原子结构和元素周期表(PPT课件)

1、第第 1 章章原子结构和原子结构和元素周期表元素周期表1初步了解原子核外电子运动的近代概念、原子能级、初步了解原子核外电子运动的近代概念、原子能级、 波粒二象性、原子轨道和电子云概念。波粒二象性、原子轨道和电子云概念。2了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌握了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌握 四个量子数的物理意义、取值范围。四个量子数的物理意义、取值范围。3熟悉熟悉 s、p、d 原子轨道的形状和方向。原子轨道的形状和方向。 4理解原子结构近似能级图，掌握原子核外电子排布理解原子结构近似能级图，掌握原子核外电子排布 的一般规则和的一般规则和s、p、d、f 区元素的原子结构特点。区

2、元素的原子结构特点。5会从原子的电子层结构了解元素性质，熟悉原子半会从原子的电子层结构了解元素性质，熟悉原子半 径、电离能、电子亲和能和电负性的周期性变化。径、电离能、电子亲和能和电负性的周期性变化。本章教学要求本章教学要求1.1 亚原子粒子亚原子粒子 Subatomic particles1.2 波粒二象性波粒二象性 赖以建立现代模型的量子力学赖以建立现代模型的量子力学 概念概念 Wave-particle duality a fundamental concept of quantum mechanics 1.3 氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型 波尔模型波尔模型 The

3、quantum mechanical model of the structure of hydrogen atom Bohrs model 1.4 原子结构的波动力学模型原子结构的波动力学模型 The wave mechanical model of the atomic structure1.5 多电子原子轨道的能级多电子原子轨道的能级 Energy level in polyelectronic atoms 1.6 基态原子的核外电子排布基态原子的核外电子排布 Ground-state electron configuration1.7 元素周期表元素周期表 The periodic t

4、able of elements 1.8 原子参数原子参数 Atomic parameters1.1 亚原子粒子亚原子粒子 Subatomic particles 1.1.1 化学研究的对象化学研究的对象 The object of chemical study1.1.3 夸克夸克 Quark1.1.2 亚原子粒子（基本粒子）亚原子粒子（基本粒子） Subatomic particles ( elementary particles)夸克夸克质子质子中子中子原子核原子核电子电子原子原子( (离子离子) )分子分子微观微观（宇观）（宇观）宇宙宇宙单单 质质化合物化合物星体星体宏观宏观纳纳 米米材

5、材 料料（介观）（介观）1.1.1 化学研究的对象化学研究的对象哪些是关键性的问题呢？哪些是关键性的问题呢？ 化学反应的性能问题化学反应的性能问题; ;化学催化的问题化学催化的问题; ;生命过程中的生命过程中的化学问题。化学问题。 当今化学发展的趋势大致是：当今化学发展的趋势大致是： 由宏观到微观，由定性到定量，由稳定态向亚稳态，由宏观到微观，由定性到定量，由稳定态向亚稳态，由经验上升到理论并用理论指导实践，开创新的研究。由经验上升到理论并用理论指导实践，开创新的研究。1.1.2 亚原子粒子亚原子粒子 人们将组成原子的微粒叫人们将组成原子的微粒叫亚原子粒子亚原子粒子。亚原子粒子亚原子粒子曾经也

6、叫曾经也叫基本粒子基本粒子, , 近些年越来越多的文献就将其叫近些年越来越多的文献就将其叫粒粒子子。迄今科学上发现的粒子已达数百种之多迄今科学上发现的粒子已达数百种之多。 与化学相关的某些亚原子粒子的性质与化学相关的某些亚原子粒子的性质名称名称 符号符号质量质量/u/u电荷电荷/e/e电子电子 质子质子 中子中子 正电子正电子 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- -) ) ( (原子核射出的电磁波原子核射出的电磁波 ) ) 1105.48610412 101.1.3 夸克夸

7、克名称名称 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 顶夸克顶夸克符号符号 d u s c b t电荷电荷 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3质量质量 均为质子的均为质子的1/100或或1/200 质子的质子的 200倍倍发现年代发现年代 1974 1977 1995某些最重要的夸克某些最重要的夸克 根据根据 1961 1961 年由盖尔年由盖尔- -曼（曼（Gell M-Mann）建立的新模型，建立的新模型， 质子质子和中子都是由更小的粒子夸克组成的，和中子都是由更小的粒子夸克组成的， 但现有的理论还不能预言但现有的理论还不能预言 ( (当

8、然更不用说从实验上证明当然更不用说从实验上证明) )电子是可分的。电子是可分的。1.2 波粒二象性波粒二象性 赖以建立现代赖以建立现代 模型的量子力模型的量子力学概念学概念 Wave- particle duality a fundamen- tal concept of quantum mechanics1.2.3 微粒的波动性微粒的波动性 Wave like particle1.2.2 波的微粒性波的微粒性 Particle like wave 1.2.1 经典物理学概念面临的窘境经典物理学概念面临的窘境 An embarrassment of the concepts of the cl

9、assical physics1.2.1 经典物理学概念面临的窘境经典物理学概念面临的窘境 Rutherford “太阳太阳-行星模型行星模型 ”的要点的要点： 1. 所有原子都有一个核即原子核所有原子都有一个核即原子核(nucleus)； 2. 核的体积只占整个原子体积极小的一部分；核的体积只占整个原子体积极小的一部分； 3. 原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上；原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上； 4. 电子像行星绕着太阳那样绕核运动。电子像行星绕着太阳那样绕核运动。 在对粒子散射实验结果的解释上在对粒子散射实验结果的解释上, 新模型的成功是新模型的成功是显而易见的显而易见的, 至少要

10、点中的前三点是如此至少要点中的前三点是如此。 根据当时的物理学概念根据当时的物理学概念, 带电带电微粒在力场中运动时总要产生电磁微粒在力场中运动时总要产生电磁辐射并逐渐失去能量辐射并逐渐失去能量, 运动着的电运动着的电子轨道会越来越小子轨道会越来越小, 最终将与原子最终将与原子核相撞并导致原子毁灭核相撞并导致原子毁灭。由于原子由于原子毁灭的事实从未发生毁灭的事实从未发生, 将经典物理将经典物理学概念推到前所未有的尴尬境地。学概念推到前所未有的尴尬境地。 经典物理学概念面临的窘境面临的窘境 ？会不会？！1.2.2 波的微粒性波的微粒性 电磁波是通过空间传播的能量电磁波是通过空间传播的能量。可见光

11、只不过是电可见光只不过是电 磁波的一种磁波的一种 。 电磁波在有些情况下表现出连续波的性质，另一些电磁波在有些情况下表现出连续波的性质，另一些情况下则更像单个微粒的集合体，后一种性质叫作波的情况下则更像单个微粒的集合体，后一种性质叫作波的微粒性。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), 其值为其值为6.62610-34 Js。 普朗克认为普朗克认为, , 物体只能按物体只能按hv的整数倍的整数倍( (例如例如1hv, 2hv, 3hv等等) )一

12、份一份地吸收或释出光能一份一份地吸收或释出光能, , 而不可能是而不可能是0.5 hv, 1.6 hv, 2.3 hv等任何非整数倍。即所谓的能量等任何非整数倍。即所谓的能量量子化概念。量子化概念。 普朗克提出了当时物理学界一种普朗克提出了当时物理学界一种全新全新的概念的概念, , 但它只涉及光作用于物体时能量的传递过程但它只涉及光作用于物体时能量的传递过程( (即吸收或即吸收或释出释出) )。 Plank 公式公式 爱因斯坦认为爱因斯坦认为, 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 将 这 一 份 份 数 值 为并 将 这 一 份 份 数 值

13、 为 1h v的 能 量 叫 光 子的 能 量 叫 光 子( (photons), ), 一束光线就是一束光子流一束光线就是一束光子流. . 频率一定的光子频率一定的光子其能量都相同其能量都相同, , 光的强弱只表明光子的多少光的强弱只表明光子的多少, , 而与每个而与每个光子的能量无关。光子的能量无关。 爱因斯坦对光电效应的成功解释最终使光的微粒性爱因斯坦对光电效应的成功解释最终使光的微粒性为人们所接受为人们所接受。 光电效应光电效应 1905年年, 爱因斯坦爱因斯坦(Einstein A)成功地将能量量子化概念扩展到光成功地将能量量子化概念扩展到光本身本身,解释了解释了光电效应光电效应(p

14、hotoelectric effect) 。 钾的临界频率钾的临界频率为为 5.01014 s-1, 试计算具试计算具 有这种频率的一个光子的能量有这种频率的一个光子的能量。对红对红光和黄光进行类似的计算光和黄光进行类似的计算, 解释金属钾在黄光作用下解释金属钾在黄光作用下产生光电效应而在红光作用下却不能产生光电效应而在红光作用下却不能。E(具有临界频率的一个光子具有临界频率的一个光子) = 6.62610-34 Js 5.01014 s-1 = 3.310-19 J E(黄光一个光子黄光一个光子) = h= 6.62610-34 Js 5.11014 s-1 = 3.410-19 J E(红

15、光一个光子红光一个光子) = h= 6.62610-34 Js 4.61014 s-1 = 3.010-19 JQuestion 1Question 1Solution另一面谁来翻开？另一面谁来翻开？波的微粒性波的微粒性 导致了人们导致了人们对波的深层次认对波的深层次认识，产生了讨论识，产生了讨论波的微粒性概念波的微粒性概念为基础的学科为基础的学科 量子力学量子力学( ( q u a n t u m mechanics）。钱币的一面已被翻开！钱币的一面已被翻开！Einstein 的光子学说的光子学说电子微粒性的实验电子微粒性的实验Plank 的量子论的量子论1.2.3 微粒的波动性微粒的波动性

16、德布罗依德布罗依1924 1924 年说：年说： 德布罗依关系式德布罗依关系式 一个伟大思想的诞生一个伟大思想的诞生sJ10626.6/34-hphmvhh 为Planck 常量著名的著名的德布罗依关系式德布罗依关系式 “ “ 过去，对光过去，对光过过 分强调波性而忽分强调波性而忽 视它的粒性；现视它的粒性；现在对电子是否存在另一种在对电子是否存在另一种倾向，即过分强调它的粒倾向，即过分强调它的粒性而忽视它的波性。性而忽视它的波性。” 微粒波动性的直接证据微粒波动性的直接证据 光的衍射和绕射光的衍射和绕射灯光源灯光源 1927年，年，Davissson 和和 Germer 应用应用 Ni 晶体

17、进行晶体进行电子衍射实验，证实电子具有波动性电子衍射实验，证实电子具有波动性。(a)(b)电子通过电子通过A1箔箔( (a)a)和石墨和石墨( (b)b)的衍射图的衍射图 微粒波动性的近代证据微粒波动性的近代证据 电子的波粒二象性电子的波粒二象性 KVDMP 实验原理实验原理灯光源灯光源X X射线管射线管电子源电子源微观粒子电子：微观粒子电子：17631101010109-m.skg,v.m-m91036. 7 ,1sm710m101036. 7 ,1sm610mh由 由于宏观物体的波长极短以致无法测量，所以宏观由于宏观物体的波长极短以致无法测量，所以宏观物体的波长就难以察觉，主要表现为粒性，

18、服从经典力物体的波长就难以察觉，主要表现为粒性，服从经典力学的运动规律。只有像电子、原子等质量极小的微粒才学的运动规律。只有像电子、原子等质量极小的微粒才具有与具有与X射线数量级相近的波长射线数量级相近的波长, ,才符合德布罗依公式。才符合德布罗依公式。宏观物体子弹：宏观物体子弹： 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观物体才具有？波粒二象性是否只有微观物体才具有？Question 2Question 2SolutionH+ H H- D He 波尔以波波尔以波的微粒性（即的微粒性（即能量量子化概能量量子化概念）为基

19、础建念）为基础建立了氢原子模立了氢原子模型。型。 薛定谔等薛定谔等则以微粒波动则以微粒波动性为基础建立性为基础建立起原子的波动起原子的波动力学模型。力学模型。1.3 氢原子结构的量子力学模型：玻 尔模型 The quantum mechanical model of the structure of hydrogen atom Bohrs model特征特征: 不连续的、线状的不连续的、线状的; 是很有规律的。是很有规律的。 氢原子光谱由五组线系氢原子光谱由五组线系组成组成, 任何一条谱线的波数任何一条谱线的波数(wave number)都满足简单的都满足简单的经验关系式经验关系式: 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：对于如：对于Balmer线系的处理线系的处理12215s )121(10289. 3-nvn = 3 红红 （H）n = 4 青青 （H ）n = 5 蓝紫蓝紫 （ H ）n = 6 紫紫 （H ）常数RydbergnnnnnnhvE:R 11RJ1110179. 2 s1110sJ10626. 6H2221H2221181 -22211534-爱因斯坦的光子学说爱因斯坦的光子学说 普朗克的量子化学说普朗克的量

21、子化学说 氢原子的光谱实验氢原子的光谱实验 卢瑟福的有核模型卢瑟福的有核模型Bohr在在的基础上，建的基础上，建立了立了Bohr理论理论波粒二象性波粒二象性 玻尔模型认为玻尔模型认为, 电子只能在若干圆形的固定轨道上电子只能在若干圆形的固定轨道上绕核运动绕核运动。它们是符合一定条件的轨道它们是符合一定条件的轨道：电子的轨道电子的轨道角动量角动量L只能等于只能等于h/(2 )的整数倍：的整数倍： 从距核最近的一条轨道算起从距核最近的一条轨道算起, n值分别等于值分别等于1, 2, 3, 4, 5, 6, 7。根据假定条件算得根据假定条件算得 n = 1 时允许轨道的半径为时允许轨道的半径为 53

22、 pm, 这就是著名的这就是著名的玻尔半径玻尔半径。关于固定轨道的概念关于固定轨道的概念 原子只能处于上述条件所限定的几个能态原子只能处于上述条件所限定的几个能态。 指除基态以外的其余定态指除基态以外的其余定态. 各激发态的能量随各激发态的能量随 n 值增大而增高值增大而增高。电子电子只有从外部吸收足够能量时只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态才能到达激发态。定态定态(stationary states)： 所有这些允许能态之统称。所有这些允许能态之统称。电子只能在有确定电子只能在有确定半径和能量的定态轨道上运动半径和能量的定态轨道上运动, 且不辐射能量且不辐射能量。基态基态(ground

23、state): n 值为值为 1 的定态。的定态。通常电子保持在能量最低通常电子保持在能量最低的这一基态的这一基态。基态是能量最低即最稳定的状态基态是能量最低即最稳定的状态。激发态激发态(excited states):关于轨道能量量子化的概念关于轨道能量量子化的概念关于能量的吸收和发射关于能量的吸收和发射 玻尔模型认为玻尔模型认为, 只有当电子从较高能态只有当电子从较高能态(E2)向较向较低能态低能态(E1)跃迁时跃迁时, 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, 光子能量的大小决定于跃迁所涉及的两条轨道间的光子能量的大小决定于跃迁所涉及的两条轨道间的能量差能量差：E =

24、E2 E1 = h hEEEEh1212- E: 轨道的能量轨道的能量：光的频率：光的频率 h: Planck常量常量 计算氢原子的电离能计算氢原子的电离能 解释了解释了 H 及及 He+、Li2+、B3+ 的原子光谱的原子光谱波型波型 H H H H计算值计算值 /nm 656.2 486.1 434.0 410.1实验值实验值 /nm 656.3 486.1 434.1 410.2 说明了原子的稳定性说明了原子的稳定性 对其他发光现象（如射线的形成）也能解释对其他发光现象（如射线的形成）也能解释 不能解释氢原子光谱不能解释氢原子光谱 在磁场中的分裂在磁场中的分裂 不能解释氢原子光谱不能解释

25、氢原子光谱 的精细结构的精细结构 不能解释多电子原子不能解释多电子原子 的光谱的光谱请计算氢原子的第一电离能是多少？请计算氢原子的第一电离能是多少？1-22151s )111(10289.3-vhvEEE118H-115J102.179 s103.289IRhE-（氢原子的第氢原子的第 一电离能一电离能）J102.179J102.179 s11103.289218n181-2215nnEnnhhvEEE-2/（氢原子其他能级的能量氢原子其他能级的能量）Question 3Question 3Solution1.4.1 不确定原理和波动力学的轨道不确定原理和波动力学的轨道 Uncertainty

26、 principle and orbital on the wave mechanical model1.4 原子结构的波动力学模型原子结构的波动力学模型 The wave mechanical model of atomic structure 1.4.2 描述电子运动状态的四个量子描述电子运动状态的四个量子数数 Four quantum nummers defining the movement state of electron1.4.4 波函数的图形描述波函数的图形描述 Portrayal of wave functions 1.4.3 薛定谔方程和波函数薛定谔方程和波函数 Schrd

27、inger equation and wave functions 1.4.1 不确定原理和波动力学的轨道概不确定原理和波动力学的轨道概 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 行星绕太阳那样的电子轨道。行星绕太阳那样的电子轨道。 具有波粒二象性的电子，不再遵守经典力学规律，具有波粒二象性的电子，不再遵守经典力学规律， 它们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间概率分它们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间概率分 布。实物的微粒波是概率波。布。实物的微粒波是概率波。 海森堡的不确定原理海森堡的不确定原理 (Heisenbergs uncer

28、tainty principle )不可能同时测得电子的精确位置和精确动量不可能同时测得电子的精确位置和精确动量 ！)/(4hpx（1）主量子数主量子数 n (principal quantum number)1.4.2 描述电子运动状态的四个量子数描述电子运动状态的四个量子数J10179.2218nE- 与电子能量有关，对于氢原子，电子能量唯一决与电子能量有关，对于氢原子，电子能量唯一决 定于定于n 确定电子出现概率最大处离核的距离确定电子出现概率最大处离核的距离 不同的不同的n 值，对应于不同的电子壳层值，对应于不同的电子壳层 . K L M N O. 与与角动量有关，对于多电子原子角动量

29、有关，对于多电子原子, , l 也与也与E 有关有关 l 的取值的取值 0，1，2，3n-1(亚层）亚层） s, p, d, f. l 决定了决定了的角度函数的形状的角度函数的形状（2） 角量子数角量子数l (angular momentum quantum umber)nl1234（亚层亚层0000s111p22d3f ) 与角动量的取向有关，取向是量子化的与角动量的取向有关，取向是量子化的 m可取可取 0，1, 2l 取值决定了取值决定了角度函数的空间取向角度函数的空间取向 m 值相同的轨道互为等价轨道值相同的轨道互为等价轨道（3） 磁量子数磁量子数m ( magnetic quantum

30、 number)Lm轨道数轨道数 0(s) 1(p) 2(d) 3(f) 0 1 0 1 2 1 0 1 2 3 2 1 0 1 2 31357s 轨道轨道(l = 0, m = 0 ) : m 一一种取值种取值, 空间一种取向空间一种取向, 一条一条 s 轨道轨道 p 轨道轨道(l = 1, m = +1, 0, -1) m 三种取值三种取值, 三种取向三种取向, 三条等价三条等价(简并简并) p 轨道轨道d 轨道轨道(l = 2, m = +2, +1, 0, -1, -2) : m 五五种取值种取值, 空间五种取向空间五种取向, 五条等价五条等价(简并简并) d 轨道轨道 f 轨道轨道

31、( l = 3, m = +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 ) : m 七种取值七种取值, 空间七种取向空间七种取向, 七条等价七条等价(简并简并) f 轨道轨道（4） 自旋量子数自旋量子数 ms (spin quantum number) 描述电子绕自轴旋转的状态描述电子绕自轴旋转的状态 自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为 ms 取值取值+1/2和和-1/2，分别用，分别用和和表示表示磁场磁场屏幕屏幕窄缝窄缝银原子流银原子流炉炉n, l, m 一定一定, 轨道也确定轨道也确定 0 1 2 3轨道轨道 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核外电子运动核外电子运动轨道运动轨道运动自旋运动自旋运动与一套量子数相对应（自然也有与一套量子数相对应（自然也有1个能量个能量Ei)n lm ms写出与轨道量子数写出与轨道量子数 n = 4, l = 2, m = 0 的原子轨道名称的原子轨道名称。 原子轨道是由原子轨道是由 n, l, m 三个量子数决定的。与三个量子数决定的。与 l = 2 对应的轨道是对应的轨道是 d 轨道。因为轨道。因为 n = 4, 该轨道的名称该轨道的名称应该是应该是 4d. 磁量子数磁量子数 m

33、 = 0 在轨道名称中得不到反映在轨道名称中得不到反映, 但根据我们迄今学过的知识但根据我们迄今学过的知识, m = 0 表示该表示该 4d 轨道轨道是不同伸展方向的是不同伸展方向的 5 条条 4d 轨道之一。轨道之一。 Question 4Question 4Solution什么是轨道的什么是轨道的 “节点节点” 和和 “节面节面” ？Question 5Question 5Solution 对对p轨道轨道, 电子概率为零的区域是个平面电子概率为零的区域是个平面, 称之为称之为节节面面。px轨道的节面是轨道的节面是 yz 平面平面, py 轨道和轨道和 pz 轨道的节面轨道的节面分别是分别是

34、 xz 平面平面和和 xy 平面平面。 如如2s轨道的两种表示轨道的两种表示法法中，中，(a)中原子核附近中原子核附近(r = 0)电子电子概率最高概率最高, 在离核某个距离处下降在离核某个距离处下降到零到零, 概率为零的这个点叫概率为零的这个点叫节点节点。1.4.3 薛定谔方程和波函数薛定谔方程和波函数 Schrdinger方程与量子数方程与量子数 求解薛定谔方程求解薛定谔方程, , 就是求得波函数就是求得波函数和能量和能量 E ; ; 解得的解得的不是具体的数值不是具体的数值, , 而是包括三个常数而是包括三个常数 ( (n, l, m) )和三个变量和三个变量( (r,) )的函数式的函

35、数式 n n, l, m (r,) ; 有合理解的函数式叫做有合理解的函数式叫做波函数波函数( (Wave functions)。)(822222222VEhmzyx-轨道能量的量子化不需在建立数学关系式时事先假定。轨道能量的量子化不需在建立数学关系式时事先假定。 波函数波函数 = 薛定谔方程的合理解薛定谔方程的合理解 = 原子轨道原子轨道 直角坐标直角坐标( x, y, z)与球坐标与球坐标 (r,) 的转换的转换 r : 径向坐标径向坐标, 决定了球面的大小决定了球面的大小: 角角坐标坐标, 由由 z轴沿球面延伸至轴沿球面延伸至 r的弧的弧 线所表示的角度线所表示的角度: 角角坐标坐标,

36、由由 r 沿球面平行沿球面平行xy面延伸至面延伸至 xz面面的弧线所表示的角度的弧线所表示的角度222cossinsincossinzyxrrzryrx( )(),YrR()(),rzyx 1.4.4 波函数的图形描述波函数的图形描述将将Schrdinger方程变量分离：方程变量分离：径向波函数径向波函数以以氢原子的氢原子的1 1s, 2, 2s, 3, 3s 轨道轨道为例为例 取不同的取不同的 r 值值, , 代入波函数代入波函数式中进行计算式中进行计算, , 以计算结果对以计算结果对 r 作图。例如作图。例如, , 氢原子氢原子1 1s轨道的轨道的 R(r) = 2e-r。离核越近离核越近

37、, 这些这些 s 轨道的轨道的 R 值越大。值越大。角度波函数角度波函数),(,mlY)(,rRln),(,rmln 通过坐标原点画出若干条射线通过坐标原点画出若干条射线, , 每条对应一组每条对应一组 和和 值值; ; 将该组将该组和和 值代入波函数式值代入波函数式( (见上见上) )中进行计算中进行计算, , 以计算结果标在该射线上某一点以计算结果标在该射线上某一点; ; 用同样方法标出其他射线上的点用同样方法标出其他射线上的点, ,然后将所有的点相然后将所有的点相 联联, ,得沿得沿 x 轴伸展的哑铃形面。轴伸展的哑铃形面。 2cossin3),(Y 波动力学中的波函数波动力学中的波函数

38、 对应于经典物理学中光波的对应于经典物理学中光波的 振幅振幅; 光的强度与振幅的平方成正比光的强度与振幅的平方成正比; 波动力学中波动力学中, 微粒波微粒波 的强度与的强度与 波函数的平方波函数的平方( 2 )相联系相联系; 2 的物理意义是概率密度，微粒波的强度的物理意义是概率密度，微粒波的强度(2 )表表 达微粒在空间某点单位体积内出现的概率。达微粒在空间某点单位体积内出现的概率。 一条轨道是一个数学函数一条轨道是一个数学函数, , 很难阐述其具体的物理很难阐述其具体的物理意义意义，只能将其想象为特定电子在原子核外可能出现的只能将其想象为特定电子在原子核外可能出现的某个区域的数学描述某个区

39、域的数学描述。 表示径向电子云分布的两种方法表示径向电子云分布的两种方法之一之一:(蓝色曲线蓝色曲线) 纵坐标纵坐标: R2 离核越近离核越近, 电子出现的概率密电子出现的概率密 度度(单位体积内的概率单位体积内的概率)越大。越大。 (这种曲线酷似波函数分布曲线这种曲线酷似波函数分布曲线) )()()(222,YrRr之二之二:(红色曲线) 纵坐标: 4r 2 R 2 4r2R2曲线是4r 2曲线和R 2 曲线的合成曲线 曲线在 r =53 pm 处出现极大值, 表明电子在距核53 pm的单位厚 度球壳内出现的概率最大 波动力学模型得到的半径恰好 等于氢原子的玻尔半径表示径向电子云分布的两种方

40、法表示径向电子云分布的两种方法)()()(222,YrRr 酷似波函数的角度分布图 但但是, 叶瓣不再有“+”、“-”之分 要求牢记： s, p, d 电子云的形状； s, p, d 电子云在空间的伸展方向。 由由R (r)和和R 2 (r)得到彼此酷似的两种径向分布图得到彼此酷似的两种径向分布图由由Y(,)和和Y 2 (,)得到彼此酷似的两种角度分布图得到彼此酷似的两种角度分布图由由4r 2 R 2 (r) 得到的也是径向分布图得到的也是径向分布图. .注意注意, , 纵坐标纵坐标 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 多电子原子轨道的能级多

41、电子原子轨道的能级 The energy level in poly- electronical atom1.5.1 鲍林近似能级图鲍林近似能级图 Portrayal of Pauling approximation energy level 1.5.3 屏蔽和穿钻屏蔽和穿钻 Shielding and penetration1.5.2 科顿能级图科顿能级图 Cotton energy level portray 1.5.1 鲍林近似能级图鲍林近似能级图 n 值相同时值相同时,轨道能级则由轨道能级则由 l 值决定值决定, 叫叫能级分裂能级分裂； l 值相同时值相同时, 轨道能级只由轨道能级只由

42、 n 值决定值决定, 例例: E(1s) E(2s) E(3s) 1 时，时， = 0.35 被屏蔽电子为被屏蔽电子为 ns 或或 np 时，时，(n-1) 层对它层对它 = 0.85 小小 于于(n-1)的的 =1.00 被屏蔽电子被屏蔽电子 nd 或或 nf 时，左边各组时，左边各组 =1.00 Z* = Z - 为什么为什么 2 2s 价电子比价电子比 2 2p 价价电电子受到较小的屏蔽子受到较小的屏蔽? ?Question 6Question 6Solution 2s电子云径向分电子云径向分布曲线除主峰外布曲线除主峰外,还还有一个距核更近的小有一个距核更近的小峰峰. 这暗示这暗示, 部

43、分电子部分电子云钻至离核更近的空云钻至离核更近的空间间, 从而部分回避了从而部分回避了其他电子的屏蔽其他电子的屏蔽. 轨道的钻穿能力通常有如下顺序轨道的钻穿能力通常有如下顺序: n s n p n d n f，导致能级按导致能级按 E(ns) E(np) E(nd) 过渡元素过渡元素 内过渡元素内过渡元素同周期原子半径的变化趋势同周期原子半径的变化趋势 ( (三三) )内过渡元素有镧系收缩效应内过渡元素有镧系收缩效应(Effects of the lanthanide contraction )同族元素原子半径的变化趋势同族元素原子半径的变化趋势 同族元素原子半径自上而下增大同族元素原子半径自

44、上而下增大: 电子层依次增加电子层依次增加, 有有 效核电荷的影响退居次要地位效核电荷的影响退居次要地位 第第6周期过渡元素周期过渡元素(如如Hf, Ta)的原子半径与第的原子半径与第5周期同族周期同族 元素元素(如如Zr,Nb)相比几乎没有增大相比几乎没有增大, 这是镧系收缩的重这是镧系收缩的重 要效应之一要效应之一1.8.2 电离能电离能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 基态气体原子失去最外层一个电子成为气态基态气体原子失去最外层一个电子成为气态+1价离价离子所需的最小能量叫第一电离能子所需的最小能量叫第一电离能, 再从正离子相继逐个失再从正离子相继逐个失去电子所需的最小能量则叫第二、第三、去电子所需的最小能量则叫第二、第三、电离能电离能。各各级电离能的数值关系为级电离能的数值关系为I1I2I3. 。同族总趋势：同族总趋势：自上至下减小自上至下减小, ,与原子半径增大的趋势一致与原子半径增大的趋势一致同周期总趋势：同周期总趋势：自左至右增大自左至右增大, ,与原子半径减小的趋势一致与原子半径减小的趋势一致 各周期中稀有气体原子的电离能最高。各周期中稀

46、有气体原子的电离能最高。 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在电离能曲线上出现的小高峰。在电离能曲线上出现的小高峰。 您能从亚层全满、半满结构的相您能从亚层全满、半满结构的相对稳定性说明下述事实吗？对稳定性说明下述事实吗？Question 10Question 101.8.3 电子亲和能电子亲和能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 指一个气态原子得到一个电子形成负离子时放出或指一个气态原子得到一个电子形成负离子时放出或吸收的能量。常以符号吸收的能量。常以符号Eea表示，也有第一、第二、表示，也有第一、第二、之之分。元素第一电子亲和能的正值表示放出能量分。元素第一电子亲和能的正值表示放出能量, 负值表负值表示吸收能