《原子結(jié)構(gòu)和元素周期表》課件教學(xué)

1、第第 1 章章原子結(jié)構(gòu)和原子結(jié)構(gòu)和元素周期表元素周期表1初步了解原子核外電子運動的近代概念、原子能級、初步了解原子核外電子運動的近代概念、原子能級、 波粒二象性、原子軌道和電子云概念。波粒二象性、原子軌道和電子云概念。2了解四個量子數(shù)對核外電子運動狀態(tài)的描述，掌握了解四個量子數(shù)對核外電子運動狀態(tài)的描述，掌握 四個量子數(shù)的物理意義、取值范圍。四個量子數(shù)的物理意義、取值范圍。3熟悉熟悉 s、p、d 原子軌道的形狀和方向。原子軌道的形狀和方向。 4理解原子結(jié)構(gòu)近似能級圖，掌握原子核外電子排布理解原子結(jié)構(gòu)近似能級圖，掌握原子核外電子排布 的一般規(guī)則和的一般規(guī)則和s、p、d、f 區(qū)元素的原子結(jié)構(gòu)特點。區(qū)

2、元素的原子結(jié)構(gòu)特點。5會從原子的電子層結(jié)構(gòu)了解元素性質(zhì)，熟悉原子半會從原子的電子層結(jié)構(gòu)了解元素性質(zhì)，熟悉原子半 徑、電離能、電子親和能和電負性的周期性變化。徑、電離能、電子親和能和電負性的周期性變化。本章教學(xué)要求本章教學(xué)要求1.1 亞原子粒子亞原子粒子 Subatomic particles1.2 波粒二象性波粒二象性 賴以建立現(xiàn)代模型的量子力學(xué)賴以建立現(xiàn)代模型的量子力學(xué) 概念概念 Wave-particle duality a fundamental concept of quantum mechanics 1.3 氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型 波爾模型波爾模型 The

3、quantum mechanical model of the structure of hydrogen atom Bohrs model 1.4 原子結(jié)構(gòu)的波動力學(xué)模型原子結(jié)構(gòu)的波動力學(xué)模型 The wave mechanical model of the atomic structure1.5 多電子原子軌道的能級多電子原子軌道的能級 Energy level in polyelectronic atoms 1.6 基態(tài)原子的核外電子排布基態(tài)原子的核外電子排布 Ground-state electron configuration1.7 元素周期表元素周期表 The periodic t

4、able of elements 1.8 原子參數(shù)原子參數(shù) Atomic parameters1.1 亞原子粒子亞原子粒子 Subatomic particles 1.1.1 化學(xué)研究的對象化學(xué)研究的對象 The object of chemical study1.1.3 夸克夸克 Quark1.1.2 亞原子粒子（基本粒子）亞原子粒子（基本粒子） Subatomic particles ( elementary particles)夸克夸克質(zhì)子質(zhì)子中子中子原子核原子核電子電子原子原子( (離子離子) )分子分子微觀微觀（宇觀）（宇觀）宇宙宇宙單單 質(zhì)質(zhì)化合物化合物星體星體宏觀宏觀納納 米米材

5、材 料料（介觀）（介觀）1.1.1 化學(xué)研究的對象化學(xué)研究的對象哪些是關(guān)鍵性的問題呢？哪些是關(guān)鍵性的問題呢？ 化學(xué)反應(yīng)的性能問題化學(xué)反應(yīng)的性能問題; ;化學(xué)催化的問題化學(xué)催化的問題; ;生命過程中的生命過程中的化學(xué)問題?；瘜W(xué)問題。 當今化學(xué)發(fā)展的趨勢大致是：當今化學(xué)發(fā)展的趨勢大致是： 由宏觀到微觀，由定性到定量，由穩(wěn)定態(tài)向亞穩(wěn)態(tài)，由宏觀到微觀，由定性到定量，由穩(wěn)定態(tài)向亞穩(wěn)態(tài)，由經(jīng)驗上升到理論并用理論指導(dǎo)實踐，開創(chuàng)新的研究。由經(jīng)驗上升到理論并用理論指導(dǎo)實踐，開創(chuàng)新的研究。1.1.2 亞原子粒子亞原子粒子 人們將組成原子的微粒叫人們將組成原子的微粒叫亞原子粒子亞原子粒子。亞原子粒子亞原子粒子曾經(jīng)也

6、叫曾經(jīng)也叫基本粒子基本粒子, , 近些年越來越多的文獻就將其叫近些年越來越多的文獻就將其叫粒粒子子。迄今科學(xué)上發(fā)現(xiàn)的粒子已達數(shù)百種之多迄今科學(xué)上發(fā)現(xiàn)的粒子已達數(shù)百種之多。 與化學(xué)相關(guān)的某些亞原子粒子的性質(zhì)與化學(xué)相關(guān)的某些亞原子粒子的性質(zhì)名稱名稱 符號符號質(zhì)量質(zhì)量/u/u電荷電荷/e/e電子電子 質(zhì)子質(zhì)子 中子中子 正電子正電子 粒子粒子 粒子粒子光子光子ep ne+ 5.4861041.0073 1.0087 ( (氦原子的核氦原子的核) ) ( (原子核射出的原子核射出的e e- -) ) ( (原子核射出的電磁波原子核射出的電磁波 ) ) 1105.48610412 101.1.3 夸克夸

7、克名稱名稱 下夸克下夸克 上夸克上夸克 奇夸克奇夸克 粲夸克粲夸克 底夸克底夸克 頂夸克頂夸克符號符號 d u s c b t電荷電荷 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3質(zhì)量質(zhì)量 均為質(zhì)子的均為質(zhì)子的1/100或或1/200 質(zhì)子的質(zhì)子的 200倍倍發(fā)現(xiàn)年代發(fā)現(xiàn)年代 1974 1977 1995某些最重要的夸克某些最重要的夸克 根據(jù)根據(jù) 1961 1961 年由蓋爾年由蓋爾- -曼（曼（Gell M-Mann）建立的新模型，建立的新模型， 質(zhì)子質(zhì)子和中子都是由更小的粒子夸克組成的，和中子都是由更小的粒子夸克組成的， 但現(xiàn)有的理論還不能預(yù)言但現(xiàn)有的理論還不能預(yù)言 ( (當

8、然更不用說從實驗上證明當然更不用說從實驗上證明) )電子是可分的。電子是可分的。1.2 波粒二象性波粒二象性 賴以建立現(xiàn)代賴以建立現(xiàn)代 模型的量子力模型的量子力學(xué)概念學(xué)概念 Wave- particle duality a fundamen- tal concept of quantum mechanics1.2.3 微粒的波動性微粒的波動性 Wave like particle1.2.2 波的微粒性波的微粒性 Particle like wave 1.2.1 經(jīng)典物理學(xué)概念面臨的窘境經(jīng)典物理學(xué)概念面臨的窘境 An embarrassment of the concepts of the cl

9、assical physics1.2.1 經(jīng)典物理學(xué)概念面臨的窘境經(jīng)典物理學(xué)概念面臨的窘境 Rutherford “太陽太陽-行星模型行星模型 ”的要點的要點： 1. 所有原子都有一個核即原子核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；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；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。電子像行星繞著太陽那樣繞核運動。 在對粒子散射實驗結(jié)果的解釋上在對粒子散射實驗結(jié)果的解釋上, 新模型的成功是新模型的成功是顯而易見的顯而易見的, 至少要

10、點中的前三點是如此至少要點中的前三點是如此。 根據(jù)當時的物理學(xué)概念根據(jù)當時的物理學(xué)概念, 帶電帶電微粒在力場中運動時總要產(chǎn)生電磁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輻射并逐漸失去能量, 運動著的電運動著的電子軌道會越來越小子軌道會越來越小, 最終將與原子最終將與原子核相撞并導(dǎo)致原子毀滅核相撞并導(dǎo)致原子毀滅。由于原子由于原子毀滅的事實從未發(fā)生毀滅的事實從未發(fā)生, 將經(jīng)典物理將經(jīng)典物理學(xué)概念推到前所未有的尷尬境地。學(xué)概念推到前所未有的尷尬境地。 經(jīng)典物理學(xué)概念面臨的窘境面臨的窘境 ？會不會？！1.2.2 波的微粒性波的微粒性 電磁波是通過空間傳播的能量電磁波是通過空間傳播的能量?？梢姽?/p>

11、只不過是電可見光只不過是電 磁波的一種磁波的一種 。 電磁波在有些情況下表現(xiàn)出連續(xù)波的性質(zhì)，另一些電磁波在有些情況下表現(xiàn)出連續(xù)波的性質(zhì)，另一些情況下則更像單個微粒的集合體，后一種性質(zhì)叫作波的情況下則更像單個微粒的集合體，后一種性質(zhì)叫作波的微粒性。微粒性。 1900年年, 普朗克普朗克 (Plank M) 提出著名的普朗克方提出著名的普朗克方程：程：E = hv式中的式中的h叫普朗克常量叫普朗克常量(Planck constant), 其值為其值為6.62610-34 Js。 普朗克認為普朗克認為, , 物體只能按物體只能按hv的整數(shù)倍的整數(shù)倍( (例如例如1hv, 2hv, 3hv等等) )一

12、份一份地吸收或釋出光能一份一份地吸收或釋出光能, , 而不可能是而不可能是0.5 hv, 1.6 hv, 2.3 hv等任何非整數(shù)倍。即所謂的能量等任何非整數(shù)倍。即所謂的能量量子化概念。量子化概念。 普朗克提出了當時物理學(xué)界一種普朗克提出了當時物理學(xué)界一種全新全新的概念的概念, , 但它只涉及光作用于物體時能量的傳遞過程但它只涉及光作用于物體時能量的傳遞過程( (即吸收或即吸收或釋出釋出) )。 Plank 公式公式 愛因斯坦認為愛因斯坦認為, 入射光本身的能量也按普朗克方程入射光本身的能量也按普朗克方程量 子 化量 子 化 , 并 將 這 一 份 份 數(shù) 值 為并 將 這 一 份 份 數(shù) 值

13、 為 1h v的 能 量 叫 光 子的 能 量 叫 光 子( (photons), ), 一束光線就是一束光子流一束光線就是一束光子流. . 頻率一定的光子頻率一定的光子其能量都相同其能量都相同, , 光的強弱只表明光子的多少光的強弱只表明光子的多少, , 而與每個而與每個光子的能量無關(guān)。光子的能量無關(guān)。 愛因斯坦對光電效應(yīng)的成功解釋最終使光的微粒性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為人們所接受。 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 1905年年, 愛因斯坦愛因斯坦(Einstein A)成功地將能量量子化概念擴展到光成功地將能量量子化概念擴展到光本身本身,解釋了解釋了光電效應(yīng)光電效應(yīng)(p

14、hotoelectric effect) 。 鉀的臨界頻率鉀的臨界頻率為為 5.01014 s-1, 試計算具試計算具 有這種頻率的一個光子的能量有這種頻率的一個光子的能量。對紅對紅光和黃光進行類似的計算光和黃光進行類似的計算, 解釋金屬鉀在黃光作用下解釋金屬鉀在黃光作用下產(chǎn)生光電效應(yīng)而在紅光作用下卻不能產(chǎn)生光電效應(yīng)而在紅光作用下卻不能。E(具有臨界頻率的一個光子具有臨界頻率的一個光子) = 6.62610-34 Js 5.01014 s-1 = 3.310-19 J E(黃光一個光子黃光一個光子) = h= 6.62610-34 Js 5.11014 s-1 = 3.410-19 J E(紅

15、光一個光子紅光一個光子) = h= 6.62610-34 Js 4.61014 s-1 = 3.010-19 JQuestion 1Question 1Solution另一面誰來翻開？另一面誰來翻開？波的微粒性波的微粒性 導(dǎo)致了人們導(dǎo)致了人們對波的深層次認對波的深層次認識，產(chǎn)生了討論識，產(chǎn)生了討論波的微粒性概念波的微粒性概念為基礎(chǔ)的學(xué)科為基礎(chǔ)的學(xué)科 量子力學(xué)量子力學(xué)( ( q u a n t u m mechanics）。錢幣的一面已被翻開！錢幣的一面已被翻開！Einstein 的光子學(xué)說的光子學(xué)說電子微粒性的實驗電子微粒性的實驗Plank 的量子論的量子論1.2.3 微粒的波動性微粒的波動性

16、德布羅依德布羅依1924 1924 年說：年說： 德布羅依關(guān)系式德布羅依關(guān)系式 一個偉大思想的誕生一個偉大思想的誕生sJ10626.6/34-hphmvhh 為Planck 常量著名的著名的德布羅依關(guān)系式德布羅依關(guān)系式 “ “ 過去，對光過去，對光過過 分強調(diào)波性而忽分強調(diào)波性而忽 視它的粒性；現(xiàn)視它的粒性；現(xiàn)在對電子是否存在另一種在對電子是否存在另一種傾向，即過分強調(diào)它的粒傾向，即過分強調(diào)它的粒性而忽視它的波性。性而忽視它的波性?！?微粒波動性的直接證據(jù)微粒波動性的直接證據(jù) 光的衍射和繞射光的衍射和繞射燈光源燈光源 1927年，年，Davissson 和和 Germer 應(yīng)用應(yīng)用 Ni 晶體

17、進行晶體進行電子衍射實驗，證實電子具有波動性電子衍射實驗，證實電子具有波動性。(a)(b)電子通過電子通過A1箔箔( (a)a)和石墨和石墨( (b)b)的衍射圖的衍射圖 微粒波動性的近代證據(jù)微粒波動性的近代證據(jù) 電子的波粒二象性電子的波粒二象性 KVDMP 實驗原理實驗原理燈光源燈光源X X射線管射線管電子源電子源微觀粒子電子：微觀粒子電子：17631101010109-m.skg,v.m-m91036. 7 ,1sm710m101036. 7 ,1sm610mh由 由于宏觀物體的波長極短以致無法測量，所以宏觀由于宏觀物體的波長極短以致無法測量，所以宏觀物體的波長就難以察覺，主要表現(xiàn)為粒性，

18、服從經(jīng)典力物體的波長就難以察覺，主要表現(xiàn)為粒性，服從經(jīng)典力學(xué)的運動規(guī)律。只有像電子、原子等質(zhì)量極小的微粒才學(xué)的運動規(guī)律。只有像電子、原子等質(zhì)量極小的微粒才具有與具有與X射線數(shù)量級相近的波長射線數(shù)量級相近的波長, ,才符合德布羅依公式。才符合德布羅依公式。宏觀物體子彈：宏觀物體子彈： m = 1.0 10-2 kg, = 1.0 103 m s-1, = 6.6 10-35 m波粒二象性是否只有微觀物體才具有？波粒二象性是否只有微觀物體才具有？Question 2Question 2SolutionH+ H H- D He 波爾以波波爾以波的微粒性（即的微粒性（即能量量子化概能量量子化概念）為基

19、礎(chǔ)建念）為基礎(chǔ)建立了氫原子模立了氫原子模型。型。 薛定諤等薛定諤等則以微粒波動則以微粒波動性為基礎(chǔ)建立性為基礎(chǔ)建立起原子的波動起原子的波動力學(xué)模型。力學(xué)模型。1.3 氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型：玻 爾模型 The quantum mechanical model of the structure of hydrogen atom Bohrs model特征特征: 不連續(xù)的、線狀的不連續(xù)的、線狀的; 是很有規(guī)律的。是很有規(guī)律的。 氫原子光譜由五組線系氫原子光譜由五組線系組成組成, 任何一條譜線的波數(shù)任何一條譜線的波數(shù)(wave number)都滿足簡單的都滿足簡單的經(jīng)驗關(guān)系式經(jīng)驗關(guān)系式: 名字名字

20、n1n2Lyman 系系Balmer系系Paschen系系Brackett系系Pfund系系123452, 3, 4,3, 4, 5,4, 5, 6,5, 6, 7,6, 7, 8,如：對于如：對于Balmer線系的處理線系的處理12215s )121(10289. 3-nvn = 3 紅紅 （H）n = 4 青青 （H ）n = 5 藍紫藍紫 （ H ）n = 6 紫紫 （H ）常數(shù)RydbergnnnnnnhvE:R 11RJ1110179. 2 s1110sJ10626. 6H2221H2221181 -22211534-愛因斯坦的光子學(xué)說愛因斯坦的光子學(xué)說 普朗克的量子化學(xué)說普朗克的量

21、子化學(xué)說 氫原子的光譜實驗氫原子的光譜實驗 盧瑟福的有核模型盧瑟福的有核模型Bohr在在的基礎(chǔ)上，建的基礎(chǔ)上，建立了立了Bohr理論理論波粒二象性波粒二象性 玻爾模型認為玻爾模型認為, 電子只能在若干圓形的固定軌道上電子只能在若干圓形的固定軌道上繞核運動繞核運動。它們是符合一定條件的軌道它們是符合一定條件的軌道：電子的軌道電子的軌道角動量角動量L只能等于只能等于h/(2 )的整數(shù)倍：的整數(shù)倍： 從距核最近的一條軌道算起從距核最近的一條軌道算起, n值分別等于值分別等于1, 2, 3, 4, 5, 6, 7。根據(jù)假定條件算得根據(jù)假定條件算得 n = 1 時允許軌道的半徑為時允許軌道的半徑為 53

22、 pm, 這就是著名的這就是著名的玻爾半徑玻爾半徑。關(guān)于固定軌道的概念關(guān)于固定軌道的概念 原子只能處于上述條件所限定的幾個能態(tài)原子只能處于上述條件所限定的幾個能態(tài)。 指除基態(tài)以外的其余定態(tài)指除基態(tài)以外的其余定態(tài). 各激發(fā)態(tài)的能量隨各激發(fā)態(tài)的能量隨 n 值增大而增高值增大而增高。電子電子只有從外部吸收足夠能量時只有從外部吸收足夠能量時才能到達激發(fā)態(tài)才能到達激發(fā)態(tài)。定態(tài)定態(tài)(stationary states)： 所有這些允許能態(tài)之統(tǒng)稱。所有這些允許能態(tài)之統(tǒng)稱。電子只能在有確定電子只能在有確定半徑和能量的定態(tài)軌道上運動半徑和能量的定態(tài)軌道上運動, 且不輻射能量且不輻射能量。基態(tài)基態(tài)(ground

23、state): n 值為值為 1 的定態(tài)。的定態(tài)。通常電子保持在能量最低通常電子保持在能量最低的這一基態(tài)的這一基態(tài)?；鶓B(tài)是能量最低即最穩(wěn)定的狀態(tài)基態(tài)是能量最低即最穩(wěn)定的狀態(tài)。激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)(excited states):關(guān)于軌道能量量子化的概念關(guān)于軌道能量量子化的概念關(guān)于能量的吸收和發(fā)射關(guān)于能量的吸收和發(fā)射 玻爾模型認為玻爾模型認為, 只有當電子從較高能態(tài)只有當電子從較高能態(tài)(E2)向較向較低能態(tài)低能態(tài)(E1)躍遷時躍遷時, 原子才能以光子的形式放出能量原子才能以光子的形式放出能量, 光子能量的大小決定于躍遷所涉及的兩條軌道間的光子能量的大小決定于躍遷所涉及的兩條軌道間的能量差能量差：E =

24、E2 E1 = h hEEEEh1212- E: 軌道的能量軌道的能量：光的頻率：光的頻率 h: Planck常量常量 計算氫原子的電離能計算氫原子的電離能 解釋了解釋了 H 及及 He+、Li2+、B3+ 的原子光譜的原子光譜波型波型 H H H H計算值計算值 /nm 656.2 486.1 434.0 410.1實驗值實驗值 /nm 656.3 486.1 434.1 410.2 說明了原子的穩(wěn)定性說明了原子的穩(wěn)定性 對其他發(fā)光現(xiàn)象（如射線的形成）也能解釋對其他發(fā)光現(xiàn)象（如射線的形成）也能解釋 不能解釋氫原子光譜不能解釋氫原子光譜 在磁場中的分裂在磁場中的分裂 不能解釋氫原子光譜不能解釋

25、氫原子光譜 的精細結(jié)構(gòu)的精細結(jié)構(gòu) 不能解釋多電子原子不能解釋多電子原子 的光譜的光譜請計算氫原子的第一電離能是多少？請計算氫原子的第一電離能是多少？1-22151s )111(10289.3-vhvEEE118H-115J102.179 s103.289IRhE-（氫原子的第氫原子的第 一電離能一電離能）J102.179J102.179 s11103.289218n181-2215nnEnnhhvEEE-2/（氫原子其他能級的能量氫原子其他能級的能量）Question 3Question 3Solution1.4.1 不確定原理和波動力學(xué)的軌道不確定原理和波動力學(xué)的軌道 Uncertainty

26、 principle and orbital on the wave mechanical model1.4 原子結(jié)構(gòu)的波動力學(xué)模型原子結(jié)構(gòu)的波動力學(xué)模型 The wave mechanical model of atomic structure 1.4.2 描述電子運動狀態(tài)的四個量子描述電子運動狀態(tài)的四個量子數(shù)數(shù) Four quantum nummers defining the movement state of electron1.4.4 波函數(shù)的圖形描述波函數(shù)的圖形描述 Portrayal of wave functions 1.4.3 薛定諤方程和波函數(shù)薛定諤方程和波函數(shù) Schrd

27、inger equation and wave functions 1.4.1 不確定原理和波動力學(xué)的軌道概不確定原理和波動力學(xué)的軌道概 念念 重要暗示重要暗示不可能存在不可能存在 Rutherford 和和 Bohr 模型中模型中 行星繞太陽那樣的電子軌道。行星繞太陽那樣的電子軌道。 具有波粒二象性的電子，不再遵守經(jīng)典力學(xué)規(guī)律，具有波粒二象性的電子，不再遵守經(jīng)典力學(xué)規(guī)律， 它們的運動沒有確定的軌道，只有一定的空間概率分它們的運動沒有確定的軌道，只有一定的空間概率分 布。實物的微粒波是概率波。布。實物的微粒波是概率波。 海森堡的不確定原理海森堡的不確定原理 (Heisenbergs uncer

28、tainty principle )不可能同時測得電子的精確位置和精確動量不可能同時測得電子的精確位置和精確動量 ！)/(4hpx（1）主量子數(shù)主量子數(shù) n (principal quantum number)1.4.2 描述電子運動狀態(tài)的四個量子數(shù)描述電子運動狀態(tài)的四個量子數(shù)J10179.2218nE- 與電子能量有關(guān)，對于氫原子，電子能量唯一決與電子能量有關(guān)，對于氫原子，電子能量唯一決 定于定于n 確定電子出現(xiàn)概率最大處離核的距離確定電子出現(xiàn)概率最大處離核的距離 不同的不同的n 值，對應(yīng)于不同的電子殼層值，對應(yīng)于不同的電子殼層 . K L M N O. 與與角動量有關(guān)，對于多電子原子角動量

29、有關(guān)，對于多電子原子, , l 也與也與E 有關(guān)有關(guān) l 的取值的取值 0，1，2，3n-1(亞層）亞層） s, p, d, f. l 決定了決定了的角度函數(shù)的形狀的角度函數(shù)的形狀（2） 角量子數(shù)角量子數(shù)l (angular momentum quantum umber)nl1234（亞層亞層0000s111p22d3f ) 與角動量的取向有關(guān)，取向是量子化的與角動量的取向有關(guān)，取向是量子化的 m可取可取 0，1, 2l 取值決定了取值決定了角度函數(shù)的空間取向角度函數(shù)的空間取向 m 值相同的軌道互為等價軌道值相同的軌道互為等價軌道（3） 磁量子數(shù)磁量子數(shù)m ( magnetic quantum

30、 number)Lm軌道數(shù)軌道數(shù) 0(s) 1(p) 2(d) 3(f) 0 1 0 1 2 1 0 1 2 3 2 1 0 1 2 31357s 軌道軌道(l = 0, m = 0 ) : m 一一種取值種取值, 空間一種取向空間一種取向, 一條一條 s 軌道軌道 p 軌道軌道(l = 1, m = +1, 0, -1) m 三種取值三種取值, 三種取向三種取向, 三條等價三條等價(簡并簡并) p 軌道軌道d 軌道軌道(l = 2, m = +2, +1, 0, -1, -2) : m 五五種取值種取值, 空間五種取向空間五種取向, 五條等價五條等價(簡并簡并) d 軌道軌道 f 軌道軌道

31、( l = 3, m = +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 ) : m 七種取值七種取值, 空間七種取向空間七種取向, 七條等價七條等價(簡并簡并) f 軌道軌道（4） 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù) ms (spin quantum number) 描述電子繞自軸旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)描述電子繞自軸旋轉(zhuǎn)的狀態(tài) 自旋運動使電子具有類似于微磁體的行為自旋運動使電子具有類似于微磁體的行為 ms 取值取值+1/2和和-1/2，分別用，分別用和和表示表示磁場磁場屏幕屏幕窄縫窄縫銀原子流銀原子流爐爐n, l, m 一定一定, 軌道也確定軌道也確定 0 1 2 3軌道軌道 s p d f例如例如: n =2,

32、 l =0, m =0, 2s n =3, l =1, m =0, 3pz n =3, l =2, m =0, 3dz2核外電子運動核外電子運動軌道運動軌道運動自旋運動自旋運動與一套量子數(shù)相對應(yīng)（自然也有與一套量子數(shù)相對應(yīng)（自然也有1個能量個能量Ei)n lm ms寫出與軌道量子數(shù)寫出與軌道量子數(shù) n = 4, l = 2, m = 0 的原子軌道名稱的原子軌道名稱。 原子軌道是由原子軌道是由 n, l, m 三個量子數(shù)決定的。與三個量子數(shù)決定的。與 l = 2 對應(yīng)的軌道是對應(yīng)的軌道是 d 軌道。因為軌道。因為 n = 4, 該軌道的名稱該軌道的名稱應(yīng)該是應(yīng)該是 4d. 磁量子數(shù)磁量子數(shù) m

33、 = 0 在軌道名稱中得不到反映在軌道名稱中得不到反映, 但根據(jù)我們迄今學(xué)過的知識但根據(jù)我們迄今學(xué)過的知識, m = 0 表示該表示該 4d 軌道軌道是不同伸展方向的是不同伸展方向的 5 條條 4d 軌道之一。軌道之一。 Question 4Question 4Solution什么是軌道的什么是軌道的 “節(jié)點節(jié)點” 和和 “節(jié)面節(jié)面” ？Question 5Question 5Solution 對對p軌道軌道, 電子概率為零的區(qū)域是個平面電子概率為零的區(qū)域是個平面, 稱之為稱之為節(jié)節(jié)面面。px軌道的節(jié)面是軌道的節(jié)面是 yz 平面平面, py 軌道和軌道和 pz 軌道的節(jié)面軌道的節(jié)面分別是分別是

34、 xz 平面平面和和 xy 平面平面。 如如2s軌道的兩種表示軌道的兩種表示法法中，中，(a)中原子核附近中原子核附近(r = 0)電子電子概率最高概率最高, 在離核某個距離處下降在離核某個距離處下降到零到零, 概率為零的這個點叫概率為零的這個點叫節(jié)點節(jié)點。1.4.3 薛定諤方程和波函數(shù)薛定諤方程和波函數(shù) Schrdinger方程與量子數(shù)方程與量子數(shù) 求解薛定諤方程求解薛定諤方程, , 就是求得波函數(shù)就是求得波函數(shù)和能量和能量 E ; ; 解得的解得的不是具體的數(shù)值不是具體的數(shù)值, , 而是包括三個常數(shù)而是包括三個常數(shù) ( (n, l, m) )和三個變量和三個變量( (r,) )的函數(shù)式的函

35、數(shù)式 n n, l, m (r,) ; 有合理解的函數(shù)式叫做有合理解的函數(shù)式叫做波函數(shù)波函數(shù)( (Wave functions)。)(822222222VEhmzyx-軌道能量的量子化不需在建立數(shù)學(xué)關(guān)系式時事先假定。軌道能量的量子化不需在建立數(shù)學(xué)關(guān)系式時事先假定。 波函數(shù)波函數(shù) = 薛定諤方程的合理解薛定諤方程的合理解 = 原子軌道原子軌道 直角坐標直角坐標( x, y, z)與球坐標與球坐標 (r,) 的轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換 r : 徑向坐標徑向坐標, 決定了球面的大小決定了球面的大小: 角角坐標坐標, 由由 z軸沿球面延伸至軸沿球面延伸至 r的弧的弧 線所表示的角度線所表示的角度: 角角坐標坐標,

36、由由 r 沿球面平行沿球面平行xy面延伸至面延伸至 xz面面的弧線所表示的角度的弧線所表示的角度222cossinsincossinzyxrrzryrx( )(),YrR()(),rzyx 1.4.4 波函數(shù)的圖形描述波函數(shù)的圖形描述將將Schrdinger方程變量分離：方程變量分離：徑向波函數(shù)徑向波函數(shù)以以氫原子的氫原子的1 1s, 2, 2s, 3, 3s 軌道軌道為例為例 取不同的取不同的 r 值值, , 代入波函數(shù)代入波函數(shù)式中進行計算式中進行計算, , 以計算結(jié)果對以計算結(jié)果對 r 作圖。例如作圖。例如, , 氫原子氫原子1 1s軌道的軌道的 R(r) = 2e-r。離核越近離核越近

37、, 這些這些 s 軌道的軌道的 R 值越大。值越大。角度波函數(shù)角度波函數(shù)),(,mlY)(,rRln),(,rmln 通過坐標原點畫出若干條射線通過坐標原點畫出若干條射線, , 每條對應(yīng)一組每條對應(yīng)一組 和和 值值; ; 將該組將該組和和 值代入波函數(shù)式值代入波函數(shù)式( (見上見上) )中進行計算中進行計算, , 以計算結(jié)果標在該射線上某一點以計算結(jié)果標在該射線上某一點; ; 用同樣方法標出其他射線上的點用同樣方法標出其他射線上的點, ,然后將所有的點相然后將所有的點相 聯(lián)聯(lián), ,得沿得沿 x 軸伸展的啞鈴形面。軸伸展的啞鈴形面。 2cossin3),(Y 波動力學(xué)中的波函數(shù)波動力學(xué)中的波函數(shù)

38、 對應(yīng)于經(jīng)典物理學(xué)中光波的對應(yīng)于經(jīng)典物理學(xué)中光波的 振幅振幅; 光的強度與振幅的平方成正比光的強度與振幅的平方成正比; 波動力學(xué)中波動力學(xué)中, 微粒波微粒波 的強度與的強度與 波函數(shù)的平方波函數(shù)的平方( 2 )相聯(lián)系相聯(lián)系; 2 的物理意義是概率密度，微粒波的強度的物理意義是概率密度，微粒波的強度(2 )表表 達微粒在空間某點單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率。達微粒在空間某點單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率。 一條軌道是一個數(shù)學(xué)函數(shù)一條軌道是一個數(shù)學(xué)函數(shù), , 很難闡述其具體的物理很難闡述其具體的物理意義意義，只能將其想象為特定電子在原子核外可能出現(xiàn)的只能將其想象為特定電子在原子核外可能出現(xiàn)的某個區(qū)域的數(shù)學(xué)描述某個區(qū)

39、域的數(shù)學(xué)描述。 表示徑向電子云分布的兩種方法表示徑向電子云分布的兩種方法之一之一:(藍色曲線藍色曲線) 縱坐標縱坐標: R2 離核越近離核越近, 電子出現(xiàn)的概率密電子出現(xiàn)的概率密 度度(單位體積內(nèi)的概率單位體積內(nèi)的概率)越大。越大。 (這種曲線酷似波函數(shù)分布曲線這種曲線酷似波函數(shù)分布曲線) )()()(222,YrRr之二之二:(紅色曲線) 縱坐標: 4r 2 R 2 4r2R2曲線是4r 2曲線和R 2 曲線的合成曲線 曲線在 r =53 pm 處出現(xiàn)極大值, 表明電子在距核53 pm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表示徑向電子云分布的兩種方

40、法表示徑向電子云分布的兩種方法)()()(222,YrRr 酷似波函數(shù)的角度分布圖 但但是, 葉瓣不再有“+”、“-”之分 要求牢記： s, p, d 電子云的形狀； s, p, d 電子云在空間的伸展方向。 由由R (r)和和R 2 (r)得到彼此酷似的兩種徑向分布圖得到彼此酷似的兩種徑向分布圖由由Y(,)和和Y 2 (,)得到彼此酷似的兩種角度分布圖得到彼此酷似的兩種角度分布圖由由4r 2 R 2 (r) 得到的也是徑向分布圖得到的也是徑向分布圖. .注意注意, , 縱坐標縱坐標 4r 2 R 2 表示概率表示概率, , 而不再是概率密度了而不再是概率密度了 1.5 多電子原子軌道的能級多

41、電子原子軌道的能級 The energy level in poly- electronical atom1.5.1 鮑林近似能級圖鮑林近似能級圖 Portrayal of Pauling approximation energy level 1.5.3 屏蔽和穿鉆屏蔽和穿鉆 Shielding and penetration1.5.2 科頓能級圖科頓能級圖 Cotton energy level portray 1.5.1 鮑林近似能級圖鮑林近似能級圖 n 值相同時值相同時,軌道能級則由軌道能級則由 l 值決定值決定, 叫叫能級分裂能級分裂； l 值相同時值相同時, 軌道能級只由軌道能級只由

42、 n 值決定值決定, 例例: E(1s) E(2s) E(3s) 1 時，時， = 0.35 被屏蔽電子為被屏蔽電子為 ns 或或 np 時，時，(n-1) 層對它層對它 = 0.85 小小 于于(n-1)的的 =1.00 被屏蔽電子被屏蔽電子 nd 或或 nf 時，左邊各組時，左邊各組 =1.00 Z* = Z - 為什么為什么 2 2s 價電子比價電子比 2 2p 價價電電子受到較小的屏蔽子受到較小的屏蔽? ?Question 6Question 6Solution 2s電子云徑向分電子云徑向分布曲線除主峰外布曲線除主峰外,還還有一個距核更近的小有一個距核更近的小峰峰. 這暗示這暗示, 部

43、分電子部分電子云鉆至離核更近的空云鉆至離核更近的空間間, 從而部分回避了從而部分回避了其他電子的屏蔽其他電子的屏蔽. 軌道的鉆穿能力通常有如下順序軌道的鉆穿能力通常有如下順序: n s n p n d n f，導(dǎo)致能級按導(dǎo)致能級按 E(ns) E(np) E(nd) 過渡元素過渡元素 內(nèi)過渡元素內(nèi)過渡元素同周期原子半徑的變化趨勢同周期原子半徑的變化趨勢 ( (三三) )內(nèi)過渡元素有鑭系收縮效應(yīng)內(nèi)過渡元素有鑭系收縮效應(yīng)(Effects of the lanthanide contraction )同族元素原子半徑的變化趨勢同族元素原子半徑的變化趨勢 同族元素原子半徑自上而下增大同族元素原子半徑自

44、上而下增大: 電子層依次增加電子層依次增加, 有有 效核電荷的影響退居次要地位效核電荷的影響退居次要地位 第第6周期過渡元素周期過渡元素(如如Hf, Ta)的原子半徑與第的原子半徑與第5周期同族周期同族 元素元素(如如Zr,Nb)相比幾乎沒有增大相比幾乎沒有增大, 這是鑭系收縮的重這是鑭系收縮的重 要效應(yīng)之一要效應(yīng)之一1.8.2 電離能電離能E E (g) = (g) = E E+ + (g) + e(g) + e- - I I 1 1E E+ + (g) = (g) =E E 2+ 2+ (g) + e(g) + e- - I I 2 2I I 1 1 I I 2 2 I I 3 3 I I

45、 4 4 基態(tài)氣體原子失去最外層一個電子成為氣態(tài)基態(tài)氣體原子失去最外層一個電子成為氣態(tài)+1價離價離子所需的最小能量叫第一電離能子所需的最小能量叫第一電離能, 再從正離子相繼逐個失再從正離子相繼逐個失去電子所需的最小能量則叫第二、第三、去電子所需的最小能量則叫第二、第三、電離能電離能。各各級電離能的數(shù)值關(guān)系為級電離能的數(shù)值關(guān)系為I1I2I3. 。同族總趨勢：同族總趨勢：自上至下減小自上至下減小, ,與原子半徑增大的趨勢一致與原子半徑增大的趨勢一致同周期總趨勢：同周期總趨勢：自左至右增大自左至右增大, ,與原子半徑減小的趨勢一致與原子半徑減小的趨勢一致 各周期中稀有氣體原子的電離能最高。各周期中稀

46、有氣體原子的電離能最高。 第第 2 族元素族元素 Be 和和 Mg，第第15 族元素族元素N和和P，第第12族族 元素元素Zn, Cd 和和 Hg在電離能曲線上出現(xiàn)的小高峰。在電離能曲線上出現(xiàn)的小高峰。 您能從亞層全滿、半滿結(jié)構(gòu)的相您能從亞層全滿、半滿結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定性說明下述事實嗎？對穩(wěn)定性說明下述事實嗎？Question 10Question 101.8.3 電子親和能電子親和能X(g) + e- = X- (g) mr HA-X- (g) + e- = X 2- (g) 例如例如，O- (g) + e- = O2- (g) A2 = -780 kJ . mol-1 指一個氣態(tài)原子得到一個電子形成負離子時放出或指一個氣態(tài)原子得到一個電子形成負離子時放出或吸收的能量。常以符號吸收的能量。常以符號Eea表示，也有第一、第二、表示，也有第一、第二、之之分。元素第一電子親和能的正值表示放出能量分。元素第一電子親和能的正值表示放出能量, 負值表負值表示吸收能