原子结构与元素周期系

原子结构和元素周期系（第一讲）

原子结构和元素周期系第一讲：（2学时）一、玻尔的原子行星模型结构；（一）光谱（三）玻尔理论（二）氢原子光谱1.研究原子结构为什么要从光谱着手?2.为什么要重点研究氢原子光谱?氢原子光谱有什么特点?玻尔从其中获得什么启发?3.玻尔理论为什么有成功也有不足?

（一）光谱电磁波连续光谱实验室连续光谱连续光谱的特点是什么呢?

（二）氢原子光谱装有低压高纯H2(g)的放电管所发出的光,通过棱镜分光后，在可见光区波长范围内，可以观察到不连续的四条谱线。实验:

1.不连续的线状光谱

2.有一定规律可循（二）氢原子光谱实验数据的处理:Hδ

Hγ

Hβ

Hα410nm434nm486nm656nm1.请你能定性描述氢原子光谱呈现的规律2.请你思考能否定量描述这种规律

（二）氢原子光谱

巴尔麦和里德堡对氢原子可见光区光谱特点的定量描述:实验数据的处理:ν表示波数,是谱线波长(λ)的倒数(cm-1)

RH里德堡常数,1.09677×107

m-1

n:

大于2

的正整数不连续光谱Hδ

Hγ

Hβ

Hα410nm434nm486nm656nm

（二）氢原子光谱除了氢原子可见光区Balmer系外,在紫外区存在Lyman系、红外区存在Paschen系，这些线系符合Rydbeg公式。

紫外区、可见光区、红外区H在非可见光区有没有类似于可见光区氢原子光谱呢?

（二）氢原子光谱n1=1时，得紫外光谱区（Lyman系）；n1=2时，得可见光谱区（Balmer系）；

n1=3时，得红外光谱区（Paschen系）

紫外区、可见光区、红外区Rydbeg公式与氢原子光谱Hn1

=1，2，3，……n2>n1

的正整数

（三）玻尔理论科学家爱因斯坦光子论1.连续的光波是量子化2.每个光子的能量为E＝hν

科学家玻尔：他在思考什么？科学家普朗克量子概念1.原子的振动看做线性谐振子

2.谐振子辐射电磁波3.谐振子的能量不能连续变化4.频率为ν的谐振子的最小能量为ε=hν

Rutherford行星式结构理论1.所有原子都有一个核即原子核2.核体积只占整个原子体积极小的一部分3.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

Rydbeg公式氢原子光谱

核外电子运动的轨道角动量（L）是量子化的，它在数值上

是的整数倍，（而不是连续变化）：

(n=1,2,3,4…)

h为Planck常数，h=6.626×10-34

J·s

符合这种量子条件的“轨道”（Orbit）称为“稳定轨道”。电子在稳定轨道运动时，既不吸收，也不幅射光子。（三）玻尔理论科学家玻尔：我有了伟大的思想——玻尔理论1．定态假设

电子在一定轨道上运动的电子的能量也是量子化的，总能量n=1,2,3,4…;Z—核电荷数（=质子数），n=1,2,3,4…;对应的是基态能量，第一激发态、第二激发态的能量。（三）玻尔理论科学家玻尔：我有了伟大的思想——玻尔理论2．能量量子化假设

正常状态下，原子中的电子尽可能在离核最近、能量最低的轨道上运动(基态)。电子处于能量较高的状态称激发态。

吸收能量跃迁基态激发态放出能量处于激发态的电子不稳定，要跳回到能量较低的轨道,以光的形式放出能量(即光谱谱线对应的能量)。（三）玻尔理论科学家玻尔：我有了伟大的思想——玻尔理论3．频率公式假说En(2)-En(1)=hνh—Planck常数、ν—光的频率

（三）玻尔理论玻尔理论对氢光谱的解释

请用玻尔理论计算氢原子光谱中的Hα线的波长是多少?Hα

（三）玻尔理论玻尔理论对氢光谱的解释

请用玻尔理论计算氢原子光谱中的Hα线的波长是多少?HαEn2-En1=hνh—Planck常数ν—光的频率

ν===4.571014s-1

En３-En２-2.4210-19J-(-5.4510-19J)

h

6.62610-34J·sλ3→2===656.5nm

ν3→24.571014s-1

c(光速)

3108m·s-1

WavetypeHαHβHγHδCalculatedvalue/nm656.2486.1434.0410.1Experimentalvalue/nm656.3486.1434.1410.2●计算氢原子的电离能●解释了H及He+、Li2+、B3+的原子光谱●说明了原子的稳定性●对其他发光现象（如Ｘ光的形成）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的精细结构●不能解释多电子原子的光谱（三）玻尔理论+-玻尔理论的成功与不足

（三）玻尔理论成功范例，给我们什么启示？1.如何获取最前沿的科学信息？2.你是否具有获取各方面信息的渠道、方式？3.如何分析信息?4.玻尔创新的基本过程是什么？5.你是否具有这样的一些素养?6.如何才能具有这样的素养?

二、原子结构的近代概念二、原子结构的近代概念第一讲：（2学时）（一）微观物质运动的特征（二）氢原子的量子力学模型1.微观物质运动的特征有哪些?2.本节中从哪些方面对氢原子的量子力学模型进行了阐述?

（一）微观物质运动的特征

早期量子论中的量子化是指不连续性，只能以一基本单位传递。代表人物及重要事件是:能量量子化1.普朗克发现，能量的传递不是连续的，而是以一个一个的能量单位传递的。这种最小能量单位被称作能量子（简称量子）2.爱因斯坦根据光电效应推断，光能也不是连续的。对光的量子化就是认为光是以一个一个微小单位的形式存在和传播的。被称为光量子（简称光子）。单个光子携带的能量和光频率成正比。比例系数是普朗克常数。n个量子总能量就再乘以n.3.玻尔为解释卢瑟福实验，对电子能量作了量子化假设。最简单的一条就是电子能量只能是某些固定的值。在现代量子理论中，人们发现了粒子的波粒二象性，任何物体都有波动性和粒子性。而且任何物体的位置和速度都不可能同时被准确的测量。只能用概率来描述。在现代量子论中，用波粒二象性和概率波处理微观问题就是量子化。

（一）微观物质运动的特征波粒二象性光的波粒二象性：根据：1.Einstein的质能联系公式E=mc2；2.Planck量子论；3.Einstein光子的能量公式E=hν得到光具有波粒二象性：

其中：P:动量，m:光子质量（粒子性），ν:光的频率，λ:光的波长（波动性）

c:光速，h=6.626×1034J·s(Planck常数)

（一）微观物质运动的特征波粒二象性2.微观物质的波粒二象性：

法国物理学家德布罗意

根据光的波粒二象性规律，大胆指出：在研究微观粒子时,忽略了粒子的波动性，提出了实物粒子、电子、原子等微粒象光一样，也具有波粒二象性,并提出德布罗意关系式:

德布罗意关系式把波动性的波长和粒子性的质量联系起来了.

德布罗意关系式——一个伟大思想的诞生

（一）微观物质运动的特征波粒二象性微粒波动性的近代证据—电子的波粒二象性1927年，Davissson和Germer应用Ni晶体进行电子衍射实验，证实电子具有波动性.灯光源X射线管电子源实验:

（一）微观物质运动的特征波粒二象性微粒波动性的近代证据—电子的波粒二象性实验现象:电子通过A1箔衍射图电子通过石墨的衍射图实验结论:电子具有波动性

（一）微观物质运动的特征

HeisenbergW指出:如果我们能设计一个实验准确测定微粒的位置,那就不能准确测定其动量,反之,如果我们精确地知道微粒在那里,就不能精确地知道它从那里来,会到那里去;如果我们精确地知道微粒在怎样运动,就不能精确地知道它此刻在那里.即不可能同时测得电子的精确位置和精确动量！

设:位置的不准确量为Δx动量的不准确量为Δp

则有:Δx·Δp≥h/(4π)测不准原理HeisenbergW

（一）微观物质运动的特征Δx·Δp≥h/(4π)测不准原理重要暗示——不可能存在Rutherford

和Bohr

模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律，它们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间几率分布，即电子的波动性与其微粒行为的统计性规律相联系.因此,实物的微粒波是概率波,性质上不同于光波的一种波.波动力学的轨道概念与电子在核外空间出现机会最多的区域相联系.HeisenbergW

二、原子结构的近代概念薛定谔方程和波函数（二）氢原子的量子力学模型描述电子运动状态的四个量子数波函数的图形描述1.微观物质运动的特征有哪些?2.本节中从哪些方面对氢原子的量子力学模型进行了阐述?

（二）氢原子的量子力学模型这种图形图象的建立是非常重要的，以下讲述的思想、方法等，大家务必重视。由微观粒子的运动特点你能否描绘出核外电子运动的图形图象?

（二）氢原子的量子力学模型

SchrodingerE.（薛定谔）大家知道微观粒子运动具有波粒二象性，通过数学方法处理原子中电子的波动性，得到了量子力学模型(波动力学模型)（薛定谔方程）.这是迄今最成功的原子结构模型。1.能够预言氢的发射光谱(包括玻尔模型无法解释的谱线),2.适用于多电子原子,从而更合理地说明核外电子的排布方式.SchrodingerE

（二）氢原子的量子力学模型一种感性认识：——求解薛定谔方程所得原子轨道形状

（二）氢原子的量子力学模型薛定谔波动方程——描述微观粒子运动状态的基本方程薛定谔方程的合理解=原子轨道如何理解和求解薛定谔方程？

（二）氢原子的量子力学模型如何理解薛定谔方程？方程中既包含体现微粒性的物理量m,也包含体现波动性的物理量ψ;求解薛定锷方程,就是求得波函数ψ和能量E;解得的ψ不是具体的数值,而是包括三个常数(n,l,m)和三个变量(r,θ,φ)的函数式Ψn,l,m(r,θ,φ)

（二）氢原子的量子力学模型如何理解薛定谔方程？4.数学上可以解得许多个Ψn,l,m(r,θ,φ),但其物理意义并非都合理;5.为了得到合理解,三个常数项只能按一定规则取值,很自然地得到前三个量子数.有合理解的函数式叫做波函数(Wavefunctions),它们以

n,l,m

的合理取值为前提.波函数=薛定谔方程的合理解=原子轨道

（二）氢原子的量子力学模型如何求解薛定谔方程？高年级学习具体求解过程。但这儿要把求解的思路,及主要思想方法进行了解,重点放在对3个量子数的理解,对波函数的角度分布函数的图像,及氢原子核外电子的D函数的图像,以及电子云的图像的学习上.

（二）氢原子的量子力学模型如何求解薛定谔方程？一.转换变量将函数Ψ(x,y,z)转变成函数Ψ(r,θ,φ).

r:径向坐标,决定了球面的大小θ:角坐标,由z轴沿球面延伸至r的弧线所表示的角度.φ:角坐标,由r

沿球面平行xy面延伸至xz面的弧线所表示的角度.222cossinsincossinzyxrrzryrx++====qjqjq

（二）氢原子的量子力学模型如何求解薛定谔方程？二.分离变量将函数径向r变量与角度变量θ,φ进行分离得:径向波函数角度波函数三.利用所得径向波函数和角度波函数作图.从而建立原子轨道(轨函)的基本模型.

ThankYou!

课堂练习选择题:原子光谱中存在着不连续的线谱,证明了A.在原子中仅有某些电子能够被激发B.一个原子中的电子只可能有某些特定的能量状态C.原子发射的光,在性质上不同于普通的白光D.白光是由单色光组成

课堂练习简答题:1.氢的玻尔半径是多大?用什么表示?2.玻尔理论的基本要点有哪些?3.如何由玻尔理论求算波长,频率?

原子结构和元素周期系教学知识目标1、掌握元素、核素、同位素、原子量的有关概念，掌握原子质量、原子量的计算方法2、了解核外电子运动的特殊性，会看波函数和电子云图3、能运用轨道填充顺序图，按照核外电子排布原理，写出若干常见元素的电子构型(1—36号)

4、掌握各类元素价电子构型的特征5、了解电离势，电负性等概念的意义和它们与原子结构的关系

原子结构和元素