大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)第1章

1、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Chapter 1 Atomic Structureand Periodic Table of Elements 21 初步了解原子核外電子運(yùn)動(dòng)的近代概念、原子能級(jí)、波粒 二象性、原子軌道（波函數(shù)）和電子云概念.2 了解四個(gè)量子數(shù)對(duì)核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述，掌握四個(gè)量 子數(shù)的物理意義、取值范圍.3 熟悉 s、p、d 原子軌道的形狀和方向. 4 理解原子結(jié)構(gòu)的近似能級(jí)圖，掌握原子核外電子排布的一 般規(guī)則和 s、p、d、f 區(qū)元素的原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn).5 會(huì)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、電子親合能和電負(fù)性的周期性變化.

2、本章教學(xué)要求3R重點(diǎn)重點(diǎn)R1量子力學(xué)對(duì)核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述。 R2基態(tài)原子電子組態(tài)的構(gòu)造原理。 R3元素的位置、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)之間的關(guān)系。 R難點(diǎn) R1核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 R2元素原子的價(jià)電子構(gòu)型。重點(diǎn)和難點(diǎn)41.1 道爾頓原子論 Dalton atomic theory1.2 相對(duì)原子質(zhì)量(原子量) relative atomic weight 1.4 氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型 the quantum mechanical model of the structure of hydrogen atom 玻爾行星模型 Bohr model 1.5 核外電子運(yùn)動(dòng)的量子力學(xué)模型 the wave

3、mechanical model of the structure of atom1.6 基態(tài)原子的核外電子排布 ground-state electron configuration1.7 元素周期表 the periodic table of elements 1.8 元素周期性 atomic periodic 本章教學(xué)內(nèi)容1. 3 原子的起源和演化 the origin and evolvement of atom5 1.1 1.1 道爾頓原子論道爾頓原子論61.1.1古希臘原子論 Democritus(460-370 B.C)內(nèi)容:宇宙由虛空和原子構(gòu)成;每一種物質(zhì)由一種原子構(gòu)成;原子是

4、物質(zhì)最小的、不可再分的、永存不變的微粒。 7道爾頓原子論要點(diǎn)：道爾頓原子論要點(diǎn)：每一種化學(xué)元素有一種原子；每一種化學(xué)元素有一種原子；同種原子質(zhì)量相同，不同種原子質(zhì)量不同；同種原子質(zhì)量相同，不同種原子質(zhì)量不同；原子不可再分；原子不可再分；一種原子不會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子；一種原子不會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子；化學(xué)反應(yīng)只是改變了原子的結(jié)合方式，化學(xué)反應(yīng)只是改變了原子的結(jié)合方式，使反應(yīng)前的物質(zhì)變成反應(yīng)后的物質(zhì)。使反應(yīng)前的物質(zhì)變成反應(yīng)后的物質(zhì)。1.1.2 化學(xué)原子論化學(xué)原子論-道爾頓原子論道爾頓原子論 原子是化學(xué)上最重要、使用最頻繁的術(shù)語(yǔ)之一原子是化學(xué)上最重要、使用最頻繁的術(shù)語(yǔ)之一, , 原是希臘語(yǔ)中原是希臘語(yǔ)中

5、意為意為“不可再分不可再分”意思意思. . 隨著科學(xué)的發(fā)展隨著科學(xué)的發(fā)展, , 道爾頓道爾頓( (Dalton J) )于于1801805 5年提出了第一個(gè)現(xiàn)代原子論年提出了第一個(gè)現(xiàn)代原子論, , 但他但他接受了接受了“不可再分不可再分”的概念的概念. . 道爾頓原子論的試驗(yàn)基礎(chǔ)是對(duì)化學(xué)物質(zhì)的定量測(cè)定。道爾頓原子論的試驗(yàn)基礎(chǔ)是對(duì)化學(xué)物質(zhì)的定量測(cè)定。18世紀(jì)中葉，一系列定量定律的發(fā)現(xiàn)：世紀(jì)中葉，一系列定量定律的發(fā)現(xiàn)：1785年年 拉瓦錫（法國(guó)）拉瓦錫（法國(guó)）-質(zhì)量守恒定律；質(zhì)量守恒定律；1797年年 李希特（）李希特（）-當(dāng)量定律；當(dāng)量定律；1799年年 普魯斯特（法國(guó)）普魯斯特（法國(guó)）-定比定

6、律；定比定律；1805年年 道爾頓（英國(guó)）道爾頓（英國(guó)）-倍比定律。倍比定律。81.1.3 道爾頓原子論的貢獻(xiàn)道爾頓原子論的貢獻(xiàn) 道爾頓用符號(hào)來(lái)表示原子道爾頓用符號(hào)來(lái)表示原子, ,是最是最早的元素符號(hào)。圖中他給出的許多早的元素符號(hào)。圖中他給出的許多分子組成是錯(cuò)誤的。這給人以歷史分子組成是錯(cuò)誤的。這給人以歷史的教訓(xùn)的教訓(xùn)要揭示科學(xué)的真理不能要揭示科學(xué)的真理不能光憑想象，更不能遵循道爾頓提出光憑想象，更不能遵循道爾頓提出的所謂的所謂“思維經(jīng)濟(jì)原則思維經(jīng)濟(jì)原則”, ,客觀世界客觀世界的復(fù)雜性不會(huì)因?yàn)槿祟惢蚰硞€(gè)人主的復(fù)雜性不會(huì)因?yàn)槿祟惢蚰硞€(gè)人主觀意念的簡(jiǎn)單化而改變。觀意念的簡(jiǎn)單化而改變。 氧氫氮碳磷硫

7、鉀鋇水 一氧化氮 二氧化硫 甲烷氫氧化鉀碳酸鋇 道爾頓提出了原子量的概念，并道爾頓提出了原子量的概念，并用實(shí)驗(yàn)測(cè)定了一些元素的相對(duì)原子質(zhì)用實(shí)驗(yàn)測(cè)定了一些元素的相對(duì)原子質(zhì)量。量。 為貝采里烏斯原子量和元素符為貝采里烏斯原子量和元素符號(hào)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，極大地推動(dòng)號(hào)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，極大地推動(dòng)了化學(xué)的發(fā)展。了化學(xué)的發(fā)展。9貝采里烏斯原子量貝采里烏斯原子量(1818和和1826)元元素素道爾頓原道爾頓原子量子量（1810）貝采里烏斯原子貝采里烏斯原子量（量（1818）貝采里烏斯貝采里烏斯原子量原子量（1826）現(xiàn)今相對(duì)原子現(xiàn)今相對(duì)原子質(zhì)量（質(zhì)量（1997）O71616.02615.9994Cl35.

8、4135.47035.4527F18.7318.9984032N514.18614.00674S13.032.232.23932.066P962.731.43630.973761C5.412.512.2512.0107H10.9911.00794As42150.5275.32974.92160Pt100194.4194.753195.078101.2 相對(duì)原子質(zhì)量（原子量）1.2.1 元素 原子序數(shù)和元素符號(hào)1.2.2 核素、同位素和同位素豐度1.2.3 原子的質(zhì)量1.2.4 元素的相對(duì)原子質(zhì)量（原子量）111.2.1元素、原子序數(shù)和元素符號(hào)具有一定核電荷數(shù)（等于核內(nèi)質(zhì)子數(shù)）的原子稱為一種（化

9、學(xué)）元素。按（化學(xué)）元素的核電荷數(shù)進(jìn)行排序，所得序號(hào)叫做原子序數(shù)。每一種元素有一個(gè)用拉丁字母表達(dá)的元素符號(hào)。在不同場(chǎng)合，元素符號(hào)可以代表一種元素，或者該元素的一個(gè)原子，也可代表該元素的1摩爾原子。121.2.2核素、同位素和同位素豐度核素具有一定質(zhì)子數(shù)和一定中子數(shù)的原子（的總稱）。元素具有一定質(zhì)子數(shù)的原子（的總稱）。同位素質(zhì)子數(shù)相同中子數(shù)不同的原子（的總稱）。同量異位素核子數(shù)相同而質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)不同的原子（的總稱）。同中素具有一定中子數(shù)的原子（的總稱）。131.2.2核素、同位素和同位素豐度已知的核素品種超過已知的核素品種超過20002000種。有兩類核素：一類是種。有兩類核素：一類是穩(wěn)定核素

10、穩(wěn)定核素，它，它們的原子核是穩(wěn)定的；另一類是們的原子核是穩(wěn)定的；另一類是放射性核素放射性核素，它們的原子核不穩(wěn)定，它們的原子核不穩(wěn)定，會(huì)自發(fā)釋放出某些亞原子微粒（會(huì)自發(fā)釋放出某些亞原子微粒（、等）而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素。在等）而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素。在自然界，有的元素只有一種穩(wěn)定核素（不計(jì)人造放射性同位素），稱自然界，有的元素只有一種穩(wěn)定核素（不計(jì)人造放射性同位素），稱為為單核素元素單核素元素，有的元素有幾種穩(wěn)定核素（半衰期特別長(zhǎng)的天然放射，有的元素有幾種穩(wěn)定核素（半衰期特別長(zhǎng)的天然放射性同位素也常認(rèn)作穩(wěn)定核素），稱為多性同位素也常認(rèn)作穩(wěn)定核素），稱為多核素元素核素元素。核素核素穩(wěn)定穩(wěn)定核素核素不穩(wěn)不

11、穩(wěn)定核定核素素自然界自然界的元素的元素單核單核素元素元素素多核多核素元素元素素141.2.2核素、同位素和同位素豐度核素、同位素和同位素豐度通常用元素符號(hào)左上下角添加數(shù)字作為核素符號(hào)通常用元素符號(hào)左上下角添加數(shù)字作為核素符號(hào). .核素符號(hào)左下角的數(shù)字是該核素的原子核里的質(zhì)子核素符號(hào)左下角的數(shù)字是該核素的原子核里的質(zhì)子數(shù)，左上角的數(shù)字稱為該核素的質(zhì)量數(shù)，即核內(nèi)質(zhì)數(shù)，左上角的數(shù)字稱為該核素的質(zhì)量數(shù)，即核內(nèi)質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和。如子數(shù)與中子數(shù)之和。如具有相同核電荷數(shù)、不同中子數(shù)的核素屬于同一具有相同核電荷數(shù)、不同中子數(shù)的核素屬于同一種元素，在元素周期表里占據(jù)同一個(gè)位置，互稱同種元素，在元素周期表里占據(jù)

12、同一個(gè)位置，互稱同位素。如：位素。如：HO11168,HHHOOO312111188178168,;,151.2.2 核素、同位素和同位素豐度 某元素的各種天然同位素的分?jǐn)?shù)組成（原子百分比）稱為同位素豐度。例如，氧的同位素豐度為：f（16O）=99.76%,f（17O）=0.04%f,（18O）=0.20%；而單核素元素，如氟，同位素豐度為f（19F）=100%。有些元素的同位素豐度隨取樣樣本不同而漲落，通常所說(shuō)的同位素豐度是指從地殼（包括巖石、水和大氣）為取樣范圍的多樣本平均值。若取樣范圍擴(kuò)大，需特別注明。16 1.2.3原子的質(zhì)量以原子質(zhì)量單位u為單位的某核素一個(gè)原子的質(zhì)量稱為該核素的原子

13、質(zhì)量。1u等于核素12C的原子質(zhì)量的1/12。有的資料用amu或mu作為原子質(zhì)量單位的符號(hào)，在高分子化學(xué)中則經(jīng)常把原子質(zhì)量的單位稱為“道爾頓”（小寫字首的dalton）。1u等于多少?取決于對(duì)核素12C的一個(gè)原子的質(zhì)量的測(cè)定。最近的數(shù)據(jù)是： 1u=1.660566（9）x10-24 g核素的質(zhì)量與12C的原子質(zhì)量1/12之比稱為核素的相對(duì)原子質(zhì)量。核素的相對(duì)原子質(zhì)量在數(shù)值上等于核素的原子質(zhì)量，量綱為一。171.2.4元素的相對(duì)原子質(zhì)量（原子量）元素的相對(duì)原子質(zhì)量（長(zhǎng)期以來(lái)稱為原子量）。根據(jù)國(guó)際原子量與同位素豐度委員會(huì)1979年的定義，原子量是指一種元素的1摩爾質(zhì)量對(duì)核素12C的1摩爾質(zhì)量的1/

14、12的比值。這個(gè)定義表明：元素的相對(duì)原子質(zhì)量（原子量）是純數(shù)。單核素元素的相對(duì)原子質(zhì)量（原子量）等于該元素的核素的相對(duì)原子質(zhì)量。多核素元素的相對(duì)原子質(zhì)量（原子量）等于該元素的天然同位素相對(duì)原子質(zhì)量的 加權(quán)平均值。18加權(quán)平均值加權(quán)平均值就是幾個(gè)數(shù)值分別乘上一個(gè)權(quán)值再加和起來(lái)。對(duì)于元素的相對(duì)原子質(zhì)量（原子量），這個(gè)權(quán)值就是同位素豐度。用Ar 代表多核素元素的相對(duì)原子質(zhì)量，則： Ar=fiMr,i 式中：fi 同位素豐度；Mr,i同位素相對(duì)原子質(zhì)量191.3 原子的起源和演化(自學(xué))R1 宇宙之初R2 氫燃燒、氦燃燒、碳燃燒R3 過程、e過程R4 重元素的誕生R5 宇宙大爆炸理論的是非201.1.

15、4 4 氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型：波爾模型 (the quantum mechanical model of the structure of hydrogen atom Bohr model)自然界的連續(xù)光譜自然界的連續(xù)光譜1.4.1 1.4.1 氫原子光譜氫原子光譜實(shí)驗(yàn)室的連續(xù)光譜實(shí)驗(yàn)室的連續(xù)光譜211.1.4 4 氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型：波爾模型 (the quantum mechanical model of the structure of hydrogen atom Bohr model)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.氫原子光譜特征氫原子光譜特征

16、: 與日光經(jīng)過棱鏡后得到的七色連續(xù)光譜不同與日光經(jīng)過棱鏡后得到的七色連續(xù)光譜不同, 原子受高溫火焰原子受高溫火焰、電弧等激發(fā)時(shí)、電弧等激發(fā)時(shí), 發(fā)射出來(lái)的是發(fā)射出來(lái)的是不連續(xù)的線狀光譜不連續(xù)的線狀光譜.每種元素的原子每種元素的原子都有其特征波長(zhǎng)的光譜線都有其特征波長(zhǎng)的光譜線, 它們是現(xiàn)代光譜分析的基礎(chǔ)它們是現(xiàn)代光譜分析的基礎(chǔ). 氫原子的發(fā)氫原子的發(fā)射光譜射光譜是是所有原子發(fā)射光譜中最簡(jiǎn)單的所有原子發(fā)射光譜中最簡(jiǎn)單的，發(fā)出紫外和可見光。，發(fā)出紫外和可見光。22 氫原子光譜由五組線系組成氫原子光譜由五組線系組成, 即紫外區(qū)即紫外區(qū)的萊曼的萊曼(Lyman)系系, 可見區(qū)的巴爾麥可見區(qū)的巴爾麥(Ba

17、lmer)系系, 紅外區(qū)的帕邢紅外區(qū)的帕邢(Paschen)系、布系、布萊克特萊克特(Brackett)系和芬得系和芬得(Pfund)系系. 任何任何一條譜線的波數(shù)一條譜線的波數(shù)(wave number)都滿足簡(jiǎn)單都滿足簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式: 2221111nnRH巴爾麥經(jīng)驗(yàn)公式式中式中v v為波數(shù)的符號(hào)為波數(shù)的符號(hào), 它定義為波長(zhǎng)的倒數(shù)它定義為波長(zhǎng)的倒數(shù), 單位常用單位常用cm-1; RH為里德為里德伯常量伯常量, 實(shí)驗(yàn)確定為實(shí)驗(yàn)確定為1.096 77107 m-1; n2大于大于n1 , 二者都是不大的正二者都是不大的正整數(shù)整數(shù). 各線系各線系 n 的允許值見下表的允許值見下表：T

18、he allowed values for n in above equationNamen1n2Lyman seriesBalmer seriesPaschen seriesBrackett seriesPfund series123452,3,4,3,4,5,4,5,6,5,6,7,6,7,8,例如：對(duì)于例如：對(duì)于Balmer線系的處理線系的處理12215s )121(10289. 3nvn = 3 紅紅 （H）n = 4 青青 （H ）n = 5 藍(lán)紫藍(lán)紫 （ H ）n = 6 紫紫 （H ）23 氫原子核內(nèi)只有一個(gè)質(zhì)子，核外只有一個(gè)電子，它是最簡(jiǎn)單的氫原子核內(nèi)只有一個(gè)質(zhì)子，核外只有一個(gè)

19、電子，它是最簡(jiǎn)單的原子原子. .在氫原子內(nèi)，這個(gè)電子核外是怎樣運(yùn)動(dòng)的？這個(gè)問題表面看在氫原子內(nèi)，這個(gè)電子核外是怎樣運(yùn)動(dòng)的？這個(gè)問題表面看來(lái)似乎不太復(fù)雜，但卻長(zhǎng)期使許多科學(xué)家既神往又困擾，經(jīng)歷了一來(lái)似乎不太復(fù)雜，但卻長(zhǎng)期使許多科學(xué)家既神往又困擾，經(jīng)歷了一個(gè)生動(dòng)而又曲折的探索過程個(gè)生動(dòng)而又曲折的探索過程. .愛因斯坦的光子學(xué)說(shuō)愛因斯坦的光子學(xué)說(shuō)普朗克的量子化學(xué)說(shuō)普朗克的量子化學(xué)說(shuō)氫原子的光譜實(shí)驗(yàn)氫原子的光譜實(shí)驗(yàn)盧瑟福的有核模型盧瑟福的有核模型1913年，年，28歲的歲的Bohr在在的基礎(chǔ)上，建立了的基礎(chǔ)上，建立了Bohr理論理論.波粒二象性波粒二象性1.4.2 1.4.2 玻爾理論玻爾理論24Bo

20、hr 理論理論的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容 年輕的丹麥物理學(xué)家玻爾年輕的丹麥物理學(xué)家玻爾(Bohr N，1885-1962)于于1913年提出的年提出的氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型是是基于下述基于下述3條假定：條假定：關(guān)于固定軌道的概念關(guān)于固定軌道的概念. 玻爾模型認(rèn)為玻爾模型認(rèn)為, 電子只能在若干圓形的固定電子只能在若干圓形的固定軌道上繞核運(yùn)動(dòng)軌道上繞核運(yùn)動(dòng).因此，玻爾的氫原子模型可以形象地稱為因此，玻爾的氫原子模型可以形象地稱為行星模行星模型型。 固定軌道是指符合一定條件的軌道固定軌道是指符合一定條件的軌道, 這個(gè)條件是這個(gè)條件是, 電子的軌道電子的軌道角動(dòng)量角動(dòng)量L只能等于只

21、能等于h/(2)的整數(shù)倍：的整數(shù)倍： 2hnmvrL式中式中 m 和和 v 分別代表電子的質(zhì)量和速度分別代表電子的質(zhì)量和速度, r 為軌道半徑為軌道半徑, h 為普朗為普朗克常量克常量, n 叫做量子數(shù)叫做量子數(shù)(quantum number), 取取1,2,3,等正整數(shù)等正整數(shù). 軌道軌道角動(dòng)量的量子化意味著軌道半徑受量子化條件的制約角動(dòng)量的量子化意味著軌道半徑受量子化條件的制約, 圖圖中中示出的示出的這些固定軌道這些固定軌道, 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(shí)允許軌道的半

22、徑為時(shí)允許軌道的半徑為 53 pm, 這就是著名的這就是著名的玻爾半徑玻爾半徑.25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. 電子軌道角動(dòng)量的量子化也意味著電子軌道角動(dòng)量的量子化也意味著能量量子化能量量子化. 即原子只能處于上述條件所限定的幾個(gè)能態(tài)即原子只能處于上述條件所限定的幾個(gè)能態(tài), 不可不可能存在其他能態(tài)能存在其他能態(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 值增大而增值增大而增高高. 電子電子只有從外部吸收足夠能量時(shí)才能到達(dá)激發(fā)態(tài)只有從外部吸收足夠能量時(shí)才能到達(dá)激發(fā)態(tài).定態(tài)定態(tài)(stationary state)：所有這些允許能

23、態(tài)之統(tǒng)稱所有這些允許能態(tài)之統(tǒng)稱. .核外電子只能在有確定半徑和能量的核外電子只能在有確定半徑和能量的定態(tài)軌道上運(yùn)動(dòng)定態(tài)軌道上運(yùn)動(dòng), 且不輻射能量且不輻射能量.基態(tài)基態(tài)(ground 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的這一基態(tài)通常電子保持在能量最低的這一基態(tài). 基態(tài)是基態(tài)是能量最低即最穩(wěn)定的狀態(tài)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):26 玻爾模型認(rèn)為玻爾模型認(rèn)為, 只有當(dāng)電子從較高能態(tài)只有當(dāng)電子從較高能態(tài)(E2)向較低能態(tài)向較低能態(tài)(E1)躍遷時(shí)躍遷時(shí), 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(即即, 定態(tài)

24、軌道上運(yùn)動(dòng)的定態(tài)軌道上運(yùn)動(dòng)的電子不放出能量電子不放出能量), 光子能量的大小決定于躍遷所涉及的兩條軌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道間的能量差. 根據(jù)普朗克關(guān)系式根據(jù)普朗克關(guān)系式, 該能量差與躍遷過程產(chǎn)生的該能量差與躍遷過程產(chǎn)生的光子的頻率互成正比：光子的頻率互成正比： 關(guān)于能量的吸收和發(fā)射關(guān)于能量的吸收和發(fā)射.E = E2 E1 = h 如果電子由能量為如果電子由能量為E1的軌道躍至能量為的軌道躍至能量為E2的軌道的軌道, 顯然應(yīng)從外顯然應(yīng)從外部吸收同樣的能量部吸收同樣的能量.hEEEEh1212 E: 軌道的能量軌道的能量：光的頻率：光的頻率 h: Planck常數(shù)常數(shù)

25、 6.626x10-34J.S271 -22212221222118182221181 -22211534ctron13.6eV.ele :B eV11 eV 1113.60eV1110242. 610179. 2J1110179. 2 s1110289. 3sJ10626. 6氫原子基態(tài)能量nnBnnnnnnnnhvE28 計(jì)算氫原子的電離能計(jì)算氫原子的電離能波爾理論的成功之處波爾理論的成功之處 解釋了解釋了 H 及及 He+、Li2+、B3+ 的原子光譜的原子光譜Wave type H H H HCalculated value/nm 656.2 486.1 434.0 410.1Expe

26、rimental value/nm 656.3 486.1 434.1 410.2 說(shuō)明了原子的穩(wěn)定性說(shuō)明了原子的穩(wěn)定性 對(duì)其他發(fā)光現(xiàn)象（如光的形成）也能解釋對(duì)其他發(fā)光現(xiàn)象（如光的形成）也能解釋 不能解釋氫原子光譜在磁場(chǎng)中的分裂不能解釋氫原子光譜在磁場(chǎng)中的分裂波爾理論的不足之處波爾理論的不足之處 不能解釋氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)不能解釋氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu) 不能解釋多電子原子的光譜不能解釋多電子原子的光譜29Question Question 請(qǐng)計(jì)算氫原子的第一電離能是多少？請(qǐng)計(jì)算氫原子的第一電離能是多少？1-22151s )111(10289.3vhvEEE118H-1156.13J10179.

27、2 Rs10289.3IeVhE（氫原子的第一電離能氫原子的第一電離能）J10179. 2/J10179. 2 s1110289. 32182181 -2215nEnnhhvEEEnn（氫原子其他能級(jí)的能量氫原子其他能級(jí)的能量）301.1.5.1.1 5.1.1 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 classical physics)1 1.5.1.2 .5.1.2 波的微粒性波的微粒性（particle like wave )1.1.5 5 氫原子結(jié)構(gòu)氫原子結(jié)構(gòu)(核外電子運(yùn)動(dòng)核外電子運(yùn)動(dòng))的量子力學(xué)

28、模型的量子力學(xué)模型 (the quantum mechanics model of hydrogen atom structure )1.1.5.1 5.1 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)概念賴以建立現(xiàn)代模型的量子力學(xué)概念 (wave-particle dualitya fundamental concept of quantum mechanics)311.1.5.1.1 5.1.1 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 根據(jù)根據(jù) 粒子散射實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)立了粒子散射實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)立了關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的 “太陽(yáng)太陽(yáng)-行星模型行星模型 ”. 其要

29、點(diǎn)是其要點(diǎn)是： 1. 1. 所有原子都有一個(gè)核即原子核所有原子都有一個(gè)核即原子核( (nucleus) )； 2. 2. 核的體積只占整個(gè)原子體積極小的一部分；核的體積只占整個(gè)原子體積極小的一部分； 3. 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. 4. 電子像行星繞著太陽(yáng)那樣繞核運(yùn)動(dòng)電子像行星繞著太陽(yáng)那樣繞核運(yùn)動(dòng). . Rutherfords experiment on particle bombardment of metal foil32 在對(duì)粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋上在對(duì)粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋上, 新模型的成功是顯而易見的新模型的成功是顯而易

30、見的, 至少要點(diǎn)中的前三點(diǎn)是如此至少要點(diǎn)中的前三點(diǎn)是如此. 問題出在第問題出在第4點(diǎn)點(diǎn), 盡管盧瑟夫正確地認(rèn)盡管盧瑟夫正確地認(rèn)識(shí)到核外電子必須處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)到核外電子必須處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài), 但將電子與核的關(guān)系比作行星與但將電子與核的關(guān)系比作行星與太陽(yáng)的關(guān)系太陽(yáng)的關(guān)系, 卻是一幅令人生疑的圖像卻是一幅令人生疑的圖像. is the embarrassment of the concepts of the classical physics ? 根據(jù)當(dāng)時(shí)的物理學(xué)概念根據(jù)當(dāng)時(shí)的物理學(xué)概念, 帶電微粒帶電微粒在力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)總要產(chǎn)生電磁輻射并在力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)總要產(chǎn)生電磁輻射并逐漸失去能量逐漸失去能量, 運(yùn)動(dòng)著

31、的電子軌道會(huì)越運(yùn)動(dòng)著的電子軌道會(huì)越來(lái)越小來(lái)越小, 最終將與原子核相撞并導(dǎo)致原最終將與原子核相撞并導(dǎo)致原子毀滅子毀滅. 由于原子毀滅的事實(shí)從未發(fā)生由于原子毀滅的事實(shí)從未發(fā)生, 將經(jīng)典物理學(xué)概念推到前所未有的尷將經(jīng)典物理學(xué)概念推到前所未有的尷尬境地尬境地. . An unsatisfactory atomic model331.1.5.1.2 5.1.2 波的微粒性波的微粒性描述微觀物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的需求呼喚物理學(xué)新概念的誕生描述微觀物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的需求呼喚物理學(xué)新概念的誕生！人們對(duì)物質(zhì)和能量的認(rèn)識(shí)是否只看到了硬幣的一面？人們對(duì)物質(zhì)和能量的認(rèn)識(shí)是否只看到了硬幣的一面？ 波粒二象性是解決原子結(jié)構(gòu)問題的波粒

32、二象性是解決原子結(jié)構(gòu)問題的“總開關(guān)總開關(guān)”. 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. 可見光只不過是電磁波的一種可見光只不過是電磁波的一種 . The electromagnetic spectrum 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(gè)微粒的集合體，后一種性質(zhì)叫作波的微粒性像單個(gè)微粒的集合體，后一種性質(zhì)叫作波的微粒性. . 34 1900年年, 普朗克普朗克 (Plank M) 提出了表達(dá)光的能量提出了表達(dá)光的能量(E)與頻率與頻率()關(guān)系的方程關(guān)系的方程, 即著名的普朗克方程：即著名的普朗克方程：

33、E = h 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(rèn)為普朗克認(rèn)為, , 物體只能按物體只能按h的整數(shù)倍的整數(shù)倍( (例如例如1, 2, 3等等) )一份一一份一份地吸收或釋出光能份地吸收或釋出光能, , 而不可能是而不可能是0.5, 1.6, 2.3等任何非整數(shù)倍等任何非整數(shù)倍. .這這就是所謂的能量量子化概念就是所謂的能量量子化概念. . 普朗克提出了當(dāng)時(shí)物理學(xué)界一種全新的概念普朗克提出了當(dāng)時(shí)物理學(xué)界一種全新的概念, , 但它只涉及光但它只涉及光作用于物體時(shí)能量的傳遞過程作用于物體時(shí)能量的傳遞過程( (即吸

34、收或釋出即吸收或釋出).). Plank 公式公式地面吸收太陽(yáng)能地面吸收太陽(yáng)能地面接收降水地面接收降水以以一個(gè)個(gè)一個(gè)個(gè) 光量子光量子 “h ”(不能是半個(gè)不能是半個(gè) “h ”)完成完成 .可見光由不同頻率的光組成可見光由不同頻率的光組成 , “h ”值有大有小值有大有小 .黃光的黃光的 值相對(duì)較大值相對(duì)較大 ,“h ”較大較大 ,光量子的能量大光量子的能量大.紅光的紅光的 值相對(duì)較小值相對(duì)較小 ,“h ”較小較小 , 光量子的能量較小光量子的能量較小.以以一個(gè)個(gè)雨滴一個(gè)個(gè)雨滴(不是半個(gè)雨滴不是半個(gè)雨滴)完成完成“雨滴雨滴”有大有小有大有小相當(dāng)于較大的相當(dāng)于較大的“雨滴雨滴”，落至地面時(shí)的動(dòng)能較

35、大，落至地面時(shí)的動(dòng)能較大相當(dāng)于較小的相當(dāng)于較小的 “雨滴雨滴”，落至地面時(shí)的動(dòng)能較小，落至地面時(shí)的動(dòng)能較小比擬35The photoelectric effect 愛因斯坦認(rèn)為愛因斯坦認(rèn)為, 入射光本身的能量也按普朗克方程量子化入射光本身的能量也按普朗克方程量子化, 并將并將這一份份數(shù)值為這一份份數(shù)值為E的能量叫光子的能量叫光子( (photons), ), 一束光線就是一束光子一束光線就是一束光子流流. . 頻率一定的光子其能量都相同頻率一定的光子其能量都相同, , 光的強(qiáng)弱只表明光子的多少光的強(qiáng)弱只表明光子的多少, , 而與每個(gè)光子的能量無(wú)關(guān)而與每個(gè)光子的能量無(wú)關(guān). . 愛因斯坦對(duì)光電效應(yīng)

36、的成功解釋最終使光的微粒性為人們所接愛因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的成功解釋最終使光的微粒性為人們所接受受. . 以波的微粒性概念為基礎(chǔ)的一門學(xué)科叫量子力學(xué)以波的微粒性概念為基礎(chǔ)的一門學(xué)科叫量子力學(xué)( (quantum mechanics).). 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 1905年年, 愛因斯坦愛因斯坦(Einstein A)成功地解釋成功地解釋了了光電效應(yīng)光電效應(yīng)(photoelectric effect), 將能量量子將能量量子化概念擴(kuò)展到光本身化概念擴(kuò)展到光本身. 對(duì)某一特定金屬而言對(duì)某一特定金屬而言,不不是任何頻率的光都能使其發(fā)射光電子是任何頻率的光都能使其發(fā)射光電子. 每種金每種金屬都有一個(gè)特征的最小

37、頻率屬都有一個(gè)特征的最小頻率(叫臨界頻率叫臨界頻率), 低低于這一頻率的光線不論其強(qiáng)度多大和照射時(shí)于這一頻率的光線不論其強(qiáng)度多大和照射時(shí)間多長(zhǎng)間多長(zhǎng), 都不能導(dǎo)致光電效應(yīng)都不能導(dǎo)致光電效應(yīng). 36Question Question 鉀的臨界頻率鉀的臨界頻率= 5.01014 s-1, 試計(jì)算具有這種試計(jì)算具有這種 頻率的一個(gè)光子的能量頻率的一個(gè)光子的能量. 對(duì)紅光和黃光進(jìn)行對(duì)紅光和黃光進(jìn)行類似的計(jì)算類似的計(jì)算, 解釋金屬鉀在黃光作用下產(chǎn)生光電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效應(yīng)而在紅光作用下卻不能. 將相關(guān)頻率值代入普朗克公式將相關(guān)頻率值代入普朗克公式: E(具有臨界頻率

38、的一個(gè)光子具有臨界頻率的一個(gè)光子) = 6.62610-34 Js 5.01014 s-1 = 3.310-19 J E(黃光一個(gè)光子黃光一個(gè)光子) = h= 6.62610-34 Js 5.11014 s-1 = 3.410-19 J E(紅光一個(gè)光子紅光一個(gè)光子) = h= 6.62610-34 Js 4.61014 s-1 = 3.010-19 J 黃光光子的能量大于與臨界頻率對(duì)應(yīng)的光子能量黃光光子的能量大于與臨界頻率對(duì)應(yīng)的光子能量, 從而引發(fā)光從而引發(fā)光電效應(yīng)電效應(yīng); 紅光光子的能量小于與臨界頻率對(duì)應(yīng)的光子能量紅光光子的能量小于與臨界頻率對(duì)應(yīng)的光子能量, 不能引發(fā)不能引發(fā)光電效應(yīng)光電效

39、應(yīng).37另一面誰(shuí)來(lái)翻開？另一面誰(shuí)來(lái)翻開？波的微粒性波的微粒性導(dǎo)致了人們對(duì)波的深層次認(rèn)導(dǎo)致了人們對(duì)波的深層次認(rèn)識(shí)，產(chǎn)生了討論波的微粒性識(shí)，產(chǎn)生了討論波的微粒性概念為基礎(chǔ)的學(xué)科概念為基礎(chǔ)的學(xué)科 量子力量子力學(xué)（學(xué)（quantum 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(shuō)的光子學(xué)說(shuō)The photoelectric effect電子微粒性的實(shí)驗(yàn)電子微粒性的實(shí)驗(yàn)The experiments of particle of electronsPlank 的的 量子論量子論The Planck equation381.1.5.2 5.2 德布羅意關(guān)系式

40、德布羅意關(guān)系式-微粒的波動(dòng)性微粒的波動(dòng)性 微粒波動(dòng)性的直接證據(jù)微粒波動(dòng)性的直接證據(jù) 光的衍射和繞射光的衍射和繞射 在光的在光的波粒二象性波粒二象性的啟發(fā)下，德布羅意提的啟發(fā)下，德布羅意提出一種假想出一種假想. .他于他于1924 1924 年說(shuō)：年說(shuō)： 德布羅意關(guān)系式德布羅意關(guān)系式 一個(gè)偉大思想的誕生一個(gè)偉大思想的誕生sJ10626.6/34hphmvh 1924年，年，Louis de Broglie認(rèn)為：認(rèn)為：質(zhì)質(zhì)量為量為 m ,運(yùn)動(dòng)速度為運(yùn)動(dòng)速度為v 的粒子的粒子,相應(yīng)的波相應(yīng)的波長(zhǎng)為：長(zhǎng)為：h 為Planck 常量這就是著名的這就是著名的 德布羅意關(guān)系式德布羅意關(guān)系式. .“過去，對(duì)光

41、過分強(qiáng)調(diào)波性而忽視過去，對(duì)光過分強(qiáng)調(diào)波性而忽視它的粒性；現(xiàn)在對(duì)電子是否存在另它的粒性；現(xiàn)在對(duì)電子是否存在另一種傾向，即過分強(qiáng)調(diào)它的粒性而一種傾向，即過分強(qiáng)調(diào)它的粒性而忽視它的波性忽視它的波性.”.”燈光源燈光源39 1927年，年，Davissson 和和 Germer 應(yīng)用應(yīng)用 Ni 晶體進(jìn)行電子衍射實(shí)晶體進(jìn)行電子衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)電子具有波動(dòng)性驗(yàn)，證實(shí)電子具有波動(dòng)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(dòng)性的近代證據(jù)微粒波動(dòng)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(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理Schematic drawin

42、gs of diffraction patterns by light, X- rays, and electrons燈光源燈光源X射線管射線管電子源電子源40微觀粒子電子微觀粒子電子：17631m.s1010kg,10109v.mm91036. 7 ,1sm710m101036. 7 ,1sm610mh由宏觀物體子彈宏觀物體子彈：讓我們選一個(gè)微觀粒子和一個(gè)很小的宏觀物體進(jìn)行一項(xiàng)計(jì)算：讓我們選一個(gè)微觀粒子和一個(gè)很小的宏觀物體進(jìn)行一項(xiàng)計(jì)算： 顯然，包括宏觀物體如運(yùn)動(dòng)著的壘球和槍彈等都可按德布羅意公顯然，包括宏觀物體如運(yùn)動(dòng)著的壘球和槍彈等都可按德布羅意公式計(jì)算它們的波長(zhǎng)式計(jì)算它們的波長(zhǎng). .由于宏

43、觀物體的波長(zhǎng)極短以致無(wú)法測(cè)量，所以宏觀物體由于宏觀物體的波長(zhǎng)極短以致無(wú)法測(cè)量，所以宏觀物體的波長(zhǎng)就難以察覺，主要表現(xiàn)為粒性，服從經(jīng)典力學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的波長(zhǎng)就難以察覺，主要表現(xiàn)為粒性，服從經(jīng)典力學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律. .只有象電只有象電子、原子等質(zhì)量極小的微粒才具有與子、原子等質(zhì)量極小的微粒才具有與 x x射線數(shù)量級(jí)相近的波長(zhǎng)才符合德布射線數(shù)量級(jí)相近的波長(zhǎng)才符合德布羅意公式，然而，如此短的波長(zhǎng)在一般條件下仍不易顯現(xiàn)出來(lái)羅意公式，然而，如此短的波長(zhǎng)在一般條件下仍不易顯現(xiàn)出來(lái). .m = 1.0 10-2 kg, = 1.0 103 m s-1, = 6.6 10-35 mQuestion Question

44、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？41 玻爾以波的微粒性（即能玻爾以波的微粒性（即能量量子化概念）為基礎(chǔ)建立了量量子化概念）為基礎(chǔ)建立了他的氫原子模型他的氫原子模型. .H+ H H- D He 薛定鱷等則以微粒波動(dòng)性薛定鱷等則以微粒波動(dòng)性為基礎(chǔ)建立起原子的波動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)建立起原子的波動(dòng)力學(xué)模型模型. .421.5.3 海森堡不確定原理海森堡不確定原理(uncertainty principle) 微觀粒子不同于宏觀物體，它們的運(yùn)動(dòng)無(wú)軌跡可言，即在一確定的時(shí)間沒有一微觀粒子不同于宏觀物體，它們的運(yùn)動(dòng)無(wú)軌跡可言，即在一確定的時(shí)間沒有一確定的位置。確定的位置。 海

45、森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理 （Heisenberg uncertainty principle ） 如果我們能設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確測(cè)定微粒的位置如果我們能設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確測(cè)定微粒的位置, , 那就不能準(zhǔn)確測(cè)定其那就不能準(zhǔn)確測(cè)定其動(dòng)量動(dòng)量, , 反之亦然反之亦然. .x p h/(4) 如果我們精確地知道微粒在如果我們精確地知道微粒在那里那里, , 就不能精確地知道它從就不能精確地知道它從那里那里來(lái)來(lái), , 會(huì)會(huì)到到那里那里去去; ;如果我們精確地知道微粒在怎樣運(yùn)動(dòng)如果我們精確地知道微粒在怎樣運(yùn)動(dòng), , 就不能精確地知道它此就不能精確地知道它此刻在刻在那里那里. . 重要暗示重要暗示不可能存

46、在不可能存在 Rutherford 和和 Bohr 模型中行星繞太陽(yáng)那樣模型中行星繞太陽(yáng)那樣的電子軌道的電子軌道 具有波粒二象性的電子，已不再遵守經(jīng)典力學(xué)規(guī)律，它們的運(yùn)動(dòng)沒具有波粒二象性的電子，已不再遵守經(jīng)典力學(xué)規(guī)律，它們的運(yùn)動(dòng)沒有確定的軌道，只有一定的空間幾率分布，即電子的波動(dòng)性與其微粒行為有確定的軌道，只有一定的空間幾率分布，即電子的波動(dòng)性與其微粒行為的統(tǒng)計(jì)性規(guī)律相聯(lián)系的統(tǒng)計(jì)性規(guī)律相聯(lián)系. . 因此因此, , 實(shí)物的微粒波是概率波實(shí)物的微粒波是概率波, , 性質(zhì)上不同于光波性質(zhì)上不同于光波的一種波的一種波. . 波動(dòng)力學(xué)的軌道概念與電子在核外空間出現(xiàn)機(jī)會(huì)最多的區(qū)域相波動(dòng)力學(xué)的軌道概念與電子

47、在核外空間出現(xiàn)機(jī)會(huì)最多的區(qū)域相聯(lián)系聯(lián)系. . 但是，測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系不是限制人們的認(rèn)識(shí)限度，而是限制經(jīng)典力學(xué)的適但是，測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系不是限制人們的認(rèn)識(shí)限度，而是限制經(jīng)典力學(xué)的適用范圍，說(shuō)明微觀體系的運(yùn)動(dòng)有更深刻的規(guī)律在起作用，這就是量子力學(xué)用范圍，說(shuō)明微觀體系的運(yùn)動(dòng)有更深刻的規(guī)律在起作用，這就是量子力學(xué)所反應(yīng)的規(guī)律所反應(yīng)的規(guī)律. .即即不可能同時(shí)測(cè)得電子的精確位置和精確動(dòng)量不可能同時(shí)測(cè)得電子的精確位置和精確動(dòng)量 ！431.5.4.1 描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的四個(gè)量子數(shù)描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的四個(gè)量子數(shù) (four quantum mummers used in defining the movement state

48、 of electrons )1.5.4.2 薛定鍔方程和波函數(shù)薛定鍔方程和波函數(shù) (Schrodinger equation and wave function )1.5.4.3 波函數(shù)波函數(shù)的圖形描述的圖形描述 (portrayal of wave function )1.5.4 氫原子的量子力學(xué)模型氫原子的量子力學(xué)模型（the quantum mechanics model of hydrogen ）44 量子力學(xué)量子力學(xué)( ( 波動(dòng)力學(xué)波動(dòng)力學(xué)) )模型是迄今最成功的原子結(jié)構(gòu)模型模型是迄今最成功的原子結(jié)構(gòu)模型, , 它是它是19201920年以年以海森堡海森堡( (Heisenberg

49、 W) )和和薛定鍔薛定鍔( (Schrodinger E) )為代表的為代表的科學(xué)家們通過數(shù)學(xué)方法處理原子中電子的波動(dòng)性而建立起來(lái)的科學(xué)家們通過數(shù)學(xué)方法處理原子中電子的波動(dòng)性而建立起來(lái)的. . 該該模型不但能夠預(yù)言氫的發(fā)射光譜模型不但能夠預(yù)言氫的發(fā)射光譜( (包括玻爾模型無(wú)法解釋的譜線包括玻爾模型無(wú)法解釋的譜線), ), 而且也適用于多電子原子而且也適用于多電子原子, , 從而更合理地說(shuō)明核外電子的排布方式從而更合理地說(shuō)明核外電子的排布方式. . Heisenberg WSchrodinger E45處于不同定態(tài)的電子的電子云圖像具有不同的特征，主要包括：處于不同定態(tài)的電子的電子云圖像具有不

50、同的特征，主要包括：幾個(gè)基本概念幾個(gè)基本概念:電子云、電子的自旋、核外電子的可能運(yùn)動(dòng)狀態(tài)電子云、電子的自旋、核外電子的可能運(yùn)動(dòng)狀態(tài)電子云的形狀電子云的形狀- -處在一定能層而又具有一定形狀電子云的電子處在一定能層而又具有一定形狀電子云的電子稱為能級(jí)稱為能級(jí)(energy level)(energy level)如如:1S:1S、3S3S、3P3P、3d3d、4f4f能級(jí)。能級(jí)。電子云在核外空間擴(kuò)展程度電子云在核外空間擴(kuò)展程度- -核外電子的能量大小分層稱為能層核外電子的能量大小分層稱為能層(energy shell)(energy shell)，如，如K K、L L、M M、N N能層能層.

51、.電子云在空間的取向電子云在空間的取向- -軌道（軌道（orbitalorbital）電子在核外空間概率密度）電子在核外空間概率密度 較大的區(qū)域。較大的區(qū)域。1 1、電子云是電子在原子核外空間概率密度分布的形象描述。、電子云是電子在原子核外空間概率密度分布的形象描述。46xyzzxzxyspxpypzxzyxzyzydxydxzdyzddxy22-z2_圖圖1-5 電子云圖像電子云圖像472、電子的自旋、電子的自旋 核外電子除了饒?jiān)雍烁咚龠\(yùn)動(dòng)外，還饒自己的軸自旋。自旋只核外電子除了饒?jiān)雍烁咚龠\(yùn)動(dòng)外，還饒自己的軸自旋。自旋只有有2種相反的方向種相反的方向-順時(shí)針和逆時(shí)針方向。順時(shí)針和逆時(shí)針方

52、向。原子核外電子可能的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)總結(jié)原子核外電子可能的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)總結(jié)3、核外電子可能的、核外電子可能的 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有一定空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又有一定自旋狀態(tài)的電子稱為具有一定運(yùn)動(dòng)具有一定空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又有一定自旋狀態(tài)的電子稱為具有一定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子。狀態(tài)的電子。能層能層能級(jí)能級(jí)軌道數(shù)軌道數(shù)可能空間運(yùn)可能空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)動(dòng)狀態(tài)可能運(yùn)動(dòng)狀可能運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)態(tài)數(shù)第一能層（第一能層（K）1S112第二能層（第二能層（L）2S、2P1+3=41+3=42+6=8第三能層（第三能層（M）3S、3P、3d1+3+5=91+3+5=92+6+10=18第四能層（第四能層（N）4S、4P、4d、4f1+3+5+7=161+3

53、+5+7=162+6+10+14=32第五能層（第五能層（O）5S、5P 1+3+=251+3+=252+6+=50第第n能層能層1+3+=n21+3+=n22n248（1）主量子數(shù)主量子數(shù) n (principal quantum number)J10179.2218nE1.5.4.1 描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的四個(gè)量子數(shù)描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的四個(gè)量子數(shù) 與電子能量有關(guān)與電子能量有關(guān). .對(duì)于氫原子，電子能量唯一決定于對(duì)于氫原子，電子能量唯一決定于n 確定電子出現(xiàn)幾率最大處離核的距離確定電子出現(xiàn)幾率最大處離核的距離 不同的不同的n n 值，對(duì)應(yīng)于不同的電子殼層值，對(duì)應(yīng)于不同的電子殼層 n的取值的取值 .

54、(能層能層) 能層符號(hào)能層符號(hào) K L M N O. 像玻爾的固定軌道一樣像玻爾的固定軌道一樣, 波動(dòng)力學(xué)的軌道也由量子數(shù)所規(guī)定波動(dòng)力學(xué)的軌道也由量子數(shù)所規(guī)定. 不不同的是同的是, 原子軌道用三個(gè)量子數(shù)而不像玻爾軌道只用一個(gè)量子數(shù)描原子軌道用三個(gè)量子數(shù)而不像玻爾軌道只用一個(gè)量子數(shù)描述述 . )2hn(L 49 與與角動(dòng)量有關(guān)，對(duì)于多電子原子角動(dòng)量有關(guān)，對(duì)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(亞層或能級(jí)）亞層或能級(jí)） 能級(jí)符號(hào)能級(jí)符號(hào)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

55、 momentum quantum umber) The allowed values for angular momentum quantum number, lnl1234(subshell symbol0000s111p22d3f )s 軌道軌道球形球形p 軌道軌道啞鈴形啞鈴形（雙紡錘形）（雙紡錘形）d軌軌道道有有兩兩種種形形狀狀：多多紡紡錘錘形形50 與角動(dòng)量的取向有關(guān)，取向是量子化的與角動(dòng)量的取向有關(guān)，取向是量子化的 m可取可取 0，1, 2l l l值決定了值決定了角度函數(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(jià)軌道值相同的軌道互為等價(jià)軌道（3） 磁量子數(shù)磁量子數(shù)m

56、( magnetic quantum number)The allowed values for magnetic quantum number, mLmnumber of orbital 0(s) 1(p) 2(d) 3(f) 0 1 0 1 2 1 0 1 2 3 2 1 0 1 2 3135751 p 軌道軌道( (l = 1, = 1, m = +1, 0, -1) = +1, 0, -1) m 三種取值三種取值, , 三種取向三種取向, , 三條等價(jià)三條等價(jià)( (簡(jiǎn)并簡(jiǎn)并) ) p 軌道軌道. .s s 軌道軌道( (l l = 0, = 0, m m = 0 ) = 0 ) : :

57、 m 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 s 軌道軌道. .52d d 軌道軌道( (l l = 2, = 2, m m = +2, +1, 0, -1, -2) = +2, +1, 0, -1, -2) : : m 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(jià)五條等價(jià)( (簡(jiǎn)并簡(jiǎn)并) ) d d 軌道軌道. .53 f f 軌道軌道 ( ( l l = 3, = 3, m m = +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 ) = +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 ) : : m m 七種取值七種取值,

58、, 空間七種取向空間七種取向, , 七條等價(jià)七條等價(jià)( (簡(jiǎn)并簡(jiǎn)并) ) f f 軌道軌道. .本課程本課程不要求不要求記住記住 f 軌道軌道具體形狀具體形狀!54（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(yùn)動(dòng)使電子具有類似于微磁體的行為自旋運(yùn)動(dòng)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 想象中的電子自旋想象中的電子自旋 兩種可能的自旋方向兩種可能的自旋方向: : 正向正向(+1/2)(+1/2)和反向和反向(-1/2)(-1/2) 產(chǎn)生方向相反的磁場(chǎng)產(chǎn)

59、生方向相反的磁場(chǎng) 相反自旋的一對(duì)電子相反自旋的一對(duì)電子, , 磁場(chǎng)相互抵消磁場(chǎng)相互抵消. . Electron spin visualizedMagnetic fieldscreenSmall clearance spaceSilver atomic raykiln55由上面的討論知道由上面的討論知道 n, l, m 一定一定, 軌道也確定軌道也確定 l 0 1 2 3Orbital s p d f例如例如: n =2, l =0, m =0, 2s n =3, l =1, m =0, 3p n =3, l =2, m =0, 3d核外電子運(yùn)動(dòng)核外電子運(yùn)動(dòng)軌道運(yùn)動(dòng)軌道運(yùn)動(dòng)自旋運(yùn)動(dòng)自旋運(yùn)動(dòng)與一套

60、量子數(shù)相對(duì)應(yīng)（自然也有與一套量子數(shù)相對(duì)應(yīng)（自然也有1個(gè)能量個(gè)能量Ei)n lm ms56Question Question 寫出與軌道量子數(shù)寫出與軌道量子數(shù) n = 4, l = 2, m = 0 的的原子軌道名稱原子軌道名稱. 原子軌道是由原子軌道是由 n, l, m 三個(gè)量子數(shù)決定的三個(gè)量子數(shù)決定的. 與與 l = 2 對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的軌道是軌道是 d 軌道軌道. 因?yàn)橐驗(yàn)?n = 4, 該軌道的名稱應(yīng)該是該軌道的名稱應(yīng)該是 4d. 磁量子數(shù)磁量子數(shù) m = 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(shí)但根據(jù)我們迄今學(xué)過的知識(shí), m = 0 表示該表示該 4d