含能材料化学-物质结构ppt课件

1、 李明愉李明愉5#教学楼教学楼0528室室 68915065平常成果：平常成果：40%考试成果：考试成果：60%交作业的时间交作业的时间 ：每周二上课之前：每周二上课之前 考试：闭卷考试：闭卷什么是含能资料？含能资料(energetic materials)Energetic materials are a class of material with high amount of stored chemical energy that can be released.Typical classes of energetic materials are e.g.

2、explosives, pyrotechnic compositions, propellants (e.g. smokeless gunpowders and rocket fuels), and fuels (e.g. diesel fuel and gasoline).为什么要学？各学科专各学科专业特征业特征特种能源工程与烟火技术弹药工程与爆炸技术平安工程含能资料的研制与性能评价含能资料的研制与性能评价火工品与烟火技术系统设计火工品与烟火技术系统设计熄灭及爆炸的研讨熄灭及爆炸的研讨弹药与爆炸技术弹药与爆炸技术高效毁伤技术高效毁伤技术碰撞与冲击动力学碰撞与冲击动力学战斗部设计与终点效应战斗

3、部设计与终点效应平安与防护技术平安与防护技术含能资料设计与评价含能资料设计与评价熄灭爆炸平安实际熄灭爆炸平安实际防火防爆技术防火防爆技术武器系统平安技术武器系统平安技术课程讲授的主要目的资料设计资料设计(materials by (materials by design)design)是指经过实是指经过实际与计算预测际与计算预测 新资新资料的组分、构造与料的组分、构造与性能，或者说，经性能，或者说，经过实际设计来过实际设计来“订做订做具有特定性能的具有特定性能的新资料。新资料。讲授的主要内容讲授的主要内容原子构造及元素性质的周期性原子构造及元素性质的周期性分子的构造与性质分子的构造与性质晶体构

4、造略讲晶体构造略讲酸碱平衡与酸碱滴定法酸碱平衡与酸碱滴定法沉淀平衡与有关分析方法沉淀平衡与有关分析方法氧化复原平衡与氧化复原滴定分析氧化复原平衡与氧化复原滴定分析配位化合物与配位滴定配位化合物与配位滴定主族元素第主族元素第13，14，15章章副族元素第副族元素第16，17章章第第1章章 原子构造及元素性质的周期性原子构造及元素性质的周期性性质性质物理性质物理性质化学性质化学性质构造构造原子原子原子核原子核核外电子核外电子化学反响化学反响微观粒子微观粒子质量，体积很小质量，体积很小运动速度很快运动速度很快经典力学无法描画经典力学无法描画量子力学量子力学量子力学的根底是微观世界的量子性和微观粒子量

5、子力学的根底是微观世界的量子性和微观粒子运动规律的统计性运动规律的统计性2.2.微观粒子的特点是能量变化的不延续性，即微观粒子的特点是能量变化的不延续性，即量子化的，因此，要求掌握描画原子核外电子量子化的，因此，要求掌握描画原子核外电子运动形状的四个量子数；运动形状的四个量子数；1.1.用量子力学的观念去了解原子核外电子运用量子力学的观念去了解原子核外电子运动的特点；动的特点；3.3.掌握核外电子排布的周期性变化规律及元掌握核外电子排布的周期性变化规律及元素性质的周期性变化规律，且能利用它解释素性质的周期性变化规律，且能利用它解释一些化学问题。一些化学问题。 v1803年英国道耳顿的原子论：原

6、子是不可分割的最年英国道耳顿的原子论：原子是不可分割的最小单元。小单元。 v1904年英国剑桥大学的年英国剑桥大学的Thomson运用磁性弯曲技运用磁性弯曲技术发现了电子。术发现了电子。v1911年年Thomson的学生的学生Rutherford经过经过粒子撞击粒子撞击金箔时，只需极少一部分金箔时，只需极少一部分粒子发生散射的实验证明粒子发生散射的实验证明了原子核的存在。了原子核的存在。 第一节 原子核外电子运动的特征 原子由原子核质子原子由原子核质子+ +中子和绕核作高速运动中子和绕核作高速运动的电子组成。原子核好比太阳，电子好比绕太阳运动的电子组成。原子核好比太阳，电子好比绕太阳运动的行星

7、，电子绕核高速运动。的行星，电子绕核高速运动。1.绕核运动的电子应不停地延续辐射绕核运动的电子应不停地延续辐射,得到延续得到延续光谱光谱,但实践得到的是不延续光谱。但实践得到的是不延续光谱。2.电子应运动而辐射能量电子应运动而辐射能量,并不断减少并不断减少,电子运动电子运动的轨道半径也将不断减少，最终，电子坠入核的轨道半径也将不断减少，最终，电子坠入核内，原子消灭。内，原子消灭。 白光散射时，察看到可见光区的延续光谱，但白光散射时，察看到可见光区的延续光谱，但H原子受激发射所得光谱却是不延续的线状光谱，原子受激发射所得光谱却是不延续的线状光谱，可见光区有四条谱线。可见光区有四条谱线。 1913

8、 1913年，年，RutherfordRutherford的学生玻尔的学生玻尔BohrBohr在研在研讨氢原子光谱在真空光电管中充入稀薄的氢讨氢原子光谱在真空光电管中充入稀薄的氢气，并高压放电时发现，它是一条不延续的气，并高压放电时发现，它是一条不延续的线状光谱。线状光谱。 1900年，年，Plank在研讨黑体辐在研讨黑体辐射问题时提出了著名的量子化实际，射问题时提出了著名的量子化实际，提出物质吸收和发射的能量是不延提出物质吸收和发射的能量是不延续的，只能以单个的、一定分量的续的，只能以单个的、一定分量的能量，一份一份地按照这一根本分能量，一份一份地按照这一根本分量的倍数吸收或发射能量，即能量

9、量的倍数吸收或发射能量，即能量是量子化的。这种能量的最小单位是量子化的。这种能量的最小单位叫能量子，或简称量子叫能量子，或简称量子(quantum)。Max Karl Ernst Ludwig Plank 185819471918 诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖nhE 比例常数比例常数 h 称为称为Planck常数。常数。 h = 6.6261034Js; n为整数为整数(n=0, 1, 2, 3, )The photoelectric effect 爱因斯坦以为爱因斯坦以为, , 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, , 并并将这一份份数值为将这一份份数值

10、为E E的能量叫光子的能量叫光子(photons), (photons), 一束光线就是一束光一束光线就是一束光子流子流. . 频率一定的光子其能量都一样频率一定的光子其能量都一样, , 光的强弱只阐明光子的多少光的强弱只阐明光子的多少, , 而与每个光子的能量无关而与每个光子的能量无关. . 爱因斯坦对光电效应的胜利解释最终使光的微粒性为人爱因斯坦对光电效应的胜利解释最终使光的微粒性为人们所接受们所接受. 以波的微粒性概念为根底的一门学科叫量子力学以波的微粒性概念为根底的一门学科叫量子力学(quantum mechanics). 光电效应光电效应 1905年年, 爱因斯坦爱因斯坦(Einst

11、ein A)胜利地解释胜利地解释了光电效应了光电效应(photoelectric effect), 将能量量子将能量量子化概念扩展到光本身化概念扩展到光本身. 对某一特定金属而言对某一特定金属而言,不不是任何频率的光都能使其发射光电子是任何频率的光都能使其发射光电子. 每种金每种金属都有一个特征的最小频率属都有一个特征的最小频率(叫临界频率叫临界频率), 低低于这一频率的光线不论其强度多大和照射时于这一频率的光线不论其强度多大和照射时间多长间多长, 都不能导致光电效应都不能导致光电效应. Bohr Bohr在牛顿力学的根底上汲取了德国在牛顿力学的根底上汲取了德国PlanckPlanck的量子论

12、，提出电子等微观粒子运动形状的量子论，提出电子等微观粒子运动形状的变化是不延续的，是量子化的变化是不延续的，是量子化quantizedquantized的。的。 为量子为量子(quantum), (quantum), 能量的吸收与释放只能能量的吸收与释放只能是最小单位是最小单位 的整数倍的整数倍(n ) (n ) 。En =nhv=nhv 量子的能量取决于辐射频率量子的能量取决于辐射频率v v。h h为普朗克常为普朗克常数数,6.626,6.626101034Js.34Js.3.跃迁假设：当电子吸收能量时将跃迁到能量较高的定跃迁假设：当电子吸收能量时将跃迁到能量较高的定态态(轨道轨道)，放出能

13、量时，那么跃迁到能量较低的另一个，放出能量时，那么跃迁到能量较低的另一个定态定态(轨道轨道)。 2.定态假设：电子在某一轨道上运动时，既不吸收能定态假设：电子在某一轨道上运动时，既不吸收能量也不发射能量量也不发射能量,处于定态处于定态.其中能量最低的定态称为其中能量最低的定态称为基态基态(ground state)，其它能量较高的定态称为激发态，其它能量较高的定态称为激发态(excited state)。1.量子化假设量子化假设:原子核外的电子只能在某些符合量子化原子核外的电子只能在某些符合量子化条件条件(nh/2)的轨道上运动。的轨道上运动。(n=1,2,3)Bohr 实际的主要内容实际的主

14、要内容 年轻的丹麦物理学家玻尔年轻的丹麦物理学家玻尔(Bohr N，1885-1962)于于1913年年提出的氢原子构造的量子力学模型是基于下述提出的氢原子构造的量子力学模型是基于下述3条假定：条假定：关于固定轨道的概念关于固定轨道的概念. 玻尔模型以为玻尔模型以为, 电子只能在假设干圆形电子只能在假设干圆形的固定轨道上绕核运动的固定轨道上绕核运动.因此，玻尔的氢原子模型可以笼统地因此，玻尔的氢原子模型可以笼统地称为行星模型。称为行星模型。 固定轨道是指符合一定条件的轨道固定轨道是指符合一定条件的轨道, 这个条这个条件是件是, 电子的轨道角动量电子的轨道角动量L只能等于只能等于h/(2)的整数

15、倍：的整数倍： 2hnmvrLBohr 实际的主要内容实际的主要内容式中式中 m 和和 v 分别代表电子的质量和速度分别代表电子的质量和速度, r 为轨道半径为轨道半径, h 为为普朗克常量普朗克常量, n 叫做量子数叫做量子数(quantum number), 取取1,2,3,等等正整数正整数. 轨道角动量的量子化意味着轨道半径受量子化条件轨道角动量的量子化意味着轨道半径受量子化条件的制约的制约, 图中示出的这些固定轨道图中示出的这些固定轨道, 从距核最近的一条轨道从距核最近的一条轨道算起算起, 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

16、 时时允许轨道的半径为允许轨道的半径为 53 pm, 这就是著名的玻尔半径这就是著名的玻尔半径.关于轨道能量量子化的概念关于轨道能量量子化的概念. 电子轨道角动量的量子化也电子轨道角动量的量子化也意味着能量量子化意味着能量量子化. 即原子只能处于上述条件所限定的几即原子只能处于上述条件所限定的几个能态个能态, 不能够存在其他能态不能够存在其他能态. 定态定态(stationary state)：一切这些允许能态之统称一切这些允许能态之统称.核外电子只能在有确定半径和核外电子只能在有确定半径和能量的定态轨道上运动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 state

17、):n 值为值为 1 的定态的定态.通常电子坚持在能量最低的这一基态通常电子坚持在能量最低的这一基态. 基态是能量最低即最稳定的形状基态是能量最低即最稳定的形状.指除基态以外的其他定态指除基态以外的其他定态. 各激发态的能量随各激发态的能量随 n 值增大而值增大而增高增高. 电子只需从外部吸收足够能量时才干到达激发态电子只需从外部吸收足够能量时才干到达激发态.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. 电子轨道角动量的量子化也电子轨道角动量的量子化也意味着能量量子化意味着能量量子化. 即原子只能处于上述条件所限定的几即原子只能处于上述条件所

18、限定的几个能态个能态, 不能够存在其他能态不能够存在其他能态. 玻尔模型以为玻尔模型以为, 只需当电子从较高能态只需当电子从较高能态(E2)向较低能态向较低能态(E1)跃迁时跃迁时, 原子才干以光子的方式放出能量原子才干以光子的方式放出能量(即即, 定态轨道定态轨道上运动的电子不放出能量上运动的电子不放出能量), 光子能量的大小决议于跃迁所光子能量的大小决议于跃迁所涉及的两条轨道间的能量差涉及的两条轨道间的能量差. 根据普朗克关系式根据普朗克关系式, 该能量差该能量差与跃迁过程产生的光子的频率互成正比：与跃迁过程产生的光子的频率互成正比： 关于能量的吸收和发射关于能量的吸收和发射.E = E2

19、 E = E2 E1 = E1 = h h 假设电子由能量为假设电子由能量为E1的轨道跃至能量为的轨道跃至能量为E2的轨道的轨道, 显然显然应从外部吸收同样的能量应从外部吸收同样的能量. 计算氢原子的电离能计算氢原子的电离能波尔实际的胜利之处波尔实际的胜利之处 解释了解释了 H 及及 He+、Li2+、B3+ 的原子光谱的原子光谱Wave type H H H HCalculated value/nm 656.2 486.1 434.0 410.1Experimental value/nm 656.3 486.1 434.1 410.2 阐明了原子的稳定性阐明了原子的稳定性 对其他发光景象如光

20、的构成也能解释对其他发光景象如光的构成也能解释 不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂波尔实际的缺乏之处波尔实际的缺乏之处 不能解释氢原子光谱的精细构造不能解释氢原子光谱的精细构造 不能解释多电子原子的光谱不能解释多电子原子的光谱 1924 1924年，法国物理学家德布罗意年，法国物理学家德布罗意(L. de (L. de Broglie)Broglie)在光具有波粒二象性的启发下，提出在光具有波粒二象性的启发下，提出了电子、质子、中子，包括原子等微观实物粒了电子、质子、中子，包括原子等微观实物粒子与光一样也有波粒二象性。子与光一样也有波粒二象性。这些实物粒子波，称为

21、物质波。这些实物粒子波，称为物质波。问：物质波的波长与物质的质问：物质波的波长与物质的质量，能量是什么关系？量，能量是什么关系？ 微粒动摇性的直接证据微粒动摇性的直接证据 光的衍射和绕射光的衍射和绕射 在光的波粒二象性的启发下，德布罗意提出一种假想.他于1924 年说： 德布罗意关系式德布罗意关系式 一个伟大思想的诞生一个伟大思想的诞生 1924年，年，Louis de Broglie以为：质以为：质量为量为 m ,运动速度为运动速度为v 的粒子的粒子,相应的波相应的波长为：长为：h 为为Planck 常量常量这就是著名的这就是著名的 德布罗意关系式德布罗意关系式. .“过去，对光过分强调波性

22、而忽视过去，对光过分强调波性而忽视它的粒性；如今对电子能否存在另它的粒性；如今对电子能否存在另一种倾向，即过分强调它的粒性而一种倾向，即过分强调它的粒性而忽视它的波性忽视它的波性. .灯光源灯光源sJ10626. 6/34hphmvh 1927年，年，Davissson 和和 Germer 运用运用 Ni 晶体进展电子晶体进展电子衍射实验，证明电子具有动摇性衍射实验，证明电子具有动摇性.(a)(b)电子经过电子经过A1A1箔箔(a)(a)和石墨和石墨(b)(b)的衍射图的衍射图 微粒动摇性的近代证据微粒动摇性的近代证据 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Schema

23、tic drawings of diffraction patterns by light, X- rays, and electrons灯光源灯光源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：宏观物体子弹：宏观物体子弹：让我们选一个微观粒子和一个很小的宏观物体进展一项计算：让我们选一个微观粒子和一个很小的宏观物体进展一项计算： 显然，包括宏观物体如运动着的垒球和枪弹等都可按德布罗意公式显然，包括宏观物体如运动着的垒球和枪弹等都可按德布罗意公式计算它们的波长。由于宏观物体的波长极短以致无法丈量，所以宏观物计算它们的波长。由于宏观物体的波长极短以致无法丈量，所以宏观物体的波长就难以觉察

24、，主要表现为粒性，服从经典力学的运动规律体的波长就难以觉察，主要表现为粒性，服从经典力学的运动规律.只只需象电子、原子等质量极小的微粒才具有与需象电子、原子等质量极小的微粒才具有与 x射线数量级相近的波长才射线数量级相近的波长才符合德布罗意公式，然而，如此短的波长在普通条件下仍不易显现出来符合德布罗意公式，然而，如此短的波长在普通条件下仍不易显现出来。m = 1.0 10-2 kg, = 1.0 103 m s-1, = 6.6 10-35 m波粒二象性能否只需微观物体才具有？波粒二象性能否只需微观物体才具有？17631m.s1010kg,1010. 9vmm91036.7 ,1sm710m1

25、01036.7 ,1sm610mh由海森堡不确定原理海森堡不确定原理(uncertainty principle) 微观粒子不同于宏观物体，它们的运动无轨迹可言，即在微观粒子不同于宏观物体，它们的运动无轨迹可言，即在一确定的时间没有一确定的位置。一确定的时间没有一确定的位置。 海森堡的测不准原理海森堡的测不准原理 Heisenberg uncertainty principle 假设我们能设计一个实验准确测定微粒的位置假设我们能设计一个实验准确测定微粒的位置, 那就不能那就不能准确测定其动量准确测定其动量, 反之亦然反之亦然.x p h/(4) 假设我们准确地知道微粒在那里假设我们准确地知道微

26、粒在那里, 就不能准确地知道它就不能准确地知道它从那里来从那里来, 会到那里去会到那里去;假设我们准确地知道微粒在怎样运动假设我们准确地知道微粒在怎样运动, 就不能准确地知道它此刻在那里就不能准确地知道它此刻在那里.即不能够同时测得电子的准确位置和准确动量即不能够同时测得电子的准确位置和准确动量 ！海森堡不确定原理海森堡不确定原理(uncertainty principle) 重要暗示重要暗示不能够存在不能够存在 Rutherford 和和 Bohr 模模型中行星绕太阳那样的电子轨道型中行星绕太阳那样的电子轨道 具有波粒二象性的电子，已不再遵守经典力学规具有波粒二象性的电子，已不再遵守经典力学

27、规律，它们的运动没有确定的轨道，只需一定的空间概率律，它们的运动没有确定的轨道，只需一定的空间概率分布，即电子的动摇性与其微粒行为的统计性规律相联分布，即电子的动摇性与其微粒行为的统计性规律相联络络. 因此因此, 实物的微粒波是概率波实物的微粒波是概率波, 性质上不同于光波的一性质上不同于光波的一种波种波. 动摇力学的轨道概念与电子在核外空间出现时机最动摇力学的轨道概念与电子在核外空间出现时机最多的区域相联络多的区域相联络. 但是，测不准关系不是限制人们的认识限制，而是但是，测不准关系不是限制人们的认识限制，而是限制经典力学的适用范围，阐明微观体系的运动有更深限制经典力学的适用范围，阐明微观体

28、系的运动有更深化的规律在起作用，这就是量子力学所反响的规律化的规律在起作用，这就是量子力学所反响的规律. 玻尔以波的微粒性即能玻尔以波的微粒性即能量量子化概念为根底建立了量量子化概念为根底建立了他的氢原子模型他的氢原子模型. . 薛定鳄等那么以微粒动摇薛定鳄等那么以微粒动摇性为根底建立起原子的动摇力性为根底建立起原子的动摇力学模型学模型. . 量子力学量子力学( 动摇力学动摇力学)模型是迄今最胜利的原子构造模型模型是迄今最胜利的原子构造模型, 它它是是1920年以海森堡年以海森堡(Heisenberg W)和薛定锷和薛定锷(Schrodinger E)为为代表的科学家们经过数学方法处置原子中电

29、子的动摇性而建代表的科学家们经过数学方法处置原子中电子的动摇性而建立起来的立起来的. 该模型不但可以预言氢的发射光谱该模型不但可以预言氢的发射光谱(包括玻尔模型包括玻尔模型无法解释的谱线无法解释的谱线), 而且也适用于多电子原子而且也适用于多电子原子, 从而更合理地阐从而更合理地阐明核外电子的排布方式明核外电子的排布方式. Heisenberg WSchrodinger E0)(822222222VEhmzyxm是电子的质量是电子的质量;x,y,z是电子在空间的坐标是电子在空间的坐标;E是电是电子的总能量子的总能量;V是体系的势能是体系的势能,h为普朗克常数。为普朗克常数。 1926年年, E

30、.Schrodinger用量子力学的用量子力学的方法推出了著名的薛定谔方程式：方法推出了著名的薛定谔方程式：是波函数是波函数球坐标(r,)与直角坐标(x,y,z)的关系 222zyxrcosrz rsincosx (r,) = R(r)Y(,)坐标变换：02：0y=rsinsinR径向函数径向函数Y角度函数角度函数 3.是空间坐标是空间坐标(x,y,z)或球坐标或球坐标(r,)的函数。可表示成的函数。可表示成(x,y,z)或或(r,)。1.是描画电子运动形状的波函数是描画电子运动形状的波函数(wave function),也是也是这个方程的解。薛定谔方程在数学上的许多解是不合这个方程的解。薛定

31、谔方程在数学上的许多解是不合理的。只需满足特定条件的解才具有物理意义。理的。只需满足特定条件的解才具有物理意义。 2.薛定谔方程的特定解可用限定常数薛定谔方程的特定解可用限定常数(n,l,m)来表示来表示,称称为量子数为量子数(quantum number)。当量子数按一定的规那。当量子数按一定的规那么取值并组合时么取值并组合时,所得到的波函数才是合理的。所得到的波函数才是合理的。v量子力学中把量子数按一定规那么取值的波函数称为量子力学中把量子数按一定规那么取值的波函数称为原子轨道原子轨道,可用一组量子数表示可用一组量子数表示(n,l,m)。 v原子轨道用以描画单个电子能够的运动形状，即电子原

32、子轨道用以描画单个电子能够的运动形状，即电子在核外空间运动的范围和区域并不是电子运动的轨迹。在核外空间运动的范围和区域并不是电子运动的轨迹。 v迄今不明确波函数迄今不明确波函数的物理意义的物理意义,但但|2的物理意义的物理意义是电子在空间某点的概率密度。是电子在空间某点的概率密度。v原子轨道原子轨道(n,l,m)是符合量子化条件的波函数。是符合量子化条件的波函数。波函数是描画电子等微观粒子运动形状的函数。波函数是描画电子等微观粒子运动形状的函数。 描画原子中单个电描画原子中单个电子运动形状的波函数子运动形状的波函数常常称作原子轨道。原子轨道称作原子轨道。原子轨道仅仅是波函数的代名词，仅仅是波函

33、数的代名词，绝无经典力学中的轨道含绝无经典力学中的轨道含义。严厉地说原子轨道在义。严厉地说原子轨道在空间是无限扩展的，但普空间是无限扩展的，但普通把电子出现概率在通把电子出现概率在99%的空间区域的界面作为原的空间区域的界面作为原子轨道的大小。子轨道的大小。 描画出现时机的大小，可用小数、分数和描画出现时机的大小，可用小数、分数和百分数表示。百分数表示。 H原子核外的原子核外的1个电子，基态时，在离核个电子，基态时，在离核52.9pm的球壳内出现的概率最高。的球壳内出现的概率最高。 指空间某点上出现的概率，也可以是概率对指空间某点上出现的概率，也可以是概率对某小区域体积的微分，即某微分体积某小

34、区域体积的微分，即某微分体积dV内的概率。内的概率。 drrdV概率概率密度概率概率密度体积体积|24r2dr 1s电子云的等密电子云的等密度面图。度面图。 数字表示曲面上数字表示曲面上的概率密度。的概率密度。 1s电子云的界面电子云的界面图。图。 界面内电子的概界面内电子的概率率90%。处于不同定态的电子的电子云图像具有不同的特征，主要包括：处于不同定态的电子的电子云图像具有不同的特征，主要包括：几个根本概念几个根本概念:电子云、电子的自旋、核外电子的能够运动形状电子云、电子的自旋、核外电子的能够运动形状电子云的外形电子云的外形-处在一定能层而又具有一定外形电子云的电子处在一定能层而又具有一

35、定外形电子云的电子称为能级称为能级(energy level)如如:1S、3S、3P、3d、4f能级。能级。电子云在核外空间扩展程度电子云在核外空间扩展程度-核外电子的能量大小分层称为能核外电子的能量大小分层称为能层层(energy shell)，如，如K、L、M、N能层能层.电子云在空间的取向电子云在空间的取向-轨道轨道orbital电子在核外空间概率密度电子在核外空间概率密度 较大的区域。较大的区域。1、电子云是电子在原子核外空间概率密度分布的笼统描画。、电子云是电子在原子核外空间概率密度分布的笼统描画。2、电子的自旋、电子的自旋 核外电子除了饶原子核高速运动外，还饶本人的轴自核外电子除了

36、饶原子核高速运动外，还饶本人的轴自旋。自旋只需旋。自旋只需2种相反的方向种相反的方向-顺时针和逆时针方向。顺时针和逆时针方向。3、核外电子能够的运动形状、核外电子能够的运动形状具有一定空间运动形状又有一定自旋形状的电子称为具具有一定空间运动形状又有一定自旋形状的电子称为具有一定运动形状的电子。有一定运动形状的电子。 决议电子在核外空间出现概率最大的区域离核的决议电子在核外空间出现概率最大的区域离核的远近，是决议电子能量的主要要素。远近，是决议电子能量的主要要素。 符号：符号：nn 1 2 3 4 光谱学符号光谱学符号 K L M N 分别表示分别表示 一一 二二 三三 四四 电子层电子层 单电

37、子原子单电子原子,如氢原子和类氢离如氢原子和类氢离子能量完全由子能量完全由n决议决议,n值越大值越大,电子电子的能量越高。的能量越高。 决议原子轨道的外形、种类和角动量，也决议电决议原子轨道的外形、种类和角动量，也决议电子的亚层数。是决议电子能量的次要要素。子的亚层数。是决议电子能量的次要要素。 符号：符号：l l 0 1 2 3 (n1) 分别称分别称 s l 的取值受主量子数的取值受主量子数n 的限制，只能取的限制，只能取0(n1)的的正整数。正整数。p d f 轨道轨道 n=1 l=0 1s 球形球形 l=0 3s 球形球形 n=3 l=1 3p 哑铃形哑铃形 l=2 3d 外形不定外形

38、不定 l=0 2s 球形球形 n=2 l=1 2p 哑铃形哑铃形 l 是决议轨道才干的次要要素。同一电子层中的电子可分为假是决议轨道才干的次要要素。同一电子层中的电子可分为假设干个能级设干个能级(或称亚层或称亚层)。角量子数。角量子数l就是决议同一电子层中不同亚就是决议同一电子层中不同亚层的。层的。 决议原子轨道在空间的伸展方向。每一个方向称作一个原子决议原子轨道在空间的伸展方向。每一个方向称作一个原子轨道轨道,磁量子数磁量子数m的取值受角量子数的取值受角量子数l的限制。可取包括的限制。可取包括 0、1、2、3直至直至l ,共共2l+1个数值。个数值。 角量子数角量子数 磁量子数取值磁量子数取

39、值 轨道伸展方向轨道伸展方向l=1 (p) l=2 (d) l=0 (s)一种一种m=0px,py,pz 三种三种m=0,+1,-1m=0,1,2dz2,dxz,dyz, dx2-y2,dxy等五种等五种 p 轨道(l = 1, m = +1, 0, -1) m 三种取值, 三种取向, 三条等价(简并) p 轨道.s 轨道轨道(l = 0, m = 0 ) : m 一种取值一种取值, 空间一种取向空间一种取向, 一条一条 s 轨道轨道.d 轨道轨道(l = 2, m = +2, +1, 0, -1, -2) : m 五种取值五种取值, 空间五种取向空间五种取向, 五条等价五条等价(简并简并)

40、d 轨道轨道. f 轨道轨道 ( 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.本课程不要求记住本课程不要求记住 f 轨道详细外形轨道详细外形!4 自旋量子数自旋量子数 ms (spin quantum number) 描画电子绕自轴旋转的形状描画电子绕自轴旋转的形状 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 想象中的电子自旋想象中的电子自旋 两种能够的自旋方向两种能够

41、的自旋方向: 正向正向(+1/2)和反向和反向(-1/2) 产生方向相反的磁场产生方向相反的磁场 相反自旋的一对电子相反自旋的一对电子, 磁场相互抵消磁场相互抵消. Electron spin visualizedMagnetic fieldscreenSmall clearance spaceSilver atomic raykiln由上面的讨论知道由上面的讨论知道 n, l, m 一定一定, 轨道也确定轨道也确定 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,

42、 3d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 msms 决议电子的自旋方向。决议电子的自旋方向。n 决议了电子离核的远近决议了电子离核的远近(或电子层数或电子层数)，也是决议原，也是决议原子轨道能量高低的主要要素。子轨道能量高低的主要要素。l 决议原子轨道外形、种类和亚层数决议原子轨道外形、种类和亚层数,同时也是影响电同时也是影响电子能量的一个要素。子能量的一个要素。m 决议原子轨道的空间伸展方向，每一个伸展方向决议原子轨道的空间伸展方向，每一个伸展方向代表一个原子轨道。代表一个原子轨道。Schr

43、dinger方程与量子数方程与量子数 方程中既包含表达微粒性的物理量方程中既包含表达微粒性的物理量 m , m ,也包含表达动摇性的物理量也包含表达动摇性的物理量; 求解薛定锷方程求解薛定锷方程, , 就是求得波函数就是求得波函数和能量和能量 E ; E ; 解得的解得的不是详细的数值不是详细的数值, , 而是包括三个常数而是包括三个常数 (n, l, m) (n, l, m)和三个变量和三个变量 (r,) (r,)的函数式的函数式n, l, m (r,) ;n, l, m (r,) ; 数学上可以解得许多个数学上可以解得许多个n, l, m (r,) , n, l, m (r,) , 但其物

44、理意义并非都但其物理意义并非都合理合理; ; 为了得到合了解为了得到合了解, , 三个常数项只能按一定规那么取值三个常数项只能按一定规那么取值, , 很自然地得到很自然地得到前前 三个量子数三个量子数. .有合了解的函数式叫做波函数有合了解的函数式叫做波函数(Wave functions), (Wave functions), 它们它们以以 n, l, m n, l, m 的合理取值为前提。的合理取值为前提。 )(822222222VEhmzyx动摇力学的胜利动摇力学的胜利: : 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 =

45、= 薛定锷方程的合了解薛定锷方程的合了解 = = 原子轨原子轨道道 波函数角度分布图波函数角度分布图 ( (以氢原子以氢原子 2px 2px轨道为例轨道为例) )l 经过坐标原点画出假设干条射线经过坐标原点画出假设干条射线, 每条对应一组每条对应一组 和和 值值;l 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)中进展计算中进展计算, 以计算结果标以计算结果标在该射线上某一点在该射线上某一点; l 用同样方法标出其它射线上的点用同样方法标出其它射线上的点,然后将一切的点相联然后将一切的点相联,得沿得沿 x 轴伸展轴伸展 的哑铃形面的哑铃形面. 2cossin3),(Y波函数角度分布

46、图+xyzzx+zx_y+_spxpypz+_xzy+_xz+y+_z+ydxydxzdyzddxy22-z2 一条轨道是一个数学函数一条轨道是一个数学函数, 很难论述其详细的物理意义。它不很难论述其详细的物理意义。它不是行星绕太阳运转的是行星绕太阳运转的“orbit，不是火箭的弹道，也不是电子在，不是火箭的弹道，也不是电子在原子中的运动途径原子中的运动途径, 只能将其想象为特定电子在原子核外能够出只能将其想象为特定电子在原子核外能够出现的某个区域的数学描画现的某个区域的数学描画. 从波函数从波函数 (r,)到电子云到电子云2 (r,) 我们最初引见我们最初引见“orbital概念时说概念时说

47、, 特定能量的电子在核外特定能量的电子在核外空间出现最多区域叫原子轨道。从电子云空间出现最多区域叫原子轨道。从电子云(electron clouds)角度角度讲，这个区域就是云层最密的区域。讲，这个区域就是云层最密的区域。 留意，电子云不是一个科学术语，而只是一种笼统化比喻。留意，电子云不是一个科学术语，而只是一种笼统化比喻。特别留意，一个小黑点绝不代表一个电子，将密密麻麻的小黑特别留意，一个小黑点绝不代表一个电子，将密密麻麻的小黑点看作某个特定电子在空间运动时留下的点看作某个特定电子在空间运动时留下的“脚印。脚印。o0o30o60o90o120coso180 zY2p为例：以zp2原子轨道与

48、电子云的空间图像原子轨道与电子云的空间图像 coscos 43),(AYY(,)原子轨道的角度分布原子轨道的角度分布 电子云图形比相应的角度波函数图形瘦电子云图形比相应的角度波函数图形瘦原子轨道角度分布图原子轨道角度分布图电子云角度分布图电子云角度分布图 只需轨道的种类一样，即使主量子数只需轨道的种类一样，即使主量子数n不同，原不同，原子轨道和电子云的角度分布图形都完全一样。子轨道和电子云的角度分布图形都完全一样。 2s轨道电子云轨道电子云问：问：2p2p轨道和轨道和3p3p轨道轨道; 3d; 3d轨道和轨道和4d4d轨道的电轨道的电子云径向分布图是不是一样？子云径向分布图是不是一样？表示径向

49、电子云分布的两种方法之一之一: 电子云径向密度分布曲线电子云径向密度分布曲线 (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这种曲线酷似波函数分布曲 线线) 2 (r,) = R 2 (r) Y 2 (,) 表示径向电子云分布的两种方法之二之二: 电子云径向分布曲线电子云径向分布曲线 (红色曲线红色曲线) 纵坐标纵坐标: 4r 2 R 2 4r2R2曲线是曲线是4r 2曲线和曲线和R 2曲线曲线 的合成曲线的合成曲线. 曲线在曲线在 r =53 pm 处出现极大值处

50、出现极大值, 表表 明电子在距核明电子在距核53 pm 的单位厚度球的单位厚度球 壳内出现的概率最大壳内出现的概率最大. 动摇力学模型得到的半径恰好等于动摇力学模型得到的半径恰好等于 氢原子的玻尔半径氢原子的玻尔半径. 2 (r,) = R 2 (r) Y 2 (,) n=1n=2n =3n =33. n一样一样,l不同时不同时ns比比np多一个离核较近的峰，多一个离核较近的峰，np又又比比nd多一个离核较近的峰。多一个离核较近的峰。1. 径向分布图中有径向分布图中有nl个峰，例如，个峰，例如，3s有有3个，个， 2p有有1个，个，3p有有2个，个，3d有有1个峰。个峰。2. 角量子数角量子数

51、l一样，主量子数一样，主量子数n不同时，不同时，n越大，主越大，主峰离核越远；峰离核越远；n越小，主峰离核越近。越小，主峰离核越近。小结：小结： n：决议电子云的大小：决议电子云的大小 l：决议电子云的外形：决议电子云的外形 m：决议电子云的伸展方向：决议电子云的伸展方向 一个原子轨道可由一个原子轨道可由n,l,m 3个量子数确定。个量子数确定。 一个电子的运动形状必需用一个电子的运动形状必需用n,l,m,ms 4个个量子数描画。量子数描画。第三节第三节 核外电子的排布核外电子的排布 什么叫屏蔽作用？对一个指定的电子而言，它会遭到来自内什么叫屏蔽作用？对一个指定的电子而言，它会遭到来自内层电子

52、和同层其它电子负电荷的排斥力，这种球壳状负电荷像层电子和同层其它电子负电荷的排斥力，这种球壳状负电荷像一个屏蔽罩，部分阻隔了核对该电子的吸引力。一个屏蔽罩，部分阻隔了核对该电子的吸引力。 通常将其它电子对指定电子的排通常将其它电子对指定电子的排斥作用归结为对核电荷斥作用归结为对核电荷(Z)的抵消，的抵消，从而使有效核电荷从而使有效核电荷(Z*)降低。抵消降低。抵消的核电荷数称为屏蔽常数的核电荷数称为屏蔽常数 。)J()(1018.22218nZEn 多电子原子：多电子原子：不同电子层：不同电子层：屏蔽作用大小顺序：屏蔽作用大小顺序：KLMN Ens Enp Endnp nd nf 能量的交错遵

53、照：能量的交错遵照：如：如：E6s E4f E5d E6pEns E(n2)f E(n1)d Enp 穿透景象可导致：穿透景象可导致：n大大l小的电子如小的电子如4s电电子的能量低于子的能量低于n小小l大的电子如大的电子如3d电子。于是电子。于是层与层之间出现了能量的交错，这种景象叫层与层之间出现了能量的交错，这种景象叫能量交错。能量交错。1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p徐光宪阅历公式徐光宪阅历公式E=n+0.7 l 通常把通常把(n0.7l)值第一位数字一样的值第一位数字一样的(即能即能量相近量相近)原子轨道合并为一个能级组，并按照第原子轨道合并为一个能级组，并按

54、照第一位数字称为第几能级组。一位数字称为第几能级组。E4s=4、E3d=4.4、E4p=4.7,第一位数均为第一位数均为4，合并为第四能级组。合并为第四能级组。2s、2p的的n+0.7l值分别为值分别为2、 2.7，第一位数均，第一位数均为为2属于第二能级组。属于第二能级组。E3s=3、E3p=3.7属于第三能级组。属于第三能级组。多电子原子轨道能级多电子原子轨道能级 E1s E2s E3s E4s Ens Enp End Enf “能级分能级分裂裂 E4s E3d E4p “能级交错。能级交错。 l 一样的能级的能量随一样的能级的能量随 n 增大而升高。增大而升高。 n 一样的能级的能量随一

55、样的能级的能量随 l 增大而升高。增大而升高。 基态原子中，电子总是尽先占据能量最基态原子中，电子总是尽先占据能量最低的原子轨道。低的原子轨道。1.能量最低原理能量最低原理2.保里保里(WPauli)不相容原理不相容原理 一个原子中不允许有两个电子一个原子中不允许有两个电子处于完全一样的运动形状，也就是处于完全一样的运动形状，也就是说，在同一个原子轨道中最多只能说，在同一个原子轨道中最多只能包容两个自旋方向相反的电子包容两个自旋方向相反的电子 。1在填充简并轨道时，电子尽能够单独占在填充简并轨道时，电子尽能够单独占有空轨道，且自旋方向一样。有空轨道，且自旋方向一样。2简并轨道处于全充溢简并轨道

56、处于全充溢(如如p6,d10,f14)、半、半充溢充溢(如如p3,d5,f7)或全空或全空(如如p0,d0,f0)形状时，体形状时，体系处于能量较低的稳定形状。系处于能量较低的稳定形状。 7N轨道式轨道式 8O轨道式轨道式 9F轨道式轨道式 2262651Cr 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s：半满全满规那么：C：1s2 2s2 2p2154s3dArHe、Ar原子芯101Ar 3d 4s N：He 2s2 2p31s2s2pZ=24Z=29Cu：全满：p6，d10，f14；半满：p3，d5，f7；全空：p0，d0，f0。2. 基态原子的核外电子排布基态原子的核外电子排布 基态原子的核

57、外电子在各原子轨道基态原子的核外电子在各原子轨道上排布顺序：上排布顺序：1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d,7p出现出现d轨道时，按照轨道时，按照ns,(n-1)d,np顺序排布；顺序排布；d,f轨道均出现时，按照轨道均出现时，按照ns, (n-2)f,(n-1)d,np顺序排布。顺序排布。Z=11，Na：1s22s22p63s1或或Ne 3s1 ，Z=20，Ca：1s22s22p63s23p64s2或或Ar 4s2 ，Z=50，Sn： Kr 4d105s2 5p2，Z=56，Ba： Xe 6s2 。价电子：价电子：例如：

58、例如：Sn的价电子排布式为：的价电子排布式为： 5s2 5p2 。3d44s21s22s22p63s23p63d54s1错错对对Ar原子实原子实1s22s22p63s23p6 Ar3d104s1错错对对24Cr：1s22s22p63s23p629Cu：3d94s2元素的周期元素的周期元素周期表中的七个周期分别对应元素周期表中的七个周期分别对应7个能级组个能级组周周期期特点特点能级能级组组对应的对应的能级能级原子原子轨道数轨道数元素数元素数一一二二三三四四五五六六七七特短周期特短周期短周期短周期短周期短周期长周期长周期长周期长周期特长周期特长周期不完全周期不完全周期12345671s2s2p3s

59、3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p144991616288181832应有应有32元素的族元素的族 第第1，2，13，14，15，16和和17列为主族，列为主族，即即,A,A,A,A,A,A,A。 主族：族序数主族：族序数=价电子总数价电子总数 稀有气体稀有气体(He除外除外)8e为为A,通常称为零族，通常称为零族， 第第37，11和和12列为副族。列为副族。即即, B,B,B,B,B,B和和B。 前前5个副族的价电子数个副族的价电子数=族序数。族序数。 B,B根据根据ns轨道上电子数划分。轨道上电子数划分。 第第8,9,10列元素称为列元素称为族，价电子排布族，价电

60、子排布n-1)d6-8ns2。1.周期表分周期表分7行，每行表示一个周期。行，每行表示一个周期。2.每族具有根本一样的外层电子排布。主族的族每族具有根本一样的外层电子排布。主族的族数最外层电子数数最外层电子数ns+np。副族元素情况比较复杂：副族元素情况比较复杂： BB的族数等的族数等于价电子数于价电子数n1dns ； BB的族的族数等于数等于ns电子数；电子数； 第第族族 规律性较差。规律性较差。3.稀有气体核外电子全满，称为稀有气体核外电子全满，称为0族元素。族元素。 元素所在周期数电子层数元素所在周期数电子层数n最外层电子最外层电子能参与成键的电子能参与成键的电子区区 外层电子构造特点外