原子結(jié)構(gòu)與元素周期表 - 普通化學(xué)ppt課件

1、第第 1 1 章章原子結(jié)構(gòu)和原子結(jié)構(gòu)和元素周期表元素周期表1初步了解原子核外電子運(yùn)動(dòng)的近代概念、原子能級(jí)、初步了解原子核外電子運(yùn)動(dòng)的近代概念、原子能級(jí)、 波粒二象性、原子軌道和電子云概念。波粒二象性、原子軌道和電子云概念。2了解四個(gè)量子數(shù)對(duì)核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述，掌握了解四個(gè)量子數(shù)對(duì)核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述，掌握 四個(gè)量子數(shù)的物理意義、取值范圍。四個(gè)量子數(shù)的物理意義、取值范圍。3熟習(xí)熟習(xí) s、p、d 原子軌道的形狀和方向。原子軌道的形狀和方向。 4理解原子結(jié)構(gòu)近似能級(jí)圖，掌握原子核外電子排布理解原子結(jié)構(gòu)近似能級(jí)圖，掌握原子核外電子排布 的一般規(guī)則和的一般規(guī)則和s、p、d、f 區(qū)元素的原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2、。區(qū)元素的原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。5會(huì)從原子的電子層結(jié)構(gòu)了解元素性質(zhì)，熟悉原子半會(huì)從原子的電子層結(jié)構(gòu)了解元素性質(zhì)，熟悉原子半 徑、電離能、電子親和能和電負(fù)性的周期性變化。徑、電離能、電子親和能和電負(fù)性的周期性變化。本章教學(xué)要求本章教學(xué)要求1.1 亞原子粒子亞原子粒子 Subatomic particles1.2 波粒二象性波粒二象性 賴以建立現(xiàn)代模型的量子力學(xué)賴以建立現(xiàn)代模型的量子力學(xué) 概念概念 Wave-particle duality a fundamental concept of quantum mechanics 1.3 氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型 波爾模型波爾模型 Th

3、e quantum mechanical model of the structure of hydrogen atom Bohrs model 1.4 原子結(jié)構(gòu)的波動(dòng)力學(xué)模型原子結(jié)構(gòu)的波動(dòng)力學(xué)模型 The wave mechanical model of the atomic structure1.5 多電子原子軌道的能級(jí)多電子原子軌道的能級(jí) Energy level in polyelectronic atoms 1.6 基態(tài)原子的核外電子排布基態(tài)原子的核外電子排布 Ground-state electron configuration1.7 元素周期表元素周期表 The periodic

4、 table of elements 1.8 原子參數(shù)原子參數(shù) Atomic parameters1.1 亞原子粒子亞原子粒子 Subatomic particles 1.1.1 化學(xué)研究的對(duì)象化學(xué)研究的對(duì)象 The object of chemical study1.1.3 夸克夸克 Quark1.1.2 亞原子粒子基本粒子）亞原子粒子基本粒子） Subatomic particles ( elementary particles)夸克夸克質(zhì)子質(zhì)子中子中子原子核原子核電子電子原子原子( (離子離子) )分子分子微觀微觀（宇觀）（宇觀）宇宙宇宙單單 質(zhì)質(zhì)化合物化合物星體星體宏觀宏觀納納 米米材

5、材 料料（介觀）（介觀）1.1.1 化學(xué)研究的對(duì)象化學(xué)研究的對(duì)象哪些是關(guān)鍵性的問(wèn)題呢？哪些是關(guān)鍵性的問(wèn)題呢？ 化學(xué)反應(yīng)的性能問(wèn)題化學(xué)反應(yīng)的性能問(wèn)題; ;化學(xué)催化的問(wèn)題化學(xué)催化的問(wèn)題; ;生命過(guò)程中的生命過(guò)程中的化學(xué)問(wèn)題?；瘜W(xué)問(wèn)題。 當(dāng)今化學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)大致是：當(dāng)今化學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)大致是： 由宏觀到微觀，由定性到定量，由穩(wěn)定態(tài)向亞穩(wěn)態(tài)，由宏觀到微觀，由定性到定量，由穩(wěn)定態(tài)向亞穩(wěn)態(tài)，由經(jīng)驗(yàn)上升到理論并用理論指導(dǎo)實(shí)踐，開(kāi)創(chuàng)新的研究。由經(jīng)驗(yàn)上升到理論并用理論指導(dǎo)實(shí)踐，開(kāi)創(chuàng)新的研究。1.1.2 亞原子粒子亞原子粒子 人們將組成原子的微粒叫亞原子粒子。亞原子粒子人們將組成原子的微粒叫亞原子粒子。亞原子粒子曾經(jīng)

6、也叫基本粒子曾經(jīng)也叫基本粒子, , 近些年越來(lái)越多的文獻(xiàn)就將其叫粒近些年越來(lái)越多的文獻(xiàn)就將其叫粒子。迄今科學(xué)上發(fā)現(xiàn)的粒子已達(dá)數(shù)百種之多。子。迄今科學(xué)上發(fā)現(xiàn)的粒子已達(dá)數(shù)百種之多。 與化學(xué)相關(guān)的某些亞原子粒子的性質(zhì)與化學(xué)相關(guān)的某些亞原子粒子的性質(zhì)稱號(hào)稱號(hào) 符號(hào)符號(hào)質(zhì)量質(zhì)量/u/u電荷電荷/e/e電子電子 質(zhì)子質(zhì)子 中子中子 正電子正電子 粒子粒子 粒子粒子光子光子ep ne+ 5.4861041.0073 1.0087 ( (氦原子的核氦原子的核) ) ( (原子核射出的原子核射出的e-)e-) ( (原子核射出的電磁波原子核射出的電磁波 ) ) 1105.48610412 101.1.3 夸克夸

7、克稱號(hào)稱號(hào) 下夸克下夸克 上夸克上夸克 奇夸克奇夸克 粲夸克粲夸克 底夸克底夸克 頂夸克頂夸克符號(hào)符號(hào) d u s c b t電荷電荷 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3質(zhì)量質(zhì)量 均為質(zhì)子的均為質(zhì)子的1/100或或1/200 質(zhì)子的質(zhì)子的 200倍倍發(fā)現(xiàn)年代發(fā)現(xiàn)年代 1974 1977 2019某些最重要的夸克某些最重要的夸克 根據(jù)根據(jù) 1961 1961 年由蓋爾年由蓋爾- -曼曼Gell M-MannGell M-Mann建立的新模型，建立的新模型， 質(zhì)子質(zhì)子和中子都是由更小的粒子夸克組成的，和中子都是由更小的粒子夸克組成的， 但現(xiàn)有的理論還不能預(yù)言但現(xiàn)有的理論還不

8、能預(yù)言 ( ( 當(dāng) 然 更 不 用 說(shuō) 從 實(shí) 驗(yàn) 上 證 明當(dāng) 然 更 不 用 說(shuō) 從 實(shí) 驗(yàn) 上 證 明 ) ) 電 子 是 可 分 的 。電 子 是 可 分 的 。1.2 波粒二象性波粒二象性 賴以建立現(xiàn)代賴以建立現(xiàn)代 模型的量子力學(xué)概念模型的量子力學(xué)概念 Wave- particle duality a fundamen- tal concept of quantum mechanics1.2.3 微粒的波動(dòng)性微粒的波動(dòng)性 Wave like particle1.2.2 波的微粒性波的微粒性 Particle like wave 1.2.1 經(jīng)典物理學(xué)概念面臨的窘境經(jīng)典物理學(xué)概念面臨的

9、窘境 An embarrassment of the concepts of the classical physics1.2.1 經(jīng)典物理學(xué)概念面臨的窘境經(jīng)典物理學(xué)概念面臨的窘境 Rutherford “太陽(yáng)太陽(yáng)-行星模型行星模型 ”的要點(diǎn)：的要點(diǎn)： 1. 所有原子都有一個(gè)核即原子核所有原子都有一個(gè)核即原子核(nucleus)； 2. 核的體積只占整個(gè)原子體積極小的一部分；核的體積只占整個(gè)原子體積極小的一部分； 3. 原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在核上；原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在核上； 4. 電子像行星繞著太陽(yáng)那樣繞核運(yùn)動(dòng)。電子像行星繞著太陽(yáng)那樣繞核運(yùn)動(dòng)。 在對(duì)粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋

10、上在對(duì)粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋上, 新模型的成功是新模型的成功是顯而易見(jiàn)的顯而易見(jiàn)的, 至少要點(diǎn)中的前三點(diǎn)是如此。至少要點(diǎn)中的前三點(diǎn)是如此。 根據(jù)當(dāng)時(shí)的物理學(xué)概念根據(jù)當(dāng)時(shí)的物理學(xué)概念, , 帶電帶電微粒在力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)總要產(chǎn)生電磁微粒在力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)總要產(chǎn)生電磁輻射并逐漸失去能量輻射并逐漸失去能量, , 運(yùn)動(dòng)著的電運(yùn)動(dòng)著的電子軌道會(huì)越來(lái)越小子軌道會(huì)越來(lái)越小, , 最終將與原子最終將與原子核相撞并導(dǎo)致原子毀滅。由于原子核相撞并導(dǎo)致原子毀滅。由于原子毀滅的事實(shí)從未發(fā)生毀滅的事實(shí)從未發(fā)生, , 將經(jīng)典物理將經(jīng)典物理學(xué)概念推到前所未有的尷尬境地。學(xué)概念推到前所未有的尷尬境地。 經(jīng)典物理學(xué)概念面臨的窘境 ？會(huì)

11、不會(huì)？！1.2.2 波的微粒性波的微粒性 電磁波是通過(guò)空間傳播的能量?？梢?jiàn)光只不過(guò)是電電磁波是通過(guò)空間傳播的能量?？梢?jiàn)光只不過(guò)是電 磁波的一種磁波的一種 。 電磁波在有些情況下表現(xiàn)出連續(xù)波的性質(zhì)，另一些電磁波在有些情況下表現(xiàn)出連續(xù)波的性質(zhì)，另一些情況下則更像單個(gè)微粒的集合體，后一種性質(zhì)叫作波的情況下則更像單個(gè)微粒的集合體，后一種性質(zhì)叫作波的微粒性。微粒性。 1900年年, 普朗克普朗克 (Plank M) 提出著名的普朗克方提出著名的普朗克方程：程：E = hv式中的式中的h叫普朗克常量叫普朗克常量(Planck constant), 其值為其值為6.62610-34 Js。 普朗克認(rèn)為普朗克

12、認(rèn)為, , 物體只能按物體只能按hvhv的整數(shù)倍的整數(shù)倍( (例如例如1hv, 1hv, 2hv, 3hv2hv, 3hv等等) )一份一份地吸收或釋出光能一份一份地吸收或釋出光能, , 而不可能而不可能是是0.5 hv, 1.6 hv, 2.3 hv0.5 hv, 1.6 hv, 2.3 hv等任何非整數(shù)倍。即所等任何非整數(shù)倍。即所謂的能量謂的能量量子化概念。量子化概念。 普朗克提出了當(dāng)時(shí)物理學(xué)界一種全新的概念普朗克提出了當(dāng)時(shí)物理學(xué)界一種全新的概念, , 但它但它只涉及光作用于物體時(shí)能量的傳遞過(guò)程只涉及光作用于物體時(shí)能量的傳遞過(guò)程( (即吸收或釋出即吸收或釋出) )。 Plank 公式公式

13、愛(ài)因斯坦認(rèn)為愛(ài)因斯坦認(rèn)為, , 入射光本身的能量也按普朗克方程入射光本身的能量也按普朗克方程量子化量子化, , 并將這一份份數(shù)值為并將這一份份數(shù)值為1hv1hv的能量叫光子的能量叫光子(photons), (photons), 一束光線就是一束光子流一束光線就是一束光子流. . 頻率一定的光頻率一定的光子其能量都相同子其能量都相同, , 光的強(qiáng)弱只表明光子的多少光的強(qiáng)弱只表明光子的多少, , 而與每而與每個(gè)光子的能量無(wú)關(guān)。個(gè)光子的能量無(wú)關(guān)。 愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的成功解釋最終使光的微粒性愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的成功解釋最終使光的微粒性為人們所接受。為人們所接受。 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 1905年年, 愛(ài)

14、因斯坦愛(ài)因斯坦(Einstein A)成功地將能量量子化概念擴(kuò)展到光成功地將能量量子化概念擴(kuò)展到光本身本身,解釋了光電效應(yīng)解釋了光電效應(yīng)(photoelectric effect) 。 鉀的臨界頻率為鉀的臨界頻率為 5.0 5.01014 s-1, 1014 s-1, 試試計(jì)算具計(jì)算具 有這種頻率的一個(gè)光子的能量。對(duì)紅有這種頻率的一個(gè)光子的能量。對(duì)紅光和黃光進(jìn)行類(lèi)似的計(jì)算光和黃光進(jìn)行類(lèi)似的計(jì)算, , 解釋金屬鉀在黃光作用下解釋金屬鉀在黃光作用下產(chǎn)生光電效應(yīng)而在紅光作用下卻不能。產(chǎn)生光電效應(yīng)而在紅光作用下卻不能。E(具有臨界頻率的一個(gè)光子具有臨界頻率的一個(gè)光子) = 6.62610-34 Js

15、5.01014 s-1 = 3.310-19 J E(黃光一個(gè)光子黃光一個(gè)光子) = h= 6.62610-34 Js 5.11014 s-1 = 3.410-19 J E(紅光一個(gè)光子紅光一個(gè)光子) = h= 6.62610-34 Js 4.61014 s-1 = 3.010-19 JQuestion 1Question 1Solution另一面誰(shuí)來(lái)翻開(kāi)？另一面誰(shuí)來(lái)翻開(kāi)？波的微粒性波的微粒性 導(dǎo)致了人們導(dǎo)致了人們對(duì)波的深層次認(rèn)對(duì)波的深層次認(rèn)識(shí)，產(chǎn)生了討論識(shí)，產(chǎn)生了討論波的微粒性概念波的微粒性概念為基礎(chǔ)的學(xué)科為基礎(chǔ)的學(xué)科 量子力學(xué)量子力學(xué)( q u a n t u m ( q u a n t

16、u m mechanicsmechanics）。）。錢(qián)幣的一面已被翻開(kāi)！錢(qián)幣的一面已被翻開(kāi)！Einstein 的光子學(xué)說(shuō)的光子學(xué)說(shuō)電子微粒性的實(shí)驗(yàn)電子微粒性的實(shí)驗(yàn)Plank 的量子論的量子論1.2.3 微粒的波動(dòng)性微粒的波動(dòng)性德布羅依德布羅依1924 1924 年說(shuō)：年說(shuō)： 德布羅依關(guān)系式德布羅依關(guān)系式 一個(gè)偉大思想的誕生一個(gè)偉大思想的誕生sJ10626.6/34-hphmvhlh 為為Planck 常量常量著名的德布羅依關(guān)系式著名的德布羅依關(guān)系式 “ “ 過(guò)去，對(duì)光過(guò)去，對(duì)光過(guò)過(guò) 分強(qiáng)調(diào)波性而忽分強(qiáng)調(diào)波性而忽 視它的粒性；現(xiàn)視它的粒性；現(xiàn)在對(duì)電子是否存在另一種在對(duì)電子是否存在另一種傾向，即過(guò)

17、分強(qiáng)調(diào)它的粒傾向，即過(guò)分強(qiáng)調(diào)它的粒性而忽視它的波性。性而忽視它的波性?！?微粒波動(dòng)性的直接證據(jù)微粒波動(dòng)性的直接證據(jù) 光的衍射和繞射光的衍射和繞射燈光源燈光源 1927年，年，Davissson 和和 Germer 運(yùn)用運(yùn)用 Ni 晶體進(jìn)行晶體進(jìn)行電子衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)電子具有波動(dòng)性。電子衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)電子具有波動(dòng)性。(a)(b)電子通過(guò)電子通過(guò)A1A1箔箔(a)(a)和石墨和石墨(b)(b)的衍射圖的衍射圖 微粒波動(dòng)性的近代證據(jù)微粒波動(dòng)性的近代證據(jù) 電子的波粒二象性電子的波粒二象性 KVDMPq q實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理燈光源燈光源X X射線管射線管電子源電子源微觀粒子電子：微觀粒子電子：1763110

18、1010109-m.skg,v.m-m91036. 7 ,1sm710m101036. 7 ,1sm610lnlnlmh由 由于宏觀物體的波長(zhǎng)極短以致無(wú)法測(cè)量，所以宏觀由于宏觀物體的波長(zhǎng)極短以致無(wú)法測(cè)量，所以宏觀物體的波長(zhǎng)就難以察覺(jué)，主要表現(xiàn)為粒性，服從經(jīng)典力物體的波長(zhǎng)就難以察覺(jué)，主要表現(xiàn)為粒性，服從經(jīng)典力學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。只有像電子、原子等質(zhì)量極小的微粒才學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。只有像電子、原子等質(zhì)量極小的微粒才具有與具有與X X射線數(shù)量級(jí)相近的波長(zhǎng)射線數(shù)量級(jí)相近的波長(zhǎng), ,才符合德布羅依公式。才符合德布羅依公式。宏觀物體子彈：宏觀物體子彈： m = 1.0 10-2 kg, = 1.0 103 m s-

19、1, = 6.6 10-35 m波粒二象性是否只有微觀物體才具有？波粒二象性是否只有微觀物體才具有？Question 2Question 2SolutionH+ H H- D He 波爾以波波爾以波的微粒性即的微粒性即能量量子化概能量量子化概念為基礎(chǔ)建念為基礎(chǔ)建立了氫原子模立了氫原子模型。型。 薛定諤等薛定諤等則以微粒波動(dòng)則以微粒波動(dòng)性為基礎(chǔ)建立性為基礎(chǔ)建立起原子的波動(dòng)起原子的波動(dòng)力學(xué)模型。力學(xué)模型。1.3 氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型：玻氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型：玻 爾模型爾模型 The quantum mechanical model of the structure of hydrogen

20、atom Bohrs model特征特征: 不連續(xù)的、線狀的不連續(xù)的、線狀的; 是很有規(guī)律的。是很有規(guī)律的。 氫原子光譜由五組線系氫原子光譜由五組線系組成組成, , 任何一條譜線的波數(shù)任何一條譜線的波數(shù)(wave number)(wave number)都滿足簡(jiǎn)單都滿足簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式: : -222111nnRn名字名字n1n2Lyman 系系Balmer系系Paschen系系Brackett系系Pfund系系123452, 3, 4,3, 4, 5,4, 5, 6,5, 6, 7,6, 7, 8,如：對(duì)于如：對(duì)于Balmer線系的處理線系的處理12215s )121(10289

21、. 3-nvn = 3 紅紅 （H）n = 4 青青 （H ）n = 5 藍(lán)紫藍(lán)紫 （ H ）n = 6 紫紫 （H ）常數(shù)RydbergnnnnnnhvE:R 11RJ1110179. 2 s1110sJ10626. 6H2221H2221181 -22211534-愛(ài)因斯坦的光子學(xué)說(shuō)愛(ài)因斯坦的光子學(xué)說(shuō) 普朗克的量子化學(xué)說(shuō)普朗克的量子化學(xué)說(shuō) 氫原子的光譜實(shí)驗(yàn)氫原子的光譜實(shí)驗(yàn) 盧瑟福的有核模型盧瑟福的有核模型Bohr在在的基礎(chǔ)上，建的基礎(chǔ)上，建立了立了Bohr理論理論波粒二象性波粒二象性 玻爾模型認(rèn)為玻爾模型認(rèn)為, , 電子只能在若干圓形的固定軌道電子只能在若干圓形的固定軌道上繞核運(yùn)動(dòng)。它們是

22、符合一定條件的軌道：電子的軌上繞核運(yùn)動(dòng)。它們是符合一定條件的軌道：電子的軌道角動(dòng)量道角動(dòng)量L L只能等于只能等于h/(2h/(2) )的整數(shù)倍：的整數(shù)倍： 2hnmvrL 從距核最近的一條軌道算起從距核最近的一條軌道算起, n, n值分別等于值分別等于1, 2, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 73, 4, 5, 6, 7。根據(jù)假定條件算得。根據(jù)假定條件算得 n = 1 n = 1 時(shí)允許軌道時(shí)允許軌道的半徑為的半徑為 53 pm, 53 pm, 這就是著名的玻爾半徑。這就是著名的玻爾半徑。關(guān)于固定軌道的概念關(guān)于固定軌道的概念 原子只能處于上述條件所限定的幾個(gè)能態(tài)。原子只能處于上述條件所限

23、定的幾個(gè)能態(tài)。 指除基態(tài)以外的其余定態(tài)指除基態(tài)以外的其余定態(tài). . 各激發(fā)態(tài)的能量隨各激發(fā)態(tài)的能量隨 n n 值增大而增高。電子只有從外部吸收足夠能量時(shí)值增大而增高。電子只有從外部吸收足夠能量時(shí)才能到達(dá)激發(fā)態(tài)。才能到達(dá)激發(fā)態(tài)。定態(tài)定態(tài)(stationary states)(stationary states)： 所有這些允許能態(tài)之統(tǒng)稱。電子只能在有確定所有這些允許能態(tài)之統(tǒng)稱。電子只能在有確定半徑和能量的定態(tài)軌道上運(yùn)動(dòng)半徑和能量的定態(tài)軌道上運(yùn)動(dòng), , 且不輻射能量。且不輻射能量?；鶓B(tài)基態(tài)(ground state):(ground state): n 值為值為 1 的定態(tài)。通常電子保持在能量最低

24、的定態(tài)。通常電子保持在能量最低的這一基態(tài)。基態(tài)是能量最低即最穩(wěn)定的狀態(tài)。的這一基態(tài)?；鶓B(tài)是能量最低即最穩(wěn)定的狀態(tài)。激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)(excited states):(excited states):關(guān)于軌道能量量子化的概念關(guān)于軌道能量量子化的概念關(guān)于能量的吸收和發(fā)射關(guān)于能量的吸收和發(fā)射 玻爾模型認(rèn)為玻爾模型認(rèn)為, , 只有當(dāng)電子從較高能態(tài)只有當(dāng)電子從較高能態(tài)(E2)(E2)向向較低能態(tài)較低能態(tài)(E1)(E1)躍遷時(shí)躍遷時(shí), , 原子才能以光子的形式放出原子才能以光子的形式放出能量能量, , 光子能量的大小決定于躍遷所涉及的兩條軌光子能量的大小決定于躍遷所涉及的兩條軌道間的能量差：道間的能量差：E

25、= E2 E = E2 E1 = h E1 = h hEEEEh1212-nn E: 軌道的能量軌道的能量：光的頻率：光的頻率 h: Planck常量常量 計(jì)算氫原子的電離能計(jì)算氫原子的電離能 解釋了解釋了 H 及及 He+、Li2+、B3+ 的原子光譜的原子光譜波型波型 H H H H計(jì)算值計(jì)算值 /nm 656.2 486.1 434.0 410.1實(shí)驗(yàn)值實(shí)驗(yàn)值 /nm 656.3 486.1 434.1 410.2 說(shuō)明了原子的穩(wěn)定性說(shuō)明了原子的穩(wěn)定性 對(duì)其他發(fā)光現(xiàn)象如射線的形成也能解釋對(duì)其他發(fā)光現(xiàn)象如射線的形成也能解釋 不能解釋氫原子光譜不能解釋氫原子光譜 在磁場(chǎng)中的分裂在磁場(chǎng)中的分裂

26、 不能解釋氫原子光譜不能解釋氫原子光譜 的精細(xì)結(jié)構(gòu)的精細(xì)結(jié)構(gòu) 不能解釋多電子原子不能解釋多電子原子 的光譜的光譜請(qǐng)計(jì)算氫原子的第一電離能是多少？請(qǐng)計(jì)算氫原子的第一電離能是多少？1-22151s )111(10289.3-vhvEEE118H-115J102.179 s103.289IRhE-（氫原子的第 一電離能）J102.179J102.179 s11103.289218n181-2215nnEnnhhvEEE-2/（氫原子其他能級(jí)的能量）Question 3Question 3Solution1.4.1 不確定原理和波動(dòng)力學(xué)的軌道不確定原理和波動(dòng)力學(xué)的軌道 Uncertainty prin

27、ciple and orbital on the wave mechanical model1.4 原子結(jié)構(gòu)的波動(dòng)力學(xué)模型原子結(jié)構(gòu)的波動(dòng)力學(xué)模型 The wave mechanical model of atomic structure 1.4.2 描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的四個(gè)量子描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的四個(gè)量子數(shù)數(shù) Four quantum nummers defining the movement state of electron1.4.4 波函數(shù)的圖形描述波函數(shù)的圖形描述 Portrayal of wave functions 1.4.3 薛定諤方程和波函數(shù)薛定諤方程和波函數(shù) Schrdinger

28、 equation and wave functions 1.4.1 不確定原理和波動(dòng)力學(xué)的軌道概不確定原理和波動(dòng)力學(xué)的軌道概 念念 重要暗示重要暗示不可能存在不可能存在 Rutherford 和和 Bohr 模型模型中中 行星繞太陽(yáng)那樣的電子軌道。行星繞太陽(yáng)那樣的電子軌道。 具有波粒二象性的電子，不再遵守經(jīng)典力學(xué)規(guī)律，具有波粒二象性的電子，不再遵守經(jīng)典力學(xué)規(guī)律， 它們的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有確定的軌道，只有一定的空間概率分它們的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有確定的軌道，只有一定的空間概率分 布。實(shí)物的微粒波是概率波。布。實(shí)物的微粒波是概率波。 海森堡的不確定原理海森堡的不確定原理 (Heisenbergs uncertaint

29、y principle )不可能同時(shí)測(cè)得電子的精確位置和精確動(dòng)量不可能同時(shí)測(cè)得電子的精確位置和精確動(dòng)量 ！)/(4hpx（1主量子數(shù)主量子數(shù) n (principal quantum number)1.4.2 描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的四個(gè)量子數(shù)描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的四個(gè)量子數(shù)J10179.2218nE- 與電子能量有關(guān)，對(duì)于氫原子，電子能量唯一決與電子能量有關(guān)，對(duì)于氫原子，電子能量唯一決 定于定于n n 確定電子出現(xiàn)概率最大處離核的距離確定電子出現(xiàn)概率最大處離核的距離 不同的不同的n 值，對(duì)應(yīng)于不同的電子殼層值，對(duì)應(yīng)于不同的電子殼層 . K L M N O. 與角動(dòng)量有關(guān)，對(duì)于多電子原子與角動(dòng)量有關(guān)，對(duì)

30、于多電子原子, l , l 也與也與E E 有關(guān)有關(guān) l l 的取值的取值 0 0，1 1，2 2，3n-1(3n-1(亞層）亞層） s, p, d, f. s, p, d, f. l l 決定了決定了的角度函數(shù)的形狀的角度函數(shù)的形狀（2） 角量子數(shù)角量子數(shù)l (angular momentum quantum umber)nl1234（亞層（亞層0000s111p22d3f ) 與角動(dòng)量的取向有關(guān)，取向是量子化的與角動(dòng)量的取向有關(guān)，取向是量子化的 m m可取可取 0 0，1, 1, 22l l 取值決定了取值決定了角度函數(shù)的空間取向角度函數(shù)的空間取向 m m 值相同的軌道互為等價(jià)軌道值相同的

31、軌道互為等價(jià)軌道（3） 磁量子數(shù)磁量子數(shù)m ( magnetic quantum number)Lm軌道數(shù)軌道數(shù) 0(s) 1(p) 2(d) 3(f) 0 1 0 1 2 1 0 1 2 3 2 1 0 1 2 31357s 軌道軌道(l = 0, m = 0 ) : m 一種取值一種取值, 空間一種取向空間一種取向, 一條一條 s 軌道軌道 p 軌道(l = 1, m = +1, 0, -1) m 三種取值, 三種取向, 三條等價(jià)(簡(jiǎn)并) p 軌道d 軌道軌道(l = 2, m = +2, +1, 0, -1, -2) : m 五種取值五種取值, 空間五種取向空間五種取向, 五條等價(jià)五條等

32、價(jià)(簡(jiǎn)并簡(jiǎn)并) d 軌道軌道 f 軌道軌道 ( l = 3, m = +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 ) : m 七種取值七種取值, 空間七種取向空間七種取向, 七條等價(jià)七條等價(jià)(簡(jiǎn)并簡(jiǎn)并) f 軌道軌道（4） 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù) ms (spin quantum number) 描述電子繞自軸旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)描述電子繞自軸旋轉(zhuǎn)的狀態(tài) 自旋運(yùn)動(dòng)使電子具有類(lèi)似于微磁體的行為自旋運(yùn)動(dòng)使電子具有類(lèi)似于微磁體的行為 ms ms 取值取值+1/2+1/2和和-1/2-1/2，分別用，分別用和和表示表示磁場(chǎng)磁場(chǎng)屏幕屏幕窄縫窄縫銀原子流銀原子流爐爐n, l, m 一定一定, 軌道也確定軌道也

33、確定 0 1 2 3軌道軌道 s p d f例如例如: n =2, l =0, m =0, 2s n =3, l =1, m =0, 3pz n =3, l =2, m =0, 3dz2核外電子運(yùn)動(dòng)核外電子運(yùn)動(dòng)軌道運(yùn)動(dòng)軌道運(yùn)動(dòng)自旋運(yùn)動(dòng)自旋運(yùn)動(dòng)與一套量子數(shù)相對(duì)應(yīng)自然也有與一套量子數(shù)相對(duì)應(yīng)自然也有1個(gè)能量個(gè)能量Ei)n lm ms寫(xiě)出與軌道量子數(shù)寫(xiě)出與軌道量子數(shù) n = 4, l = n = 4, l = 2, m = 0 2, m = 0 的原子軌道名稱。的原子軌道名稱。 原子軌道是由原子軌道是由 n, l, m 三個(gè)量子數(shù)決定的。與三個(gè)量子數(shù)決定的。與 l = 2 對(duì)應(yīng)的軌道是對(duì)應(yīng)的軌道是 d

34、 軌道。由于軌道。由于 n = 4, 該軌道的名稱該軌道的名稱應(yīng)該是應(yīng)該是 4d. 磁量子數(shù)磁量子數(shù) m = 0 在軌道名稱中得不到反映在軌道名稱中得不到反映, 但根據(jù)我們迄今學(xué)過(guò)的知識(shí)但根據(jù)我們迄今學(xué)過(guò)的知識(shí), m = 0 表示該表示該 4d 軌道軌道是不同伸展方向的是不同伸展方向的 5 條條 4d 軌道之一。軌道之一。 Question 4Question 4Solution什么是軌道的什么是軌道的 “節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)” 和和 “節(jié)面節(jié)面” ？Question 5Question 5Solution 對(duì)對(duì)p p軌道軌道, , 電子概率為零的區(qū)域是個(gè)平面電子概率為零的區(qū)域是個(gè)平面, , 稱之為稱之為

35、節(jié)面。節(jié)面。pxpx軌道的節(jié)面是軌道的節(jié)面是 yz yz 平面平面, py , py 軌道和軌道和 pz pz 軌道軌道的節(jié)面分別是的節(jié)面分別是 xz xz 平面平面和和 xy xy 平面。平面。 如如2s2s軌道的兩種表軌道的兩種表示法中，示法中，(a)(a)中原子核附近中原子核附近(r 0)(r 0)電子概率最高電子概率最高, , 在離核某個(gè)距離處在離核某個(gè)距離處下降到零下降到零, , 概率為零的這個(gè)點(diǎn)叫節(jié)概率為零的這個(gè)點(diǎn)叫節(jié)點(diǎn)。點(diǎn)。1.4.3 薛定諤方程和波函數(shù)薛定諤方程和波函數(shù) Schrdinger方程與量子數(shù)方程與量子數(shù) 求解薛定諤方程求解薛定諤方程, , 就是求得波函數(shù)就是求得波函

36、數(shù)和能量和能量 E ; E ; 解得的解得的不是具體的數(shù)值不是具體的數(shù)值, , 而是包括三個(gè)常數(shù)而是包括三個(gè)常數(shù) (n, l, m) (n, l, m)和三個(gè)變量和三個(gè)變量(r,)(r,)的函數(shù)式的函數(shù)式 n, l, m (r,) ; n, l, m (r,) ; 有合理解的函數(shù)式叫做波函數(shù)有合理解的函數(shù)式叫做波函數(shù)(Wave functions)(Wave functions)。)(822222222VEhmzyx-軌道能量的量子化不需在建立數(shù)學(xué)關(guān)系式時(shí)事先假定。軌道能量的量子化不需在建立數(shù)學(xué)關(guān)系式時(shí)事先假定。 波函數(shù)波函數(shù) = = 薛定諤方程的合理解薛定諤方程的合理解 = = 原子軌道原子

37、軌道 直角坐標(biāo)直角坐標(biāo)( x, y, z)與球坐標(biāo)與球坐標(biāo) (r,) 的轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換 r : 徑向坐標(biāo)徑向坐標(biāo), 決定了球面的大小決定了球面的大小: 角坐標(biāo)角坐標(biāo), 由由 z軸沿球面延伸至軸沿球面延伸至 r的弧的弧 線所表示的角度線所表示的角度: 角坐標(biāo)角坐標(biāo), 由由 r 沿球面平行沿球面平行xy面延伸至面延伸至 xz面的弧線所表示的角度面的弧線所表示的角度222cossinsincossinzyxrrzryrxqqq( )()q,YrR()()q,rzyx 1.4.4 波函數(shù)的圖形描述波函數(shù)的圖形描述將將Schrdinger方程變量分離方程變量分離：徑向波函數(shù)徑向波函數(shù)以氫原子的以氫原子的1s

38、, 2s, 3s 1s, 2s, 3s 軌道為例軌道為例 取不同的取不同的 r r 值值, , 代入波函數(shù)代入波函數(shù)式中進(jìn)行計(jì)算式中進(jìn)行計(jì)算, , 以計(jì)算結(jié)果對(duì)以計(jì)算結(jié)果對(duì) r r 作圖。例如作圖。例如, , 氫原子氫原子1s1s軌道的軌道的 R(r) R(r) = 2e-r= 2e-r。離核越近。離核越近, , 這些這些 s s 軌道軌道的的 R R 值越大。值越大。角度波函數(shù)角度波函數(shù)),(,qmlY)(,rRln),(,qrmln 通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)畫(huà)出若干條射線通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)畫(huà)出若干條射線, , 每條對(duì)應(yīng)一組每條對(duì)應(yīng)一組 和和 值值; ; 將該組將該組和和 值代入波函數(shù)式值代入波函數(shù)式( (見(jiàn)

39、上見(jiàn)上) )中進(jìn)行計(jì)算中進(jìn)行計(jì)算, , 以計(jì)算結(jié)果標(biāo)在該射線上某一點(diǎn)以計(jì)算結(jié)果標(biāo)在該射線上某一點(diǎn); ; 用同樣方法標(biāo)出其他射線上的點(diǎn)用同樣方法標(biāo)出其他射線上的點(diǎn), ,然后將所有的點(diǎn)相然后將所有的點(diǎn)相 聯(lián)聯(lián), ,得沿得沿 x x 軸伸展的啞鈴形面。軸伸展的啞鈴形面。 qq2cossin3),(Y 波動(dòng)力學(xué)中的波函數(shù)波動(dòng)力學(xué)中的波函數(shù) 對(duì)應(yīng)于經(jīng)典物理學(xué)中光波的對(duì)應(yīng)于經(jīng)典物理學(xué)中光波的 振幅振幅; 光的強(qiáng)度與振幅的平方成正比光的強(qiáng)度與振幅的平方成正比; 波動(dòng)力學(xué)中波動(dòng)力學(xué)中, 微粒波微粒波 的強(qiáng)度與的強(qiáng)度與 波函數(shù)的平方波函數(shù)的平方( 2 )相聯(lián)系相聯(lián)系; 2 的物理意義是概率密度，微粒波的強(qiáng)度的物

40、理意義是概率密度，微粒波的強(qiáng)度(2 )表表 達(dá)微粒在空間某點(diǎn)單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率。達(dá)微粒在空間某點(diǎn)單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率。 一條軌道是一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)一條軌道是一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù), , 很難闡述其具體的物理很難闡述其具體的物理意義，只能將其想象為特定電子在原子核外可能出現(xiàn)的意義，只能將其想象為特定電子在原子核外可能出現(xiàn)的某個(gè)區(qū)域的數(shù)學(xué)描述。某個(gè)區(qū)域的數(shù)學(xué)描述。 表示徑向電子云分布的兩種方法表示徑向電子云分布的兩種方法之一之一:(藍(lán)色曲線藍(lán)色曲線) 縱坐標(biāo)縱坐標(biāo): R2 離核越近離核越近, 電子出現(xiàn)的概率密電子出現(xiàn)的概率密 度度(單位體積內(nèi)的概率單位體積內(nèi)的概率)越大。越大。 (這種曲線酷似波函數(shù)分布曲線這

41、種曲線酷似波函數(shù)分布曲線) )()()(222qq,YrRr之二之二:(紅色曲線紅色曲線) 縱坐標(biāo)縱坐標(biāo): 4r 2 R 2 4r2R2曲線是曲線是4r 2曲線曲線和和R 2 曲線的合成曲線曲線的合成曲線 曲線在曲線在 r =53 pm 處出現(xiàn)極處出現(xiàn)極大值大值, 表明電子在距核表明電子在距核53 pm的單的單位厚位厚 度球殼內(nèi)出現(xiàn)的概率最大度球殼內(nèi)出現(xiàn)的概率最大 波動(dòng)力學(xué)模型得到的半徑恰好波動(dòng)力學(xué)模型得到的半徑恰好 等于氫原子的玻爾半徑等于氫原子的玻爾半徑表示徑向電子云分布的兩種方法表示徑向電子云分布的兩種方法)()()(222qq,YrRr 酷似波函數(shù)的角度分布圖酷似波函數(shù)的角度分布圖 但

42、是但是, 葉瓣不再有葉瓣不再有“+”、“-”之分之分 要求牢記：要求牢記： s, p, d 電子云的形狀；電子云的形狀； s, p, d 電子云在空間的伸展方向。電子云在空間的伸展方向。 由由R (r)R (r)和和R 2 (r)R 2 (r)得到彼此酷似的兩種徑向分布圖得到彼此酷似的兩種徑向分布圖由由Y(,)Y(,)和和Y 2 (,)Y 2 (,)得到彼此酷似的兩種角度分得到彼此酷似的兩種角度分布圖布圖由由4r 2 R 2 (r) 4r 2 R 2 (r) 得到的也是徑向分布圖得到的也是徑向分布圖. .留意留意, , 縱坐縱坐標(biāo)標(biāo) 4r 2 R 2 4r 2 R 2 表示概率表示概率, ,

43、而不再是概率密度了而不再是概率密度了 1.5 多電子原子軌道的能級(jí)多電子原子軌道的能級(jí) The energy level in poly- electronical atom1.5.1 鮑林近似能級(jí)圖鮑林近似能級(jí)圖 Portrayal of Pauling approximation energy level 1.5.3 屏蔽和穿鉆屏蔽和穿鉆 Shielding and penetration1.5.2 科頓能級(jí)圖科頓能級(jí)圖 Cotton energy level portray 1.5.1 鮑林近似能級(jí)圖鮑林近似能級(jí)圖 n 值相同時(shí)值相同時(shí),軌道能級(jí)則由軌道能級(jí)則由 l 值決定值決定, 叫能

44、級(jí)分裂；叫能級(jí)分裂； l 值相同時(shí)值相同時(shí), 軌道能級(jí)只由軌道能級(jí)只由 n 值決定值決定, 例例: E(1s) E(2s) E(3s) 1 時(shí)，時(shí)，s = 0.35 被屏蔽電子為被屏蔽電子為 ns 或或 np 時(shí)，時(shí)，(n-1) 層對(duì)它層對(duì)它 s = 0.85 小小 于于(n-1)的的s =1.00 被屏蔽電子被屏蔽電子 nd 或或 nf 時(shí)，左邊各組時(shí)，左邊各組 s =1.00 Z* = Z - 為什么為什么 2s 2s 價(jià)電子比價(jià)電子比 2p 2p 價(jià)電價(jià)電子受到較小的屏蔽子受到較小的屏蔽? ?Question 6Question 6Solution 2s電子云徑向分電子云徑向分布曲線除主

45、峰外布曲線除主峰外,還還有一個(gè)距核更近的小有一個(gè)距核更近的小峰峰. 這暗示這暗示, 部分電子部分電子云鉆至離核更近的空云鉆至離核更近的空間間, 從而部分回避了從而部分回避了其他電子的屏蔽其他電子的屏蔽. 軌道的鉆穿能力通常有如下順序軌道的鉆穿能力通常有如下順序: n s n p n d n f，導(dǎo)致能級(jí)按，導(dǎo)致能級(jí)按 E(ns) E(np) E(nd) 過(guò)渡元素過(guò)渡元素 內(nèi)過(guò)渡元素內(nèi)過(guò)渡元素同周期原子半徑的變化趨勢(shì)同周期原子半徑的變化趨勢(shì) ( (三三) )內(nèi)過(guò)渡元素有鑭系收縮效應(yīng)內(nèi)過(guò)渡元素有鑭系收縮效應(yīng)(Effects of the lanthanide contraction )同族元素原子

46、半徑的變化趨勢(shì)同族元素原子半徑的變化趨勢(shì) 同族元素原子半徑自上而下增大同族元素原子半徑自上而下增大: : 電子層依次增加電子層依次增加, , 有有 效核電荷的影響退居次要地位效核電荷的影響退居次要地位 第第6 6周期過(guò)渡元素周期過(guò)渡元素( (如如Hf, Ta)Hf, Ta)的原子半徑與第的原子半徑與第5 5周期同周期同族族 元素元素( (如如Zr,Nb)Zr,Nb)相比幾乎沒(méi)有增大相比幾乎沒(méi)有增大, , 這是鑭系收縮這是鑭系收縮的重的重 要效應(yīng)之一要效應(yīng)之一1.8.2 電離能電離能E (g) = E+ (g) + e- I E (g) = E+ (g) + e- I 1 1E+ (g) =E

47、2+ (g) + e- E+ (g) =E 2+ (g) + e- I 2I 2I 1 I 2 I 3 I 4 I 1 I 2 I 3 I 4 基態(tài)氣體原子失去最外層一個(gè)電子成為氣態(tài)基態(tài)氣體原子失去最外層一個(gè)電子成為氣態(tài)+1+1價(jià)離價(jià)離子所需的最小能量叫第一電離能子所需的最小能量叫第一電離能, , 再?gòu)恼x子相繼逐個(gè)再?gòu)恼x子相繼逐個(gè)失去電子所需的最小能量則叫第二、第三、失去電子所需的最小能量則叫第二、第三、電離能。電離能。各級(jí)電離能的數(shù)值關(guān)系為各級(jí)電離能的數(shù)值關(guān)系為I1I1I2I2I3. I3. 。同族總趨勢(shì)：自上至下減小同族總趨勢(shì)：自上至下減小, ,與原子半徑增大的趨勢(shì)一致與原子半徑增大的

48、趨勢(shì)一致同周期總趨勢(shì)：自左至右增大同周期總趨勢(shì)：自左至右增大, ,與原子半徑減小的趨勢(shì)一致與原子半徑減小的趨勢(shì)一致 各周期中稀有氣體原子的電離能最高。各周期中稀有氣體原子的電離能最高。 第第 2 族元素族元素 Be 和和 Mg，第，第15 族元素族元素N和和P，第，第12族族 元素元素Zn, Cd 和和 Hg在電離能曲線上出現(xiàn)的小高峰。在電離能曲線上出現(xiàn)的小高峰。 您能從亞層全滿、半滿結(jié)構(gòu)的相您能從亞層全滿、半滿結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定性說(shuō)明下述事實(shí)嗎？對(duì)穩(wěn)定性說(shuō)明下述事實(shí)嗎？Question 10Question 101.8.3 電子親和能電子親和能X(g) + e- = X- (g) mr HA-X- (g) + e- = X 2- (g) 例如，例如，O- (g) + e- = O2- (g) A2 = -780 kJ . mol-1 指一個(gè)氣態(tài)原子得到一個(gè)電子形成負(fù)離子時(shí)放出或指一個(gè)氣態(tài)原子得到一個(gè)電子形成負(fù)離子時(shí)放出或吸收的能量。常以符號(hào)吸收的能量。常以符號(hào)Eea表示，也有第一、第二、表示，也有第一、第二、之分。元素第一