第1章原子结构与元素周期系PPT讲稿.ppt

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1、第1章原子结构与元素周期系第1页，共163页，编辑于2022年，星期一第第1 1章章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系1-1道尔顿原子论道尔顿原子论1-2相对原子质量（原子量）相对原子质量（原子量）1-3原子的起源和演化原子的起源和演化1-4原子结构的玻尔行星模型原子结构的玻尔行星模型1-5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型1-6基态原子电子组态基态原子电子组态1-7元素周期系元素周期系1-8元素周期性元素周期性2第2页，共163页，编辑于2022年，星期一重重难难点点1.氢原子结构的量子力学模型（量子数的物理意义及表示方法）2.基态原子电子组态3.元素周期系4.元素周期

2、性3第3页，共163页，编辑于2022年，星期一1.了解人类认识原子结构的发展历史；2.了解原子结构有关术语和概念；3.掌握四个量子数n、l、m、ms的意义和相互关系；4.会用四个量子数写出14周期常见元素的电子结构式，并会由结构式确定元素所在周期、族、区、特征电子构型（即价电子构型）、元素名称和高氧化态及低氧化态化合物化学式。5.掌握原子结构与周期系的关系。本章教学要求本章教学要求4第4页，共163页，编辑于2022年，星期一化学基本理论研究宏观化学热力学化学动力学原子结构分子结构晶体结构微观5第5页，共163页，编辑于2022年，星期一原子结构的探索过程原子结构的探索过程 100 年前的今

3、天，正是人类揭开原子结构秘密的非常时期。我们共同来回顾 19 世纪末到 20 世纪初，科学发展史上的一系列重大的事件。1.天然放射性的发现天然放射性的发现 1896年，法国物理学家贝克莱Becquerel发现铀的天然放射性；1898年波兰人居里夫妇Marie Curie 发现钋和镭的放射性，二者蜕变后最后都变成铅。经研究发现，上述射线是由、三种射线组成。天然放射性物质及其蜕变现象的发现，使人们开始意识到原子并非是组成物质的“最终质点”，它是可分的，而且具有复杂的内部结构。6第6页，共163页，编辑于2022年，星期一2.电子的发现电子的发现 1858年，人们在研究物质在真空管的放电现象时，发现

4、了阴极射线；1897 年美国物理学家汤姆森thomson 研究阴极射线的本质时，发现阴极射线是一群带负电的粒子流，将其命名为电子，并测定了电子的荷质比。不论阴极射线管中的气体是什么气体或电极材料是用什么金属制成的，发射的阴极射线的电子的荷质比都是相等的。因此证明电子是各种原子的共同组成部分。放射性、电子的发现，证明了原子是可分可变的，原子还有其内部结构。这是人们对物质认识的一个重大突破，使人们对物质结构的认识从宏观领域进入到了微观领域。1.1道尔顿原子论道尔顿原子论第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系7第7页，共163页，编辑于2022年，星期一阴极射线在磁场中偏转阴极射线在

5、磁场中偏转1.1道尔顿原子论道尔顿原子论第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系8第8页，共163页，编辑于2022年，星期一3.原子核的发现原子核的发现 1911年，美国物理学家卢瑟福Rutherford 进行粒子散射实验，提出原子的有核模型。用一束平行的射线撞击金属箔，观察粒子的行踪。发现粒子穿过金箔后，大多数粒子仍继续向前，没有改变方向；少数粒子改变它原来的途径而发生偏转，但偏转的角度不大；仅有极少数（约1/万）偏转的角度很大，甚至被反弹回去。1.1道尔顿原子论道尔顿原子论第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系9第9页，共163页，编辑于2022年，星期一4

6、.核电荷的确定核电荷的确定 1913年，英国物理学家莫斯莱Moseley，系统地研究了用各种元素分别制成阴极所得到的 X射线的波长，发现不同元素各有其特征的X射线谱线，得出原子序数与其X射线波长的关系，而原子序数在数值上正好等于该原子的核电荷。这样通过测定元素的特征X射线光谱，就可以确定其核电荷数。1.1道尔顿原子论道尔顿原子论第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系10第10页，共163页，编辑于2022年，星期一5.质子的发现质子的发现 1919年，卢瑟福Rutherford 用粒子轰击氮，发现氮原子可以放出一个带正电荷的粒子，其电量与电子相等。由于任何中性原子都可以失去一个

7、或多个电子而成为带正电荷离子，这就说明每一个原子的原子核中都含有一个或多个正电性单元质子。质子的发现，还不能解释除H核以外的其它原子核的问题。例如：He原子核内含有两个质子，而它的质量却是H原子的4倍。这多出来的2倍质量又是哪里来的呢？为此，卢瑟福预言，在原子核中必定还存在着一种电中性的粒子。1.1道尔顿原子论道尔顿原子论第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系11第11页，共163页，编辑于2022年，星期一6.6.中子的发现中子的发现 1923年，卢瑟福的学生、美国物理学家查德威克Chadwick用高速粒子轰击Be时，发现了这种不带电的粒子。它的质量比质子的质量略大。中子的发

8、现，上述原子核的质量问题就解决了。He核的质量之所以为H原子的两倍，是因为核中除含有2个质子外，还含有2个中子的缘故。由于上述一系列的重大发现和研究，人们基本弄清了原子的主要组成。原子是由电子、质子和中子三种基本粒子所组成。其中质子和中子靠核力组成原子核，核靠静电引力而将电子束缚在核外的一定空间运动。1.1道尔顿原子论道尔顿原子论第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系12第12页，共163页，编辑于2022年，星期一原子结构理论的发展简史原子原子结构理论的发展简史原子结构理论的发展简史结构理论的发展简史一、古代希腊的原子理论一、古代希腊的原子理论二、二、19世纪初道尔顿世纪初道

9、尔顿(J.Dolton)的的原子理论原子理论三、卢瑟福三、卢瑟福(E.Rutherford)的行星式原的行星式原子模型子模型-19世纪末世纪末四、近代原子结构理论四、近代原子结构理论-氢原子光谱氢原子光谱1.1道尔顿原子论道尔顿原子论第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系13第13页，共163页，编辑于2022年，星期一1-1 1-1 道尔顿原子论道尔顿原子论1-1-11-1-1原子论发展简史原子论发展简史 古希腊哲学家德谟克利特（古希腊哲学家德谟克利特（Democritus)臆想出原臆想出原子是物质最小的，不可再分的，永存不变的微粒。子是物质最小的，不可再分的，永存不变的微粒

10、。17至至18世纪，波意耳第一次给出了化学元素的世纪，波意耳第一次给出了化学元素的定义定义用物理方法不能再分解的最基本的物用物理方法不能再分解的最基本的物质组分。质组分。1.1道尔顿原子论道尔顿原子论第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系14第14页，共163页，编辑于2022年，星期一1732年，尤拉提出自然界存在多少种原子，就有年，尤拉提出自然界存在多少种原子，就有多少种元素。多少种元素。1785年，拉瓦锡用实验证明了质量守恒定律年，拉瓦锡用实验证明了质量守恒定律化学化学反应发生了物质组成的变化，但反应前后物质的总质量反应发生了物质组成的变化，但反应前后物质的总质量不变。不

11、变。1797年，希特发现了当量定律。年，希特发现了当量定律。1799年，普鲁斯特发现了定比定律。年，普鲁斯特发现了定比定律。19世纪初，道尔顿创立了化学原子论。世纪初，道尔顿创立了化学原子论。1.1道尔顿原子论道尔顿原子论第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系15第15页，共163页，编辑于2022年，星期一道尔顿原子论道尔顿原子论1805年，道尔顿明确地提出了他的原子论，这个理论的要点有：每一种化学元素有一种原子；同种原子质量相同，不同种原子质量不同；原子不可再分；一种原子不会转变为另一种原子；化学反应只是改变了原子的结合方式；使反应前的物质变成反应后的物质。1.1道尔顿原子

12、论道尔顿原子论第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系16第16页，共163页，编辑于2022年，星期一道尔顿用来表示原子的符号，是最早的元素符号。图中他给出的许多分子组成是错误的。这给人以历史的教训要揭示科学的真理不能光凭想象，更不能遵循道尔顿提出的所谓“思维经济原则”，客观世界的复杂性不会因为人类或某个人主观意念的简单化而改变。1.1道尔顿原子论道尔顿原子论第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系17第17页，共163页，编辑于2022年，星期一原子论的优点与缺点原子论的优点与缺点 优点：优点：解释了当时已知的化学反应的定量关系。解释了当时已知的化学反应的定量关

13、系。缺点：缺点：不能给出许多元素的原子量不能给出许多元素的原子量道尔顿原子论极大地推动了化学的发展，在道尔顿原子论极大地推动了化学的发展，在1818和和1826年，瑞典化学家贝采里乌斯年，瑞典化学家贝采里乌斯(C-L.Berzelius1779-1848)通过大量实验正确地确定了当时已知化学元素的通过大量实验正确地确定了当时已知化学元素的原子量，纠正了道尔顿原子量的误值，为化学发展奠原子量，纠正了道尔顿原子量的误值，为化学发展奠定了坚实的实验基础。定了坚实的实验基础。1.1道尔顿原子论道尔顿原子论第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系18第18页，共163页，编辑于2022年，

14、星期一1-2相相对原子质量（原子量）对原子质量（原子量）1-2-1元素，原子序数和元素符号元素，原子序数和元素符号 元素元素-具有一定核电核数（等于核内质子数）的原子称为具有一定核电核数（等于核内质子数）的原子称为一种（化学）元素。一种（化学）元素。原子序数原子序数-按（化学）元素的核电核数进行排序所得的序按（化学）元素的核电核数进行排序所得的序号。号。元素符号元素符号每一种元素有一个用拉丁字母表达的符号。每一种元素有一个用拉丁字母表达的符号。在不同场合，元素符号可以代表一种元素，或者该元素的一个原子，也可代表该元素的1摩尔原子。1.2相对原子质量（原子量）相对原子质量（原子量）第一章第一章

15、原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系19第19页，共163页，编辑于2022年，星期一1.核素:具有一定质子数和一定中子数的原子称为一种核素。它可以分为稳定核素（原子核是稳定的）和放射性核素（原子核不稳定）；还可以分为单核素元素（只有一种稳定核素）和多核素元素（有几种稳定核数）。核素符号,质子数，中子数，质量数。1-2-2 1-2-2 核素、同位素和同位素丰度核素、同位素和同位素丰度1.2相对原子质量（原子量）相对原子质量（原子量）第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系20第20页，共163页，编辑于2022年，星期一2.同位素:具有相同核电核数，不同中子数的核素互称同位素

16、。如氢的3种同位素氕（H），氘（D），氚（T）。通常用元素符号左上下角添加数字作为核素符号。核素符号左下角的数字是该核素的原子核里的质子数，左上角的数字称为该核素的质量数，即核内质子数与中子数之和。如：1.2相对原子质量（原子量）相对原子质量（原子量）第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系21第21页，共163页，编辑于2022年，星期一 3.同位素丰度:某元素的各种天然同位素的分数组成（原子百分比）。例如，氧的同位素丰度为：f（16O）=99.76%,f（17O）=0.04%，f（18O）=0.20%,而单核素元素，如氟，同位素丰度为f（19F）=100%。有些元素的同位素丰

17、度随取样样本不同而涨落，通常所说的同位素丰度是指从地壳（包括岩石、水和大气）为取样范围的多样本平均值。若取样范围扩大，需特别注明。1.2相对原子质量（原子量）相对原子质量（原子量）第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系22第22页，共163页，编辑于2022年，星期一1-2-3 1-2-3 原子的质量原子的质量一个原子的质量很小，但是不等于构成它的质子和中子质量的简单加和。例如，1摩尔氘原子的质量比1摩尔质子和1摩尔中子的质量和小0.00431225g。这一差值称为质量亏损，等于核子结合成原子核释放的能量结合能。单位是百万电子伏特（Mev）。不同数量的核子结合成原子释放的能量与

18、核子的数量不成比例，比结合能是某原子核的结合能除以其核子数。比结合能越大，原子核越稳定。1.2相对原子质量（原子量）相对原子质量（原子量）第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系23第23页，共163页，编辑于2022年，星期一以原子质量单位u为单位的某核素一个原子的质量称为该核素的原子质量，简称原子质量。1u等于核素12C的原子质量的1/12。1u等于多少?这取决于对核素12C的一个原子的质量的测定。最近的数据是：1u=1.660566（9）10-24 g 核素的质量与12C的原子质量的1/12之比称为核素的相对原子质量。它在数值上等于核素的原子质量，量纲为一。1.2相对原子质

19、量（原子量）相对原子质量（原子量）第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系24第24页，共163页，编辑于2022年，星期一1-2-4 1-2-4 元素的相对原子质量（原子量）元素的相对原子质量（原子量）原子量：指一种元素的1摩尔质量对核素12C的1摩尔质量的1/12的比值。1）元素的相对原子质量是纯数。2）单核素的相对原子质量等于该元素的核素的相对原子质量。3）多核素元素的相对原子质量等于该元素的天然同位素相对原子质量的加权平均值。1.2相对原子质量（原子量）相对原子质量（原子量）第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系25第25页，共163页，编辑于2022年，

20、星期一 加权平均值就是几个数值分别乘上一个权值再加和起来。对于元素的相对原子质量（原子量），这个权值就是同位素丰度。用Ar 代表多核素元素的相对原子质量，则：Ar=fi Mr,i 式中：f i 同位素丰度；Mr,i同位素相对原子质量同位素相对原子质量1.2相对原子质量（原子量）相对原子质量（原子量）第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系26第26页，共163页，编辑于2022年，星期一1 13 3 原子的起源和演化原子的起源和演化1.宇宙之初 所有物质在一个密度极大、温度极高的原始核中。2.氢燃烧：41H 4He+2e-+2e（10%氢转变为氦）3.氦燃烧（得到12C，）4.碳

21、燃烧（进而得到16O，20Ne，24Mg）5.过程（吸收射线而放出粒子的核反应）6.e过程（产生从钛到铜的各种原子）7.重元素诞生（中子俘获“和”质子俘获“的结果）8.宇宙大爆炸理论的是非1.3原子的起源和演化原子的起源和演化第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系27第27页，共163页，编辑于2022年，星期一1-4 1-4 原子结构的玻尔行星模型原子结构的玻尔行星模型1-4-1 1-4-1 氢原子光谱氢原子光谱光谱光谱复合光线经三棱镜折射后按照波复合光线经三棱镜折射后按照波 长长短依次排列的彩色图像。长长短依次排列的彩色图像。连续光谱（带状光谱）连续光谱（带状光谱）如日光光

22、谱，如日光光谱，沸腾钢水、炽热灯丝光光谱。沸腾钢水、炽热灯丝光光谱。线状光谱（原子光谱）线状光谱（原子光谱）原子的特征光谱。以受激原子的特征光谱。以受激发的原子或离子作光源，发出的光通过分光镜后得发的原子或离子作光源，发出的光通过分光镜后得到不连续的明暗相间线条组成的光谱。到不连续的明暗相间线条组成的光谱。1.4原子结构的波尔行星模型原子结构的波尔行星模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系28第28页，共163页，编辑于2022年，星期一自然界的连续光谱自然界的连续光谱1.4原子结构的波尔行星模型原子结构的波尔行星模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系2

23、9第29页，共163页，编辑于2022年，星期一连续光谱连续光谱(实验室）实验室）1.4原子结构的波尔行星模型原子结构的波尔行星模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系30第30页，共163页，编辑于2022年，星期一电磁波的连续光谱电磁波的连续光谱1.4原子结构的波尔行星模型原子结构的波尔行星模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系31第31页，共163页，编辑于2022年，星期一氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱（从上到下）（从上到下）1.4原子结构的波尔行星模型原子结构的波尔行星模型第一章第一章 原子结构与元素周期

24、系原子结构与元素周期系32第32页，共163页，编辑于2022年，星期一氢原子光谱（原子发射光谱）氢原子光谱（原子发射光谱）真空管中含少量H2(g)，高压放电，发出紫外光和可见光 三棱镜 不连续的线状光谱1.4原子结构的波尔行星模型原子结构的波尔行星模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系33第33页，共163页，编辑于2022年，星期一氢光谱是所有元素的光谱中最简单的光谱。氢光谱是所有元素的光谱中最简单的光谱。在可见光区，它的光谱只由几根分立的线状谱在可见光区，它的光谱只由几根分立的线状谱线组成线组成(不连续的不连续的）,其波长和代号如下所示：其波长和代号如下所示：谱线谱线

25、HHHHH 编号编号(n)12345波长波长/nm656.279486.133434.048410.175397.0091.4原子结构的波尔行星模型原子结构的波尔行星模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系34第34页，共163页，编辑于2022年，星期一不难发现，从红到紫,谱线的波长间隔越来越小。5的谱线密得用肉眼几乎难以区分。1883年，瑞士的巴尔麦（J.J.Balmer 1825-1898）发现，谱线波长()与编号(n)之间存在如下经验方程(巴尔麦(J.Balmer)经验公式(1885)：1.4原子结构的波尔行星模型原子结构的波尔行星模型第一章第一章 原子结构与元素周期

26、系原子结构与元素周期系35第35页，共163页，编辑于2022年，星期一:谱线波长的倒数谱线波长的倒数,波数波数(cm-1).n:大于大于2的正整数的正整数.RH：里德堡里德堡常数常数,1.09677576 107m-1n=2,所得到的是可见光谱的谱线，称为巴尔麦系。巴尔麦系。n=3,得到氢的红外光谱，称为帕邢系帕邢系(Pashen)。n=1,得到的是氢的紫外光谱，称为莱曼系（莱曼系（Lyman）里德堡里德堡(J.R.Rydberg1854-1919)把巴尔麦的经验方程把巴尔麦的经验方程改写成如下的形式：改写成如下的形式：1.4原子结构的波尔行星模型原子结构的波尔行星模型第一章第一章 原子结构

27、与元素周期系原子结构与元素周期系36第36页，共163页，编辑于2022年，星期一经典电磁理论不能解释氢原子光谱经典电磁理论不能解释氢原子光谱经典电磁理论：经典电磁理论：电子绕核作高速圆周运动，电子绕核作高速圆周运动，发出连续电磁波发出连续电磁波 连续光谱，连续光谱，电子能量电子能量 坠入原子核坠入原子核原子湮灭原子湮灭 事实：事实：氢原子光谱是线状（而不是连续光谱）；原氢原子光谱是线状（而不是连续光谱）；原子没有湮灭。子没有湮灭。1.4原子结构的波尔行星模型原子结构的波尔行星模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系37第37页，共163页，编辑于2022年，星期一1-4-2

28、 1-4-2 波尔理论波尔理论为解释原子可以稳定存为解释原子可以稳定存在的问题和氢原子的线状光在的问题和氢原子的线状光谱，谱，1913年，丹麦物理学家年，丹麦物理学家玻尔总结普朗克的量子论、玻尔总结普朗克的量子论、爱因斯坦的光子论和爱因斯坦的光子论和卢瑟福卢瑟福的原子模型结构，提出了的原子模型结构，提出了玻尔理论。玻尔理论。1.4原子结构的波尔行星模型原子结构的波尔行星模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系38第38页，共163页，编辑于2022年，星期一1-4-2 1-4-2 波尔理论波尔理论1.理论要点 1）行星模型 假定氢原子核外电子是处在一定的线形轨道上绕核运行的，

29、就像行星绕太阳运行一样；2）定态假设 假定氢原子核外电子在轨道运行时有一定的不变的能量（既不吸收能量也不放出能量），这种状态称为定态（即不随时间而改变）。基态-能量最低的定态；激发态-能量高于基态的定态。H、类氢离子：rn=52.9 n2/z (pm)（n为正整数，z为核电荷数）H基态:n=1 rn=52.9 pm 玻尔半径1.4原子结构的波尔行星模型原子结构的波尔行星模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系39第39页，共163页，编辑于2022年，星期一3）量子化条件 假设氢原子核外电子的轨道是不连续的，在轨道运行的电子具有一定的角动量。这些能量只能取某些由量子化条件决定

30、的分立数值，通常把这些具有不连续能量值的定态叫做能级。根据量子化条件，玻尔推出计算定态轨道能量公式：H原子、类氢离子：En=13.6Z2/n2(ev)=2.1791018 Z2/n2(J)（n1的正整数，1ev=1.6021019J）H原子：En=13.6/n2(ev)=2.1791018/n2(J)基态：E=13.6(ev)1.4原子结构的波尔行星模型原子结构的波尔行星模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系40第40页，共163页，编辑于2022年，星期一4)跃迁规则 电子吸收光子就会跃迁到能量较高的激发态，反之，激发态的光子会放出光子返回基态或者能量较底的激发态。光子的

31、能量就是跃迁前后2个能级的能量之差。1.4原子结构的波尔行星模型原子结构的波尔行星模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系41第41页，共163页，编辑于2022年，星期一 当当n=1时能量最低，此时能量为时能量最低，此时能量为2.17910-18J,此时此时对应的半径为对应的半径为52.9pm，称为玻尔半径，称为玻尔半径。1.4原子结构的波尔行星模型原子结构的波尔行星模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系42第42页，共163页，编辑于2022年，星期一2.波尔理论的成功与缺陷波尔理论的成功与缺陷成功：波尔理论用量子化的特性解释经典物理无法解释的原子的发

32、光现象，解释原子稳定存在的问题，解释氢原子光谱的不连续性及里德堡经验公式。缺陷：未能完全冲破经典物理的束缚，电子在原子核外的运动采取了宏观物体的固定轨道，没有考虑电子本身具有微观粒子所特有的规律性-波粒二象性。因此，波尔理论无法解释多电子原子的光谱和氢光谱的精细结构等问题。1.4原子结构的波尔行星模型原子结构的波尔行星模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系43第43页，共163页，编辑于2022年，星期一1-5 1-5 氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型 1924年，年轻的法国物理学家Louis de Broglie（德布罗意）把光的粒子说和光的波动说统一起来

33、，提出光的波粒二象性，认为光兼具粒子性和波动性两重性。1-5-1光的波粒二象性光的波粒二象性 波动性衍射、干涉、偏振微粒性光电效应、实物发射或吸收光（与光和实物互相作用有关）1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系44第44页，共163页，编辑于2022年，星期一1-5-2 1-5-2 德布罗意关系式德布罗意关系式 德布罗意认为：每个微观粒子都与一个波的运动相关，具有质量为m，运动速度为V的微观粒子，相应的波长可由下式算出：光子的动量光子的动量(P=mc，E=mc2，其中，其中m是光子的质量，是光子的质量，c是是光速光速)与光

34、的波长与光的波长(l)成反比：成反比：P=mc=E/c=h/c=h/或或=h/Ph/mv 对于宏观物体，不必考察其波动性，而对于高速运动的微观物体，就不能不考察起波动性。1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系45第45页，共163页，编辑于2022年，星期一戴维森和革尔麦的电子衍射实验证明了德布罗意科学预言的准确性。1.电子衍射实验 实验结果表明：电子不仅是一种有一定质量高速运动的带电粒子，而且能呈现波动的特性。（当然其运动还是量子化的）1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系

35、原子结构与元素周期系46第46页，共163页，编辑于2022年，星期一感光屏幕电子衍射实验示意图 用电子枪发射高速电子通过薄晶体片射击感光荧屏，得到明暗相间的环纹，类似于光波的衍射环纹。薄晶体片电子束电子枪衍射环纹衍射环纹1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系47第47页，共163页，编辑于2022年，星期一 既然电子是具有波粒二象性的微观粒子，能否象经典力学准确测定宏观物体运动的速度和位置那样准确测定电子运动的速度和位置呢？对于微观粒子,由于其具有特殊的运动性质(波粒二象性),不能同时准确测定其位置和动量。1927年,海森

36、堡(Heisthberg)提出了电子运动的测不准原理。1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系48第48页，共163页，编辑于2022年，星期一1-5-3测不准原理测不准原理(WernerHeisenberg,1926)x粒子的位置不确定量粒子的位置不确定量粒子的运动速度不确定量粒子的运动速度不确定量测不准关系式：测不准关系式：x m v=x p h/4 p粒子动量的不准量粒子动量的不准量h普朗克常数，普朗克常数，h=6.6261034JS1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系

37、原子结构与元素周期系49第49页，共163页，编辑于2022年，星期一 上式表明：对于任何一个微观粒子，测定其位置的误差与测定其动量的误差之积为一个常数h/4.（即原子中核外电子的运动不可能同时准确测出其位置和动量。）显然，显然，x ,则则p;x ,则则p微观粒子，不能同时准确测量其微观粒子，不能同时准确测量其位置和动量位置和动量。1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系50第50页，共163页，编辑于2022年，星期一例例1:微观粒子如电子,m=9.11 10-31 kg,半径 r=10-18m，则 x至少要达到10-19m

38、才相对准确，则其速度的测不准情况为：=6.626 10-34/4 3.14 9.11 10-31 10-19=5.29 1014 m.s-1误差如此之大，容忍不了！对于宏观物体如何？1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系51第51页，共163页，编辑于2022年，星期一例例2:对于m=10克的子弹，它的位置可 精确到x 0.01 cm，其速度测不准情况为：几乎没有误差,所以对宏观物质,测不准原理无意义.1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系52第52页，共

39、163页，编辑于2022年，星期一测不准原理意义：测不准原理意义：应用测不准关系，可以检验经典力学适用的范围，区分宏观世界和微观世界。既然对微观粒子的运动状态测不准,有无方法描述其运动状态呢?答案是肯定的.某电子的位置虽然测不准,但可以知道它在某空间附近出现的机会的多少,即几率的大小可以确定.因而可以用统计的方法和观点,考察其运动行为。这里包括两点:能量:量子化 运动:统计性 1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系53第53页，共163页，编辑于2022年，星期一1.几率和几率密度几率和几率密度1-5-4氢原子的量子力学模型

40、氢原子的量子力学模型几率：几率：用统计性的方法可以判断电子在核外空间某一区域内出现机会的多少，数学上，称这种机会的百称这种机会的百分数为几率。分数为几率。几率密度几率密度：核外空间某处单位体积内电子出现的几率。几率=体积几率密度 为了直观、形象地表示电子在核外空间几率密度的分布情况，量子力学引入了电子云的概念。1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系54第54页，共163页，编辑于2022年，星期一2.电子云电子云电子云是电子在原子核外空间概率密度分布的形象描述。电子云图象中的每一个小黑点表示电子出现在核外空间的一次概率（不表

41、示一个电子），概率密度越大，电子云图象中的小黑点越密。如果我们能够设计一个理想的实验方法，对氢原子中的 一个电子在核外的情况进行多次重复观察，并记录电子在核外空间每一瞬间出现的位置，统计其结果，得的空间图像，其形状就好像在原子核外笼罩着一团电子形成的 云雾，故形象地称为电子云。1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系55第55页，共163页，编辑于2022年，星期一1s2s2p 假想将核外一个电子每个瞬间的运动状态，进行摄影。并将这样数百万张照片重叠，得到如下的统计效果图，形象地称为电子云图。1.5氢原子结构的量子力学模型氢原

42、子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系56第56页，共163页，编辑于2022年，星期一 处于不同定态的电子的电子云图象具有不同特征，处于不同定态的电子的电子云图象具有不同特征，主要包括：主要包括：1）电子云在核外空间扩展程度）电子云在核外空间扩展程度，扩展程度大，扩展程度大的的电子云所对应的电子具有较高的能量状态。核外电电子云所对应的电子具有较高的能量状态。核外电子按能量大小分为子按能量大小分为能层能层-K，L，M，N，O，P，Q.1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系57第57页，共1

43、63页，编辑于2022年，星期一能层电子及电子云形状第一能层K1s电子（球型）第二能层L2s电子（球型）、2p电子（双纺锤型）第三能层M3s电子（球型）、3p电子（双纺锤型）、3d电子（多纺锤型）第四能层N4s电子（球型）、4p电子（双纺锤型）、4d电子（多纺锤型）、4f电子（形状复杂）2)2)电子的电子云的形状电子的电子云的形状 1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系58第58页，共163页，编辑于2022年，星期一能级能级：处在一定能层（：处在一定能层（K、L、M、N、O、P、Q）而又有一定形状电子云的电子）而又有一定形

44、状电子云的电子）eg,K层层1s能级能级,L层层2s能级、能级、2p能级，能级，M层层3s能级、能级、3p能级、能级、3d能级，能级，N层层4s能级、能级、4p能级、能级、4d能级、能级、4f能级能级.1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系59第59页，共163页，编辑于2022年，星期一s电子1种空间取向，1个轨道p电子3种取向（px，py，pz)，3个轨道d电子5种取向()，5个轨道 f电子7种取向，7个轨道K能层1个轨道，L能层4个轨道，M能层9个轨道，N能层16个轨道，.n能层n2个轨道。3）电子云在空间的取向 轨道

45、-电子在核外空间概率密度较大的区域。描述在一定能层和能级上又有一定取向的电子云。1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系60第60页，共163页，编辑于2022年，星期一电电子子云云的的角角度度分分布布61第61页，共163页，编辑于2022年，星期一 3.电子的自旋 电子绕核高速运转，还绕自己的轴自转，自旋只有 2种方向顺时针和逆时针。4.核外电子的可能运动状态 具有一定“轨道”的电子称为具有一定空间运动状态的电子；把既具有一定空间运动状态又具有一定自旋状态的电子称为具有一定运动状态的电子。（p35表）1.5氢原子结构的量子

46、力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系62第62页，共163页，编辑于2022年，星期一5.4个量子数 主量子数 n n=1,2,3,角量子数l l=0，1，2，(n-1)磁量子数 m m=-l,-l+1,，0，l1,l 自旋量子数 ms1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系63第63页，共163页，编辑于2022年，星期一1)主量子数主量子数n(与能层对应）与能层对应）：与电子能量有关，对于氢原子，电子能量唯一决定于n；取值：n=1、2、3、4-为正整数(自然数)意义:（1）

47、决定电子能量大小的主要因素 （2）表示核外电子离核的远近1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系64第64页，共163页，编辑于2022年，星期一不同的不同的n n值，对应于不同的能层（电子层）：值，对应于不同的能层（电子层）：K L M N On增大，E增大；n相等，E相等 H原子：E1sE2s=E2pE3s=E3p=E3d 例如：对于H原子或类氢离子的轨道半径：rn=52.9n2/z (pm)n增大，r增大；n一定，电子离核的距离r就确定。1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周

48、期系原子结构与元素周期系65第65页，共163页，编辑于2022年，星期一电子层(能层):n相同的电子离核的平均距离 相近，称为处于一个能层。常用光谱学符号表示能层（电子层）：主量子数n 1 2 3 4 5 6 7光谱符号 K L M N O P Q 能级1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系66第66页，共163页，编辑于2022年，星期一l 的取值:对于一定的n l=0，1，2，3n1,共n个值2)角量子数角量子数l（对应于能级）（对应于能级）：意义：（1）确定原子轨道形状 （2）和主量子数n共同决定多电子原子中电子的能

49、量大小 （3）确定电子云的概率径向分布1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系67第67页，共163页，编辑于2022年，星期一 无论n为何，l相同，原子轨道形状相同；l不同，原子轨道形状不同。习惯上用小写光谱符号表示不同形状的原子轨道角量子数角量子数 l 原子轨道原子轨道原子轨道形状原子轨道形状0123spdf球形球形双球形双球形花瓣形花瓣形形状复杂形状复杂1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系68第68页，共163页，编辑于2022年，星期一主量子数和角

50、量子数关系主量子数和角量子数关系主量子数l 个数l 取值原子轨道 原子轨道形状 1101s球形球形2202s球形球形12p双球形双球形3303s球形球形13p双球形双球形23d花瓣形花瓣形4404s球形球形14p双球形双球形24d花瓣形花瓣形34f69第69页，共163页，编辑于2022年，星期一 同层中(n相同),不同的轨道(l)称为亚层，也叫电子轨道分层。所以 l 的取值决定了亚层的多少。结论：结论：n层有n个l值，有n种轨道共有n2个轨道1.5氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型第一章第一章 原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系70第70页，共163页，编辑于2022年，