原子结构和元素周期系精选PPT.ppt

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1、关于原子结构和元素周期系第1页，讲稿共113张，创作于星期日 化化学学运运动动的的实实质质是是由由于于原原子子核核外外电电子子运运动动状状态态发发生生变变化化。为为了了了了解解和和掌掌握握化化学学运运动动的的变变化化规规律律，我我们们必必须须掌掌握握如如何何从从微微观观的的角角度度研研究究物物质质的的结结构构及及性性质质的的关关系系的的理理论论及及方方法法，必必须须了了解解原原子子的的结结构构及及原原子子是是如如何何构构成成性性质质迥迥异异的的不不同同物物质质。本本章章主主要要讨讨论论原原子子的的基基本本结结构构及及原原子子结结构构与与元元素素基基本本性性质质的的递递变变规规律律。第一章第一章

2、 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系第2页，讲稿共113张，创作于星期日1-1 人类对原子结构的认识过程1-2 核外电子运动的波粒二象性1-3 核外电子的运动状态核外电子的运动状态1-4 各种元素的原子核外电子排布 1-5 原子结构与元素性质的关系本章主要内容本章主要内容第3页，讲稿共113张，创作于星期日o基本要求：o1、了解微观粒子运动的特殊性、了解微观粒子运动的特殊性o2、理解波函数、几率密度的意义；熟悉原子轨道和、理解波函数、几率密度的意义；熟悉原子轨道和电子云的角度分布图电子云的角度分布图o3、掌握四个量子数的意义及取值范围；熟悉原子轨道的、掌握四个量子数的意义及取值范围；熟悉

3、原子轨道的近似能级图近似能级图o4、能够运用核外电子排布原则熟练写出原子的核外电子排、能够运用核外电子排布原则熟练写出原子的核外电子排布式布式o5、熟悉元素周期表的结构及周期、族、区的划分；掌握元、熟悉元素周期表的结构及周期、族、区的划分；掌握元素基本性质的周期性变化规律素基本性质的周期性变化规律第4页，讲稿共113张，创作于星期日1-1 人类对原子结构的认识过程人类对原子结构的认识过程u 1.1.1 经典核原子模型经典核原子模型 u 1.1.2 氢原子结构的玻尔理论氢原子结构的玻尔理论 第5页，讲稿共113张，创作于星期日 Dalton原子学说 (1803年)Thomson“西瓜式”模型 (

4、1904年)Rutherford原子行星模型 (1911年)Bohr电子分层排布模型 (1913年)量子力学模型(1926年)1.1.1 经典核原子模型经典核原子模型 第6页，讲稿共113张，创作于星期日(1 1)卢瑟福的原子行星模型（卢瑟福的原子行星模型（卢瑟福的原子行星模型（卢瑟福的原子行星模型（19111911）第7页，讲稿共113张，创作于星期日(1)卢瑟福的原子行星模型（卢瑟福的原子行星模型（卢瑟福的原子行星模型（卢瑟福的原子行星模型（1911）卢瑟福卢瑟福卢瑟福卢瑟福 Ernest Rutherford18711937 英国物理学家卢瑟福根据英国物理学家卢瑟福根据英国物理学家卢瑟福

5、根据英国物理学家卢瑟福根据 粒子散射粒子散射粒子散射粒子散射的实验的实验的实验的实验，提出了原子行星模型：，提出了原子行星模型：，提出了原子行星模型：，提出了原子行星模型：所有原子中都有一个极小的核，所有原子中都有一个极小的核，所有原子中都有一个极小的核，所有原子中都有一个极小的核，即原子核；即原子核；即原子核；即原子核；原子核几乎集中了原子全部的质量，原子核几乎集中了原子全部的质量，原子核几乎集中了原子全部的质量，原子核几乎集中了原子全部的质量，带有带有带有带有Z Z 个正电荷；个正电荷；个正电荷；个正电荷；另有另有另有另有Z Z 个电子在原子核外像行星绕着太个电子在原子核外像行星绕着太个电

6、子在原子核外像行星绕着太个电子在原子核外像行星绕着太阳旋转一样绕核运动。阳旋转一样绕核运动。阳旋转一样绕核运动。阳旋转一样绕核运动。第8页，讲稿共113张，创作于星期日经典物理学概念面临的窘境（经典物理学概念面临的窘境（1）在在对对粒粒子子散散射射实实验验结结果果的的解解释释上上，新新模模型型的的成成功功是是显显而而易易见见的的，至至少少要要点点中中的的前前两两点点是是如如此此。问问题题出出在在第第三三点点，尽尽管管卢卢瑟瑟福福正正确确地地认认识识到到核核外外电电子子必必须须处处于于运运动动状状态态，但但将将电电子子与与核核的的关关系系比比作作行行星星与太阳的关系却是一幅令人生疑的图像与太阳的

7、关系却是一幅令人生疑的图像。An unsatisfactory atomic model 根根据据当当时时的的物物理理学学概概念念，带带电电微微粒粒在在力力场场中中运运动动时时总总要要产产生生电电磁磁辐辐射射并并逐逐渐渐失失去去能能量量，运运动动着着的的电电子子轨轨道道会会越越来来越越小小，最最终终将将与与原原子子核核相相撞撞并并导导致致原原子子毁毁灭灭。由由于于原原子子毁毁灭灭的的事事实实从从未未发发生生，将将经经典典物物理理学学概概念念推推到到前所未有的尴尬境地。前所未有的尴尬境地。第9页，讲稿共113张，创作于星期日经典物理学概念面临的窘境（经典物理学概念面临的窘境（2）根据卢瑟福原子模

8、型，电子绕核高速运动，其放出根据卢瑟福原子模型，电子绕核高速运动，其放出的能量是连续的，如此得到的原子光谱应该是连续的能量是连续的，如此得到的原子光谱应该是连续的带状光谱的带状光谱（E=hv），但是实验得到的原子光谱，但是实验得到的原子光谱却是线状的！却是线状的！连续光谱连续光谱第10页，讲稿共113张，创作于星期日(2 2)氢原子光谱氢原子光谱氢原子光谱氢原子光谱第11页，讲稿共113张，创作于星期日(2)氢原子光谱氢原子光谱氢原子光谱氢原子光谱线状光谱线状光谱线状光谱线状光谱HHHH第12页，讲稿共113张，创作于星期日 从长波（红外区）到短波（紫外区），谱线间从长波（红外区）到短波（紫外

9、区），谱线间从长波（红外区）到短波（紫外区），谱线间从长波（红外区）到短波（紫外区），谱线间的距离越来越小，表明的距离越来越小，表明的距离越来越小，表明的距离越来越小，表明n n 值越来越大，波长越来越短，值越来越大，波长越来越短，值越来越大，波长越来越短，值越来越大，波长越来越短，频率越来越高，能量也越来越高。频率越来越高，能量也越来越高。频率越来越高，能量也越来越高。频率越来越高，能量也越来越高。氢原子光谱特征：氢原子光谱特征：氢原子光谱是不连续的线状光谱，从红外到紫外氢原子光谱是不连续的线状光谱，从红外到紫外氢原子光谱是不连续的线状光谱，从红外到紫外氢原子光谱是不连续的线状光谱，从红外到

10、紫外区呈现多条具有特征波长的谱线。区呈现多条具有特征波长的谱线。区呈现多条具有特征波长的谱线。区呈现多条具有特征波长的谱线。n=3,4,5,6经验公式：第13页，讲稿共113张，创作于星期日 描述微观物体运动规律的需描述微观物体运动规律的需求呼唤物理学新概念的诞生！求呼唤物理学新概念的诞生！第14页，讲稿共113张，创作于星期日(3)普朗克的量子论（普朗克的量子论（1900）德国物理学家普朗克，第一德国物理学家普朗克，第一德国物理学家普朗克，第一德国物理学家普朗克，第一个冲破经典物理学中能量连续变个冲破经典物理学中能量连续变个冲破经典物理学中能量连续变个冲破经典物理学中能量连续变化的框框，首先

11、在物理学中引入化的框框，首先在物理学中引入化的框框，首先在物理学中引入化的框框，首先在物理学中引入了了了了“量子量子量子量子”的概念，提出了著名的概念，提出了著名的概念，提出了著名的概念，提出了著名的、当时被誉为物理学上一次的、当时被誉为物理学上一次的、当时被誉为物理学上一次的、当时被誉为物理学上一次革命的革命的革命的革命的量子化理论量子化理论量子化理论量子化理论。普朗克普朗克普朗克普朗克M.M.PlanckPlanck，1858194718581947第15页，讲稿共113张，创作于星期日(3)普朗克的量子论（普朗克的量子论（1900）经典物理学中的一些物理量，如时间、速度、长度、面积等经典

12、物理学中的一些物理量，如时间、速度、长度、面积等经典物理学中的一些物理量，如时间、速度、长度、面积等经典物理学中的一些物理量，如时间、速度、长度、面积等的变化是的变化是的变化是的变化是连续的连续的连续的连续的，没有一个最小单位，无限可分；，没有一个最小单位，无限可分；，没有一个最小单位，无限可分；，没有一个最小单位，无限可分；有些物理量的变化是有最小单位的，例如电量，电量变化的最有些物理量的变化是有最小单位的，例如电量，电量变化的最有些物理量的变化是有最小单位的，例如电量，电量变化的最有些物理量的变化是有最小单位的，例如电量，电量变化的最小单位是小单位是小单位是小单位是1 1个电子的电量，即个

13、电子的电量，即个电子的电量，即个电子的电量，即1.602101.60210-19-19C C，电量的改变不能小于，电量的改变不能小于，电量的改变不能小于，电量的改变不能小于1 1个电子的电量，只能是这个数的整倍数来增减，这是个电子的电量，只能是这个数的整倍数来增减，这是个电子的电量，只能是这个数的整倍数来增减，这是个电子的电量，只能是这个数的整倍数来增减，这是不连续不连续不连续不连续的意思。的意思。的意思。的意思。不连续性只有在微观世界里才有意义不连续性只有在微观世界里才有意义微观领域能量不连续微观领域能量不连续第16页，讲稿共113张，创作于星期日(4)爱因斯坦的光子学说（爱因斯坦的光子学说

14、（1905）爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦A.EinsteinA.Einstein ，1879195518791955 爱因斯坦通过对光电效应的研究，爱因斯坦通过对光电效应的研究，爱因斯坦通过对光电效应的研究，爱因斯坦通过对光电效应的研究，19051905年提出年提出年提出年提出光子学说光子学说光子学说光子学说，为量子论提供了实验，为量子论提供了实验，为量子论提供了实验，为量子论提供了实验依据和理论基础。依据和理论基础。依据和理论基础。依据和理论基础。光是由一群颗粒性的光子组成，光子的光是由一群颗粒性的光子组成，光子的光是由一群颗粒性的光子组成，光子的光是由一群颗粒性的光子组成，光子的能量与

15、入射光的频率有关，当光子与金属中能量与入射光的频率有关，当光子与金属中能量与入射光的频率有关，当光子与金属中能量与入射光的频率有关，当光子与金属中的电子相碰撞时，就把它的全部能量，即一的电子相碰撞时，就把它的全部能量，即一的电子相碰撞时，就把它的全部能量，即一的电子相碰撞时，就把它的全部能量，即一个能量子转移给了电子。个能量子转移给了电子。个能量子转移给了电子。个能量子转移给了电子。所以，光子的能量越高（即波长越短），转移给电子的能所以，光子的能量越高（即波长越短），转移给电子的能所以，光子的能量越高（即波长越短），转移给电子的能所以，光子的能量越高（即波长越短），转移给电子的能量也越高，电子

16、的速度就越大。而光子的数目越多（即光越强）量也越高，电子的速度就越大。而光子的数目越多（即光越强）量也越高，电子的速度就越大。而光子的数目越多（即光越强）量也越高，电子的速度就越大。而光子的数目越多（即光越强），释放出电子的数目也就越多。，释放出电子的数目也就越多。，释放出电子的数目也就越多。，释放出电子的数目也就越多。光电效应说明了光不仅具有波光电效应说明了光不仅具有波光电效应说明了光不仅具有波光电效应说明了光不仅具有波动性，而且具有粒子性。动性，而且具有粒子性。动性，而且具有粒子性。动性，而且具有粒子性。第17页，讲稿共113张，创作于星期日(4)爱因斯坦的光子学说（爱因斯坦的光子学说（1

17、905）爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦用用用用两两两两个个个个公公公公式式式式把把把把表表表表征征征征光光光光的的的的波波波波动动动动性性性性的的的的物物物物理理理理量量量量(和和和和v v)和和和和表表表表征征征征光光光光的的的的粒粒粒粒子子子子性性性性的的的的物物物物理理理理量量量量(E E和和p p)定定量量地地联联系系起起来来。光光子子能能量量E的的的的大大大大小小小小与与与与光光光光的的的的频频频频率率率率v v成成成成正正正正比比比比，光光光光子子子子动量动量动量动量p p的大小与光的波长的大小与光的波长的大小与光的波长的大小与光的波长 的倒数的倒数的倒数的倒数成正比：成正比：式

18、中：式中：式中：式中：h h为普朗克常数，为普朗克常数，为普朗克常数，为普朗克常数，v v为光的频率，为光的频率，为光的频率，为光的频率，为光的波长。为光的波长。为光的波长。为光的波长。E =hvp =h第18页，讲稿共113张，创作于星期日玻尔假说（玻尔理论玻尔假说（玻尔理论 1913）1、爱因斯坦的光子学说2、普朗克的量子化学说3、氢原子的光谱实验4、卢瑟福的原子行星模型1913年，年，28岁的岁的Bohr在在的基础上，建立了Bohr理论.尼尔斯尼尔斯尼尔斯尼尔斯 玻尔玻尔玻尔玻尔N.BohrN.Bohr ，18851962188519621.1.2 氢原子结构的玻尔理论氢原子结构的玻尔理

19、论 第19页，讲稿共113张，创作于星期日玻尔假说（玻尔理论玻尔假说（玻尔理论 1913）原子中的电子只能在符合一定原子中的电子只能在符合一定原子中的电子只能在符合一定原子中的电子只能在符合一定量子化条件量子化条件量子化条件量子化条件的的的的固定的固定的固定的固定的轨道上轨道上轨道上轨道上绕核绕核绕核绕核运动运动运动运动；电子在一个轨道中运动的角动量电子在一个轨道中运动的角动量电子在一个轨道中运动的角动量电子在一个轨道中运动的角动量mvr 必须是必须是必须是必须是 的整倍数，即：的整倍数，即：的整倍数，即：的整倍数，即：h2 式中式中式中式中m m m m为电子的质量；为电子的质量；为电子的质

20、量；为电子的质量；v v v v 是电子运动的速度；是电子运动的速度；是电子运动的速度；是电子运动的速度；r r r r是轨道的半径；是轨道的半径；是轨道的半径；是轨道的半径；h h h h 是普是普是普是普朗克常数；朗克常数；朗克常数；朗克常数；n n n n 是量子数。这些符合量子化条件的轨道称为稳定轨是量子数。这些符合量子化条件的轨道称为稳定轨是量子数。这些符合量子化条件的轨道称为稳定轨是量子数。这些符合量子化条件的轨道称为稳定轨道，具有固定的能量道，具有固定的能量道，具有固定的能量道，具有固定的能量E E E E，电子在稳定轨道上运动时，不放出能量。，电子在稳定轨道上运动时，不放出能量

21、。，电子在稳定轨道上运动时，不放出能量。，电子在稳定轨道上运动时，不放出能量。第20页，讲稿共113张，创作于星期日玻尔假说（玻尔理论玻尔假说（玻尔理论 1913）电子在离核越远的轨道上运动，其能量越大。电子在离核越远的轨道上运动，其能量越大。电子在离核越远的轨道上运动，其能量越大。电子在离核越远的轨道上运动，其能量越大。通常电子保持通常电子保持通常电子保持通常电子保持在能量最低的状态即在能量最低的状态即在能量最低的状态即在能量最低的状态即基态基态基态基态，基态是最稳定的状态。，基态是最稳定的状态。，基态是最稳定的状态。，基态是最稳定的状态。当原子从外界当原子从外界当原子从外界当原子从外界获得

22、能量时，电子可以跃迁到离核较远的较高能量的轨道上去，获得能量时，电子可以跃迁到离核较远的较高能量的轨道上去，获得能量时，电子可以跃迁到离核较远的较高能量的轨道上去，获得能量时，电子可以跃迁到离核较远的较高能量的轨道上去，这时电子所处状态称为这时电子所处状态称为这时电子所处状态称为这时电子所处状态称为激发态激发态激发态激发态。处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到离核较近的轨道上，处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到离核较近的轨道上，处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到离核较近的轨道上，处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到离核较近的轨道上，这时会以光子形式这时会以光子形式这时会以光子形式这时会以光子形式释

23、放出光能释放出光能释放出光能释放出光能，光的频率决定于两条轨道之间光的频率决定于两条轨道之间光的频率决定于两条轨道之间光的频率决定于两条轨道之间的能量之差的能量之差的能量之差的能量之差：式中式中式中式中E E2 2为电子处于激发态时的能量；为电子处于激发态时的能量；为电子处于激发态时的能量；为电子处于激发态时的能量；E E1 1为电子处于低能级时的能量；为电子处于低能级时的能量；为电子处于低能级时的能量；为电子处于低能级时的能量；v v为光的为光的为光的为光的频率；频率；频率；频率；h h为普朗克常数为普朗克常数为普朗克常数为普朗克常数;第21页，讲稿共113张，创作于星期日玻尔假说（玻尔理论

24、玻尔假说（玻尔理论 1913）玻尔根据玻尔根据玻尔根据玻尔根据经典力学原理经典力学原理经典力学原理经典力学原理和和和和量子化条件量子化条件量子化条件量子化条件，计算了电子运动的轨，计算了电子运动的轨，计算了电子运动的轨，计算了电子运动的轨道半径道半径道半径道半径 r r 和电子的能量和电子的能量和电子的能量和电子的能量 E E，推求出氢原子核外电子运动的轨道半，推求出氢原子核外电子运动的轨道半，推求出氢原子核外电子运动的轨道半，推求出氢原子核外电子运动的轨道半径和能量：径和能量：径和能量：径和能量：n n=3=3 时，时，时，时，r r3 3=3=33 3 52.9pm52.9pm，E E3

25、3=-1312.17=-1312.17/3 33 3 kJmol kJmol-1-1当当当当 n n=1=1 时，时，时，时，r r1 1=1=12 2 52.9pm52.9pm，E E1 1=-1312.17=-1312.17/1 12 2 kJmol kJmol-1-1n n=2=2 时，时，时，时，r r2 2=2=22 252.9pm52.9pm，E E2 2 =-1312.17=-1312.17/2 22 2 kJmol kJmol-1-1 从从从从距距距距核核核核最最最最近近近近的的的的一一一一条条条条轨轨轨轨道道道道算算算算起起起起,n n值值值值分分分分别别别别等等等等于于于于

26、1 1,2 2,3 3,4 4,5 5,6 6,7 7,根根根根据据据据假假假假定定定定条条条条件件件件算算算算得得得得n=n=1 1时时时时允允允允许许许许轨轨轨轨道道道道的的的的半半半半径径径径为为为为53 53 pmpm,这这这这就就就就是是是是著著著著名名名名的的的的玻玻玻玻尔半径尔半径尔半径尔半径。第22页，讲稿共113张，创作于星期日原子能级第23页，讲稿共113张，创作于星期日玻尔假说（玻尔理论玻尔假说（玻尔理论 1913）激发态原子为什么会发射出光射线；激发态原子为什么会发射出光射线；氢光谱线波长的不连续性；氢光谱线波长的不连续性；氢光谱线波长的不连续性；氢光谱线波长的不连续性

27、；说明了氢光谱线频率的规律性（验证了里德说明了氢光谱线频率的规律性（验证了里德说明了氢光谱线频率的规律性（验证了里德说明了氢光谱线频率的规律性（验证了里德 堡公式）；堡公式）；提出了提出了提出了提出了n 是能级的概念，这为人们后来研究是能级的概念，这为人们后来研究是能级的概念，这为人们后来研究是能级的概念，这为人们后来研究 光谱学以及发展物质结构的现代理论做出了光谱学以及发展物质结构的现代理论做出了光谱学以及发展物质结构的现代理论做出了光谱学以及发展物质结构的现代理论做出了 贡献。贡献。贡献。贡献。玻尔假说成功之处：玻尔假说成功之处：第24页，讲稿共113张，创作于星期日玻尔假说（玻尔理论玻尔

28、假说（玻尔理论 1913）未能完全冲破经典物理的束缚未能完全冲破经典物理的束缚未能完全冲破经典物理的束缚未能完全冲破经典物理的束缚，只是在经典力学连续性概念的基，只是在经典力学连续性概念的基，只是在经典力学连续性概念的基，只是在经典力学连续性概念的基础上，人为地加上了一些量子化的条件；如在讨论和计算电子础上，人为地加上了一些量子化的条件；如在讨论和计算电子础上，人为地加上了一些量子化的条件；如在讨论和计算电子础上，人为地加上了一些量子化的条件；如在讨论和计算电子运动的轨道半径时，都是以经典力学为基础的，认为电子在核运动的轨道半径时，都是以经典力学为基础的，认为电子在核运动的轨道半径时，都是以经

29、典力学为基础的，认为电子在核运动的轨道半径时，都是以经典力学为基础的，认为电子在核外的运动有固定轨道，外的运动有固定轨道，外的运动有固定轨道，外的运动有固定轨道，电子本身所特有的波粒二象性，这种特电子本身所特有的波粒二象性，这种特电子本身所特有的波粒二象性，这种特电子本身所特有的波粒二象性，这种特殊的规律在当时是玻尔所不能认识的殊的规律在当时是玻尔所不能认识的殊的规律在当时是玻尔所不能认识的殊的规律在当时是玻尔所不能认识的；玻尔理论玻尔理论玻尔理论玻尔理论解释不了多电子原子的光谱和氢光谱的精细结构等问题解释不了多电子原子的光谱和氢光谱的精细结构等问题解释不了多电子原子的光谱和氢光谱的精细结构等

30、问题解释不了多电子原子的光谱和氢光谱的精细结构等问题；玻尔假说的缺陷：玻尔假说的缺陷：第25页，讲稿共113张，创作于星期日玻尔理论的意义与局限性玻尔理论的意义与局限性在解决核外电子的运动时成在解决核外电子的运动时成功引入了量子化的观念功引入了量子化的观念除了氢原子光谱外，波尔理论不能说明多除了氢原子光谱外，波尔理论不能说明多电子原子的光谱，也不能解释原子如何形电子原子的光谱，也不能解释原子如何形成分子的化学键本质成分子的化学键本质同时又应用了同时又应用了“轨道轨道”等经典概念和有关牛顿等经典概念和有关牛顿力学规律力学规律波尔理论成功地解释了氢原子光谱，并提波尔理论成功地解释了氢原子光谱，并提

31、出了原子能级和主量子数出了原子能级和主量子数n等概念。等概念。第26页，讲稿共113张，创作于星期日德布罗意德布罗意德布罗意德布罗意 Louis de Broglie Louis de Broglie 1892198718921987 19241924年年年年法国年轻的物理学家德布罗意在光法国年轻的物理学家德布罗意在光法国年轻的物理学家德布罗意在光法国年轻的物理学家德布罗意在光的波粒二象性启发下，大胆地提出了的波粒二象性启发下，大胆地提出了的波粒二象性启发下，大胆地提出了的波粒二象性启发下，大胆地提出了“物质波物质波物质波物质波”的假设，预言电子等微粒会像光一样发生衍射，的假设，预言电子等微粒

32、会像光一样发生衍射，的假设，预言电子等微粒会像光一样发生衍射，的假设，预言电子等微粒会像光一样发生衍射，显示具有波动性。显示具有波动性。显示具有波动性。显示具有波动性。式中式中式中式中 mm为电子的质量，为电子的质量，为电子的质量，为电子的质量，h h为普朗克常数，为普朗克常数，为普朗克常数，为普朗克常数，P P 为电子的动量，为电子的动量，为电子的动量，为电子的动量，v v为电子的速度，为电子的速度，为电子的速度，为电子的速度，这种实物微粒所具有的波称为这种实物微粒所具有的波称为这种实物微粒所具有的波称为这种实物微粒所具有的波称为物质波物质波物质波物质波，亦称为，亦称为，亦称为，亦称为德布罗

33、意波德布罗意波德布罗意波德布罗意波。并根据波粒二象性的关系式预言了高速运并根据波粒二象性的关系式预言了高速运并根据波粒二象性的关系式预言了高速运并根据波粒二象性的关系式预言了高速运动的电子的波长动的电子的波长动的电子的波长动的电子的波长 公式：公式：公式：公式：1-2 核外电子运动的波粒二象性核外电子运动的波粒二象性(1)电子的波粒二象性电子的波粒二象性第27页，讲稿共113张，创作于星期日 19271927年年年年，电子衍射的实验电子衍射的实验电子衍射的实验电子衍射的实验证实了德布罗意的预言，电子不仅是一证实了德布罗意的预言，电子不仅是一证实了德布罗意的预言，电子不仅是一证实了德布罗意的预言

34、，电子不仅是一种具有一定质量，高速运动的带电粒子，而且还能呈现波动性。种具有一定质量，高速运动的带电粒子，而且还能呈现波动性。种具有一定质量，高速运动的带电粒子，而且还能呈现波动性。种具有一定质量，高速运动的带电粒子，而且还能呈现波动性。电子波动性的证明电子波动性的证明第28页，讲稿共113张，创作于星期日微观粒子的波动性是大量微粒运动表现出来的性质，即是具有统计意义的概率波。第29页，讲稿共113张，创作于星期日电子波动性的证明电子波动性的证明得出的结论：得出的结论：波动性是与微粒行为的统计性规律在一起的。在底片上波动性是与微粒行为的统计性规律在一起的。在底片上衍射强度大的地方（明处），也就

35、是波强度大的地方，一衍射强度大的地方（明处），也就是波强度大的地方，一定是电子在该处单位微体积内出现的机会多（概率密度大）定是电子在该处单位微体积内出现的机会多（概率密度大），衍射强度小的地方（暗处），也就是波强度小的地方，衍射强度小的地方（暗处），也就是波强度小的地方，一定是电子在该处单位微体积内出现的机会少（概率密度一定是电子在该处单位微体积内出现的机会少（概率密度小）。由此可以认为：具有波动性的微观粒子（包括电子小）。由此可以认为：具有波动性的微观粒子（包括电子在内）虽然没有确定的运动轨迹，但在空间某处波的强度在内）虽然没有确定的运动轨迹，但在空间某处波的强度与该处粒子出现的概率密度成正

36、比。与该处粒子出现的概率密度成正比。第30页，讲稿共113张，创作于星期日小结小结 在经典力学中在经典力学中，我们能准确地同时测定一个宏观物体的位置，我们能准确地同时测定一个宏观物体的位置，我们能准确地同时测定一个宏观物体的位置，我们能准确地同时测定一个宏观物体的位置和动量，对微观粒子，如电子质量极小，它在原子核外运动的速度每和动量，对微观粒子，如电子质量极小，它在原子核外运动的速度每和动量，对微观粒子，如电子质量极小，它在原子核外运动的速度每和动量，对微观粒子，如电子质量极小，它在原子核外运动的速度每秒约秒约秒约秒约3030万公里，接近光速。在原子这样小的空间内（万公里，接近光速。在原子这样

37、小的空间内（万公里，接近光速。在原子这样小的空间内（万公里，接近光速。在原子这样小的空间内（1010-8-8cmcm），电），电），电），电子速度如此之大，不可能同时准确地测定出它的空间位置和它在子速度如此之大，不可能同时准确地测定出它的空间位置和它在子速度如此之大，不可能同时准确地测定出它的空间位置和它在子速度如此之大，不可能同时准确地测定出它的空间位置和它在那个位置上的速度。那个位置上的速度。那个位置上的速度。那个位置上的速度。不确定原理对宏观物体不起作用，反映了微观粒子的运动特不确定原理对宏观物体不起作用，反映了微观粒子的运动特不确定原理对宏观物体不起作用，反映了微观粒子的运动特不确定原

38、理对宏观物体不起作用，反映了微观粒子的运动特征，不能用经典力学的方法去处理微观粒子。征，不能用经典力学的方法去处理微观粒子。征，不能用经典力学的方法去处理微观粒子。征，不能用经典力学的方法去处理微观粒子。第31页，讲稿共113张，创作于星期日Heisenberg WSchrodinger E 波动力学模型是迄今最成功的原子结构模型，波动力学模型是迄今最成功的原子结构模型，它是它是1920年代年代以海森堡（以海森堡（Heisenberg W）和薛定锷（）和薛定锷（Schrodinger E）为代表的）为代表的科学家们通过数学方法处理原子中电子的波动性而建立起来的。该模型科学家们通过数学方法处理原

39、子中电子的波动性而建立起来的。该模型不但能够预言氢的发射光谱（包括玻尔模型无法解释的谱线），而且也不但能够预言氢的发射光谱（包括玻尔模型无法解释的谱线），而且也适用于多电子原子，从而更合理地说明核外电子的排布方式。适用于多电子原子，从而更合理地说明核外电子的排布方式。第32页，讲稿共113张，创作于星期日1.1.薛定谔方程薛定谔方程薛定谔方程薛定谔方程微粒的波动方程微粒的波动方程微粒的波动方程微粒的波动方程2.2.波函数的空间图象波函数的空间图象 （1 1）波函数的径向分布图波函数的径向分布图波函数的径向分布图波函数的径向分布图 （2 2）波函数的角度分布图波函数的角度分布图3.3.四个量子数

40、四个量子数四个量子数四个量子数4.4.小结小结小结小结1-3 核外电子的运动状态核外电子的运动状态第33页，讲稿共113张，创作于星期日1.薛定谔方程薛定谔方程微粒的波动方程微粒的波动方程 19261926年年年年，奥地利物理学家薛定谔从德，奥地利物理学家薛定谔从德，奥地利物理学家薛定谔从德，奥地利物理学家薛定谔从德布罗意的假设中得到启示，首先提出了布罗意的假设中得到启示，首先提出了布罗意的假设中得到启示，首先提出了布罗意的假设中得到启示，首先提出了描描描描述微观粒子运动规律的波动方程述微观粒子运动规律的波动方程述微观粒子运动规律的波动方程述微观粒子运动规律的波动方程，建立，建立，建立，建立了

41、迄今最为成功的原子结构模型了迄今最为成功的原子结构模型了迄今最为成功的原子结构模型了迄今最为成功的原子结构模型波动力波动力波动力波动力学模型。亦称为薛定谔方程，是一个学模型。亦称为薛定谔方程，是一个学模型。亦称为薛定谔方程，是一个学模型。亦称为薛定谔方程，是一个二二二二阶偏微分方程阶偏微分方程阶偏微分方程阶偏微分方程：式中式中式中式中 ：波函数波函数波函数波函数是空间坐标是空间坐标是空间坐标是空间坐标 x x、y y、z z的函数；的函数；的函数；的函数；E E：体系的总能量体系的总能量体系的总能量体系的总能量 ；V V：体系的势能；体系的势能；体系的势能；体系的势能；mm：粒子的质量粒子的质

42、量粒子的质量粒子的质量 ；h h：普朗克常数普朗克常数普朗克常数普朗克常数 薛定谔薛定谔薛定谔薛定谔SchrdingerSchrdinger,1887196118871961第34页，讲稿共113张，创作于星期日1.薛定谔方程薛定谔方程微粒的波动方程微粒的波动方程与与与与球极坐标球极坐标球极坐标球极坐标 (r r,)的转换的转换的转换的转换直角坐标直角坐标直角坐标直角坐标 (x x,y y,z z)球极坐标与直角坐标的关系球极坐标与直角坐标的关系球极坐标与直角坐标的关系球极坐标与直角坐标的关系x x=r r sin sin cos cos，z z =r r cos cos y y=r r si

43、n sin sin sin，r r2 2=x x2 2+y y2 2+z z2 2 r r：径向坐标径向坐标径向坐标径向坐标,半径，决定了球面的大小；半径，决定了球面的大小；半径，决定了球面的大小；半径，决定了球面的大小；：角角角角坐标坐标坐标坐标,由由由由 z z 轴沿球面延伸轴沿球面延伸轴沿球面延伸轴沿球面延伸 至至至至 r r 的弧线所表示的角度；的弧线所表示的角度；的弧线所表示的角度；的弧线所表示的角度；：角：角：角：角坐标坐标坐标坐标,由由由由r r 沿球面平行沿球面平行沿球面平行沿球面平行 xyxy 面延伸至面延伸至面延伸至面延伸至 xz xz 面面面面的弧线所表示的角度；的弧线所

44、表示的角度；的弧线所表示的角度；的弧线所表示的角度；(x,y,z)(r,)：02：0第35页，讲稿共113张，创作于星期日1.薛定谔方程薛定谔方程微粒的波动方程微粒的波动方程 求解薛定谔方程求解薛定谔方程,是为求得波函数是为求得波函数和能量和能量和能量和能量E E；薛定谔方程有非常多的解，为得到合理的解，需要引入三个只能取某些整数薛定谔方程有非常多的解，为得到合理的解，需要引入三个只能取某些整数薛定谔方程有非常多的解，为得到合理的解，需要引入三个只能取某些整数薛定谔方程有非常多的解，为得到合理的解，需要引入三个只能取某些整数值的参数值的参数值的参数值的参数n n、l l、mm。对应于一组合理的

45、对应于一组合理的对应于一组合理的对应于一组合理的n n、l l、mm取值，则有一个确定的波函数取值，则有一个确定的波函数取值，则有一个确定的波函数取值，则有一个确定的波函数 (r r,)n,l,mn,l,m和其对应的能量和其对应的能量和其对应的能量和其对应的能量 E E 值值值值。解得的解得的解得的解得的不是具体的数不是具体的数不是具体的数不是具体的数,是包括三个参数是包括三个参数是包括三个参数是包括三个参数(n n,l l,mm)和三个变量和三个变量和三个变量和三个变量(r,)的一个的一个函数式函数式函数式函数式(r,)n,l,mn,l,m；n n、l l、mm称为量子数，它们决定着波函数称

46、为量子数，它们决定着波函数称为量子数，它们决定着波函数称为量子数，它们决定着波函数某些性质的量子化情况。某些性质的量子化情况。某些性质的量子化情况。某些性质的量子化情况。有合理解的函数式叫做波函数。有合理解的函数式叫做波函数。有合理解的函数式叫做波函数。有合理解的函数式叫做波函数。第36页，讲稿共113张，创作于星期日 波函数波函数波函数波函数和概率密度和概率密度和概率密度和概率密度|2 2都可以用几何图形形象地表示，都可以用几何图形形象地表示，都可以用几何图形形象地表示，都可以用几何图形形象地表示，和和和和|2 2均是空间坐标均是空间坐标均是空间坐标均是空间坐标r r,的函数，要画出它们之间

47、的关系需要四维坐标，的函数，要画出它们之间的关系需要四维坐标，的函数，要画出它们之间的关系需要四维坐标，的函数，要画出它们之间的关系需要四维坐标，因此常常为了不同的目的，从不同的角度考察因此常常为了不同的目的，从不同的角度考察因此常常为了不同的目的，从不同的角度考察因此常常为了不同的目的，从不同的角度考察和和和和|2 2的性质，的性质，的性质，的性质，如只考察随如只考察随如只考察随如只考察随r r变化的为变化的为变化的为变化的为径向分布图径向分布图径向分布图径向分布图；只考察随；只考察随；只考察随；只考察随,变化的称为变化的称为变化的称为变化的称为角度分角度分角度分角度分布布布布图图图图。2.

48、波函数的空间图象波函数的空间图象 (r,)n,l,m=Rn,l(r)Yl,m(,)径向部分径向部分径向部分径向部分径向部分径向部分 角度部分角度部分角度部分角度部分角度部分角度部分第37页，讲稿共113张，创作于星期日（1）波函数的径向分布图）波函数的径向分布图.在图中在图中在图中在图中r r=53pm=53pm 处曲线有一个高峰，说明电子在处曲线有一个高峰，说明电子在处曲线有一个高峰，说明电子在处曲线有一个高峰，说明电子在 r r=53pm的球壳上出现的概率最大。这个极大值正是的球壳上出现的概率最大。这个极大值正是的球壳上出现的概率最大。这个极大值正是的球壳上出现的概率最大。这个极大值正是玻

49、尔半玻尔半径径 值。值。值。值。从量子力学的观点，从量子力学的观点，从量子力学的观点，从量子力学的观点，玻尔半径玻尔半径玻尔半径玻尔半径就是电子出现概率最大的球壳离就是电子出现概率最大的球壳离就是电子出现概率最大的球壳离就是电子出现概率最大的球壳离核的距离。核的距离。核的距离。核的距离。第38页，讲稿共113张，创作于星期日（1）波函数的径向分布图）波函数的径向分布图 1s1s电子的概率密度（电子云）在原子核附近最大，为什么电子的概率密度（电子云）在原子核附近最大，为什么电子的概率密度（电子云）在原子核附近最大，为什么电子的概率密度（电子云）在原子核附近最大，为什么它的概率的径向分布却是在离核

50、它的概率的径向分布却是在离核它的概率的径向分布却是在离核它的概率的径向分布却是在离核53pm53pm处最大呢？处最大呢？处最大呢？处最大呢？因为在靠近核处，电子出现的概率密度大，概率密度因为在靠近核处，电子出现的概率密度大，概率密度因为在靠近核处，电子出现的概率密度大，概率密度因为在靠近核处，电子出现的概率密度大，概率密度|2 2有较大值，但有较大值，但有较大值，但有较大值，但r r 很小，即球壳的体积很小，所以很小，即球壳的体积很小，所以很小，即球壳的体积很小，所以很小，即球壳的体积很小，所以D D(r r)值值值值不会很大；在离核较远处，不会很大；在离核较远处，不会很大；在离核较远处，不会