第一講原子結(jié)構(gòu)第一部分

第一講原子結(jié)構(gòu)第一部分第1頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月原子結(jié)構(gòu)與元素周期系元素基本性質(zhì)的周期性核外電子的排布和元素周期系核外電子的運動狀態(tài)2第2頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月原子結(jié)構(gòu)與元素周期系波函數(shù)的空間圖象概率密度和電子云波函數(shù)和原子軌道微觀粒子的波粒二象性氫原子光譜和玻爾理論四個量子數(shù)核外電子的運動狀態(tài)3第3頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展簡史近代原子結(jié)構(gòu)理論盧瑟福道爾頓古希臘4第4頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月1803年道爾頓提出原子學(xué)說化學(xué)元素均由不可再分的微粒組成。這種微粒稱為原子。原子在一切化學(xué)變化中均保持其不可再分性同一元素的所有原子，在質(zhì)量和性質(zhì)上都相同；不同元素的原子，在質(zhì)量和性質(zhì)上都不相同不同的元素化合時，這些元素的原子按簡單整數(shù)比結(jié)合成化合物原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展簡史5第5頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展簡史可是，質(zhì)子、電子的發(fā)現(xiàn)使人們意識到，原子是可分的于是，新的模型出現(xiàn)了6第6頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月Rutherford提出“太陽-行星模型”：1.所有原子都有一個核即原子核(nucleus)；2.核的體積只占整個原子體積極小的一部分；3.原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在核上；4.電子像行星繞著太陽那樣繞核運動。原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展簡史7第7頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

在對粒子散射實驗結(jié)果的解釋上,新模型的成功是顯而易見的,至少要點中的前三點是如此.

根據(jù)當時的物理學(xué)概念,帶電微粒在力場中運動時總要產(chǎn)生電磁輻射并逐漸失去能量,運動著的電子軌道會越來越小,最終將與原子核相撞并導(dǎo)致原子毀滅?？墒?，這一發(fā)現(xiàn)使經(jīng)典物理學(xué)概念面臨窘境

會不會？！原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展簡史8第8頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月原子光譜也與經(jīng)典力學(xué)產(chǎn)生矛盾9第9頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月光譜“光譜”(spectrum)一詞是牛頓根據(jù)太陽光通過三棱鏡后得到紅、橙、黃、綠、青、藍、紫而提出的。10第10頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月原子光譜焰火是熱致發(fā)光。把氣體裝進真空管，真空管兩端施以高壓電，氣體也會發(fā)光，叫做電致發(fā)光。如霓虹燈、高壓汞燈、高壓鈉燈就是氣體的電致發(fā)光現(xiàn)象。例如，氫、氖發(fā)紅光，氬、汞發(fā)藍光。11第11頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月原子光譜到1859年，德國海德堡大學(xué)的基爾霍夫和本生發(fā)明了光譜儀，奠定了光譜學(xué)的基礎(chǔ),使光譜分析成為認識物質(zhì)和鑒定元素的重要手段。12第12頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月氫原子光譜光譜儀可以測量物質(zhì)發(fā)射或吸收的光的波長，拍攝各種光譜圖。光譜圖就像“指紋”辨人一樣，可以辨別形成光譜的元素。人們用光譜分析發(fā)現(xiàn)了許多元素,如銫、銣、氦、鎵、銦等十幾種。13第13頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

然而，直到二十世紀初，人們只知道物質(zhì)在高溫或電激勵下會發(fā)光，卻不知道發(fā)光機理；人們知道每種元素有特定的光譜，卻不知道為什么不同元素有不同光譜。（從上到下）氫、氦、鋰、鈉、鋇、汞、氖的發(fā)射光譜特征:①不連續(xù)的、線狀的;②是很有規(guī)律的。14第14頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月氫光譜是所有元素的光譜中最簡單的光譜。其波長和代號如下所示：

譜線HαHβHγHδH

…編號(n)１２３４５…波長/nm656.279486.133434.048410.175397.009…不難發(fā)現(xiàn)，從紅到紫,譜線的波長間隔越來越小。ｎ>5的譜線密得用肉眼幾乎難以區(qū)分。1883年，瑞士的巴爾麥（J.J.Balmer1825-1898）發(fā)現(xiàn)，譜線波長(λ)與編號(n)之間存在如下經(jīng)驗方程：氫原子光譜15第15頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

氫原子光譜由五組線系組成,任何一條譜線的波數(shù)(wavenumber)都滿足簡單的經(jīng)驗關(guān)系式:

名字n1n2Lyman系Balmer系Paschen系Brackett系Pfund系123452,3,4,…3,4,5,…4,5,6,…5,6,7,…6,7,8,…如：對于Balmer線系的處理n=3紅（Hα）n=4青（Hβ）n=5藍紫（Hγ）n=6紫（Hδ）16第16頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月氫原子光譜與經(jīng)典力學(xué)的矛盾原子是相對穩(wěn)定的原子光譜是不連續(xù)的譜線而非連續(xù)光譜17第17頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

Plank公式

1900年,普朗克(PlankM)提出著名的普朗克方程：E=hv式中的h叫普朗克常量(Planckconstant),其值為6.626×10-34J·s。

普朗克認為,物體只能按hv的整數(shù)倍(例如1hv,2hv,3hv等)一份一份地吸收或釋出光能,而不可能是0.5hv,1.6hv,2.3hv等任何非整數(shù)倍。即所謂的能量量子化概念。

普朗克提出了當時物理學(xué)界一種全新的概念,但它只涉及光作用于物體時能量的傳遞過程(即吸收或釋出)。18第18頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月光波的粒子性1905年,愛因斯坦(EinsteinA)成功地將能量量子化概念擴展到光本身,解釋了光電效應(yīng)(photoelectriceffect)。愛因斯坦對光電效應(yīng)的成功解釋最終使光的微粒性為人們所接受。19第19頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月愛因斯坦的光子學(xué)說普朗克的量子化學(xué)說氫原子的光譜實驗盧瑟福的有核模型Bohr在的基礎(chǔ)上，建立了Bohr理論波粒二象性20第20頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月玻爾(Bohr)理論的幾個假設(shè)電子不是在任意軌道上繞核運動，而是在一些符合一定條件的軌道上運動，即電子軌道的角動量P，必須等于h/2π的整數(shù)倍。這種符合量子化條件的軌道稱為穩(wěn)定軌道，電子在穩(wěn)定軌道上運動時，并不放出能量，在一定軌道中運動的電子具有一定的能量，稱為定態(tài)電子的軌道離核越遠，原子所含的能量越大，原子在正?；蚍€(wěn)定狀態(tài)時（稱為基態(tài)），各電子盡可能處在離核最近的軌道上，這時原子的能量最低。21第21頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月原子中的電子通常處于能量最低的狀態(tài)基態(tài)，當從外界獲取能量時電子處于激發(fā)態(tài)只有電子從較高的能級（即離核較遠的軌道）躍遷到較低的能級（即離核較近的軌道）時，原子才會以光子形式放出能量。hν=E2-E1玻爾(Bohr)理論的幾個假設(shè)

22第22頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月玻爾(Bohr)理論的成功與局限成功的解釋了氫光譜，玻爾從核外電子的能量的角度提出的定態(tài)、基態(tài)、激發(fā)態(tài)的概念至今仍然是說明核外電子運動狀態(tài)的基礎(chǔ)23第23頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月玻爾理論的應(yīng)用

成功解釋了H及He+、Li2+、B3+原子光譜的產(chǎn)生和規(guī)律性

“連續(xù)”或“不連續(xù)”實際上就是量的變化有沒有一個最小單位。說明了氫原子的穩(wěn)定性計算氫原子的電離能與實驗值非常接近△E＝-2.17×10-21×6.02×1023＝-1305.4kJ/mol實驗值為-1312kJ∕mol24第24頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月玻爾理論局限性

對氫原子光譜的精細結(jié)構(gòu)無法說明不能說明多電子原子光譜不能解釋氫原子光譜在磁場中的分裂結(jié)論：量子性是微觀世界的重要特征，要正確客觀地反映微觀世界微粒運動的規(guī)律，就必須用建筑在微觀世界的量子性和微粒運動的統(tǒng)計性這兩個基本特征基礎(chǔ)上的量子力學(xué)來描述。25第25頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月微觀粒子的波粒二象性德布羅依1924年說：“過去，對光過分強調(diào)波性而忽視它的粒性；現(xiàn)在對電子是否存在另一種傾向，即過分強調(diào)它的粒性而忽視它的波性?！保凹热还馐且环N微粒又是一種波，那么靜止質(zhì)量不為零的實物粒子也含有相似的二象性”波動性的直接證據(jù)

—光的衍射燈光源26第26頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月微粒波動性的近代證據(jù)

—電子的波粒二象性1927年，Davissson(戴維遜)和

Germer(蓋末爾)應(yīng)用Ni晶體進行電子衍射實驗，證實電子具有波動性。(a)(b)電子通過A1箔(a)和石墨(b)的衍射圖KVDMP

實驗原理燈光源X射線管電子源27第27頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論不能用經(jīng)典物理的波和粒的概念來理解它的行為電子具有波粒二象性描述電子等微粒的運動規(guī)律只能用描述微粒運動規(guī)律的量子力學(xué)28第28頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月不確定原理和幾率概念不確定原理：一個粒子的位置和動量不能同時地、準確地測定。注意：這里所討論的不確定性并不涉及所用的測量儀器的不完整性，它們是內(nèi)在固有的不可測定性?！鱴≥h/（4πm×△v）29第29頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月例1:對于m=10克的子彈，它的位置可精到

x＝0.01cm,其速度測不準情況為：∴對宏觀物體可同時測定位置與速度第30頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月例2:對于微觀粒子如電子,m=9.1110-31Kg,半徑

r=10-10m，則

x至少要達到10-11m才相對準確，則其速度的測不準情況為：∴若m非常小，則其位置與速度是不能同時準確測定的31第31頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

對于氫原子的基態(tài)電子，玻爾理論得出結(jié)論是：氫原子核外電子的玻爾半徑是52.9pm;它的運動速度為2.18×107m/s,相當于光速(3×108m/s)的7％。已知電子的質(zhì)量為9.1×10-31kg,假設(shè)我們對電子速度的測量準確量

v=104m/s時，即：(

mv)=9.1×10-31×104kg·m/s=9.1×10-27kg·m/s這樣,電子的運動坐標的測量偏差就會大到:

x=5.273×10-35kg·m2·s-1÷9.1×10-27kg·m/s=5795×10-12m=5795pm這就是說，這個電子在相當于玻爾半徑的約110倍(5795/52.9)的內(nèi)外空間里都可以找到,則必須打破軌跡的束縛：宏觀→確定時間→確定位置→軌跡。32第32頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論：不確定原理很好地反映了微觀粒子的運動特征——波粒二象性；根據(jù)量子力學(xué)理論，對微觀粒子的運動規(guī)律只能采用統(tǒng)計的方法作出幾率性的判斷。不確定原理促使我們對微觀世界的客觀規(guī)律有了更全面更深刻的理解。33第33頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月薛定諤方程ErwinSchrodinger,奧地利物理學(xué)家34第34頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月薛定諤方程(1926)波函數(shù)和原子軌道

一定的波函數(shù)表示電子的一種運動狀態(tài)，狀態(tài)——軌道。

波函數(shù)叫做原子軌道，即波函數(shù)與原子軌道是同義詞。薛定諤方程的物理意義：方程的每個合理的解，就是表示核外電子運動的某一穩(wěn)定狀態(tài)。每一個波函數(shù)都有對應(yīng)的能量E波函數(shù)ψ沒有明確的直觀的物理意義,但波函數(shù)絕對值的平方|ψ|2卻有明確的物理意義35第35頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月從薛定諤方程中求出的具體函數(shù)形式，即為方程的解。它是一個包含n、l、m三個常數(shù)項的三變量（x、y、z）的函數(shù)。通常用表示。應(yīng)當指出，并不是每一個薛定諤方程的解都是合理的，都能表示電子運動的一個穩(wěn)定狀態(tài)。所以，為了得到一個合理的解，就要求n、l、m不是任意的常數(shù)而是要符合一定的取值。在量子力學(xué)中把這類特定常數(shù)n、l、m稱為量子數(shù)。通過一組特定的n、l、m就可得出一個相應(yīng)的

每一個

即表示原子中核外電子的一種運動狀態(tài)。36第36頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月波函數(shù)和原子軌道波函數(shù)在量子力學(xué)中起了核心作用，展示出原子和分子中電子的運動狀態(tài)，是探討化學(xué)鍵理論的重要基礎(chǔ)。按照實物粒子波的本性和測不準原理的幾率概念，物理學(xué)家玻恩M.Born假定粒子的波函數(shù)已不再是振幅的函數(shù)，取代它的是粒子出現(xiàn)的幾率，當這個波函數(shù)的絕對值越大，粒子出現(xiàn)的幾率也就越大。一定的波函數(shù)表示電子的一種運動狀態(tài)，

狀態(tài)——軌道。波函數(shù)叫做原子軌道，即波函數(shù)與原子軌道是同義詞。

37第37頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月1━4概率密度和電子云

概率和概率密度

概率＝ψ|(x·y·z)|2dτ

概率密度＝

=ψ|(x·y·z)|2電子云

|ψ|2的空間圖像就是電子云分布圖像38第38頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月電子云||2

的空間圖像就是電子云分布圖像即電子云是從統(tǒng)計的概念出發(fā)，對核外電子出現(xiàn)的概率密度做形象化的描述。當電子云中黑點密的地方表示電子在此處出現(xiàn)的概率密度大，黑點稀的地方表示概率小。

39第39頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月40第40頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月如果我們定義一個離核距離為r,厚度為dr的薄層球殼，由于以r為半徑的球面的面積為4πr2,球殼的體積為dV=4πr2·dr,則在此球殼內(nèi)電子出現(xiàn)的概率為4πr2ψ2dr。令D(r)＝4πr2ψ2,并把D(r)叫做徑向分布函數(shù)，它是半徑r的函數(shù)。以D(r)為縱坐標，半徑r為橫坐標所作的圖叫做徑向分布函數(shù)圖。41第41頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月對比圖1-1與圖1-3，可見D(r)與ψ2的圖形是不同的，1s軌道的ψ2最大值出現(xiàn)在近核處，而D(r)在r＝52.9pm處有極大值。因為近核處雖然ψ2值最大，而r很小，D(r)不會很大，在遠離核處，盡管r很大，但因此時ψ2變小，D(r)也不會很大42第42頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月表示徑向電子云分布的兩種方法之一:(藍色曲線)★縱坐標:R2

★離核越近,電子出現(xiàn)的概率密度(單位體積內(nèi)的概率)越大。(這種曲線酷似波函數(shù)分布曲線)

43第43頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月表示徑向電子云分布的兩種方法之二:(紅色曲線)★縱坐標:4πr2R2★4πr2R2曲線是4πr2曲線和R2

曲線的合成曲線★曲線在r

=53pm處出現(xiàn)極大值,表明電子在距核53pm的單位厚度球殼內(nèi)出現(xiàn)的概率最大★波動力學(xué)模型得到的半徑恰好等于氫原子的玻爾半徑44第44頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

Z=γcosθ數(shù)學(xué)表達式χ=γsinθcosф

y=γsinθsinфγ2=χ2+y2+Z2tanф=y/χ1━5波函數(shù)的空間圖象

變數(shù)分離:

ψ(χ,y,Z)=ψ(γ,θ,ф)=R(γ)·Y(θ,ф)45第45頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月徑向波函數(shù)圖

46第46頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月徑向密度函數(shù)圖

47第47頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月徑向分布函數(shù)圖48第48頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月Z

/°cos

cos2

01.001.00150.970.93300.870.75450.710.50600.500.25900.000.00120－0.500.25135－0.710.50150－0.870.75165－0.970.93180－1.001.00波函數(shù)的角度分布圖49第49頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月角度部分的圖形

50第50頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月電子云等密度面圖

51第51頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月電子云界面圖

52第52頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月電子云圖53第53頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月54第54頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月原子軌道的形狀55第55頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月量子

數(shù)

物

理

意

義取

值

范

圍主量子數(shù)n描述電子離核遠近及能量高低n=1,2,3,…正整數(shù)角量子數(shù)l描述原子軌道的形狀及能量的高低l=0,1,2,…小于n的正整數(shù)磁量子數(shù)m描述原子軌道在空間的伸展方向自旋量子數(shù)ms描述電子的自旋方向ms=+1/2,-1/21—6四個量子數(shù)

2－m=0,+1,-1,+2,,…±l56第56頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月主量子數(shù)（n）角量子數(shù)（l）磁量子數(shù)（m）軌道符號軌道數(shù)

1

001s1

2

002s1

10，＋1，-12p3

3

003s1

10，＋1，-13p3

20，＋1，-1，＋2，-23d5

4

004s1

10，＋1，-14p3

20，＋1，-1，＋2，-24d5

30，＋1，-1，＋2，-2，＋3，-34f7

5

005s1

10，＋1，-15p3

20，＋1，-1，＋2，-25d5

30，＋1，-1，＋2，-2，＋3，-35f7

40，＋1，-1，＋2，-2，＋3，-3,+4,-4

5g957第57頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月描述電子運動狀態(tài)的四個量子數(shù)（1）主量子數(shù)

n(principalquantumnumber)◆與電子能量有關(guān)，對于氫原子，電子能量唯一決定于n◆確定電子出現(xiàn)概率最大處離核的距離◆不同的n值，對應(yīng)于不同的電子殼層１２３４５……..

KLMNO……..58第58頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月◆與角動量有關(guān)，對于多電子原子,l也與E有關(guān)◆l的取值0，1，2，3……n-1(亞層）

s,p,d,f…...◆l決定了ψ的角度函數(shù)的形狀（2）角量子數(shù)l(angularmomentumquantumumber)nl1234（亞層0000s111p22d3f

)59第59頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月◆與角動量的取向有關(guān)，取向是量子化的◆m可取0，±1,±2……±l◆取值決定了ψ角度函數(shù)的空間取向◆m值相同的軌道互為等價軌道（3）磁量子數(shù)m(magneticquantumnumber)Lm軌道數(shù)

0(s)1(p)2(d)3(f)

0

＋10－1

＋2＋10－1－2

＋3＋2＋10－1－2－3135760第60頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月s軌道(l=0,m=0):m一種取值,空間一種取向,一條s軌道

p軌道(l=1,m=+1,0,-1)

m三種取值,三種取向,三條等價(簡并)p軌道61第61頁，課件共6