教學(xué)實(shí)踐原子核外電子的運(yùn)動(dòng)

1、揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)的奧秘黃榮生 2011年3月課程結(jié)構(gòu)課程結(jié)構(gòu)1.1.緒言（專題緒言（專題1 1）2.2.內(nèi)容內(nèi)容3.3.結(jié)束語(yǔ)（專題結(jié)束語(yǔ)（專題5 5）原子結(jié)構(gòu)與元素的性質(zhì)（專題原子結(jié)構(gòu)與元素的性質(zhì)（專題2 2）微粒間作用力與物質(zhì)性質(zhì)（專題微粒間作用力與物質(zhì)性質(zhì)（專題3 3）分子空間結(jié)構(gòu)與物質(zhì)性質(zhì)（專題分子空間結(jié)構(gòu)與物質(zhì)性質(zhì)（專題4 4）1 1、化學(xué)發(fā)展經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歷史、化學(xué)發(fā)展經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歷史（1 1）石器時(shí)代）石器時(shí)代: :（2 2）陶器時(shí)代陶器時(shí)代: : （3 3）銅器時(shí)代）銅器時(shí)代: :（4 4）鐵器時(shí)代）鐵器時(shí)代: :人類生產(chǎn)發(fā)展史人類生產(chǎn)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。上的一個(gè)里程碑。2 2、近

2、代化學(xué)發(fā)展里程、近代化學(xué)發(fā)展里程（4 4）18691869年后年后門捷列夫門捷列夫揭示元素周期律；揭示元素周期律；（1 1）1818世紀(jì)，世紀(jì)，波義耳波義耳（化學(xué)之父）（化學(xué)之父） 最早提出元素的科學(xué)定義；最早提出元素的科學(xué)定義；（2 2）1919世紀(jì)初，世紀(jì)初，道爾頓道爾頓（原子之父）（原子之父） 提出了原子學(xué)說(shuō)；提出了原子學(xué)說(shuō)；（3 3）18111811年年阿伏加德羅阿伏加德羅提出分子說(shuō)；提出分子說(shuō)；（5 5）19011901年約瑟夫年約瑟夫湯姆生湯姆生提出原子的葡提出原子的葡 萄干面包模型；萄干面包模型；（6 6）19091909年年, ,盧瑟福盧瑟福提出原子的有核模型提出原子的有核模型

3、 。（7 7）對(duì)）對(duì)有機(jī)物認(rèn)識(shí)有機(jī)物認(rèn)識(shí)的進(jìn)展：的進(jìn)展：（8 8）物理學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)：）物理學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)：碳原子的四價(jià)碳原子的四價(jià)碳原子成鍵的立體構(gòu)型碳原子成鍵的立體構(gòu)型分子中價(jià)鍵的飽和性分子中價(jià)鍵的飽和性有機(jī)合成可有機(jī)合成可“按圖索驥按圖索驥”電子電子氫原子光譜氫原子光譜元素的放射性元素的放射性微粒的波粒二象性微粒的波粒二象性（量子力學(xué)）（量子力學(xué)）紅外光譜紅外光譜電子顯微電子顯微原子吸收光譜原子吸收光譜X射線衍射射線衍射（9 9）實(shí)驗(yàn)方法上的改進(jìn)：）實(shí)驗(yàn)方法上的改進(jìn)：人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)原子的組成原子的組成德謨克利特：樸素原子觀德謨克利特：樸素原子觀道爾頓：原子學(xué)說(shuō)道

4、爾頓：原子學(xué)說(shuō)湯姆生：湯姆生：“葡萄干面包式葡萄干面包式” ” 模模型型盧瑟福盧瑟福：帶核原子結(jié)構(gòu)模型：帶核原子結(jié)構(gòu)模型玻爾玻爾：原子軌道模型：原子軌道模型現(xiàn)代量子力學(xué)模型現(xiàn)代量子力學(xué)模型180319041911191319263 3、原子結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史、原子結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史1911年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福通過(guò)粒子的散射實(shí)驗(yàn)，提出了原子結(jié)構(gòu)有核模型。他認(rèn)為原子的質(zhì)量主要集中在原子核上，電子在核外空間高速運(yùn)動(dòng)。盧瑟福實(shí)驗(yàn)許多物質(zhì)都能夠吸收光或發(fā)射光，利用儀器將物質(zhì)吸收光或發(fā)射光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度分布記錄下來(lái)，就得到所謂的光譜。連續(xù)光譜：由各種波長(zhǎng)組成，且相近波長(zhǎng)差別極小而不能分辨的光譜線狀光譜：由具有特定

5、波長(zhǎng)的、彼此分立的譜線所組成的光譜連續(xù)光譜：由各種波長(zhǎng)組成，且相近波長(zhǎng)差別極小而不能分辨的光譜連續(xù)光譜連續(xù)光譜(實(shí)驗(yàn)室）實(shí)驗(yàn)室）電磁波連續(xù)光譜電磁波連續(xù)光譜氫原子光譜（原子發(fā)射光譜）真空管中含少量真空管中含少量H2(g)，高壓放電，高壓放電，發(fā)出紫外光和可見(jiàn)光發(fā)出紫外光和可見(jiàn)光 三棱鏡三棱鏡 不連續(xù)的線狀光譜不連續(xù)的線狀光譜氫原子的光譜為什么是線狀光譜而不是連續(xù)光譜呢？經(jīng)典電磁理論不能解釋氫原子光譜：經(jīng)典電磁理論不能解釋氫原子光譜： 盧瑟福有核模型結(jié)合經(jīng)典電磁理論：盧瑟福有核模型結(jié)合經(jīng)典電磁理論： 電子繞核作高速圓周運(yùn)動(dòng)，電子繞核作高速圓周運(yùn)動(dòng)， 發(fā)出連續(xù)電磁波發(fā)出連續(xù)電磁波 連續(xù)光譜，連續(xù)光

6、譜， 電子能量電子能量 墜入原子核墜入原子核原子湮滅原子湮滅 事實(shí)：事實(shí)： 氫原子光譜是線狀（而不是連續(xù)光譜）；氫原子光譜是線狀（而不是連續(xù)光譜）； 原子沒(méi)有湮滅。原子沒(méi)有湮滅。4.玻爾原子模型 1913年，丹麥物理學(xué)家玻爾把普朗克的相關(guān)量子理論與盧瑟福的原子模型相結(jié)合，較好地解釋了氫原子光譜，提出新的原子結(jié)構(gòu)模型，。有核原子模型年光子學(xué)說(shuō)量子論根據(jù)Rutherford.D）1908(Einstein.A)1990(Plack.M科學(xué)趣聞 紫外災(zāi)難：普朗克量子論-能量量子化 光電效應(yīng)：愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只與光的頻率有關(guān)。 原子中的電子在具有確定能量的軌道上繞原子核運(yùn)動(dòng)，原子不受外界影響

7、時(shí)，不吸收也不不輻射能量。 在不同軌道上運(yùn)動(dòng)的電子具有不同的能量（E），不同軌道的能量是不連續(xù)變化的，能量是某些不連續(xù)的數(shù)值，是量子化的。軌道能量依 n 值（1，2，3，）的增大而升高。量子數(shù)玻爾結(jié)合量子化條件和經(jīng)典力學(xué)公式，計(jì)算出了氫原子中電子運(yùn)動(dòng)的速度、軌道半徑和能量，完美的解釋了氫原子光譜。 通常,電子處在能量最低的軌道(基態(tài)n=1)上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)原子獲得能量后，被激發(fā)到高能量軌道上，處于激發(fā)態(tài)； 只有當(dāng)電子從一個(gè)軌道（能量為Ei）躍遷到另一個(gè)軌道（能量為Ej）時(shí)，才會(huì)輻射或吸收能量。每一次躍遷（輻射或吸收）的能量以光的形式產(chǎn)生一條分立的譜線，被記錄下來(lái)，就形成了光譜。躍遷演示氫原子能級(jí)氫原

8、子能級(jí)連續(xù)光譜和原子發(fā)射光譜(線狀光譜)比較電子躍遷 在生活中的應(yīng)用波爾原子模型局限性：局限性： 只限于解釋氫原子或類氫離子（單電子體只限于解釋氫原子或類氫離子（單電子體系）的光譜，無(wú)法較好解釋多電子原子的光譜。系）的光譜，無(wú)法較好解釋多電子原子的光譜。 原因：人為地引入某些物理量（電子運(yùn)動(dòng)原因：人為地引入某些物理量（電子運(yùn)動(dòng)的軌道角動(dòng)量和電子能量）的軌道角動(dòng)量和電子能量）“量子化量子化”，以，以修正經(jīng)典力學(xué)的思路修正經(jīng)典力學(xué)的思路出問(wèn)題了出問(wèn)題了。 用量子力學(xué)來(lái)處理宇宙間物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律用量子力學(xué)來(lái)處理宇宙間物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律更有普遍意義，特別是微觀粒子（小空間、更有普遍意義，特別是微觀粒子（小空

9、間、小微粒、大速度）的運(yùn)動(dòng)。小微粒、大速度）的運(yùn)動(dòng)。微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征1、微觀粒子的波粒二象性： 光的傳播（波）和光與實(shí)物的作用（粒） E=mc 2=h P=mc P= h/（德波羅意公式，波粒相連）2、海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理: xmv h/4 h:普朗克常數(shù) 6.626 10-34J/s 核外電子沒(méi)有確定的軌道，也沒(méi)有家，只有。電子運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)規(guī)律的形象描述：電子云模型微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征 薛定諤波動(dòng)方程的提出，標(biāo)志著近代量子力學(xué)理論的建立。它可以計(jì)算出電子云徑向分布和角度分布。 常把電子出現(xiàn)的概率約為常把電子出現(xiàn)的概率約為90%90%的空間圈出來(lái)的空間圈出來(lái)思考：小黑點(diǎn)代表什么？小黑點(diǎn)的疏密代表什么？

10、電子云的形成原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（原子軌道）原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（原子軌道）二、多電子原子核外電子的運(yùn)動(dòng)特征和二、多電子原子核外電子的運(yùn)動(dòng)特征和狀態(tài)狀態(tài)原子核外電子的運(yùn)動(dòng)特征（電子云）原子核外電子的運(yùn)動(dòng)特征（電子云）原子核外電子的排布規(guī)律原子核外電子的排布規(guī)律1.電子層電子層符號(hào)電子層符號(hào)電子層電子層12345離核遠(yuǎn)近離核遠(yuǎn)近電子的能電子的能量量 S S的原子軌道是的原子軌道是_形的，電子形的，電子層序數(shù)越大，原子軌道的層序數(shù)越大，原子軌道的_。2.電子亞層和原子軌道 P的原子軌道是的原子軌道是_形的，每個(gè)形的，每個(gè)P軌軌道（亞層）有道（亞層）有_個(gè)軌道，它們互相垂個(gè)軌道，它們互相垂直，分

11、別以直，分別以_、_、_為符為符號(hào)。號(hào)。P原子軌道的平均半徑也隨電子層序數(shù)原子軌道的平均半徑也隨電子層序數(shù)增大而增大而_。 1.電子亞層 d 軌道軌道角度分布圖角度分布圖(剖面圖剖面圖)電子層電子層原子軌道原子軌道類型類型原子軌道原子軌道數(shù)目數(shù)目可容納可容納電子數(shù)電子數(shù) 1 2 3 4 n問(wèn)題問(wèn)題1：完成下面表格：完成下面表格電子層電子層原子軌原子軌道類型道類型原子軌道原子軌道類型數(shù)目類型數(shù)目可容納的可容納的電子數(shù)目電子數(shù)目1 11s1s2 22s2s，2p2p3 33s3s，3p3p，3d3d4 44s4s，4p4p，4d4d，4f4fn n1 12 24 48 89 91818161632

12、32n n2 22n2n2 2能級(jí)圖能級(jí)圖問(wèn)題問(wèn)題2：比較下列多電子原子的原子軌道的能量比較下列多電子原子的原子軌道的能量高低：高低：(1)1s 2s 3s 4s (2)nf nd ns np(3)3px 3py 3pz (4)3px 5py 4pz (5)3s 4p (6) 4s 3p (7) 4s 3d KLMNOP1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f電子層電子層軌道軌道核核外外電電子子填填充充順順序序圖圖軌道能量順序7 71.1.最低能量原理最低能量原理電子在原子軌道上的排布，要電子在原子軌道上的排布，要盡可能使電子的能量最低。盡可能使電子的能量最低。2.2.泡利不相容原理泡利不相容

13、原理每個(gè)原子軌道最多只能容納每個(gè)原子軌道最多只能容納兩個(gè)電子，且自旋方向必須相反。兩個(gè)電子，且自旋方向必須相反。原子核外電子排布的三大原理原子核外電子排布的三大原理3.3.洪特規(guī)則洪特規(guī)則電子在等價(jià)軌道（能量相同電子在等價(jià)軌道（能量相同的軌道）上排布時(shí)，總是盡可能分占不同的的軌道）上排布時(shí)，總是盡可能分占不同的軌道，且自旋方向相同。這種排布，電子的軌道，且自旋方向相同。這種排布，電子的能量最低。能量最低。15626224333221sdpspss110626224333221sdpspss14Si18Ar20Ca24Cr29Cu10Ne針對(duì)訓(xùn)練針對(duì)訓(xùn)練寫(xiě)出下列元素原子結(jié)構(gòu)示意圖、電子排布式及其簡(jiǎn)寫(xiě)出下列元素原子結(jié)構(gòu)示意圖、電子排布式及其簡(jiǎn)化形式、外圍電子排布式、電子軌道表示式：化形式、外圍電子排布式、電子軌道表示式： 根據(jù)洪特規(guī)則，人們總結(jié)出，根據(jù)洪特規(guī)則，人們總結(jié)出，當(dāng)同一亞層軌道半充滿、全充滿以及當(dāng)同一亞層軌道半充滿、全充滿以及全空時(shí)，是比較穩(wěn)定的。全空時(shí)，是比較穩(wěn)定的