核的平均距離也由它來決定電子離核的平均距離也由它來決定. .對(duì)對(duì)同一原子來說，處于同一主量子數(shù)的電同一原子來說，處于同一主量子數(shù)的電子，其離核的平均距離是相同的，其能子，其離核的平均距離是相同的，其能量也比較接近。這一點(diǎn)正

11、好說明核外電量也比較接近。這一點(diǎn)正好說明核外電子是分層排布的。子是分層排布的。 n 1 2 3 4 5 6 7n 1 2 3 4 5 6 7 K L M N O P Q K L M N O P Q原子結(jié)構(gòu)和元素周期表n 角量數(shù)角量數(shù)l:l:角量子數(shù)確定軌道的形狀角量子數(shù)確定軌道的形狀.l=0.l=0時(shí)軌道為球形對(duì)稱，時(shí)軌道為球形對(duì)稱，l=1l=1時(shí)軌道為啞鈴時(shí)軌道為啞鈴形，形，l=2l=2時(shí)軌道為花瓣形。時(shí)軌道為花瓣形。多電子原子中同主量子數(shù)一起決定能量多電子原子中同主量子數(shù)一起決定能量l 0 1 2 3 4 5 6l 0 1 2 3 4 5 6 s p d f g h i s p d f g

12、 h i角量子數(shù)角量子數(shù)l l說明了電子在核外排布時(shí)同說明了電子在核外排布時(shí)同一個(gè)電子層的電子能量是不一定相等的，一個(gè)電子層的電子能量是不一定相等的，即同一電子層中有電子亞層。盡管同一即同一電子層中有電子亞層。盡管同一電子層離原子核的平均距離相同，但由電子層離原子核的平均距離相同，但由于軌道形狀上的差異，導(dǎo)致該軌道上的于軌道形狀上的差異，導(dǎo)致該軌道上的電子受原子核作用的能力不一樣，電子電子受原子核作用的能力不一樣，電子之間的作用力不一樣，而引起能量上的之間的作用力不一樣，而引起能量上的差異。當(dāng)然也說明軌道的種類差異。當(dāng)然也說明軌道的種類. .原子結(jié)構(gòu)和元素周期表n 磁量子數(shù)磁量子數(shù)m :m :

13、磁量子數(shù)磁量子數(shù)m m決定軌道的伸展決定軌道的伸展方向方向在外磁場(chǎng)或電場(chǎng)作用下，也參與決定能在外磁場(chǎng)或電場(chǎng)作用下，也參與決定能量。量。l ml m0 00 01 -11 -1，0 0，1 12 -22 -2，-1-1，0 0，1 1，2 23 -33 -3，-2-2，-1-1，0 0，1 1，2 2，3 34 -44 -4，-3-3，-2-2，-1-1，0 0，1 1，2 2，3 3，4 4原子結(jié)構(gòu)和元素周期表原子軌道不同的取向說明了每一個(gè)軌道原子軌道不同的取向說明了每一個(gè)軌道是不同的即同一原子不可能有相同的軌是不同的即同一原子不可能有相同的軌道。因方向不同，故外加電場(chǎng)或磁場(chǎng)沿道。因方向不同，

14、故外加電場(chǎng)或磁場(chǎng)沿某一方向靠近時(shí)，該方向軌道上的電子某一方向靠近時(shí)，該方向軌道上的電子所受作用力一定更加強(qiáng)烈，從而引起能所受作用力一定更加強(qiáng)烈，從而引起能量上的差異。在無外電場(chǎng)磁場(chǎng)作用的情量上的差異。在無外電場(chǎng)磁場(chǎng)作用的情況下，其能量完全由主量子數(shù)和角量子況下，其能量完全由主量子數(shù)和角量子數(shù)決定。主量子數(shù)和角量子數(shù)都相同的數(shù)決定。主量子數(shù)和角量子數(shù)都相同的軌道在能量上完全一樣，這種軌道稱為軌道在能量上完全一樣，這種軌道稱為簡(jiǎn)并軌道。當(dāng)主量子數(shù)、角量子數(shù)和磁簡(jiǎn)并軌道。當(dāng)主量子數(shù)、角量子數(shù)和磁量子數(shù)全確定時(shí)，則這個(gè)軌道就完全確量子數(shù)全確定時(shí)，則這個(gè)軌道就完全確定了。其能量，形狀也完全確定了。用定了

15、。其能量，形狀也完全確定了。用n,l,mn,l,m（x,y,zx,y,z）確定軌道，更合適的說）確定軌道，更合適的說法是原子軌函。法是原子軌函。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表n 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù)m ms s 從薛定厄方程得到的解最從薛定厄方程得到的解最多到軌函，得不到第四個(gè)量子數(shù)。但在多到軌函，得不到第四個(gè)量子數(shù)。但在強(qiáng)磁場(chǎng)下的原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)磁場(chǎng)下的原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，每條譜線都是由靠得很近的兩條譜線組每條譜線都是由靠得很近的兩條譜線組成，這是因?yàn)樵谕卉壍郎峡梢赃\(yùn)行兩成，這是因?yàn)樵谕卉壍郎峡梢赃\(yùn)行兩個(gè)自旋方向相反的電子。引進(jìn)了第四個(gè)個(gè)自旋方向相反的電子。引進(jìn)了第四個(gè)量子數(shù)，自旋量

16、子數(shù)量子數(shù)，自旋量子數(shù)m ms s自旋量子數(shù)的取值只能是自旋量子數(shù)的取值只能是，代表自，代表自旋的兩個(gè)方向。旋的兩個(gè)方向。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表n 四個(gè)量子數(shù)間關(guān)系四個(gè)量子數(shù)間關(guān)系N l N l |m| M |m| Ms s = = 第第n n電子層有電子層有n n種軌道種軌道第第l l電子亞層有電子亞層有2l+12l+1個(gè)軌道個(gè)軌道第第n n電子層有電子層有 n n2 2= = 2l+1 2l+1 個(gè)軌道個(gè)軌道第第n n電子層最多可填充電子層最多可填充n n2 2個(gè)電子個(gè)電子原子結(jié)構(gòu)和元素周期表2 2、波函數(shù)角度部分、波函數(shù)角度部分n 將三維坐標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為球坐標(biāo)函數(shù)：將三維坐標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為球坐標(biāo)

17、函數(shù)：n,l,mn,l,m（x,y,zx,y,z）=R=Rn,l(n,l(r).Yr).Yl,ml,m(,)(,)s s軌道無方向性軌道無方向性Y Y0 0，0 0(,)(,)p p軌道有方向性，有兩個(gè)部分一正一負(fù)反軌道有方向性，有兩個(gè)部分一正一負(fù)反對(duì)稱，共三個(gè)軌道對(duì)稱，共三個(gè)軌道Y Y1 1， m m(,)(,)， m=-m=-1,0,11,0,1d d軌道有方向性，有四個(gè)部分，兩正兩負(fù)軌道有方向性，有四個(gè)部分，兩正兩負(fù)中心對(duì)稱，共五個(gè)軌道中心對(duì)稱，共五個(gè)軌道Y Y2 2，m m(,)(,) ,m=- ,m=-2,-1,0,1,22,-1,0,1,2。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表軌道角度分布圖+xy

18、zzx+zx_y+_spxpypz+_xzy+_xz+y+_z+ydxydxzdyzddxy22-z2原子結(jié)構(gòu)和元素周期表n 波函數(shù)的徑向部分波函數(shù)的徑向部分徑向部分是任意角度下，隨離核距離變化徑向部分是任意角度下，隨離核距離變化波函數(shù)值的變化。只有波函數(shù)值的變化。只有1s1s軌道徑向部分在軌道徑向部分在離核越近時(shí)值越大，其余離核越近并不是離核越近時(shí)值越大，其余離核越近并不是越大，而是在離核某一距離有最大值。越大，而是在離核某一距離有最大值。徑向部分值也有正負(fù)之分，正負(fù)只是表示徑向部分值也有正負(fù)之分，正負(fù)只是表示位相的不同，其絕對(duì)值才表示其大小。對(duì)位相的不同，其絕對(duì)值才表示其大小。對(duì)任意軌道其

19、徑向部分與任意軌道其徑向部分與r r軸有軸有n-l-1n-l-1個(gè)交點(diǎn)。個(gè)交點(diǎn)。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表波函數(shù)的徑向部分圖原子結(jié)構(gòu)和元素周期表n 幾率密度和電子云電子運(yùn)動(dòng)測(cè)不準(zhǔn)，幾率密度和電子云電子運(yùn)動(dòng)測(cè)不準(zhǔn)，故電子在何處運(yùn)動(dòng)無多大意義。幾率故電子在何處運(yùn)動(dòng)無多大意義。幾率密度：密度： | |2 2，幾率，幾率：電子波動(dòng)性只有通過其微粒性的統(tǒng)計(jì)電子波動(dòng)性只有通過其微粒性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來得到說明結(jié)果來得到說明:d=|:d=|2 2ddd=4rd=4r2 2drdr=0 04r4r2 2|2 2dr=1dr=1電子云的角度分布徑向部分電子云的角度分布徑向部分 在方向上在方向上, ,電子云的角度分布圖與波函

20、數(shù)的角度電子云的角度分布圖與波函數(shù)的角度分布圖一致；但它們有重大差別，電分布圖一致；但它們有重大差別，電子云值總是正值，而波函數(shù)有波峰波子云值總是正值，而波函數(shù)有波峰波谷之分，波函數(shù)圖形相對(duì)較胖，而電谷之分，波函數(shù)圖形相對(duì)較胖，而電子云較細(xì)巧。子云較細(xì)巧。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表電子云的角度分布電子云的角度分布xyzzxzxyspxpypzxzyxzyzydxydxzdyzddxy22-z2_原子結(jié)構(gòu)和元素周期表與波函數(shù)徑向分布圖比較，電子云出現(xiàn)與波函數(shù)徑向分布圖比較，電子云出現(xiàn)n-ln-l個(gè)峰，全是正值，而波函數(shù)有正有負(fù)。離個(gè)峰，全是正值，而波函數(shù)有正有負(fù)。離核越近電子云值并不值越大。核越近電子

21、云值并不值越大。電子云徑向部分反映電子在離核某處的球電子云徑向部分反映電子在離核某處的球面薄殼層內(nèi)出現(xiàn)的可能性。面薄殼層內(nèi)出現(xiàn)的可能性。n 電子云總體分布圖和電子云界面圖電子云總體分布圖和電子云界面圖 電子云圖應(yīng)是角度部分和徑向部分的總合。電子云圖應(yīng)是角度部分和徑向部分的總合。電子云界面圖是將電子云密度相等的等密電子云界面圖是將電子云密度相等的等密度面畫出，且包含其度面畫出，且包含其95%95%的電子云圖。的電子云圖。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表n 電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)小結(jié)電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)小結(jié) 經(jīng)典力學(xué)中，能量、經(jīng)典力學(xué)中，能量、角動(dòng)量是連續(xù)變化的，而在微觀世界則是角動(dòng)量是連續(xù)變化的，而在微觀世界則是不連續(xù)的，電

22、子運(yùn)動(dòng)用四個(gè)量子數(shù)來描述，不連續(xù)的，電子運(yùn)動(dòng)用四個(gè)量子數(shù)來描述，其能量由兩個(gè)量子數(shù)來描述。其能量由兩個(gè)量子數(shù)來描述。以典力學(xué)中，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以同時(shí)測(cè)以典力學(xué)中，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以同時(shí)測(cè)定其位置和動(dòng)量，而在微觀世界，則因具定其位置和動(dòng)量，而在微觀世界，則因具有波動(dòng)性十分顯著而有性測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，故有波動(dòng)性十分顯著而有性測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，故只有用波函數(shù)來描述，用統(tǒng)計(jì)法得出其運(yùn)只有用波函數(shù)來描述，用統(tǒng)計(jì)法得出其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，故用電子云來形象描述。動(dòng)規(guī)律，故用電子云來形象描述。波函數(shù)被形象地叫為原子軌道，它與宏觀波函數(shù)被形象地叫為原子軌道，它與宏觀的軌道有很大差別，宏觀軌道是指運(yùn)動(dòng)軌的軌道有很大差別，宏觀軌道是

23、指運(yùn)動(dòng)軌跡，而波函數(shù)則是指一個(gè)伸宿性很大的區(qū)跡，而波函數(shù)則是指一個(gè)伸宿性很大的區(qū)域；而電子云則是電子在某區(qū)域出現(xiàn)的可域；而電子云則是電子在某區(qū)域出現(xiàn)的可能性。能性。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表第三節(jié)第三節(jié) 原子核外電子排布原子核外電子排布和元素周期律和元素周期律原子結(jié)構(gòu)和元素周期表一、多電子原子的能級(jí)一、多電子原子的能級(jí)n 單電子原子來說，核外電子只受原子核的單電子原子來說，核外電子只受原子核的吸引，無其它電子的排斥，其能量只與主吸引，無其它電子的排斥，其能量只與主量子數(shù)有關(guān)：量子數(shù)有關(guān)： E=-2.179E=-2.1791010-18-18Z Z2 2/n/n2 2n 多電子原子來說，還要受其它電子

24、的排斥，多電子原子來說，還要受其它電子的排斥，故受核作用要相對(duì)減小，也即抵消部分核故受核作用要相對(duì)減小，也即抵消部分核電荷，我們稱這種作用為屏蔽電荷，我們稱這種作用為屏蔽:Z:Z* *=Z-, =Z-, E=-2.179 E=-2.1791010-18-18（Z-Z-）2 2/n/n2 2, , =-2.179=-2.1791010-18-18Z Z* *2 2/n/n2 2原子結(jié)構(gòu)和元素周期表n SlaterSlater規(guī)則規(guī)則 一套估算一套估算屏蔽常數(shù)的方法：屏蔽常數(shù)的方法： 先將電子按內(nèi)外次序分組：先將電子按內(nèi)外次序分組：n ns,s,n np p一組一組n nd d一組一組n nf f

25、一組如：一組如：1s;2s,2p;3s3p;3d;4s,4p;4d;4f;5s,5p;5d;5f1s;2s,2p;3s3p;3d;4s,4p;4d;4f;5s,5p;5d;5f。 外組電子對(duì)內(nèi)組電子的屏蔽作用外組電子對(duì)內(nèi)組電子的屏蔽作用 =0=0 同一組，同一組， =0.35(=0.35(但但1s1s， =0.3)=0.3) 對(duì)對(duì)n ns,s,n np p，( (n n-1)-1)組的組的 =0.85=0.85；更內(nèi)的各組；更內(nèi)的各組 =1=1 對(duì)對(duì)n nd d、n nf f的內(nèi)組電子的內(nèi)組電子 =1=1注：注： 該方法用于該方法用于n n為為4 4的軌道準(zhǔn)確性較好，的軌道準(zhǔn)確性較好，n n大

26、于大于4 4后后較差。較差。 主量子數(shù)越大，其離核平均距離越遠(yuǎn)，故能量主量子數(shù)越大，其離核平均距離越遠(yuǎn)，故能量越高。越高。 主量子數(shù)一樣的時(shí)候，角量子數(shù)越大能量越高。主量子數(shù)一樣的時(shí)候，角量子數(shù)越大能量越高。從電子云的徑向部分可以看出，其在核附近出從電子云的徑向部分可以看出，其在核附近出現(xiàn)的可能性越小，故能量越高?，F(xiàn)的可能性越小，故能量越高。 原子結(jié)構(gòu)和元素周期表 n SlaterSlater規(guī)則舉例規(guī)則舉例 CaCa的最后兩個(gè)電子應(yīng)排在何處？的最后兩個(gè)電子應(yīng)排在何處？Ca 1sCa 1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p6 63d3dx x4s4sy yx=0,y=2x

27、=0,y=21 1=10+8=10+80.85+0.35=17.150.85+0.35=17.15E E1 1=-2=-213.613.6(20-17.15)(20-17.15)2 2/4/42 2=-13.808eV=-13.808eVx=1,y=1x=1,y=123d23d=18.00=18.0024s24s=10+9=10+90.85=17.650.85=17.65E E2 2=-13.6=-13.6(20-18)(20-18)2 2/9+(20-17.65)/9+(20-17.65)2 2/14)/14) = -6.044-4.694 = -10.738eV = -6.044-4.69

28、4 = -10.738eVx=2,y=0 x=2,y=03 3=18+0.35=18.35=18+0.35=18.35E E3 3=-2=-213.613.6(20-18.35)(20-18.35)2 2/9=-8.228eV/9=-8.228eVE E1 1EE2 2EE3 3Ca的兩個(gè)電子應(yīng)排在的兩個(gè)電子應(yīng)排在4S上。上。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表n 屏蔽效應(yīng)屏蔽效應(yīng) 屏蔽效應(yīng)是指電子對(duì)其它電子的排斥，屏蔽效應(yīng)是指電子對(duì)其它電子的排斥，減弱了原子核對(duì)其它電子的吸引力而導(dǎo)致能量減弱了原子核對(duì)其它電子的吸引力而導(dǎo)致能量升高的現(xiàn)象。內(nèi)層電子的屏蔽能力強(qiáng)于外層電升高的現(xiàn)象。內(nèi)層電子的屏蔽能力強(qiáng)于外層電子

29、；若為同層電子則子；若為同層電子則s s電子強(qiáng)于電子強(qiáng)于p p電子電子, ,p p電子強(qiáng)電子強(qiáng)于于d d，d d強(qiáng)強(qiáng)于于f f。n 鉆穿效應(yīng)鉆穿效應(yīng) 鉆鉆穿效應(yīng)是指外層電子躲避內(nèi)層電子穿效應(yīng)是指外層電子躲避內(nèi)層電子屏蔽的現(xiàn)象。從電子云徑向分布圖可以看出，屏蔽的現(xiàn)象。從電子云徑向分布圖可以看出，一些主量子數(shù)高的電子在核附近仍有小峰，故一些主量子數(shù)高的電子在核附近仍有小峰，故能量降低。角量子數(shù)大小決定鉆穿能力，角量能量降低。角量子數(shù)大小決定鉆穿能力，角量子數(shù)越小鉆穿能力越強(qiáng)。與主量子數(shù)無關(guān)。子數(shù)越小鉆穿能力越強(qiáng)。與主量子數(shù)無關(guān)。n 屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)的結(jié)果使核外電子排布時(shí)屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)的結(jié)果使

30、核外電子排布時(shí)發(fā)生能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象：發(fā)生能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象：E EnsnsEE(n-1)d(n-1)d，E EnsnsEE(n-2)f(n-2)f原子結(jié)構(gòu)和元素周期表原子結(jié)構(gòu)和元素周期表二、原子軌道填充順序能級(jí)組原子軌道填充順序能級(jí)組 n 能量相近的軌道組組成能級(jí)組，它相當(dāng)于周期表能量相近的軌道組組成能級(jí)組，它相當(dāng)于周期表中的一個(gè)周期。中的一個(gè)周期。n 任意一能級(jí)組，其軌道為：任意一能級(jí)組，其軌道為： ns,(n-3)g,(n-2)f,(n-1)d,npns,(n-3)g,(n-2)f,(n-1)d,npn 當(dāng)當(dāng)n2n2時(shí)出現(xiàn)時(shí)出現(xiàn)npnp軌道軌道 當(dāng)當(dāng)n4n4時(shí)出現(xiàn)時(shí)出現(xiàn)ndnd軌道軌道 當(dāng)當(dāng)n6n6

31、時(shí)出現(xiàn)時(shí)出現(xiàn)nfnf軌道軌道 當(dāng)當(dāng)n8n8時(shí)出現(xiàn)時(shí)出現(xiàn)ngng軌道。軌道。n 每一個(gè)能級(jí)組都有是以每一個(gè)能級(jí)組都有是以nsns開始，以開始，以npnp結(jié)束。結(jié)束。n 最外層最多最外層最多8 8個(gè)電子，次外層最多個(gè)電子，次外層最多1818個(gè)電子，次個(gè)電子，次次外層最多次外層最多3232個(gè)電子。個(gè)電子。1 1s s2 2s s2 2p p3 3s s3 3p p3 3d d4 4s s4 4p p4 4d d4 4f f5 5s s5 5p p5 5d d5 5f f5 5g g6 6s s6 6p p6 6d d7 7s s構(gòu)造原理原子結(jié)構(gòu)和元素周期表n 核外電子排布三原則核外電子排布三原則能量

32、最低原理：電子優(yōu)先占用能量最低能量最低原理：電子優(yōu)先占用能量最低的軌道，填滿低能量軌道后，再填其余的軌道，填滿低能量軌道后，再填其余能量最低的軌道。能量最低的軌道。保里不相容原理：在同一個(gè)原子內(nèi)不可保里不相容原理：在同一個(gè)原子內(nèi)不可能出現(xiàn)四個(gè)量子數(shù)完全一樣的電子?；蚰艹霈F(xiàn)四個(gè)量子數(shù)完全一樣的電子?；蚓湓捳f，每個(gè)軌道最多只能填兩個(gè)電子句話說，每個(gè)軌道最多只能填兩個(gè)電子而且自旋方向必須相反。而且自旋方向必須相反。洪特規(guī)則：電子在能量相同的簡(jiǎn)并軌道洪特規(guī)則：電子在能量相同的簡(jiǎn)并軌道上填充時(shí)，盡量分占不同的軌道，且自上填充時(shí)，盡量分占不同的軌道，且自旋方向相同。此狀態(tài)能量很低，有時(shí)甚旋方向相同。此狀態(tài)

33、能量很低，有時(shí)甚至舍低能量軌道而就洪特規(guī)則。至舍低能量軌道而就洪特規(guī)則。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表三、原子結(jié)構(gòu)和元素周期系的關(guān)系三、原子結(jié)構(gòu)和元素周期系的關(guān)系n 元素周期律元素周期律 元素的性質(zhì)隨著核電荷的遞增而元素的性質(zhì)隨著核電荷的遞增而呈周期性變化的規(guī)律。造成元素周期律的原因呈周期性變化的規(guī)律。造成元素周期律的原因在于其核外電子的周期性變化，即總是從在于其核外電子的周期性變化，即總是從nsns開開始過渡到始過渡到npnp結(jié)束，電子排布的周期性導(dǎo)致了元結(jié)束，電子排布的周期性導(dǎo)致了元素性質(zhì)的周期性。素性質(zhì)的周期性。n 每個(gè)能級(jí)組就相當(dāng)于一個(gè)周期。每周期的元素每個(gè)能級(jí)組就相當(dāng)于一個(gè)周期。每周期的元素?cái)?shù)

34、目就等于該能級(jí)組軌道所能容納的最大電子數(shù)目就等于該能級(jí)組軌道所能容納的最大電子數(shù)。數(shù)。n 中性原子的最外層電子的主量子數(shù)就是該元素中性原子的最外層電子的主量子數(shù)就是該元素所在的周期。所在的周期。n 主族主族= =最外層電子數(shù)總和最外層電子數(shù)總和(ns+np)(ns+np) 副族由副族由nsns和和(n-1)d(n-1)d電子的總和來決定：電子的總和來決定： 總和總和8,10,10,電子總和電子總和-10=-10=副族族副族族 總和總和=8-10=8-10，第，第族族n 區(qū)的劃分：電子填充時(shí)最后一個(gè)電子所填充的區(qū)的劃分：電子填充時(shí)最后一個(gè)電子所填充的軌道即為該區(qū)。軌道即為該區(qū)。s p d fs

35、p d f區(qū)區(qū)原子結(jié)構(gòu)和元素周期表第四節(jié)第四節(jié) 元素的電離勢(shì)、電負(fù)性和原子結(jié)構(gòu)元素的電離勢(shì)、電負(fù)性和原子結(jié)構(gòu)n 電離勢(shì)電離勢(shì) 氣態(tài)原子電子從基態(tài)躍遷為自由電子所氣態(tài)原子電子從基態(tài)躍遷為自由電子所吸收的能量為電離勢(shì)。吸收的能量為電離勢(shì)。 A A(g)(g)AA+ +(g)(g)+e +e E=IE=I1 1 A A+ +（g g）A A2+2+(g)(g)+e I+e I2 2 A A2+2+（g g）A A3+3+(g)(g)+e I+e I3 3n 對(duì) 同 一 原 子 ， 其 電 離 勢(shì) 大 小 依 次 是 ：對(duì) 同 一 原 子 ， 其 電 離 勢(shì) 大 小 依 次 是 ：I I1 1II2

36、2II3 3 2.0；s區(qū)金屬電負(fù)性大多小于區(qū)金屬電負(fù)性大多小于1.2；而；而d-,ds-和和p-區(qū)金屬的電區(qū)金屬的電負(fù)性在負(fù)性在1.7左右。左右。1934年馬利肯年馬利肯(R.S.Mulliken 1896-1986)建議把元素建議把元素的第一電離能和電子親和能的平均值的第一電離能和電子親和能的平均值(I1+E)/eV=c作為電負(fù)性的標(biāo)度。盡管由于電子親和能數(shù)值不齊全，作為電負(fù)性的標(biāo)度。盡管由于電子親和能數(shù)值不齊全，馬利肯電負(fù)性數(shù)值不多，但馬利肯電負(fù)性馬利肯電負(fù)性數(shù)值不多，但馬利肯電負(fù)性(Mc)與泡林與泡林電負(fù)性電負(fù)性(Pc)呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系Pc=(0.336Mc-0.2

37、07),可見馬利肯對(duì)電負(fù)性的思考對(duì)理解電負(fù)性跟電離能與可見馬利肯對(duì)電負(fù)性的思考對(duì)理解電負(fù)性跟電離能與電子親和能的關(guān)系以及電負(fù)性的物理意義很有幫助。電子親和能的關(guān)系以及電負(fù)性的物理意義很有幫助。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表元元 素素 周周 期期 性性19571957年阿萊（年阿萊（A.L.AllredA.L.Allred）和羅周）和羅周(E.Rochow)(E.Rochow)又從又從另一個(gè)角度建立了一套電負(fù)性的新標(biāo)度：另一個(gè)角度建立了一套電負(fù)性的新標(biāo)度：c c=(0.359=(0.359Z Z* */ /r r2 2)+0.744,)+0.744,其中其中Z Z* *為原子核有效電荷，為原子核有效電荷，

38、r r為原子半徑。為原子半徑。阿萊阿萊- -羅周電負(fù)性與泡林電負(fù)性也吻合得很好，羅周電負(fù)性與泡林電負(fù)性也吻合得很好，而且，還可以求得不同價(jià)態(tài)的原子的電負(fù)性，如而且，還可以求得不同價(jià)態(tài)的原子的電負(fù)性，如FeFe2+2+:1.8, Fe:1.8, Fe3+3+:1.9,Cu:1.9,Cu+ +:1.9,Cu:1.9,Cu2+2+:2.0:2.0等，又一次加等，又一次加深了對(duì)電負(fù)性的理解。深了對(duì)電負(fù)性的理解?？紤]到電負(fù)性的應(yīng)用主要是定性地判斷化學(xué)鍵的考慮到電負(fù)性的應(yīng)用主要是定性地判斷化學(xué)鍵的性質(zhì)，我們?nèi)匀〗?jīng)典的、盡管較粗略但數(shù)據(jù)卻相對(duì)好性質(zhì)，我們?nèi)匀〗?jīng)典的、盡管較粗略但數(shù)據(jù)卻相對(duì)好記憶的泡林標(biāo)度。記

39、憶的泡林標(biāo)度。分子的許多性質(zhì)可以通過泡林電負(fù)性進(jìn)行理論估分子的許多性質(zhì)可以通過泡林電負(fù)性進(jìn)行理論估算算, ,例如例如, ,用電負(fù)性可以估算共價(jià)鍵的離子性百分?jǐn)?shù)等。用電負(fù)性可以估算共價(jià)鍵的離子性百分?jǐn)?shù)等。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表元元 素素 周周 期期 性性五、氧化態(tài)五、氧化態(tài)1 1、正氧化態(tài)、正氧化態(tài)絕大多數(shù)元素的最高正氧化態(tài)等于它所在族的序絕大多數(shù)元素的最高正氧化態(tài)等于它所在族的序數(shù)。但氧通常為數(shù)。但氧通常為-1和和-價(jià)價(jià),氟沒有正氧化態(tài)，氟沒有正氧化態(tài)，IB族銅族銅銀金的最高氧化態(tài)則全超過銀金的最高氧化態(tài)則全超過+1，已知的最高價(jià)分別為，已知的最高價(jià)分別為+4，+3和和+5。80年代出現(xiàn)的釔鋇銅

40、氧高臨界溫度超導(dǎo)體中年代出現(xiàn)的釔鋇銅氧高臨界溫度超導(dǎo)體中,銅呈銅呈+2和和+3兩種氧化態(tài)。兩種氧化態(tài)。AgO中的銀呈中的銀呈+1和和+3兩種氧化態(tài)。兩種氧化態(tài)。非金屬表現(xiàn)正氧化態(tài)形成真正意義的正離子存在非金屬表現(xiàn)正氧化態(tài)形成真正意義的正離子存在的壽命極短，大多數(shù)場(chǎng)合它們表現(xiàn)的正氧化態(tài)只是將的壽命極短，大多數(shù)場(chǎng)合它們表現(xiàn)的正氧化態(tài)只是將共價(jià)鍵里的電子對(duì)偏離到另一元素原子一方。稀有氣共價(jià)鍵里的電子對(duì)偏離到另一元素原子一方。稀有氣體中的氙可以形成如體中的氙可以形成如XeO4這樣的化合物，其中氙的氧這樣的化合物，其中氙的氧化態(tài)是化態(tài)是+8。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表元元 素素 周周 期期 性性2、負(fù)氧化態(tài)、

41、負(fù)氧化態(tài)非金屬元素普遍可呈現(xiàn)負(fù)氧化態(tài)。它們的最低非金屬元素普遍可呈現(xiàn)負(fù)氧化態(tài)。它們的最低負(fù)氧化態(tài)等于族序數(shù)減負(fù)氧化態(tài)等于族序數(shù)減8。過去認(rèn)為金屬不可能呈現(xiàn)負(fù)氧化態(tài)，但在金屬過去認(rèn)為金屬不可能呈現(xiàn)負(fù)氧化態(tài)，但在金屬羰基化合物的衍生物中，負(fù)氧化態(tài)金屬不是個(gè)別的羰基化合物的衍生物中，負(fù)氧化態(tài)金屬不是個(gè)別的例子，例如，我們可認(rèn)為在例子，例如，我們可認(rèn)為在Mn2(CO)10中錳的氧化中錳的氧化態(tài)為零態(tài)為零(其中其中CO可看成電中性分子可看成電中性分子)，則在羰基化合，則在羰基化合物衍生物物衍生物 Mn(CO)5中，可認(rèn)為錳呈中，可認(rèn)為錳呈1氧化態(tài)。氧化態(tài)。更驚人的是，在更驚人的是，在1974年有一個(gè)叫年

42、有一個(gè)叫Dye的美國(guó)人的美國(guó)人合成了一種晶體，并令人確信無疑地證實(shí)其中半數(shù)合成了一種晶體，并令人確信無疑地證實(shí)其中半數(shù)鈉原子呈鈉原子呈1氧化態(tài)，且是切切實(shí)實(shí)的互相獨(dú)立的氧化態(tài)，且是切切實(shí)實(shí)的互相獨(dú)立的Na離子離子(該化合物中另一半鈉原子則逐個(gè)地被封閉該化合物中另一半鈉原子則逐個(gè)地被封閉在一種叫做穴醚的籠狀分子中，為在一種叫做穴醚的籠狀分子中，為Na+離子離子)。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表元素符號(hào)的首創(chuàng)者元素符號(hào)的首創(chuàng)者貝采里烏斯還創(chuàng)造性地發(fā)展了一套表達(dá)物質(zhì)化貝采里烏斯還創(chuàng)造性地發(fā)展了一套表達(dá)物質(zhì)化學(xué)組成和反應(yīng)的符號(hào)體系，他用拉丁字母表達(dá)學(xué)組成和反應(yīng)的符號(hào)體系，他用拉丁字母表達(dá)元素符號(hào)元素符號(hào),一直沿

43、用至今。一直沿用至今。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表貝采里烏斯原子量貝采里烏斯原子量(1818和和1826)元元素素道爾頓原子道爾頓原子量量（1810）貝采里烏斯原子貝采里烏斯原子量（量（1818）貝采里烏斯原貝采里烏斯原子量（子量（1826）現(xiàn)今相對(duì)原子質(zhì)現(xiàn)今相對(duì)原子質(zhì)量（量（1997）O71616.02615.9994Cl35.4135.47035.4527F18.73418.9984032N514.18614.00674S13.032.232.23932.066P962.731.43630.973761C5.412.512.2512.0107H10.9911.00794As42150.5275.3

44、2974.92160Pt 100194.4194.753195.078原子結(jié)構(gòu)和元素周期表1859年，德國(guó)海德堡大學(xué)的基爾霍夫年，德國(guó)海德堡大學(xué)的基爾霍夫和和本生發(fā)本生發(fā)明了光譜儀，奠定了光譜學(xué)的基礎(chǔ)明了光譜儀，奠定了光譜學(xué)的基礎(chǔ),使光譜使光譜分析成為認(rèn)識(shí)物質(zhì)和鑒定元素的重要手段。分析成為認(rèn)識(shí)物質(zhì)和鑒定元素的重要手段。光譜儀發(fā)明者光譜儀發(fā)明者原子結(jié)構(gòu)和元素周期表光譜儀光譜儀光譜儀可以測(cè)量物質(zhì)發(fā)射或吸收的光的波光譜儀可以測(cè)量物質(zhì)發(fā)射或吸收的光的波長(zhǎng)，拍攝各種光譜圖。光譜圖就像長(zhǎng)，拍攝各種光譜圖。光譜圖就像“指紋指紋”辨辨人一樣，可以辨別形成光譜的元素。人們用光人一樣，可以辨別形成光譜的元素。人們

45、用光譜分析發(fā)現(xiàn)了許多元素譜分析發(fā)現(xiàn)了許多元素,如銫、銣、氦、鎵、銦如銫、銣、氦、鎵、銦等十幾種。等十幾種。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表（從上到下）氫、氦、鋰、鈉、鋇、汞、氖的發(fā)射光譜（從上到下）氫、氦、鋰、鈉、鋇、汞、氖的發(fā)射光譜直到本世紀(jì)初，人們只知道物質(zhì)在高溫或電激勵(lì)下會(huì)直到本世紀(jì)初，人們只知道物質(zhì)在高溫或電激勵(lì)下會(huì)發(fā)光，卻不知道發(fā)光機(jī)理；人們知道每種元素有特定發(fā)光，卻不知道發(fā)光機(jī)理；人們知道每種元素有特定的光譜，卻不知道為什么不同元素有不同光譜。的光譜，卻不知道為什么不同元素有不同光譜。原子光譜原子光譜 原子結(jié)構(gòu)和元素周期表氫原子光譜氫原子光譜氫光譜是所有元素的光譜中最簡(jiǎn)單的光譜。在氫光譜是所有

46、元素的光譜中最簡(jiǎn)單的光譜。在可見光區(qū)，它的光譜只由幾根分立的線狀譜線組成可見光區(qū)，它的光譜只由幾根分立的線狀譜線組成,其波長(zhǎng)和代號(hào)如下所示：其波長(zhǎng)和代號(hào)如下所示： 譜線譜線 H H H H H 編號(hào)編號(hào)(n) 波長(zhǎng)波長(zhǎng)/nm 656.279 486.133 434.048 410.175 397.009 不難發(fā)現(xiàn)，從紅到紫不難發(fā)現(xiàn)，從紅到紫,譜線的波長(zhǎng)間隔越來越小。譜線的波長(zhǎng)間隔越來越小。5的譜線密得用肉眼幾乎難以區(qū)分。的譜線密得用肉眼幾乎難以區(qū)分。1883年，瑞士年，瑞士的巴爾麥（的巴爾麥（J.J.Balmer 1825-1898）發(fā)現(xiàn)，譜線波長(zhǎng)）發(fā)現(xiàn)，譜線波長(zhǎng)()與編號(hào)與編號(hào)(n)之間存在

47、如下經(jīng)驗(yàn)方程：之間存在如下經(jīng)驗(yàn)方程：3646 00422.nn原子結(jié)構(gòu)和元素周期表后來，里德堡后來，里德堡(J.R.Rydberg 1854-1919)把巴爾麥的經(jīng)驗(yàn)方程改寫把巴爾麥的經(jīng)驗(yàn)方程改寫成如下的形式：成如下的形式：22121ncRc上式中的常數(shù)上式中的常數(shù) 后人稱為里德堡常數(shù)，其數(shù)值后人稱為里德堡常數(shù)，其數(shù)值為為1.09677107m-1。氫的紅外光譜和紫外光譜的譜線也符合里德堡氫的紅外光譜和紫外光譜的譜線也符合里德堡方程，只需將方程，只需將1/22改為改為1/n12,n1=1,2,3,4;而把后一個(gè)而把后一個(gè)n改寫成改寫成n2=n1+1,n1+2,即可。當(dāng)即可。當(dāng)1=2時(shí)時(shí),所得到

48、的是所得到的是可見光譜的譜線可見光譜的譜線,稱為巴爾麥系稱為巴爾麥系,當(dāng)當(dāng)n1=3,得到氫的紅外得到氫的紅外光譜光譜,稱為帕遜系稱為帕遜系,當(dāng)當(dāng)n1=1,得到的是氫的紫外光譜得到的是氫的紫外光譜,稱稱為來曼系。為來曼系。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表巴爾麥的經(jīng)驗(yàn)方程引發(fā)了一股研究各種元素巴爾麥的經(jīng)驗(yàn)方程引發(fā)了一股研究各種元素的光譜的熱潮，但人們發(fā)現(xiàn)，只有氫光譜的光譜的熱潮，但人們發(fā)現(xiàn)，只有氫光譜(以及類以及類氫原子光譜氫原子光譜)有這種簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系。有這種簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系。類氫原子是指類氫原子是指He+、Li2+等原子核外只有一個(gè)等原子核外只有一個(gè)電子的離子。電子的離子。里德堡把巴爾麥的方程作了改寫大大

49、促進(jìn)了里德堡把巴爾麥的方程作了改寫大大促進(jìn)了揭示隱藏在這一規(guī)律后面的本質(zhì)揭示隱藏在這一規(guī)律后面的本質(zhì),這是科學(xué)史上形這是科學(xué)史上形式與內(nèi)容的關(guān)系的一個(gè)典型例子。尋找表達(dá)客觀式與內(nèi)容的關(guān)系的一個(gè)典型例子。尋找表達(dá)客觀規(guī)律的恰當(dāng)形式是一種重要的科學(xué)思維方法。規(guī)律的恰當(dāng)形式是一種重要的科學(xué)思維方法。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表原子結(jié)構(gòu)和元素周期表玻爾理論玻爾理論1913年年,年輕的丹麥物理學(xué)家玻爾在總結(jié)當(dāng)時(shí)最年輕的丹麥物理學(xué)家玻爾在總結(jié)當(dāng)時(shí)最新的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)（普朗克黑體輻射和量子概念、愛新的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)（普朗克黑體輻射和量子概念、愛因斯坦光子論、盧瑟福原子帶核模型等）的基礎(chǔ)上因斯坦光子論、盧瑟福原子帶核模型等）

50、的基礎(chǔ)上建立了氫原子核外電子運(yùn)動(dòng)模型建立了氫原子核外電子運(yùn)動(dòng)模型,解釋了氫原子光解釋了氫原子光譜，后人稱為玻爾理論。玻爾理論的要點(diǎn)如下：譜，后人稱為玻爾理論。玻爾理論的要點(diǎn)如下：1、行星模型、行星模型假定氫原子核外電子是處在一定的線性軌道上繞假定氫原子核外電子是處在一定的線性軌道上繞核運(yùn)行的，正如太陽系的行星繞太陽運(yùn)行一樣。核運(yùn)行的，正如太陽系的行星繞太陽運(yùn)行一樣。這是一種這是一種“類比類比”的科學(xué)思維方法。因此，玻爾的科學(xué)思維方法。因此，玻爾的氫原子模型形象地稱為行星模型。后來的新量子的氫原子模型形象地稱為行星模型。后來的新量子論根據(jù)新的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)完全拋棄了玻爾行星模型的論根據(jù)新的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)完全

51、拋棄了玻爾行星模型的“外殼外殼”，而玻爾行星模型的合理，而玻爾行星模型的合理“內(nèi)核內(nèi)核”卻被保卻被保留了，并被賦予新的內(nèi)容。留了，并被賦予新的內(nèi)容。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表2、定態(tài)假設(shè)、定態(tài)假設(shè)定態(tài)定態(tài) 假定氫原子的核外電子在軌道上運(yùn)行時(shí)具假定氫原子的核外電子在軌道上運(yùn)行時(shí)具有一定的、不變的能量有一定的、不變的能量,不會(huì)釋放能量狀態(tài)。不會(huì)釋放能量狀態(tài)。基態(tài)基態(tài) 能量最低的定態(tài)能量最低的定態(tài)。 激發(fā)態(tài)能量高于基態(tài)的定態(tài)。激發(fā)態(tài)能量高于基態(tài)的定態(tài)。據(jù)經(jīng)典力學(xué)，電子在原子核的正電場(chǎng)里運(yùn)行，據(jù)經(jīng)典力學(xué)，電子在原子核的正電場(chǎng)里運(yùn)行，應(yīng)不斷地釋放能量，最后掉入原子核。如果這樣，應(yīng)不斷地釋放能量，最后掉入原子核

52、。如果這樣，原子就會(huì)毀滅，客觀世界就不復(fù)存在。原子就會(huì)毀滅，客觀世界就不復(fù)存在。因此，定態(tài)假設(shè)為解釋原子能夠穩(wěn)定存在所必因此，定態(tài)假設(shè)為解釋原子能夠穩(wěn)定存在所必需。玻爾從核外電子的能量的角度提出的定態(tài)、基需。玻爾從核外電子的能量的角度提出的定態(tài)、基態(tài)、激發(fā)態(tài)的概念至今仍然是說明核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、激發(fā)態(tài)的概念至今仍然是說明核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的基礎(chǔ)。態(tài)的基礎(chǔ)。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表3、量子化條件、量子化條件玻爾假定，氫原子核外電子的軌道不是連續(xù)的，玻爾假定，氫原子核外電子的軌道不是連續(xù)的，而是分立的，在軌道上運(yùn)行的電子具有一定的角動(dòng)而是分立的，在軌道上運(yùn)行的電子具有一定的角動(dòng)量（量（L=mvr，其中其

53、中m電子質(zhì)量電子質(zhì)量，v電子線速度電子線速度，r電電子線性軌道的半徑），只能按下式取值：子線性軌道的半徑），只能按下式取值：Lnhn21 2 3 4 5, , , , ,這一要點(diǎn)稱為量子化條件。這是玻爾為了解這一要點(diǎn)稱為量子化條件。這是玻爾為了解釋氫原子光譜提出它的模型所作的突破性假設(shè)。釋氫原子光譜提出它的模型所作的突破性假設(shè)。如果氫原子核外電子不具有這樣的量子化條如果氫原子核外電子不具有這樣的量子化條件，就不可能有一定的能量。量子化條件是違背件，就不可能有一定的能量。量子化條件是違背經(jīng)典力學(xué)的，是他受到普朗克量子論和愛因斯坦經(jīng)典力學(xué)的，是他受到普朗克量子論和愛因斯坦光子論的啟發(fā)提出來的。上式

54、中的光子論的啟發(fā)提出來的。上式中的正整數(shù)正整數(shù)n n稱為量稱為量子數(shù)。子數(shù)。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表4、躍遷規(guī)則、躍遷規(guī)則躍遷規(guī)則躍遷規(guī)則 電子吸收光子就會(huì)躍遷到能量較高的激電子吸收光子就會(huì)躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)，反過來，激發(fā)態(tài)的電子會(huì)放出光子，返回基態(tài)發(fā)態(tài)，反過來，激發(fā)態(tài)的電子會(huì)放出光子，返回基態(tài)或能量較低的激發(fā)態(tài)；光子的能量為躍遷前后兩個(gè)能或能量較低的激發(fā)態(tài)；光子的能量為躍遷前后兩個(gè)能級(jí)的能量之差?？梢杂孟率絹碛?jì)算任一能級(jí)的能量及級(jí)的能量之差。可以用下式來計(jì)算任一能級(jí)的能量及從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)時(shí)放出光子的能量：從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)時(shí)放出光子的能量：J101792218n.ED22

55、211811101792nn.E原子結(jié)構(gòu)和元素周期表當(dāng)當(dāng)n=1時(shí)能量最低，此時(shí)能量為時(shí)能量最低，此時(shí)能量為2.17910-18J,此時(shí)對(duì)應(yīng)的半徑為此時(shí)對(duì)應(yīng)的半徑為52.9pm,稱為玻爾半徑。稱為玻爾半徑。能過理論計(jì)算得到的波長(zhǎng)與實(shí)驗(yàn)值驚人的吻合，能過理論計(jì)算得到的波長(zhǎng)與實(shí)驗(yàn)值驚人的吻合，誤差小于千分之一。因此，玻爾理論曾風(fēng)行一時(shí)。誤差小于千分之一。因此，玻爾理論曾風(fēng)行一時(shí)。由公式：由公式：D22211811101792nn.E及及D DE=E2-E1=h 22211811101792nnh.2221341811106.626102.179nn2221151110289. 3nn原子結(jié)構(gòu)和元素周

56、期表例：求激發(fā)態(tài)氫原子的電子從例：求激發(fā)態(tài)氫原子的電子從n=4能級(jí)躍遷到能級(jí)躍遷到n=2能級(jí)時(shí)所發(fā)射的輻射能的頻率、波長(zhǎng)及能量？能級(jí)時(shí)所發(fā)射的輻射能的頻率、波長(zhǎng)及能量？解：由解：由2221151110289. 3nn2215412110289. 3114s10167. 6486.1nm106.16710102.9979c1498(J)104.086106.167106.6262-191434hE原子結(jié)構(gòu)和元素周期表行星軌道和行星模型是玻爾未徹底拋棄經(jīng)典行星軌道和行星模型是玻爾未徹底拋棄經(jīng)典物理學(xué)的必然結(jié)果，用玻爾的方法計(jì)算比氫原子稍物理學(xué)的必然結(jié)果，用玻爾的方法計(jì)算比氫原子稍復(fù)雜的氦原子的光譜

57、便有非常大的誤差。復(fù)雜的氦原子的光譜便有非常大的誤差。新量子力學(xué)證明了電子在核外的所謂新量子力學(xué)證明了電子在核外的所謂“行星軌行星軌道道”是根本不存在的。玻爾理論合理的是：核外電是根本不存在的。玻爾理論合理的是：核外電子處于定態(tài)時(shí)有確定的能量；原子光譜源自核外電子處于定態(tài)時(shí)有確定的能量；原子光譜源自核外電子的能量變化。這一真理為后來的量子力學(xué)所繼承。子的能量變化。這一真理為后來的量子力學(xué)所繼承。玻爾理論的基本科學(xué)思想方法是，承認(rèn)原子體玻爾理論的基本科學(xué)思想方法是，承認(rèn)原子體系能夠穩(wěn)定而長(zhǎng)期存在的客觀事實(shí)，大膽地假定光系能夠穩(wěn)定而長(zhǎng)期存在的客觀事實(shí)，大膽地假定光譜的來源是核外電子的能量變化，用類

58、比的科學(xué)方譜的來源是核外電子的能量變化，用類比的科學(xué)方法，形成核外電子的行星模型，提出量子化條件和法，形成核外電子的行星模型，提出量子化條件和躍遷規(guī)則等革命性的概念。躍遷規(guī)則等革命性的概念。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表盡管玻爾理論已被新量子論所代替，盡管玻爾理論已被新量子論所代替，玻爾的科學(xué)思想?yún)s永遠(yuǎn)值得我們學(xué)習(xí)，而玻爾的科學(xué)思想?yún)s永遠(yuǎn)值得我們學(xué)習(xí)，而且，玻爾理論中的核心概念且，玻爾理論中的核心概念定態(tài)、激定態(tài)、激發(fā)態(tài)、躍遷、能級(jí)等并沒有被完全拋棄，發(fā)態(tài)、躍遷、能級(jí)等并沒有被完全拋棄，而被新量子力學(xué)繼承發(fā)展，甚至而被新量子力學(xué)繼承發(fā)展，甚至“軌道軌道”的概念，量子力學(xué)賦予了新的內(nèi)涵。的概念，量子力學(xué)賦

59、予了新的內(nèi)涵。玻爾及早把握了最新的科學(xué)成就信息玻爾及早把握了最新的科學(xué)成就信息是他獲得成功的基本條件。單單這一點(diǎn)也是他獲得成功的基本條件。單單這一點(diǎn)也值得我們學(xué)習(xí)值得我們學(xué)習(xí)努力把握科技發(fā)展的最努力把握科技發(fā)展的最新成就新成就而這恰恰是許多人欠缺的。而這恰恰是許多人欠缺的。原子結(jié)構(gòu)和元素周期表波粒二象性波粒二象性光子光子 光的粒子。光的粒子。光的強(qiáng)度光的強(qiáng)度 粒子學(xué)說的密度粒子學(xué)說的密度 和光子的能量和光子的能量 ( =h ，其中其中 是光的頻率是光的頻率)的乘積：光的強(qiáng)度：的乘積：光的強(qiáng)度：I= h 波動(dòng)學(xué)說光的強(qiáng)度波動(dòng)學(xué)說光的強(qiáng)度I和光的電磁波的振幅和光的電磁波的振幅 的平方成正比：光的強(qiáng)

60、度：的平方成正比：光的強(qiáng)度：I= 2/4 后來，物理學(xué)家們把光的粒子說和光的波動(dòng)說統(tǒng)后來，物理學(xué)家們把光的粒子說和光的波動(dòng)說統(tǒng)一起來，提出光的波粒二象性，認(rèn)為光兼具粒子性一起來，提出光的波粒二象性，認(rèn)為光兼具粒子性和波動(dòng)性兩重性。因此有：和波動(dòng)性兩重性。因此有：光的強(qiáng)度：光的強(qiáng)度：I= h = 2/4 原子結(jié)構(gòu)和元素周期表上式等號(hào)的成立意味著：上式等號(hào)的成立意味著：I= h = 2/4 (1)在光的頻率在光的頻率 一定時(shí)，光子的密度一定時(shí)，光子的密度( )與光的與光的振幅的平方振幅的平方(Y Y2 2) )成正比：成正比： Y Y2 2這就是說，光的強(qiáng)度大，則光子的密度大，光這就是說，光的強(qiáng)度