第一章-原子結(jié)構(gòu)與元素周期系課件

第一章原子結(jié)構(gòu)與元素周期系§1-1、道爾頓原子論1、原子

古希臘哲學(xué)家德謨克利特根據(jù)早先哲學(xué)家們得來的一些概念，提出了宇宙萬物是由真空和原子組成的說法。他把原子看成萬古不變和不可再分的——絕對(duì)微小，小到不能再分的。英國(guó)化學(xué)家道爾頓提出了一個(gè)假說：一切物質(zhì)都是由幾種不同種類的、相當(dāng)于元素的物質(zhì)微粒組成的。他把這些粒子叫原子（atom）。這一名詞是從希臘語atoms而來的，意思是不可分割的意思（a-否定的前綴，tom切，割之意）。

三個(gè)顯著的特點(diǎn)：

（1）原子的大部分的質(zhì)量集中于原子核內(nèi)

1第一章原子結(jié)構(gòu)與元素周期系§1-1、道爾頓原子論1

（2）核的體積很小，約為整個(gè)原子體積的10-15大小，因此原子內(nèi)原子核外有較大的空間。（3）原子內(nèi)原子核的密度非常大。

近代盧瑟福的核型原子模型見圖1-1。

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（2）核的體積很小，約為整個(gè)原子體積的10-15大

2.分子

阿伏加德羅引入分子的概念,認(rèn)為:分子是由原子組成的。到現(xiàn)在我們對(duì)分子有了正確的認(rèn)識(shí)。它是“保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的最小微?！?、原子-分子論（1）一切物質(zhì)都是由分子組成的，而分子是由原子組成的。分子是物質(zhì)能夠獨(dú)立存在且保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的最小微粒。原子則是構(gòu)成分子的更小微粒，它是物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的基本粒子，原子一般不能獨(dú)立存在；

（2）同種原子化學(xué)性質(zhì)相同，質(zhì)量相同，不同原子化學(xué)性質(zhì)和質(zhì)量均不相同；

（3）單質(zhì)分子由相同的原子組成的，化合物分子是由不同原子組成的，分子的質(zhì)量等于組成它的原子質(zhì)量總和；

（4）分子和原子都在不停地運(yùn)動(dòng)。

32.分子阿伏加德羅引入分子的概念,認(rèn)為:分子是由§1-2相對(duì)原子質(zhì)量（原子量）一、元素與核素1、元素

亞里士多德：“發(fā)生和消滅”。他認(rèn)為以四種“原性”作為自然界最為原始的性質(zhì)，即“熱、冷、干、濕”。把它們成對(duì)對(duì)組合起來，就得出四種“元素”，火、氣、水、土。

進(jìn)入制藥時(shí)期后，瑞士的醫(yī)藥學(xué)家柏拉塞斯提出物質(zhì)是由三種元素-----鹽、汞、硫依一定的比例所組成的。

現(xiàn)代的觀點(diǎn)：具有一定核電荷數(shù)（等于核內(nèi)質(zhì)子數(shù)）的原子為一種（化學(xué)）元素。元素是一類原子的總稱。是以核電荷數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)原子進(jìn)行分類的，也即原子的核電荷數(shù)是決定元素性質(zhì)的關(guān)鍵。4§1-2相對(duì)原子質(zhì)量（原子量）一、元素與核素4

同位素：天然元素大都是由幾種同位素組成的。

元素的同位素間的區(qū)別是質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同。由于決定元素性質(zhì)的是核內(nèi)質(zhì)子數(shù)（即核電荷數(shù)），所以一種元素的不同的同位素具有相同的化學(xué)性質(zhì)，但有時(shí)會(huì)影響到反應(yīng)速度，物理性質(zhì)有所區(qū)別。這里同位是質(zhì)子數(shù)相同，在周期表中占據(jù)同一位置的意思。5

同位素：天然元素大都是由幾種同位素組成的。

2、核素具有一定質(zhì)子數(shù)和一定中子數(shù)的原子稱為一種核素。可以稱為氧元素的三種核素。也可稱為O-17核素，氧-16核素。這里的16、17時(shí)指質(zhì)量數(shù)，即核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和。核素的左下角是該核素的原子核里的質(zhì)子數(shù)，左上角為核素的質(zhì)量數(shù)。有時(shí)也可以省略左下角的質(zhì)子數(shù)，簡(jiǎn)寫為：

豐度：某種元素的各種天然同位素的分?jǐn)?shù)組成（原子百分比）稱為同位素的豐度。如：

62、核素具有一定質(zhì)子數(shù)和一定中子數(shù)的原子稱為一種

單核素元素：天然核素中有的元素只有一種穩(wěn)定的核素，稱為單核素元素。

多核素元素：有的元素有多種穩(wěn)定的核素，稱為多核素元素。如錫元素有十幾種核素。

同重異位素：即原子中所含的質(zhì)子數(shù)不同，（即核電荷數(shù)不同）但原子的質(zhì)量數(shù)卻相同。

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單核素元素：天然核素中有的元素只有一種穩(wěn)定的

元素和單質(zhì)是宏觀的概念。單質(zhì)是元素的游離形式，元素只能存在于具體的物質(zhì)中，離開具體的物質(zhì)，抽象的元素是不存在的。從這個(gè)角度講，元素和單質(zhì)既有區(qū)別又有聯(lián)系。

原子是微觀的概念，而元素是一定種類的原子的總稱。

元素符號(hào)既表示一種元素，也表示該元素的一個(gè)原子。在討論物質(zhì)的構(gòu)造時(shí)，原子的概念又有量的含義，即可以論個(gè)數(shù)，也可以論質(zhì)量。但元素沒有這種意義，它指的是同一種類的原子。如：水是由氫、氧兩種元素組成的，水分子含有兩個(gè)氫原子，而不能說水分子含有兩個(gè)氫元素和一個(gè)氧元素，元素只分種類，不分個(gè)數(shù)。

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二、原子量1、原子量的演變及標(biāo)準(zhǔn)

道爾頓的標(biāo)準(zhǔn)H=1

從相對(duì)值的意義上講，可以取任一種元素的質(zhì)量為相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。但因氫元素的原子是最輕的，若把最輕的氫原子取為一個(gè)最小的整數(shù)作為原子量的標(biāo)準(zhǔn)，則其它元素的原子量皆可得到一個(gè)比1大的正值。

斯塔斯（Stas）標(biāo)準(zhǔn)：O=16

當(dāng)時(shí)，已知大多數(shù)元素皆可和氧化合，因此又選定氧等于16為標(biāo)準(zhǔn)，這也是化學(xué)原子量標(biāo)準(zhǔn)。

物理界就以天然=16作為物理原子量的標(biāo)準(zhǔn)。1926年發(fā)現(xiàn)氧有三種同位素后，且這三種同位素在自然界中的分布并不均勻，因而這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并不十分恰當(dāng)，于是這樣就出現(xiàn)了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。9二、原子量1、原子量的演變及標(biāo)準(zhǔn)9

它是以12C=12為標(biāo)準(zhǔn)的，為什么這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以12C為標(biāo)準(zhǔn)：

①12C在碳的天然同位素中所含的豐度是比較固定的，不會(huì)因地而異（也就是相對(duì)百分?jǐn)?shù)）。

②對(duì)12C的質(zhì)量測(cè)定比較準(zhǔn)確

③以12C=12為標(biāo)準(zhǔn)后，各元素原有原子的原子量變化不大，僅比過去所用的原子量降低了0.0043%。2、元素的相對(duì)原子質(zhì)量（原子量，常用Ar（E）表示）定義：原子量是指一種元素的1摩爾質(zhì)量對(duì)核素12C的1摩爾質(zhì)量的1/12的比值。10它是以12C=12為標(biāo)準(zhǔn)的，為什么這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以1①原子量是一個(gè)比值，無量綱的純數(shù)；

②單核素元素的原子量等于該元素的核素的相對(duì)原子質(zhì)量；

③多核素元素的原子量等于該元素的天然同位素相對(duì)原子質(zhì)量的加權(quán)平均值。加權(quán)平均值就是幾個(gè)數(shù)值分別乘上一個(gè)權(quán)值在加起來。對(duì)于元素的相對(duì)原子質(zhì)量（原子量），這個(gè)權(quán)值就是同位素的豐度。

3、原子量、原子質(zhì)量和平均原子質(zhì)量的關(guān)系

11①原子量是一個(gè)比值，無量綱的純數(shù)；表1-1原子量、原子質(zhì)量和平均原子質(zhì)量的關(guān)系12表1-1原子量、原子質(zhì)量和平均原子質(zhì)量的關(guān)系12

§1-3原子結(jié)構(gòu)的波爾行星模型3-1氫原子光譜----量子化特征的實(shí)驗(yàn)依據(jù)

連續(xù)光譜：如果復(fù)色光中含有各種頻率的光，所得到的光譜就是連續(xù)的光帶-----連續(xù)光譜。連續(xù)光譜可按照紅橙黃綠藍(lán)靛紫的順序排列。

線狀光譜：如復(fù)色光中所含的光波的頻率不齊全，只含有少數(shù)幾種頻率的光波，這時(shí)就會(huì)得到明暗區(qū)間隔開的若干條明線組成的光譜，稱線狀光譜。每一條線都與一種頻率的光波相對(duì)應(yīng)，譜線的位置分布決定于光波的頻率。

線狀光譜實(shí)際上是由單原子氣體受熱后發(fā)出的光發(fā)生的，且與元素的種類有關(guān)，因此又稱為原子光譜（這些光譜又稱為原子的特征譜線）。13131414巴爾末經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

λ=3646.00n2/(n2-4)；

λ為譜線的波長(zhǎng)，n為譜線的編號(hào)。瑞典物理學(xué)家里德堡把巴爾末的經(jīng)驗(yàn)方程改寫為：:譜線波長(zhǎng)的倒數(shù),波數(shù)(cm-1)，n:大于2的正整數(shù)。RH：常數(shù),1.096107m-115巴爾末經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：λ=3646.00n2/(n2-4)；

n=3,4,5,6對(duì)應(yīng)氫光譜中

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H、H、H、H、Balmer系

物理學(xué)家里德堡找出了氫原子光譜可見光區(qū)各譜線之間實(shí)驗(yàn)規(guī)律性關(guān)系的公式，即里德堡公式：

c為光速，R∞為里德堡常數(shù)，其值為1.097×105cm-1，

n1和n2為正整數(shù)，而且n2＞n1，n為1、2、3、4、……

氫原子光譜中的線系

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n=3,4氫原子光譜線系17氫原子光譜線系1718183-2波爾理論

古希臘哲學(xué)家德謨克利特：認(rèn)為原子是組成宇宙萬物的極微小的，硬的，不可穿透的，不可分割的粒子。

道爾頓原子學(xué)說：認(rèn)為原子是組成一切元素不能再分割，不能毀滅的最小粒子。

盧瑟福核型原子模型：隨著元素周期律，氫原子光譜的發(fā)現(xiàn)，放射性、電子和原子核的相繼被發(fā)現(xiàn)，盧瑟福提出了核型原子模型。193-2波爾理論19波爾行星模型，理論的基本要點(diǎn)（1）:

（1）行星模型波爾假定，氫原子核外的電子是處于一定線性軌道上繞核運(yùn)行的，正如太陽系中行星繞太陽運(yùn)行一樣。（2）定態(tài)假設(shè)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，不會(huì)釋放能量，這種狀態(tài)稱為定態(tài)。能量最低的定態(tài)叫做基態(tài)；能量高于基態(tài)的定態(tài)叫做激發(fā)態(tài)。

20波爾行星模型，理論的基本要點(diǎn)（1）:

（1）行星模波爾行星模型，理論的基本要點(diǎn)（2）:對(duì)氫原子來說Z=1，n=1，r=52.9pm，這個(gè)數(shù)值叫做玻爾半徑。（3）量子化條件

波爾假定，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)量（L=mvr，其中m電子質(zhì)量，v電子線速度，r電子線軌道的半徑），只能按下式取值：21波爾行星模型，理論的基本要點(diǎn)（2）:對(duì)氫原子來說Z

n=1,2,3,4,5……

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革命性假設(shè)。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。玻爾的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光子論的啟發(fā)提出來的。上式中的正整數(shù)n稱為“量子數(shù)”（后來叫“主量子數(shù)”）。在后來的新量子論中，玻爾創(chuàng)造的量子數(shù)一詞被保留了，但其得出卻不在像玻爾那樣生造硬賦，而是確立核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)解的必然結(jié)果。22n=1,2,3,4,5……波爾行星模型，理論的基本要點(diǎn)（3）:(4)躍遷規(guī)則

電子吸收光子就會(huì)躍遷到能量高的激發(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)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，這就是所謂的“躍遷規(guī)則”,可以用下式來計(jì)算任一躍遷相關(guān)的光子的能量和波長(zhǎng)：ΔE=B（1/n12–1/n22）；1/λ=(B/hc)（1/n12–1/n22）23波爾行星模型，理論的基本要點(diǎn)（3）:(4)躍遷規(guī)則23

例1.

氫原子從n2=3的能級(jí)躍遷到n1=2的能級(jí)時(shí)放出光子的波長(zhǎng)是多少？

解：由玻爾假設(shè)，hυ=E2-E1；故hc/λ=E2-E1即λ=hυ/（E2-E1）又由

E2-E1=2.18Х10-18（1/22-1/32），將此值代入得到λ=656.9（nm）即是氫原子光譜中的在可見光部分的那條紅線，n1=2時(shí)屬于巴爾末線系。

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例1.氫原子從n2=3的能玻爾的假說解決了如下幾個(gè)問題：（1）激發(fā)態(tài)原子為什么會(huì)發(fā)射出光射線。（2）原子輻射能量的不連續(xù)性，氫光譜線波長(zhǎng)的不連續(xù)性。（3）比較好地說明了氫光譜線頻率的規(guī)律性（即里德堡公式）。（4）提出了n是能級(jí)的概念，這為人們后來研究光譜學(xué)以及發(fā)展物質(zhì)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代理論做出了貢獻(xiàn)25玻爾的假說解決了如下幾個(gè)問題：（1）激發(fā)態(tài)原子為什么會(huì)發(fā)射出玻爾理論的缺陷：

（1）未能完全沖破經(jīng)典物理的束縛，只是在經(jīng)典力學(xué)連續(xù)性概念的基礎(chǔ)上，人為地加上了一些量子化的條件，在討論氫原子中電子運(yùn)動(dòng)的圓周軌道和計(jì)算軌道半徑時(shí)，都是以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)的，它使電子在核外的運(yùn)動(dòng)采取了宏觀物體的固定軌道，而沒有考慮到電子的運(yùn)動(dòng)根本不遵守經(jīng)典物理學(xué)中的力學(xué)定律。（2）玻爾理論解釋不了多電子原子的光譜和氫光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)等問題。26玻爾理論的缺陷：

（1）未能完全沖破經(jīng)典物理的束§1-4氫原子結(jié)構(gòu)（核外電子運(yùn)動(dòng)）的量子力學(xué)模型4-1微觀粒子的波粒二象性

普朗克的公式（物質(zhì)吸收或發(fā)射的能量大小與輻射的頻率成正比）

愛因斯坦光子學(xué)說中提出的光子的波長(zhǎng)λ與動(dòng)量P之間的關(guān)系式：

兩式中，左邊的E和P是表征粒子性的物理量，右邊的ν和λ是表征波動(dòng)性的物理量，這兩種性質(zhì)通過普朗克常數(shù)h定量地聯(lián)系起來了，從而很好地揭示了光的二象性的本質(zhì)。27§1-4氫原子結(jié)構(gòu)（核外電子運(yùn)動(dòng)）的量子力學(xué)模型4-1微4-2

德布羅意關(guān)系根據(jù)光的波粒二象性規(guī)律，大膽提出人們?cè)谘芯课⒂^粒子時(shí),忽略了粒子的波動(dòng)性，指出微粒象光一樣，也具有波粒二象性,并提出德布羅意關(guān)系式：

等式左邊:m,p是與質(zhì)量,動(dòng)量相關(guān),說明具備粒子性。等式右邊與相關(guān),說明具備波動(dòng)性(v為粒子的運(yùn)動(dòng)速度)。

電子衍射實(shí)驗(yàn)：證實(shí)了德布羅意關(guān)系式的正確性。284-2德布羅意關(guān)系根據(jù)光的波粒二象性規(guī)律，大德布羅意波：人們把微觀粒子所具有的波稱為德布羅意波或物質(zhì)波。由于微觀粒子具有波粒二象性，因此要想同時(shí)并準(zhǔn)確地測(cè)定微觀粒子的速度和所在的空間位置是完全不可能的

29德布羅意波：人們把微觀粒子所具有的波稱為德布羅意4-3海森堡不確定性原理對(duì)于一個(gè)物體的動(dòng)量（mv）的測(cè)量的偏差（Δmv）和對(duì)該物體的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，也就是該物體的位置（x）的測(cè)量偏差（Δx）的乘積處于普朗克常數(shù)的數(shù)量級(jí)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

我們的教材是h/4π,有的直接書寫為h。

304-3海森堡不確定性原理對(duì)于一個(gè)物體的動(dòng)量（

例2.

質(zhì)量m約為10-15Kg，運(yùn)動(dòng)速度V約為10-2m.s-1的塵埃，若位置的不確定量Δx=10-3m（已相當(dāng)精確了，在毫米級(jí)有誤差），則速度的不確定量Δv是多少？

解：由Δx·ΔP=h,Δv=h/mΔx=6.63×10-34/(10-15×10-3)=6.63×10-11。這個(gè)數(shù)值比起灰塵的速度（10-2m.s-1）完全可以忽略不計(jì)。至于質(zhì)量更大的宏觀物體，由不確定性原理確定的Δx和Δv更微不足道了。因而他們服從經(jīng)典力學(xué)，然而微觀粒子的運(yùn)動(dòng)則不然。如下一例：31

例2.質(zhì)量m約為10-15Kg，運(yùn)動(dòng)速度

例3.原子中的電子，其速度約為106m·s-1,,質(zhì)量m=9.1×10-31Kg，原子的大小數(shù)量級(jí)為10-10m，因此坐標(biāo)合理的準(zhǔn)確度至少需要達(dá)到Δx=10-11m,計(jì)算電子速度不確定量？解：Δv=h/mΔx=6.63×10-34/(9.1×10-31×10-11)=7.3×107(m·s-1)。這個(gè)數(shù)值超過了電子速度本身（106m·s-1,量級(jí)）的幾十倍，顯然是不可能忽略的。32

例3.原子中的電子，其速度約為106m·s4-4微觀粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)性規(guī)律若通過電子槍一粒粒發(fā)射電子,通過狹縫打到感光屏幕上,時(shí)間較短時(shí),電子數(shù)目少,每個(gè)電子的分布無規(guī)律；而當(dāng)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),電子的數(shù)目足夠多時(shí),出現(xiàn)衍射環(huán)。衍射環(huán)的出現(xiàn),表明了電子運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)性,所以波動(dòng)性是粒子性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，即這種電子的分布是有規(guī)律的。以上介紹的微觀粒子的三個(gè)特征（波粒二象性，不確定性原理，運(yùn)動(dòng)規(guī)律的統(tǒng)計(jì)性）說明，研究微觀粒子，不能用經(jīng)典的牛頓力學(xué)理論。而找出微觀粒子的空間分布規(guī)律，必須借助數(shù)學(xué)方法，建立一個(gè)數(shù)學(xué)模式，找出一個(gè)函數(shù)，用這一函數(shù)來研究微觀粒子。334-4微觀粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)性規(guī)律若通過電子槍一粒粒發(fā)射電子,4-5氫原子的量子力學(xué)模型一、薛定諤方程式中：m:微粒的質(zhì)量（這些微粒包括電子，原子，分子等）E：能量V：勢(shì)能：波函數(shù)。344-5氫原子的量子力學(xué)模型一、薛定諤方程式中：m:二用四個(gè)量子數(shù)描述電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

波函數(shù)的下標(biāo)1,0,0；2,0,0；2,1,0所對(duì)應(yīng)的是n,l,m,稱為量子數(shù)。1.主量子數(shù)n

意義：表示原子的大小,核外電子離核的遠(yuǎn)近和電子能量的高低。①主量子數(shù)n：是決定電子層數(shù)的，n值相同的電子在一個(gè)電子層。

n的取值范圍：n=1、2、3、4……n（正整數(shù)）35二用四個(gè)量子數(shù)描述電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)波函數(shù)的1.主量子數(shù)n

②主量子數(shù)n是決定電子能量高低的主要因素。對(duì)于單電子原子或類氫離子來說，n值越大，電子的能量越高。對(duì)于多電子來說，核外電子能量既與n有關(guān)，又與l有關(guān)，取決于n和l的取值。主量子數(shù)n：1，2，3，4，5，6，7……(光譜符號(hào))電子層符號(hào)：K，L，M，N，O，P，Q……361.主量子數(shù)n

②主量子數(shù)n是決定電子能量高低的主要因素2.角量子數(shù)l

角量子數(shù)l，亦稱副量子數(shù)。

意義:決定了原子軌道的形狀。

l取值范圍：對(duì)于給定的n值，l只能取小于n的整數(shù)值。

l=0，1，2，3……(n-1)，共n個(gè)取值。光譜學(xué)上常用下列符號(hào)代表角量子數(shù)l：角量子數(shù)l01234……光譜符號(hào)spdfg……372.角量子數(shù)l

角量子數(shù)l，亦稱副量子數(shù)。①角量子數(shù)l表示原子軌道或電子云的形狀l=0的狀態(tài)稱為s態(tài)，s軌道，s電子云l=1的狀態(tài)稱為p態(tài)，p軌道，p電子云l=2的狀態(tài)稱為d態(tài)，d軌道，d電子云l=3的狀態(tài)稱為f態(tài)，f軌道，f電子云38①角量子數(shù)l表示原子軌道或電子云的形狀38②用主量子數(shù)n表示電子層時(shí)，角量子數(shù)l就表示同一電子層中具有不同狀態(tài)的分層；對(duì)于給定的主量子數(shù)n來說，就有n個(gè)不同的角量子數(shù)l

量子數(shù)n,l與電子層和分層的關(guān)系見下圖表。39②用主量子數(shù)n表示電子層時(shí)，角量子數(shù)l就表示同一電子層中具有4040③多電子原子中電子的能量決定于主量子數(shù)n和角量子數(shù)l。在多電子原子中，電子的能量不僅取決于n，而且取決于l。亦即多電子原子中電子的能量由n和l共同決定。

單電子原子：

多電子原子：為屏蔽系數(shù)，其值的大小與l的取值相關(guān)

41③多電子原子中電子的能量決定于主量子數(shù)n和角量子數(shù)l。41對(duì)于多電子原子來說，在主量子數(shù)n相同時(shí)，l的數(shù)值越大，其電子的能量越高。在同一電子層中，s電子的能量低于p電子，p電子低于d電子，d電子低于f電子的能量：

E5s＜E5p＜E5d＜E5fl取值：0，1，2，3由不同的n和l組成的各分層，例如：2s、3p、4d……，其能量必然不同，從能量的角度看，這些分層也常稱為能級(jí)。42對(duì)于多電子原子來說，在主量子數(shù)n相同時(shí)，l的數(shù)對(duì)n=4（第四電子層中）而言：多電子原子：E(4f)>E(4d)>E(4p)>E(4s)分別對(duì)應(yīng)：l=3，2，1，0所以n相同時(shí)，多電子原子電子的l大的能量高。單電子原子：E(4f)=E(4d)=E(4p)=E(4s)所以n相同，單電子原子中，電子能量與l大小無關(guān)。43對(duì)n=4（第四電子層中）而言：433.磁量子數(shù)m

磁量子數(shù)m的取值與角量子數(shù)l有關(guān)，對(duì)于給定的l值，有（2l+1）個(gè)m的取值，即：

取值：m=0，±1，±2，±3，……±l，共(2l+1)個(gè)值。

意義:

對(duì)于形狀一定的軌道(l相同電子軌道),m決定其空間取向。例如：l=1,有三種空間取向(能量相同,三重簡(jiǎn)并)。

簡(jiǎn)并軌道:能量相同的原子軌道，稱為簡(jiǎn)并軌道443.磁量子數(shù)m

磁量子數(shù)m的取值與角量子數(shù)l有關(guān)，對(duì)于簡(jiǎn)并軌道:能量相同的原子軌道，稱為簡(jiǎn)并軌道45簡(jiǎn)并軌道:能量相同的原子軌道，稱為簡(jiǎn)并軌道45例如:

l=1,p軌道,m取值為3個(gè),p軌道為三重簡(jiǎn)并

l=2,d軌道,m取值為5個(gè),d軌道為五重簡(jiǎn)并

所以,m只決定原子軌道的空間取向,不影響軌道的能量。因n和l一定,軌道的能量則為一定,空間取向(伸展方向)不影響能量。

4646

例題1.推算n=3的原子軌道數(shù)目,并分別用三個(gè)量子數(shù)n,l,m加以描述。47例題1.推算n=3的原子軌道數(shù)目,

角量子數(shù)l與磁量子數(shù)m的關(guān)系

48

角量子數(shù)l與磁量子數(shù)m的關(guān)系484.自旋量子數(shù)ms

電子除了繞核作高速運(yùn)動(dòng)之外，同時(shí)還有自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)量子力學(xué)計(jì)算，自旋運(yùn)動(dòng)有兩個(gè)方向，即順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向，可以取數(shù)值相同而方向相反的兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通常用↓和↑表示自旋相反的兩種狀態(tài)，其可能的取值只有兩個(gè)，即：

ms=±1/2

這表示電子自旋的兩種狀態(tài)，自旋角動(dòng)量有兩種不同取向。因此，在n，l，m值相同的情況下，電子運(yùn)動(dòng)還有兩個(gè)自旋相反的狀態(tài)。494.自旋量子數(shù)ms

電子除了繞核作高速運(yùn)動(dòng)

例題2.用四個(gè)量子數(shù)描述n=4,l=1的所有電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

解:對(duì)于確定的l=1，對(duì)應(yīng)的有m=-1，0，+1有三條軌道，每條軌道容納兩個(gè)自旋方向相反的電子，所以有3×2=6個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別為：

n=444444l=111111m=-1-100+1+1ms=+1/2-1/2+1/2-1/2+1/2-1/250例題2.用四個(gè)量子數(shù)描述n=4,l=1四個(gè)量子數(shù)小結(jié)

n

=1，2，3，-----n；

l=

0，1，2，3，------（n-1）；n個(gè)

m=0，±1，±2，----±l；（2l+1）個(gè)

ms=±1/251四個(gè)量子數(shù)小結(jié)n=1，2，3，-----n；l5252核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)小結(jié)1.在微觀世界中，核外電子運(yùn)動(dòng)的能量是不連續(xù)的，分為不同的能級(jí)，電子的空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)需要用波函數(shù)ψ來描述，電子運(yùn)動(dòng)的每一個(gè)狀態(tài)均需要用四個(gè)量子數(shù)來確定。2.波函數(shù)、原子軌道、電子云的區(qū)別和聯(lián)系波函數(shù)ψ就是原子軌道，它是由n、l、m三個(gè)量子數(shù)決定的。是電子的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。電子云是電子在空間出現(xiàn)的概率密度分布的形象化表示。原子軌道和電子云的圖象除了形狀略有不同外，主要差別在于原子軌道的圖象中有正、負(fù)號(hào)之分，而電子云的圖象中則沒有。原子軌道的正、負(fù)號(hào)在原子軌道組合成分子軌道是會(huì)起到關(guān)鍵的作用。3.四個(gè)量子數(shù)之間互相聯(lián)系又互相制約的關(guān)系，及四個(gè)量子數(shù)與原子的電子層、分層、原子軌道、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系很重要，要熟練掌握。

53核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)小結(jié)1.在微觀世界中，核外電子運(yùn)動(dòng)的能量是不三、概率密度與電子云電子在空間出現(xiàn)的機(jī)會(huì)稱做概率，在某單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率稱為概率密度，就是電子在核外空間出現(xiàn)的概率密度。的空間圖像就是電子云。電子云是從統(tǒng)計(jì)的概念出發(fā)對(duì)核外電子出現(xiàn)的概率密度作形象化的圖示，而概率密度是從理論上計(jì)算而得到的，因此說電子云是的圖像。電子云圖像中每一個(gè)小黑點(diǎn)表示電子出現(xiàn)在核外空間中的一次概率（注意：不表示一個(gè)電子，圖中密集的小點(diǎn)只是說明氫原子核外的一個(gè)電子在核外空間的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并不代表有這么多個(gè)電子在核外的運(yùn)動(dòng)情況），概率密度大，電子云圖像中的小黑點(diǎn)越密。說明氫原子核外的電子在該處的概率密度大。54三、概率密度與電子云電子在空間出現(xiàn)的機(jī)會(huì)稱做概電子云的圖像具有的不同特征

（1）電子云在核外空間的擴(kuò)展程度。一般而言，擴(kuò)展程度越大的電子云所對(duì)應(yīng)的電子具有較高的能量狀態(tài)；反之則電子的能量較低。這可用能層（energyshell）的概念來概括。核外電子是按能量的大小來分層的。能量由低到高，分別稱為K，L，M，N，O，P，Q-----能層，或者叫第一能層，第二能層、第三能層--------。（2）電子云的形狀

s電子云為球形，p電子云為雙紡錘形，d電子云為多紡錘形。f電子云更復(fù)雜。為了方便，今后用能級(jí)（energylevel）一詞來表達(dá)處于一定能層（K，L，M，N，O，P，Q）的而又具有一定形狀電子云的電子。如，1s能級(jí)，3d能級(jí)、4f能級(jí)等。換句話說：第一能層（K）只有一個(gè)能級(jí)----1s；第二能層（L）有2個(gè)能級(jí)---2s和2p；第三能層（M）有三個(gè)能級(jí)---3s,3p,3d；等等。即能層中含有能級(jí)。55電子云的圖像具有的不同特征（1）電子云在核外空間的擴(kuò)展程度（3）電子云在空間的取向（s電子云）s電子是球形的，以原子核為中心的任何方向離核一定距離的微小空間里電子云的密度是相等的，也就是說，s電子的電子云圖像是球形對(duì)稱的，不存在取向問題。無論1s電子、2s電子、3s電子等都只有一個(gè)取向。56（3）電子云在空間的取向（s電子云）s電（3）電子云在空間的取向（p電子云）量子力學(xué)的結(jié)論是：p電子有3種取向，它們是互相垂直的（正交），分別叫px,py,pz電子。

57（3）電子云在空間的取向（p電子云）量子力學(xué)的結(jié)論是：p電子dxy

dxzdyzdz2dx2y258dxydxzdyzdz2dx2y258四、徑向分布函數(shù)R和角度分布函數(shù)Y

角度分布函數(shù)Y:

波函數(shù)ψ(r,θ,φ)的角度部分是Y(θ,φ)，它只隨θ和φ角度變化，是由量子數(shù)l和m決定的，與n無關(guān)。如果將Y(θ,φ)隨θ，φ的角度變化作圖，就可以得到波函數(shù)ψ的角度分布圖，也就是原子軌道的角度分布圖。若將∣ψ∣2對(duì)θ，φ作圖，則可以得到電子云的角度分布圖。59四、徑向分布函數(shù)R和角度分布函數(shù)Y角度分布函數(shù)Y:5960606161徑向分布函數(shù)D

D=4πr2dr其物理意義是指電子在原子核外距離為r、厚度為Δr的薄層球殼中出現(xiàn)的概率隨半徑r變化時(shí)的分布情況。D值越大表明在這個(gè)球殼里電子出現(xiàn)的概率越大。因而D函數(shù)可以稱為電子球面概率圖像。下圖為氫原子的電子處于不同軌道的D函數(shù)圖像。62徑向分布函數(shù)DD=4πr2dr62峰數(shù)=（n-l）

63峰數(shù)=（n-l）對(duì)于徑向分布函數(shù)及其圖象，應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：①D(r)與∣ψ∣2的物理意義不同，∣ψ∣2為概率密度，指在核外空間某點(diǎn)附近單位體積內(nèi)發(fā)現(xiàn)電子的概率，而D(r)是指在半徑為r的單位厚度球殼內(nèi)發(fā)現(xiàn)電子的概率②由電子概率的徑向分布圖可以看出核外電子是按層分布的。6464

§1-5基態(tài)原子電子組態(tài)（電子排布）

5-1構(gòu)造原理

1.排布原則1)能量最低原理

能量越低越穩(wěn)定，這是自然界的一個(gè)普遍規(guī)律。多電子原子在基態(tài)時(shí)，核外電子總是盡可能分布到能量最低的軌道，這就稱為能量最低原理。電子由能量低的軌道向能量高的軌道排布(電子先填充能量低的軌道,后填充能量高的軌道。電子離原子核越近，能量越低。例如1s軌道的能量最低。2)Pauli(保利)不相容原理

65

§1-5基態(tài)原子電子組態(tài)（電子排布）

5-1構(gòu)造原根據(jù)保里原理獲得幾個(gè)重要結(jié)論：①每一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子只能有一個(gè)。②每一個(gè)原子軌道里包含兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以每一個(gè)原子軌道中最多只能容納兩個(gè)自旋不同的電子。③因?yàn)閟、p、d、f各分層中的原子軌道數(shù)分別為1、3、5、7個(gè)，所以s、p、d、f各分層中分別最多容納2、6、10、14個(gè)電子。④每個(gè)電子層中原子軌道的總數(shù)為n2個(gè)，因此各電子層中電子的最大容量為2n2個(gè)。66根據(jù)保里原理獲得幾個(gè)重要結(jié)論：①每一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子只能有一3)Hunt(洪特)規(guī)則電子在能量簡(jiǎn)并的軌道中,要分占各軌道,且保持自旋方向相同。保持高對(duì)稱性，以獲得穩(wěn)定。包括：軌道全空，半充滿，全充滿三種分布。碳原子核外電子排布。洪特規(guī)則的特例：等價(jià)軌道全充滿、半充滿或全空的狀態(tài)時(shí)比較穩(wěn)定的。全充滿：s2、p6、d10、f14

半充滿：s1、p3、d5、f7

全空：s0、p0、d0、f0構(gòu)造原理：隨核電荷數(shù)的遞增，大多數(shù)元素的電中性基態(tài)原子的電子按如下順序填入核外電子運(yùn)動(dòng)軌道，叫構(gòu)造原理。673)Hunt(洪特)規(guī)則電子在能量簡(jiǎn)并的軌道構(gòu)造原理圖

68構(gòu)造原理圖68隨核電荷數(shù)遞增，電子每一次從填入ns能級(jí)開始到填滿np能級(jí)，建立一個(gè)周期。69隨核電荷數(shù)遞增，電子每一次從填入ns能級(jí)開始到填5-2基態(tài)原子的電子組態(tài)1)電子填充是按近似能級(jí)圖自能量低向能量高的軌道排布的，但書寫電子結(jié)構(gòu)式時(shí)，要把同一主層(n相同)的軌道寫在一起，（見下一頁）2)原子實(shí)表示電子排布時(shí)，內(nèi)層已經(jīng)達(dá)到稀有(惰性)氣體原子的結(jié)構(gòu)。（見下一頁）3)特殊的電子結(jié)構(gòu)要記憶。（見下一頁）我國(guó)著名化學(xué)家徐光憲將電中性原子和正離子的電子組態(tài)的差異總結(jié)為：基態(tài)電中性原子的電子組態(tài)符合（n+0.7l）的順序；基態(tài)正離子的電子組態(tài)符合（n+0.4l）的順序（n、l分別為主量子數(shù)和角量子數(shù)）。705-2基態(tài)原子的電子組態(tài)1)電子填充是按近似能級(jí)圖自能量7171氬的原子實(shí)：Cr的電子結(jié)構(gòu)式簡(jiǎn)寫為：Cr的電子結(jié)構(gòu)式：72氬的原子實(shí)：Cr的電子結(jié)構(gòu)式簡(jiǎn)寫為：Cr的電子結(jié)構(gòu)式：77373

實(shí)驗(yàn)還表明，當(dāng)電中性原子失去電子形成正離子時(shí)，總是首先失去最外層電子，因此，副族元素基態(tài)正離子的電子組態(tài)不符合構(gòu)造原理。

元素電中性原子正離子最外層電子數(shù)Fe3d64s2Fe2+3d6(14e-)

Fe3+3d5(13e-)Cu3d104s1Cu+3d10(18e-)

Cu2+3d9(17e-)74

實(shí)驗(yàn)還表明，當(dāng)電中性原子失去電核外電子的排布示例（1）：75核外電子的排布示例（1）：75核外電子的排布示例（2）：76核外電子的排布示例（2）：76核外電子的排布示例（3）：77核外電子的排布示例（3）：77核外電子的排布示例（4）：78核外電子的排布示例（4）：78§1-6元素周期系元素周期律就是隨著核內(nèi)質(zhì)子數(shù)的遞增，核外電子呈現(xiàn)周期性排布，元素性質(zhì)呈現(xiàn)周期性遞變。1.元素的分區(qū)和族

2.原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素的分區(qū)3.原子的電子層結(jié)構(gòu)與周期的關(guān)系4.原子的電子層結(jié)構(gòu)和元素周期系5.原子的電子層結(jié)構(gòu)與族的關(guān)系6.未來的周期表79§1-6元素周期系元素周期律就是隨著核內(nèi)質(zhì)子數(shù)的遞增，核外1.元素的分區(qū)和族801.元素的分區(qū)和族802.原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素的分區(qū)①s區(qū)最外層電子結(jié)構(gòu)：ns1和ns2，ⅠA族和ⅡA族。②p區(qū)最外層電子結(jié)構(gòu)：ns2np1-6，ⅢA族到0族。③d區(qū)電子層結(jié)構(gòu)：（n-1）d1-9ns1-2，ⅢB族到Ⅷ族。④ds區(qū)電子層結(jié)構(gòu)：（n-1）d10ns1-2，ⅠB族和ⅡB族。⑤f區(qū)電子層結(jié)構(gòu)：（n-2）f0-14(n-1)d0-2ns2，鑭系和錒系元素。

812.原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素的分區(qū)①s區(qū)最外3.原子的電子層結(jié)構(gòu)與周期的關(guān)系從原子核外電子排布的規(guī)律可知，能級(jí)組的劃分是導(dǎo)致周期系中各元素能劃分為周期的原因。元素所在的周期數(shù)與該元素的原子核外電子的最高能級(jí)所在能級(jí)組數(shù)相一致，也與原子核外電子層數(shù)相一致。823.原子的電子層結(jié)構(gòu)與周期的關(guān)系從原子核外電子排布的規(guī)律可83834.原子的電子層結(jié)構(gòu)和元素周期系原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素周期系有著非常密切的關(guān)系。若已知元素的原子序數(shù)，便可寫出該元素的電子層結(jié)構(gòu)，并能判斷出該元素所在的周期和族；反之，若已知元素所在的周期和族，也可以推測(cè)它的原子序數(shù)，并寫出其原子的電子結(jié)構(gòu)式。

844.原子的電子層結(jié)構(gòu)和元素周期系原子的5.原子的電子層結(jié)構(gòu)與族的關(guān)系

元素區(qū)域元素族數(shù)s、p、ds區(qū)元素等于最外電子層的電子d區(qū)元素（其中第Ⅷ族只適用于Ru和Os）等于最外層電子數(shù)與次（n-1）d+nsf區(qū)元素均為第ⅢB族元素855.原子的電子層結(jié)構(gòu)與族的關(guān)系元素區(qū)域元素族數(shù)s、p、6.未來的周期表866.未來的周期表86§1-7.元素基本性質(zhì)的周期性

一.原子半徑二.電離能

三.電子親合能E四.電負(fù)性五.氧化態(tài)87§1-7.元素基本性質(zhì)的周期性一.原子半徑87一.原子半徑

1.概念

1)共價(jià)半徑

2)金屬半徑

3)范德華半徑2.原子半徑在周期表中的變化規(guī)律1)同周期中

2)同族中半徑變化

3.原子半徑的周期性圖例

88一.原子半徑1.概念881)共價(jià)半徑:

同種元素的兩個(gè)原子,以兩個(gè)電子用共價(jià)單鍵相連時(shí),核間距的一半,為共價(jià)半徑。如:H2、X2等同核單鍵雙原子分子,均可測(cè)得其共價(jià)半徑。891)共價(jià)半徑:同種元素的兩個(gè)原子,以兩個(gè)電2)金屬半徑:

金屬晶體中，金屬原子被看為剛性球體，彼此相切，其核間距的一半，為金屬半徑。

902)金屬半徑:金屬晶體中，金屬原子被看為剛性3)范德華半徑單原子分子(He，Ne等)，原子間靠范德華力，即分子間作用力結(jié)合(未成鍵)，在低溫高壓下形成晶體，核間距的一半為范德華半徑。913)范德華半徑單原子分子(He，Ne等)，原原子半徑周期性圖例92原子半徑周期性圖例92二、電離勢(shì)的周期性1.電離能的基本概念2.電離能變化圖例3.電離能的周期性變化4.電離能與價(jià)態(tài)之間的關(guān)系93二、電離勢(shì)的周期性1.電離能的基本概念931.電離能的基本概念:

某元素1mol基態(tài)氣態(tài)原子，失去最高能級(jí)的1mol電子，形成1mol氣態(tài)離子(M+)所吸收的能量，叫這種元素的第一電離能(I1)；

1mol氣態(tài)離子(M+)繼續(xù)失去最高能級(jí)的1mol電子，則為第二電離能(I2)；…….I3,I4…In。

電離能是元素的重要的參數(shù)，電離能越小，表明該元素的原子越易失去電子，氣態(tài)時(shí)，其金屬性越強(qiáng)。此外，電離能還可以說明該元素通常呈現(xiàn)的價(jià)態(tài)，同時(shí)也證明電子在核外是分層排布的。941.電離能的基本概念:某元素1m95959696電離能與價(jià)態(tài)之間的關(guān)系97電離能與價(jià)態(tài)之間的關(guān)系97

Li：I2/I1=14.02倍，增大14倍，不易生成+2價(jià)離子，所以Li+容易形成

Be：I2/I1=1.95倍，I3/I2=8.45倍，所以Be2+容易形成。

B：I3/I2=1.38倍，I4/I3=6.83倍，所以B(III)容易形成。

C：I4/I3=1.35倍，I5/I4=6.08倍，所以C(VI)容易形成。

N：I4/I3=1.26倍，I6/I5=5.67倍，所以N(V)容易形成。98Li：I2/I1=14.02倍，增大14倍，不易三電子親合能E（electronaffinity)

1.概念

1mol某元素的基態(tài)氣態(tài)原子，得到1mol電子，形成氣態(tài)離子時(shí)所放出的能量，叫該元素的電子親合能。同樣有E1,E2,E3,E4,…等。例如：

同周期中，核電荷Z大，原子半徑r小，核對(duì)電子引力大，結(jié)合電子后釋放的能量大，則電子親合能E大。99三電子親合能E（electronaffinity)

1100100左向右，電子親合能E增大，其中氮原子N的(-58)是計(jì)算值,但為何為負(fù)值?因?yàn)镹的電子結(jié)構(gòu)為[He]，2p軌道半充滿,比較穩(wěn)定，不易得電子，如果得到電子，非但不釋放能量，反而要吸收能量，所以E為負(fù)值。

F元素反常的原因：因?yàn)榘霃奖容^小，電子云密度大，排斥外來電子,不易與之結(jié)合,所以E反而比較小。出于同種原因,O元素比同族的S元素和Se元素的電子親合能小。101左向右，電子親合能E增大，其中氮原子N的(既然F的電子親合能比Cl的電子親合能小,為何F2反而比Cl2活潑呢?(容易得電子,氧化能力強(qiáng))。

102既然F的電子親合能比Cl的電子親合能小,為何F2說明：（1）元素的第一電子親合能是放熱的，第二、第三電子親合能是吸熱的。（2）第一電子親合能最大的是Cl，不是F。第二周期元素的電子親合能比第三周期的小，是由于第二周期原子半徑小、軌道數(shù)目少、電子間排斥力大等因素（如N＜P；O＜S）。（3）電子親合能數(shù)值越大，該原子生成氣態(tài)負(fù)離子的傾向性越大。同一周期，自左至右，第一電子親合能逐漸增大。（4）元素具有較高的電離能，也傾向于具有較高的電子親合能。103說明：103

四電負(fù)性的周期性

（ThePeriodicityoftheElectronNegativities）

鮑林首先在1932年提出了電負(fù)性的概念：把原子在分子中吸引電子的能力或本領(lǐng)叫做該元素的電負(fù)性。104

四電負(fù)性的周期性

（ThePeriodicity105105五氧化態(tài)1.正氧化態(tài)絕大多數(shù)元素的最高正氧化態(tài)等于它所在族的序數(shù)。2.負(fù)氧化態(tài)

非金屬元素普遍可呈現(xiàn)負(fù)氧化態(tài)。他們的最低負(fù)氧化態(tài)等于（族序數(shù)-8）。YBa2Cu3O7超導(dǎo)氧化物的結(jié)構(gòu)像106五氧化態(tài)1.正氧化態(tài)絕大多數(shù)元素的最高正氧化態(tài)等于本章小結(jié)：

1.熟練掌握原子軌道能級(jí)次序2.熟練掌握原子核外電子排布，所屬周期、族的劃分，能夠?qū)懗鱿鄳?yīng)的元素符號(hào)。Fe:3d64s2Co：3d74s2Ni：3d84s2３.熟記元素周期表４.原子半徑的變化規(guī)律５.La系收縮的結(jié)果：Zr和Hf，Nb和Ta，Mo和W６.第一電離能的變化規(guī)律，電離能最大的元素幾個(gè)電離能反常元素Be>B，N>OMg>Al，P>S７.第一電子親合能107本章小結(jié)：

1.熟練掌握原子軌道能級(jí)次序107本章作業(yè)：

無機(jī)化學(xué)，北師大：P63:23，25，27，32，35,44108本章作業(yè)：

無機(jī)化學(xué)，北師大：108第一章原子結(jié)構(gòu)與元素周期系§1-1、道爾頓原子論1、原子

古希臘哲學(xué)家德謨克利特根據(jù)早先哲學(xué)家們得來的一些概念，提出了宇宙萬物是由真空和原子組成的說法。他把原子看成萬古不變和不可再分的——絕對(duì)微小，小到不能再分的。英國(guó)化學(xué)家道爾頓提出了一個(gè)假說：一切物質(zhì)都是由幾種不同種類的、相當(dāng)于元素的物質(zhì)微粒組成的。他把這些粒子叫原子（atom）。這一名詞是從希臘語atoms而來的，意思是不可分割的意思（a-否定的前綴，tom切，割之意）。

三個(gè)顯著的特點(diǎn)：

（1）原子的大部分的質(zhì)量集中于原子核內(nèi)

109第一章原子結(jié)構(gòu)與元素周期系§1-1、道爾頓原子論1

（2）核的體積很小，約為整個(gè)原子體積的10-15大小，因此原子內(nèi)原子核外有較大的空間。（3）原子內(nèi)原子核的密度非常大。

近代盧瑟福的核型原子模型見圖1-1。

110

（2）核的體積很小，約為整個(gè)原子體積的10-15大

2.分子

阿伏加德羅引入分子的概念,認(rèn)為:分子是由原子組成的。到現(xiàn)在我們對(duì)分子有了正確的認(rèn)識(shí)。它是“保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的最小微粒”3、原子-分子論（1）一切物質(zhì)都是由分子組成的，而分子是由原子組成的。分子是物質(zhì)能夠獨(dú)立存在且保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的最小微粒。原子則是構(gòu)成分子的更小微粒，它是物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的基本粒子，原子一般不能獨(dú)立存在；

（2）同種原子化學(xué)性質(zhì)相同，質(zhì)量相同，不同原子化學(xué)性質(zhì)和質(zhì)量均不相同；

（3）單質(zhì)分子由相同的原子組成的，化合物分子是由不同原子組成的，分子的質(zhì)量等于組成它的原子質(zhì)量總和；

（4）分子和原子都在不停地運(yùn)動(dòng)。

1112.分子阿伏加德羅引入分子的概念,認(rèn)為:分子是由§1-2相對(duì)原子質(zhì)量（原子量）一、元素與核素1、元素

亞里士多德：“發(fā)生和消滅”。他認(rèn)為以四種“原性”作為自然界最為原始的性質(zhì)，即“熱、冷、干、濕”。把它們成對(duì)對(duì)組合起來，就得出四種“元素”，火、氣、水、土。

進(jìn)入制藥時(shí)期后，瑞士的醫(yī)藥學(xué)家柏拉塞斯提出物質(zhì)是由三種元素-----鹽、汞、硫依一定的比例所組成的。

現(xiàn)代的觀點(diǎn)：具有一定核電荷數(shù)（等于核內(nèi)質(zhì)子數(shù)）的原子為一種（化學(xué)）元素。元素是一類原子的總稱。是以核電荷數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)原子進(jìn)行分類的，也即原子的核電荷數(shù)是決定元素性質(zhì)的關(guān)鍵。112§1-2相對(duì)原子質(zhì)量（原子量）一、元素與核素4

同位素：天然元素大都是由幾種同位素組成的。

元素的同位素間的區(qū)別是質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同。由于決定元素性質(zhì)的是核內(nèi)質(zhì)子數(shù)（即核電荷數(shù)），所以一種元素的不同的同位素具有相同的化學(xué)性質(zhì)，但有時(shí)會(huì)影響到反應(yīng)速度，物理性質(zhì)有所區(qū)別。這里同位是質(zhì)子數(shù)相同，在周期表中占據(jù)同一位置的意思。113

同位素：天然元素大都是由幾種同位素組成的。

2、核素具有一定質(zhì)子數(shù)和一定中子數(shù)的原子稱為一種核素?？梢苑Q為氧元素的三種核素。也可稱為O-17核素，氧-16核素。這里的16、17時(shí)指質(zhì)量數(shù)，即核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和。核素的左下角是該核素的原子核里的質(zhì)子數(shù)，左上角為核素的質(zhì)量數(shù)。有時(shí)也可以省略左下角的質(zhì)子數(shù)，簡(jiǎn)寫為：

豐度：某種元素的各種天然同位素的分?jǐn)?shù)組成（原子百分比）稱為同位素的豐度。如：

1142、核素具有一定質(zhì)子數(shù)和一定中子數(shù)的原子稱為一種

單核素元素：天然核素中有的元素只有一種穩(wěn)定的核素，稱為單核素元素。

多核素元素：有的元素有多種穩(wěn)定的核素，稱為多核素元素。如錫元素有十幾種核素。

同重異位素：即原子中所含的質(zhì)子數(shù)不同，（即核電荷數(shù)不同）但原子的質(zhì)量數(shù)卻相同。

115

單核素元素：天然核素中有的元素只有一種穩(wěn)定的

元素和單質(zhì)是宏觀的概念。單質(zhì)是元素的游離形式，元素只能存在于具體的物質(zhì)中，離開具體的物質(zhì)，抽象的元素是不存在的。從這個(gè)角度講，元素和單質(zhì)既有區(qū)別又有聯(lián)系。

原子是微觀的概念，而元素是一定種類的原子的總稱。

元素符號(hào)既表示一種元素，也表示該元素的一個(gè)原子。在討論物質(zhì)的構(gòu)造時(shí)，原子的概念又有量的含義，即可以論個(gè)數(shù)，也可以論質(zhì)量。但元素沒有這種意義，它指的是同一種類的原子。如：水是由氫、氧兩種元素組成的，水分子含有兩個(gè)氫原子，而不能說水分子含有兩個(gè)氫元素和一個(gè)氧元素，元素只分種類，不分個(gè)數(shù)。

116

二、原子量1、原子量的演變及標(biāo)準(zhǔn)

道爾頓的標(biāo)準(zhǔn)H=1

從相對(duì)值的意義上講，可以取任一種元素的質(zhì)量為相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。但因氫元素的原子是最輕的，若把最輕的氫原子取為一個(gè)最小的整數(shù)作為原子量的標(biāo)準(zhǔn)，則其它元素的原子量皆可得到一個(gè)比1大的正值。

斯塔斯（Stas）標(biāo)準(zhǔn)：O=16

當(dāng)時(shí)，已知大多數(shù)元素皆可和氧化合，因此又選定氧等于16為標(biāo)準(zhǔn)，這也是化學(xué)原子量標(biāo)準(zhǔn)。

物理界就以天然=16作為物理原子量的標(biāo)準(zhǔn)。1926年發(fā)現(xiàn)氧有三種同位素后，且這三種同位素在自然界中的分布并不均勻，因而這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并不十分恰當(dāng)，于是這樣就出現(xiàn)了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。117二、原子量1、原子量的演變及標(biāo)準(zhǔn)9

它是以12C=12為標(biāo)準(zhǔn)的，為什么這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以12C為標(biāo)準(zhǔn)：

①12C在碳的天然同位素中所含的豐度是比較固定的，不會(huì)因地而異（也就是相對(duì)百分?jǐn)?shù)）。

②對(duì)12C的質(zhì)量測(cè)定比較準(zhǔn)確

③以12C=12為標(biāo)準(zhǔn)后，各元素原有原子的原子量變化不大，僅比過去所用的原子量降低了0.0043%。2、元素的相對(duì)原子質(zhì)量（原子量，常用Ar（E）表示）定義：原子量是指一種元素的1摩爾質(zhì)量對(duì)核素12C的1摩爾質(zhì)量的1/12的比值。118它是以12C=12為標(biāo)準(zhǔn)的，為什么這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以1①原子量是一個(gè)比值，無量綱的純數(shù)；

②單核素元素的原子量等于該元素的核素的相對(duì)原子質(zhì)量；

③多核素元素的原子量等于該元素的天然同位素相對(duì)原子質(zhì)量的加權(quán)平均值。加權(quán)平均值就是幾個(gè)數(shù)值分別乘上一個(gè)權(quán)值在加起來。對(duì)于元素的相對(duì)原子質(zhì)量（原子量），這個(gè)權(quán)值就是同位素的豐度。

3、原子量、原子質(zhì)量和平均原子質(zhì)量的關(guān)系

119①原子量是一個(gè)比值，無量綱的純數(shù)；表1-1原子量、原子質(zhì)量和平均原子質(zhì)量的關(guān)系120表1-1原子量、原子質(zhì)量和平均原子質(zhì)量的關(guān)系12

§1-3原子結(jié)構(gòu)的波爾行星模型3-1氫原子光譜----量子化特征的實(shí)驗(yàn)依據(jù)

連續(xù)光譜：如果復(fù)色光中含有各種頻率的光，所得到的光譜就是連續(xù)的光帶-----連續(xù)光譜。連續(xù)光譜可按照紅橙黃綠藍(lán)靛紫的順序排列。

線狀光譜：如復(fù)色光中所含的光波的頻率不齊全，只含有少數(shù)幾種頻率的光波，這時(shí)就會(huì)得到明暗區(qū)間隔開的若干條明線組成的光譜，稱線狀光譜。每一條線都與一種頻率的光波相對(duì)應(yīng)，譜線的位置分布決定于光波的頻率。

線狀光譜實(shí)際上是由單原子氣體受熱后發(fā)出的光發(fā)生的，且與元素的種類有關(guān)，因此又稱為原子光譜（這些光譜又稱為原子的特征譜線）。1211312214巴爾末經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

λ=3646.00n2/(n2-4)；

λ為譜線的波長(zhǎng)，n為譜線的編號(hào)。瑞典物理學(xué)家里德堡把巴爾末的經(jīng)驗(yàn)方程改寫為：:譜線波長(zhǎng)的倒數(shù),波數(shù)(cm-1)，n:大于2的正整數(shù)。RH：常數(shù),1.096107m-1123巴爾末經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：λ=3646.00n2/(n2-4)；

n=3,4,5,6對(duì)應(yīng)氫光譜中

↓↓↓↓

H、H、H、H、Balmer系

物理學(xué)家里德堡找出了氫原子光譜可見光區(qū)各譜線之間實(shí)驗(yàn)規(guī)律性關(guān)系的公式，即里德堡公式：

c為光速，R∞為里德堡常數(shù)，其值為1.097×105cm-1，

n1和n2為正整數(shù)，而且n2＞n1，n為1、2、3、4、……

氫原子光譜中的線系

124

n=3,4氫原子光譜線系125氫原子光譜線系17126183-2波爾理論

古希臘哲學(xué)家德謨克利特：認(rèn)為原子是組成宇宙萬物的極微小的，硬的，不可穿透的，不可分割的粒子。

道爾頓原子學(xué)說：認(rèn)為原子是組成一切元素不能再分割，不能毀滅的最小粒子。

盧瑟福核型原子模型：隨著元素周期律，氫原子光譜的發(fā)現(xiàn)，放射性、電子和原子核的相繼被發(fā)現(xiàn)，盧瑟福提出了核型原子模型。1273-2波爾理論19波爾行星模型，理論的基本要點(diǎn)（1）:

（1）行星模型波爾假定，氫原子核外的電子是處于一定線性軌道上繞核運(yùn)行的，正如太陽系中行星繞太陽運(yùn)行一樣。（2）定態(tài)假設(shè)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，不會(huì)釋放能量，這種狀態(tài)稱為定態(tài)。能量最低的定態(tài)叫做基態(tài)；能量高于基態(tài)的定態(tài)叫做激發(fā)態(tài)。

128波爾行星模型，理論的基本要點(diǎn)（1）:

（1）行星模波爾行星模型，理論的基本要點(diǎn)（2）:對(duì)氫原子來說Z=1，n=1，r=52.9pm，這個(gè)數(shù)值叫做玻爾半徑。（3）量子化條件

波爾假定，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)量（L=mvr，其中m電子質(zhì)量，v電子線速度，r電子線軌道的半徑），只能按下式取值：129波爾行星模型，理論的基本要點(diǎn)（2）:對(duì)氫原子來說Z

n=1,2,3,4,5……

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革命性假設(shè)。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。玻爾的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光子論的啟發(fā)提出來的。上式中的正整數(shù)n稱為“量子數(shù)”（后來叫“主量子數(shù)”）。在后來的新量子論中，玻爾創(chuàng)造的量子數(shù)一詞被保留了，但其得出卻不在像玻爾那樣生造硬賦，而是確立核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)解的必然結(jié)果。130n=1,2,3,4,5……波爾行星模型，理論的基本要點(diǎn)（3）:(4)躍遷規(guī)則

電子吸收光子就會(huì)躍遷到能量高的激發(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)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，這就是所謂的“躍遷規(guī)則”,可以用下式來計(jì)算任一躍遷相關(guān)的光子的能量和波長(zhǎng)：ΔE=B（1/n12–1/n22）；1/λ=(B/hc)（1/n12–1/n22）131波爾行星模型，理論的基本要點(diǎn)（3）:(4)躍遷規(guī)則23

例1.

氫原子從n2=3的能級(jí)躍遷到n1=2的能級(jí)時(shí)放出光子的波長(zhǎng)是多少？

解：由玻爾假設(shè)，hυ=E2-E1；故hc/λ=E2-E1即λ=hυ/（E2-E1）又由

E2-E1=2.18Х10-18（1/22-1/32），將此值代入得到λ=656.9（nm）即是氫原子光譜中的在可見光部分的那條紅線，n1=2時(shí)屬于巴爾末線系。

132

例1.氫原子從n2=3的能玻爾的假說解決了如下幾個(gè)問題：（1）激發(fā)態(tài)原子為什么會(huì)發(fā)射出光射線。（2）原子輻射能量的不連續(xù)性，氫光譜線波長(zhǎng)的不連續(xù)性。（3）比較好地說明了氫光譜線頻率的規(guī)律性（即里德堡公式）。（4）提出了n是能級(jí)的概念，這為人們后來研究光譜學(xué)以及發(fā)展物質(zhì)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代理論做出了貢獻(xiàn)133玻爾的假說解決了如下幾個(gè)問題：（1）激發(fā)態(tài)原子為什么會(huì)發(fā)射出玻爾理論的缺陷：

（1）未能完全沖破經(jīng)典物理的束縛，只是在經(jīng)典力學(xué)連續(xù)性概念的基礎(chǔ)上，人為地加上了一些量子化的條件，在討論氫原子中電子運(yùn)動(dòng)的圓周軌道和計(jì)算軌道半徑時(shí)，都是以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)的，它使電子在核外的運(yùn)動(dòng)采取了宏觀物體的固定軌道，而沒有考慮到電子的運(yùn)動(dòng)根本不遵守經(jīng)典物理學(xué)中的力學(xué)定律。（2）玻爾理論解釋不了多電子原子的光譜和氫光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)等問題。134玻爾理論的缺陷：

（1）未能完全沖破經(jīng)典物理的束§1-4氫原子結(jié)構(gòu)（核外電子運(yùn)動(dòng)）的量子力學(xué)模型4-1微觀粒子的波粒二象性

普朗克的公式（物質(zhì)吸收或發(fā)射的能量大小與輻射的頻率成正比）

愛因斯坦光子學(xué)說中提出的光子的波長(zhǎng)λ與動(dòng)量P之間的關(guān)系式：

兩式中，左邊的E和P是表征粒子性的物理量，右邊的ν和λ是表征波動(dòng)性的物理量，這兩種性質(zhì)通過普朗克常數(shù)h定量地聯(lián)系起來了，從而很好地揭示了光的二象性的本質(zhì)。135§1-4氫原子結(jié)構(gòu)（核外電子運(yùn)動(dòng)）的量子力學(xué)模型4-1微4-2

德布羅意關(guān)系根據(jù)光的波粒二象性規(guī)律，大膽提出人們?cè)谘芯课⒂^粒子時(shí),忽略了粒子的波動(dòng)性，指出微粒象光一樣，也具有波粒二象性,并提出德布羅意關(guān)系式：

等式左邊:m,p是與質(zhì)量,動(dòng)量相關(guān),說明具備粒子性。等式右邊與相關(guān),說明具備波動(dòng)性(v為粒子的運(yùn)動(dòng)速度)。

電子衍射實(shí)驗(yàn)：證實(shí)了德布羅意關(guān)系式的正確性。1364-2德布羅意關(guān)系根據(jù)光的波粒二象性規(guī)律，大德布羅意波：人們把微觀粒子所具有的波稱為德布羅意波或物質(zhì)波。由于微觀粒子具有波粒二象性，因此要想同時(shí)并準(zhǔn)確地測(cè)定微觀粒子的速度和所在的空間位置是完全不可能的

137德布羅意波：人們把微觀粒子所具有的波稱為德布羅意4-3海森堡不確定性原理對(duì)于一個(gè)物體的動(dòng)量（mv）的測(cè)量的偏差（Δmv）和對(duì)該物體的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，也就是該物體的位置（x）的測(cè)量偏差（Δx）的乘積處于普朗克常數(shù)的數(shù)量級(jí)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

我們的教材是h/4π,有的直接書寫為h。

1384-3海森堡不確定性原理對(duì)于一個(gè)物體的動(dòng)量（

例2.

質(zhì)量m約為10-15Kg，運(yùn)動(dòng)速度V約為10-2m.s-1的塵埃，若位置的不確定量Δx=10-3m（已相當(dāng)精確了，在毫米級(jí)有誤差），則速度的不確定量Δv是多少？

解：由Δx·ΔP=h,Δv=h/mΔx=6.63×10-34/(10-15×10-3)=6.63×10-11。這個(gè)數(shù)值比起灰塵的速度（10-2m.s-1）完全可以忽略不計(jì)。至于質(zhì)量更大的宏觀物體，由不確定性原理確定的Δx和Δv更微不足道了。因而他們服從經(jīng)典力學(xué)，然而微觀粒子的運(yùn)動(dòng)則不然。如下一例：139

例2.質(zhì)量m約為10-15Kg，運(yùn)動(dòng)速度

例3.原子中的電子，其速度約為106m·s-1,,質(zhì)量m=9.1×10-31Kg，原子的大小數(shù)量級(jí)為10-10m，因此坐標(biāo)合理的準(zhǔn)確度至少需要達(dá)到Δx=10-11m,計(jì)算電子速度不確定量？解：Δv=h/mΔx=6.63×10-34/(9.1×10-31×10-11)=7.3×107(m·s-1)。這個(gè)數(shù)值超過了電子速度本身（106m·s-1,量級(jí)）的幾十倍，顯然是不可能忽略的。140

例3.原子中的電子，其速度約為106m·s4-4微觀粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)性規(guī)律若通過電子槍一粒粒發(fā)射電子,通過狹縫打到感光屏幕上,時(shí)間較短時(shí),電子數(shù)目少,每個(gè)電子的分布無規(guī)律；而當(dāng)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),電子的數(shù)目足夠多時(shí),出現(xiàn)衍射環(huán)。衍射環(huán)的出現(xiàn),表明了電子運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)性,所以波動(dòng)性是粒子性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，即這種電子的分布是有規(guī)律的。以上介紹的微觀粒子的三個(gè)特征（波粒二象性，不確定性原理，運(yùn)動(dòng)規(guī)律的統(tǒng)計(jì)性）說明，研究微觀粒子，不能用經(jīng)典的牛頓力學(xué)理論。而找出微觀粒子的空間分布規(guī)律，必須借助數(shù)學(xué)方法，建立一個(gè)數(shù)學(xué)模式，找出一個(gè)函數(shù)，用這一函數(shù)來研究微觀粒子。1414-4微觀粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)性規(guī)律若通過電子槍一粒粒發(fā)射電子,4-5氫原子的量子力學(xué)模型一、薛定諤方程式中：m:微粒的質(zhì)量（這些微粒包括電子，原子，分子等）E：能量V：勢(shì)能：波函數(shù)。1424-5氫原子的量子力學(xué)模型一、薛定諤方程式中：m:二用四個(gè)量子數(shù)描述電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

波函數(shù)的下標(biāo)1,0,0；2,0,0；2,1,0所對(duì)應(yīng)的是n,l,m,稱為量子數(shù)。1.主量子數(shù)n

意義：表示原子的大小,核外電子離核的遠(yuǎn)近和電子能量的高低。①主量子數(shù)n：是決定電子層數(shù)的，n值相同的電子在一個(gè)電子層。

n的取值范圍：n=1、2、3、4……n（正整數(shù)）143二用四個(gè)量子數(shù)描述電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)波函數(shù)的1.主量子數(shù)n

②主量子數(shù)n是決定電子能量高低的主要因素。對(duì)于單電子原子或類氫離子來說，n值越大，電子的能量越高。對(duì)于多電子來說，核外電子能量既與n有關(guān)，又與l有關(guān)，取決于n和l的取值。主量子數(shù)n：1，2，3，4，5，6，7……(光譜符號(hào))電子層符號(hào)：K，L，M，N，O，P，Q……1441.主量子數(shù)n

②主量子數(shù)n是決定電子能量高低的主要因素2.角量子數(shù)l

角量子數(shù)l，亦稱副量子數(shù)。

意義:決定了原子軌道的形狀。

l取值范圍：對(duì)于給定的n值，l只能取小于n的整數(shù)值。

l=0，1，2，3……(n-1)，共n個(gè)取值。光譜學(xué)上常用下列符號(hào)代表角量子數(shù)l：角量子數(shù)l01234……光譜符號(hào)s