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(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一人類認(rèn)識(shí)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(wàn)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(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

1803年，英國(guó)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(shí)心球體第3頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

1903年，英國(guó)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(yè)，共58頁(yè)，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(gè)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(gè)球體，正電荷均勻分布在整個(gè)球體內(nèi)，電子像面包里的葡萄干鑲嵌其中。第5頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

1911年,英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)提出了原子結(jié)構(gòu)的核式模型第6頁(yè)，共58頁(yè)，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(yùn)動(dòng)。第7頁(yè)，共58頁(yè)，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(yè)，共58頁(yè)，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(gè)電子時(shí)，電子沿特定球形軌道運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)原子有多個(gè)電子時(shí)，它們將分布在多個(gè)球殼中繞核運(yùn)動(dòng)第9頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二十年代第10頁(yè)，共58頁(yè)，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(yùn)動(dòng)狀態(tài)與宏觀物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)不同，它無(wú)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(huì)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(huì)多，反之，出現(xiàn)的機(jī)會(huì)少。第11頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一人類認(rèn)識(shí)原子的歷史進(jìn)程1803－1903－－1911－－－1913－－－20年代第12頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一人類認(rèn)識(shí)原子的歷史進(jìn)程第13頁(yè)，共58頁(yè)，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(zhǎng)介于４００nm－７００nm之間的電磁波。不同波長(zhǎng)的光在人的視覺中表現(xiàn)出不同的顏色，按波長(zhǎng)由長(zhǎng)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(yè)，共58頁(yè)，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(zhǎng)和強(qiáng)度分布記錄下來(lái)，得到的一種光帶叫光譜。第15頁(yè)，共58頁(yè)，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(zhǎng)的光所組成，且相近的波長(zhǎng)差別極小而不能分辨，則所得光譜稱為連續(xù)光譜。如太陽(yáng)光、白熾燈發(fā)出的白光等。連續(xù)光譜和線狀光譜第16頁(yè)，共58頁(yè)，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(zhǎng)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(cè)定示意圖和氫原子的線狀光譜圖第17頁(yè)，共58頁(yè)，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(diǎn)，將導(dǎo)致兩種結(jié)果：⑴電子不斷發(fā)射能量，自身能量會(huì)不斷減少，電子運(yùn)動(dòng)的軌道半徑也將逐漸縮小，電子很快就會(huì)落在原子核上，即有核原子模型所表示的原子是一個(gè)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(yè)，共58頁(yè)，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(diǎn)，圍繞原子核高速運(yùn)動(dòng)的電子一定會(huì)自動(dòng)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(yè)，共58頁(yè)，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(duì)氫原子的一個(gè)電子而言，n等于1時(shí)軌道的能量最低，稱為基態(tài)，處于其它軌道時(shí)稱為激發(fā)態(tài)。第20頁(yè)，共58頁(yè)，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(diǎn)１、電子在具有確定半徑的圓周軌道上繞核運(yùn)動(dòng)，并且不輻射能量。２、在不同軌道上運(yùn)動(dòng)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(huì)輻射或吸收能量，如果以光的形式表現(xiàn)并被記錄下來(lái)就是光譜KLME大E小第21頁(yè)，共58頁(yè)，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(huì)吸收或輻射能量第22頁(yè)，共58頁(yè)，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(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一氫原子光譜與玻爾軌道第24頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一交流與討論對(duì)于氫原子來(lái)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(lái)，人們通過光譜實(shí)驗(yàn)獲得的譜線的頻率或波長(zhǎng)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(yè)，共58頁(yè)，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(shí)驗(yàn)事實(shí)；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(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)事實(shí)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生多條譜線；在外磁場(chǎng)存在時(shí)，無(wú)論是氫原子還是多電子原子的光譜原來(lái)的一條譜線都可能分裂為多條；用高分辨光譜儀在無(wú)外磁場(chǎng)的情況下觀察時(shí)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(shí)，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(yè)，共58頁(yè)，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(shí)，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(shí)，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(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一玻爾只引入一個(gè)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的復(fù)雜性，必須用多個(gè)量子數(shù)來(lái)描述．量子力學(xué)中單個(gè)電子的空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為原子軌道.每個(gè)原子軌道可由三個(gè)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(duì)原子核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述第29頁(yè)，共58頁(yè)，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(duì)應(yīng)的符號(hào)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(yùn)動(dòng)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(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一l取值為0，１，２，３…(n－1)，共n個(gè)數(shù)值符號(hào)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(jí)來(lái)標(biāo)記具有相同n、l值的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在一個(gè)電子層中，l有多少個(gè)取值，就表示該電子層有多少個(gè)不同的能級(jí)。能級(jí)能量：ns<np<nd<nf2、角量子數(shù)l：第31頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一練習(xí):找出下列條件下能級(jí)的數(shù)目，并寫出其能級(jí)的符號(hào)n=1l=能級(jí)符號(hào)B.n=2l=能級(jí)符號(hào)C.n=3l=能級(jí)符號(hào)D.n=4l=能級(jí)符號(hào)1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f規(guī)律:每層的能級(jí)數(shù)值=電子層數(shù)0010120123第32頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一m可以取0、±1、±2…±l共(2l+1)個(gè)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(yùn)動(dòng)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(jí)有1個(gè)軌道P能級(jí)有3個(gè)軌道d能級(jí)有5個(gè)軌道f能級(jí)有7個(gè)軌道第33頁(yè)，共58頁(yè)，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(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一處于同一原子軌道上的電子自旋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)只能有兩種，ms=±1/2，分別用符號(hào)“↑”和“↓”表示。注意：自旋并不是”自轉(zhuǎn)”，實(shí)際意義更為深遠(yuǎn)。4、自旋磁量子數(shù)ms：第35頁(yè)，共58頁(yè)，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(hào)取值符號(hào)取值符號(hào)取值ms原子軌道m(xù)ln1s2s2px、2py、2pz3s3px3py3pz3dxy、3dyz、3dxz

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

——同一類型的能級(jí)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(jí)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(yùn)動(dòng)空間即原子軌道需要三個(gè)量子數(shù)：n、l、m原子軌道第38頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一確定一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)需要四個(gè)量子數(shù)：n、l、m、ms（角量子數(shù)）（l）00101201231s2s2p3s3p3d4s4p4d4f能級(jí)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(yè)，共58頁(yè)，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(duì)應(yīng)著電子層；主量子數(shù)n和角量子數(shù)l對(duì)應(yīng)著n電子層中的能級(jí)；主量子數(shù)n、角量子數(shù)l和磁量子數(shù)m對(duì)應(yīng)著n電子層中l(wèi)能級(jí)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)即原子軌道的量子數(shù)是:n、l、m.描述電子運(yùn)動(dòng)的量子數(shù)是:n、l、m、ms.

第40頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一[思考]實(shí)驗(yàn)證明，同一原子中不可能有四個(gè)量子數(shù)完全相同的電子存在。試推斷：每個(gè)原子軌道最多有幾個(gè)電子?每個(gè)電子層最多有多少個(gè)電子?每層的能級(jí)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(yè)，共58頁(yè)，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(jí)需要什么量子數(shù)？描述軌道需要什么量子數(shù)？描述一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通常需要哪幾個(gè)量子數(shù)？

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

1s3p2s3d2、將下列各能級(jí)按照能量由低到高的順序排列起來(lái)：①3p、2s、3d、1s、2p、3s②4p、4s、3d、2s、1s③2s、2p、1s、3p第43頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.下列各電子層，不包含d能級(jí)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(jí)中，軌道數(shù)為5的是（）。

A.s能級(jí)B.p能級(jí)C.d能級(jí)C4.以下各能級(jí)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(hào)。（1）n=1，l

=1（2）n=4，l=0（3）n=5，l=2

2p4s5d第44頁(yè)，共58頁(yè)，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(lái)。第45頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一x+yz1s1s原子軌道示意圖第46頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一p軌道的空間分布和伸長(zhǎng)方向p能級(jí)有三個(gè)能量相同的軌道Ｐ電子云圖Ｐ軌道圖象＋－＋－＋－第47頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3個(gè)p軌道合在一起的情形第48頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一d軌道的空間分布和伸長(zhǎng)方向d能級(jí)有5個(gè)能量相同的軌道第49頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一能層n12345能級(jí)0,1,…,(n-1)l(L)00，10，1，20,1,2,30,1,2,3,4符號(hào)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(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一宏觀物體的運(yùn)動(dòng)特征：特點(diǎn)：以較大質(zhì)量在較大空間作較低速運(yùn)動(dòng)?？梢詼?zhǔn)確地測(cè)出它們?cè)谀骋粫r(shí)刻所處的位置及運(yùn)動(dòng)的速度；可以描畫它們的運(yùn)動(dòng)軌跡。2、核外電子的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)（接近光速，約為108m/s）；無(wú)固定的軌道，不能同時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)定電子在某一時(shí)刻所處的位置和運(yùn)動(dòng)速度，也不能描畫出它的軌跡（測(cè)不準(zhǔn)原理）第51頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一因?yàn)槲覀儾荒艽_定原子中的電子在某一時(shí)刻一定出現(xiàn)在何處，只能指出它在原子核外空間某點(diǎn)電子出現(xiàn)的機(jī)會(huì)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(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一假設(shè)給氫原子照像第53頁(yè)