高校無機化學原子結構的近代概念(天津大學第四版)講義

第五章原子結構和元素周期性5.2原子結構的近代概念

粒子性——電子有確定的體積(直徑約為10-15m)和質量(9.1091×10-31kg)演示波動性——衍射現(xiàn)象將高速運動的電子束通過晶體光柵，投射到感光底片上，得到明暗相間的衍射環(huán)紋。

電子的波粒二象性電子運動有規(guī)律，但無法確定其運動軌跡概率——出現(xiàn)機會多少核外空間某些區(qū)域電子出現(xiàn)的機會多，概率大核外空間某些區(qū)域電子出現(xiàn)的機會少，概率小概率密度——電子在原子核外某處單位體積內出現(xiàn)的概率

概率薛定諤波動方程：描述微觀粒子運動狀態(tài)的根本方程波函數(shù)

原子軌道對氫原子來說,波函數(shù)(x、y、z)是描述氫原子核外電子運動狀態(tài)的數(shù)學表達式m——電子質量h——普朗克常數(shù)E——體系總能量V——電子的勢能波函數(shù)方程的每一個合理的解代表體系中電子的一種可能運動狀態(tài)在量子力學中，用波函數(shù)和與其對應的能量來描述電子的運動狀態(tài)對薛定諤方程求解，可以得到一系列波函數(shù)

１s、

２s、

２p.....

i相應的能量值E１s、E２s、E２p

.....Ei()0/3041,,arear

-=pφqE1s=-2.179×10-18JΨ是描述電子運動狀態(tài)的數(shù)學表達式，Ψ的空間圖象叫原子軌道，原子軌道的數(shù)學表達式就是波函數(shù)原子軌道的角度分布圖：將波函數(shù)的角度分布局部(Y)作圖所得的圖象zx++++++++++++++-------------zzzzzxxxxxxxyyyyspy

px

pzdxy

dyz

dxzdz2

dx2-y2原子軌道的角度分布圖以2pz為例：n=2,l=1,m=0徑向局部角度局部()()()φq,,

r

φq,YrR

=+－30°60°θ角度局部

概率密度：|

|2表示電子在原子內核外某處出現(xiàn)的概率密度用小黑點的疏密表示電子出現(xiàn)概率密度的相對大小小黑點較密的地方，概率密度較大，單位體積內電子出現(xiàn)的時機多如1s的電子云

電子云

電子云：|

|2的空間圖象電子云角度分布圖：

|Ψ|2角度部分作圖。zzzzzzxxxxxxxxyyyyyspy

px

pzdxy

dyz

dxzdz2

dx2-y2與原子軌道角度分布圖的不同：原子軌道電子云有正、負為正(一般不標)胖瘦主量子數(shù)(n)表示原子軌道或電子云離核距離和能級上下n=1、2、3、4、5…..∞正整數(shù)n12345電子層第一層第二層第三層第四層第五層電子層符號KLMNOn值越小，該電子層離核越近，能級越低

量子數(shù)副量子數(shù)(ι)表示原子軌道或電子云的形狀

ι=0、1、2、3…..(n-1)的正整數(shù)ι０１２３45形狀球形啞鈴形花瓣形

電子亞層符號spdfgh同一電子層,ι值越小,該電子亞層能級越低n１２３４ι0010120123符號1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f

磁量子數(shù)(m)表示原子軌道或電子云在空間的伸展方向m值：-ι

、0、+ι

的正整數(shù),共(2l+1)個ι０１２m0-1、0、+１-2、-1、0、+1、+2原子軌道符號spy、px、pzdxy、dyz、dz2、dxz、dx2-y2同一亞層內的各原子軌道,在沒有外加磁場下,能量是相等的，稱等價軌道

(簡并軌道)

自旋量子數(shù)(ms)

描述原子中每個電子的運動狀態(tài)必須用四個量子數(shù)：即主量子數(shù)(n)：電子所處的電子層副量子數(shù)(l)：電子所處的電子亞層及原子軌道、電子云的形狀磁量子數(shù)(m)：軌道在空間的伸展方向自旋量子數(shù)(ms)：電子自旋方向描述電子的自旋狀態(tài)ms值：+、－順時針方向或逆時針方向2121如n=2、ι=1、m=-1、ms=+

則可知是第二電子層、p亞層、2px軌道、自旋方向為＋的電子1212nιm軌道數(shù)電子數(shù)(2n2)K1s00１122L2s0０１428p10、

±136M3s00１9218p10、

±136d20、±1、±2510N4s00１16232p10、±136d20、±1、±2510f30、±1、±2、±3714

原子的觀察和操縱掃描隧道顯微鏡scanningtunnelingmicroscope(STM)

硅表面原子排列的SIM圖像觀察在硅表面按“100”字樣移走部分硅原子后的照片操

縱小結電子具有波粒二象性，需按概率分布的統(tǒng)計規(guī)律來進行研究波函數(shù)是描述核外電子運動狀