第一節(jié)原子結(jié)構(gòu)模型

第一節(jié)原子結(jié)構(gòu)模型第1頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一人類認(rèn)識原子的歷史公元前400多年，古希臘哲學(xué)家德謨克利特等人認(rèn)為:萬物是由大量的不可分割的微粒構(gòu)成的，這種微粒即原子。第2頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一

1803年，英國化學(xué)家道爾頓提出近代原子學(xué)說，他認(rèn)為原子是微小的不可分割的實心球體第3頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一

1903年，英國物理學(xué)家湯姆遜在發(fā)現(xiàn)電子的基礎(chǔ)上提出了原子結(jié)構(gòu)的”葡萄干布丁”模型第4頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一電子是種帶負(fù)電、有一定質(zhì)量的微粒，普遍存在于各種原子之中。湯姆生原子模型：原子是一個平均分布著正電荷的粒子，其中鑲嵌著許多電子，中和了電荷，從而形成了中性原子。原子是一個球體，正電荷均勻分布在整個球體內(nèi)，電子像面包里的葡萄干鑲嵌其中。第5頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一

1911年,英國物理學(xué)家盧瑟福根據(jù)α粒子散射實驗提出了原子結(jié)構(gòu)的核式模型第6頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一盧瑟福原子模型（又稱行星原子模型）：原子是由居于原子中心的帶正電的原子核和核外帶負(fù)電的電子構(gòu)成。原子核的質(zhì)量幾乎等于原子的全部質(zhì)量，電子在原子核外空間繞核做高速運動。第7頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一

1913年，丹麥科學(xué)家玻爾進(jìn)一步建立起核外電子分層排布的原子結(jié)構(gòu)模型第8頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一玻爾借助誕生不久的量子理論改進(jìn)了盧瑟福的模型。玻爾原子模型（又稱軌道模型）：當(dāng)原子只有一個電子時，電子沿特定球形軌道運轉(zhuǎn)；當(dāng)原子有多個電子時，它們將分布在多個球殼中繞核運動第9頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一二十年代第10頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一現(xiàn)代科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，核外電子的運動狀態(tài)與宏觀物質(zhì)的運動不同，它無固定的軌道，也不能描畫出它的軌跡，只能指出它在原子核外空間某處出現(xiàn)機(jī)會的多少。電子在原子核周圍有的區(qū)域出現(xiàn)的次數(shù)多，有的區(qū)域出現(xiàn)的次數(shù)少，就像“云霧”籠罩在原子核周圍。因而提出了“電子云模型”。電子云密度大的地方，表明電子在核外單位體積內(nèi)出現(xiàn)的機(jī)會多，反之，出現(xiàn)的機(jī)會少。第11頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一人類認(rèn)識原子的歷史進(jìn)程1803－1903－－1911－－－1913－－－20年代第12頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一人類認(rèn)識原子的歷史進(jìn)程第13頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一光和光譜光是指人的視覺能感覺到的、在真空中波長介于４００nm－７００nm之間的電磁波。不同波長的光在人的視覺中表現(xiàn)出不同的顏色，按波長由長到短依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。除可見光外，還包括紅外光、紫外線、Ｘ射線等１、氫原子光譜一、氫原子光譜和波爾的原子結(jié)構(gòu)模型第14頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一

光譜：許多物質(zhì)都能夠吸收光或發(fā)射光。為了研究物質(zhì)的這種性質(zhì)，人們利用儀器將物質(zhì)吸收或發(fā)射的光的波長和強(qiáng)度分布記錄下來，得到的一種光帶叫光譜。第15頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一連續(xù)光譜：若由光譜儀獲得的光譜是由各種波長的光所組成，且相近的波長差別極小而不能分辨，則所得光譜稱為連續(xù)光譜。如太陽光、白熾燈發(fā)出的白光等。連續(xù)光譜和線狀光譜第16頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一連續(xù)光譜和線狀光譜線狀光譜：由光譜儀獲得的光譜是由具有特定波長的、彼此分立的譜線所組成，這樣的光譜叫線狀光譜。如NaCl在煤氣燈火焰上灼燒發(fā)出的光、氫原子光譜等。氫原子光譜的測定示意圖和氫原子的線狀光譜圖第17頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型和經(jīng)典的電磁學(xué)觀點，將導(dǎo)致兩種結(jié)果：⑴電子不斷發(fā)射能量，自身能量會不斷減少，電子運動的軌道半徑也將逐漸縮小，電子很快就會落在原子核上，即有核原子模型所表示的原子是一個不穩(wěn)定的體系。⑵電子自身能量逐漸減少，電子繞核旋轉(zhuǎn)的頻率也要逐漸地改變，根據(jù)經(jīng)典電磁理論，輻射電磁波的頻率將隨著旋轉(zhuǎn)頻率的改變而逐漸變化，因而原子發(fā)射的光譜應(yīng)是連續(xù)光譜。玻爾提出電子分層排布的歷史背景：第18頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一[質(zhì)疑]根據(jù)盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型和經(jīng)典的電磁學(xué)觀點，圍繞原子核高速運動的電子一定會自動且連續(xù)地輻射能量，其光譜應(yīng)是連續(xù)光譜而不應(yīng)是線狀光譜。那么，氫原子的光譜為什么是線性光譜而不是連續(xù)光譜呢？第19頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一n=1n=2n=3n=1n=2n=3能量依次升高能量的量子化軌道能量量子化各軌道的能量不能連續(xù)變化，只能取某些不連續(xù)的值，稱為能量量子化。軌道的能量依n值的增大而升高，n稱為量子數(shù)。對氫原子的一個電子而言，n等于1時軌道的能量最低，稱為基態(tài)，處于其它軌道時稱為激發(fā)態(tài)。第20頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一２、玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型基本觀點１、電子在具有確定半徑的圓周軌道上繞核運動，并且不輻射能量。２、在不同軌道上運動的電子具有不同的能量（E）且是量子化的。３、電子在不同軌道間的躍遷，會輻射或吸收能量，如果以光的形式表現(xiàn)并被記錄下來就是光譜KLME大E小第21頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一n=1n=2n=3n=4能量依次升高電子的躍遷會吸收或輻射能量第22頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一n=1n=∞n=3n=4n=5n=2氫原子光譜是線狀光譜紫外光譜可見光譜紅外光譜基態(tài)激發(fā)態(tài)第23頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一氫原子光譜與玻爾軌道第24頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一交流與討論對于氫原子來說，電子從能量

的軌道躍遷到n=

的軌道所形成的譜線在紫外光區(qū)；電子從能量

的軌道躍遷到n=

的軌道所形成的譜線在可見光區(qū)，電子從能量

的軌道躍遷到n=

的軌道所形成的譜線在紅外光區(qū)。反過來，人們通過光譜實驗獲得的譜線的頻率或波長的數(shù)值，就能知道電子是在哪些軌道間躍遷了。123高高高第25頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一玻爾原子結(jié)構(gòu)模型的成功與不足玻爾的核外電子分層排布的原子結(jié)構(gòu)模型成功地解釋了氫原子光譜是線狀光譜的實驗事實；其重大貢獻(xiàn)在于指出了原子光譜源自核外電子在能量不同的軌道之間的躍遷，而電子所處軌道的能量是量子化的。不能解釋氫原子的精細(xì)光譜；不能解釋多電子原子、分子或固體的光譜。成功：不足：第26頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一實驗事實在通常條件下，鈉原子中處于n=4的狀態(tài)的電子躍遷到n=3的狀態(tài)時，會產(chǎn)生多條譜線；在外磁場存在時，無論是氫原子還是多電子原子的光譜原來的一條譜線都可能分裂為多條；用高分辨光譜儀在無外磁場的情況下觀察時發(fā)現(xiàn)，氫原子的電子由n=2的狀態(tài)躍遷到n=1的狀態(tài)時，得到的是兩條靠得很近的譜線，與此類似，鈉原子的黃色光的譜線也表現(xiàn)為靠得很近的兩條線。第27頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一①為什么在通常條件下，鈉原子中的處于n=4能層的電子躍遷到n=3能層的狀態(tài)時，在高分辨光譜儀上看到的不是一條譜線，而是多條譜線？②在高分辨光譜儀中，氫原子的電子從n=2躍遷到n=1層時，得到兩條靠得很近的譜線？n=4n=3n=2n=1聯(lián)想與質(zhì)疑第28頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一玻爾只引入一個量子數(shù)n,能比較好地解釋氫原子線狀光譜產(chǎn)生的原因；但復(fù)雜的光譜解釋不了。由于原子中電子的運動狀態(tài)的復(fù)雜性，必須用多個量子數(shù)來描述．量子力學(xué)中單個電子的空間運動狀態(tài)稱為原子軌道.每個原子軌道可由三個只能取整數(shù)的量子數(shù)n、l、m共同描述.二、量子力學(xué)對原子核外電子運動狀態(tài)的描述第29頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一n的取值為正整數(shù)１，２，３，４，５，６…對應(yīng)的符號為Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎ，Ｏ，Ｐ…n越大，電子離核的平均距離越遠(yuǎn)，能量越高。人們將n所表示的運動狀態(tài)稱為電子層。1、主量子數(shù)n:練習(xí):下列各層電子能量的從高到低的順序是A.M層B.K層C.N層D.L層第30頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一l取值為0，１，２，３…(n－1)，共n個數(shù)值符號為s，p，d，f等

n、l值均相同的電子具有相同的能量，因此我們用能級來標(biāo)記具有相同n、l值的電子運動狀態(tài)。在一個電子層中，l有多少個取值，就表示該電子層有多少個不同的能級。能級能量：ns<np<nd<nf2、角量子數(shù)l：第31頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一練習(xí):找出下列條件下能級的數(shù)目，并寫出其能級的符號n=1l=能級符號B.n=2l=能級符號C.n=3l=能級符號D.n=4l=能級符號1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f規(guī)律:每層的能級數(shù)值=電子層數(shù)0010120123第32頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一m可以取0、±1、±2…±l共(2l+1)個數(shù)值通常用原子軌道表示n、l、m確定的核外電子的空間運動狀態(tài)。l=0，m=0，l=1，m=0、±1，l=2，m=0、±1、±2

l=3，m=0、±1、±2、

±3

3、磁量子數(shù)m:

S能級有1個軌道P能級有3個軌道d能級有5個軌道f能級有7個軌道第33頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一練習(xí)：找出下列條件下原子軌道的數(shù)目n=1B.n=2C.n=3規(guī)律：每層的原子軌道數(shù)為層數(shù)的平方(n2)l=0m=01s1l=0，m=0；l=1，m=0、±12s2px2py2pz4l=0、m=0；l=1，m=0、±13s3px3py3pzl=2，m=0、±1

±23dxy、3dyz、3dxz、3dx2-y2、3dz29

第34頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一處于同一原子軌道上的電子自旋運動狀態(tài)只能有兩種，ms=±1/2，分別用符號“↑”和“↓”表示。注意：自旋并不是”自轉(zhuǎn)”，實際意義更為深遠(yuǎn)。4、自旋磁量子數(shù)ms：第35頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一小結(jié)：量子數(shù)和原子軌道的關(guān)系±1/20,±1±2d2±1/20,±1p1±1/20s0M3±1/20,±1p1±1/20s0L2±1/20s0K1取值符號取值符號取值符號取值ms原子軌道m(xù)ln1s2s2px、2py、2pz3s3px3py3pz3dxy、3dyz、3dxz

3dx2-y2、3dz2第36頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一各能層存在的能級及其數(shù)目n=1n=2n=3n=41s2s2p3s3p3d4s4p4d4f能級0010120123角量子數(shù)（l）能層n能層數(shù)等于其所含能級數(shù)目第37頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一不同類型的能級的軌道數(shù)目不同

——同一類型的能級可能存在不同的伸展方向n=1n=2n=3n=4（角量子數(shù)）（l）00101201231s2s2p3s3p3d4s4p4d4f能級磁量子數(shù)m000±100±10±

1±20±

1±2±30±

1±20±10能層11315713531軌道數(shù)確定電子的核外運動空間即原子軌道需要三個量子數(shù)：n、l、m原子軌道第38頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一確定一個電子的運動狀態(tài)需要四個量子數(shù)：n、l、m、ms（角量子數(shù)）（l）00101201231s2s2p3s3p3d4s4p4d4f能級磁量子數(shù)m000±100±10±

1±20±

1±2±30±

1±20±10能層n=1n=2n=3n=4電子自旋ms±1/2±1/2±1/2±1/2±1/2±1/2±1/2±1/2±1/2±1/2第39頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一通過以上討論可以得知：主量子數(shù)n對應(yīng)著電子層；主量子數(shù)n和角量子數(shù)l對應(yīng)著n電子層中的能級；主量子數(shù)n、角量子數(shù)l和磁量子數(shù)m對應(yīng)著n電子層中l(wèi)能級中的原子軌道；自旋磁量子數(shù)ms描述的是電子的自旋性質(zhì)。描述空間運動狀態(tài)即原子軌道的量子數(shù)是:n、l、m.描述電子運動的量子數(shù)是:n、l、m、ms.

第40頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一[思考]實驗證明，同一原子中不可能有四個量子數(shù)完全相同的電子存在。試推斷：每個原子軌道最多有幾個電子?每個電子層最多有多少個電子?每層的能級數(shù)=電子層數(shù)(n)每層原子軌道數(shù)＝n2每層最多容納電子數(shù)＝2n2第41頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一回顧與復(fù)習(xí)

描述能層需要什么量子數(shù)？描述能級需要什么量子數(shù)？描述軌道需要什么量子數(shù)？描述一個電子的運動狀態(tài)通常需要哪幾個量子數(shù)？

第42頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一練習(xí)1、指出下列符號的含義：

1s3p2s3d2、將下列各能級按照能量由低到高的順序排列起來：①3p、2s、3d、1s、2p、3s②4p、4s、3d、2s、1s③2s、2p、1s、3p第43頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一2.下列各電子層，不包含d能級的是（）。A.N電子層B.M電子層C.L電子層D.K電子層C、D3.下列能級中，軌道數(shù)為5的是（）。

A.s能級B.p能級C.d能級C4.以下各能級能否存在？如果能存在，各包含多少軌道？（1）2s（2）2d（3）4p（4）5d答：（1）2s存在，軌道數(shù)為1（2）2d不能存在（3）4p存在，軌道數(shù)為3（4）5d存在，軌道數(shù)為55.寫出下列各組量子數(shù)表示的原子軌道的符號。（1）n=1，l

=1（2）n=4，l=0（3）n=5，l=2

2p4s5d第44頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一三、原子軌道的圖像和電子云1、原子軌道的圖形描述根據(jù)量子力學(xué)理論，將原子軌道在空間的分布以圖象方式在直角坐標(biāo)系中表示出來。第45頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一x+yz1s1s原子軌道示意圖第46頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一p軌道的空間分布和伸長方向p能級有三個能量相同的軌道Ｐ電子云圖Ｐ軌道圖象＋－＋－＋－第47頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一3個p軌道合在一起的情形第48頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一d軌道的空間分布和伸長方向d能級有5個能量相同的軌道第49頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一能層n12345能級0,1,…,(n-1)l(L)00，10，1，20,1,2,30,1,2,3,4符號ss，ps，p，dS,p,d,fS,p,d,f,…形狀球形球形，亞鈴形球形，亞鈴形…………軌道數(shù)目11，3１,３,５1,3,5,71,3,5,7,9能層軌道數(shù)1４91625最多容納電子數(shù)2８183250填寫表格：第50頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一宏觀物體的運動特征：特點：以較大質(zhì)量在較大空間作較低速運動。可以準(zhǔn)確地測出它們在某一時刻所處的位置及運動的速度；可以描畫它們的運動軌跡。2、核外電子的運動特征－電子云微觀粒子（電子）的特征：電子以極小的質(zhì)量（9.10910-31kg）、在極微小的空間（原子的直徑約10-10m）作極高速運動（接近光速，約為108m/s）；無固定的軌道，不能同時準(zhǔn)確地測定電子在某一時刻所處的位置和運動速度，也不能描畫出它的軌跡（測不準(zhǔn)原理）第51頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一因為我們不能確定原子中的電子在某一時刻一定出現(xiàn)在何處，只能指出它在原子核外空間某點電子出現(xiàn)的機(jī)會大小。所以量子力學(xué)中的軌道的含義已與玻爾軌道的含義完全不同，它既不是圓周軌道，也不是其他經(jīng)典意義上的固定軌跡。第52頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一假設(shè)給氫原子照像第53頁