第五章原子结构

第五章原子结构第1页，共43页，2023年，2月20日，星期三太阳光谱：连续光谱（七彩虹）

按照经典物理学理论，如果电子绕原子核做圆周运动：会连续光谱，并因为发射电磁波而能量降低，终至于坠入原子核而毁灭。第2页，共43页，2023年，2月20日，星期三电子因能量的减少而循螺线逐渐接近原子核，最后落到原子核上，所以原子应是一个不稳定的系统。第3页，共43页，2023年，2月20日，星期三

但事实上原子是稳定的，原子所发射的光谱是线状的，而不是连续的。这些事实表明：从研究宏观现象中确立的经典电动力学，不适用于原子中的微观过程。

这就需要进一步分析原子现象，探索原子内部运动的规律性，并建立适合于微观过程的原子理论。第4页，共43页，2023年，2月20日，星期三线状光谱也叫原子光谱：怎样产生的？为什么发光？（无机物的鉴定方法）第5页，共43页，2023年，2月20日，星期三n为主量子数----能级序数第6页，共43页，2023年，2月20日，星期三普朗克量子论认为：微观粒子吸收和发射能量是不连续的，即是量子化的。只能以一个最小的能量单位的整数倍发射或吸收能量。而宏观物体吸放能量可以是连续的。第7页，共43页，2023年，2月20日，星期三玻尔原子模型（理论）要点：1、定态轨道（能量不随时间变化）：电子的运动不是随意的，只能在某个定态轨道上运动，并具有该轨道的特定能量。玻尔量子化条件（轨道必须符合此条件）：角动量Ｐ＝mυr=nh/2π

2、轨道能级：离核越远，与核的作用越小，能量越高；离核越近，被核束缚的越牢，能量越低。轨道这些不同的能量状态称为能级。第8页，共43页，2023年，2月20日，星期三3、能级跃迁基态：

（不是指某个特定的轨道）能量最低的状态叫基态。激发态：（不是指某个特定的轨道）能量较高的状态叫激发态。电子从一个定态轨道跳到另一个定态轨道，称为能级跃迁，要放出或吸收辐射能：第9页，共43页，2023年，2月20日，星期三激发态原子发光的原因：能级跃迁。并以光的形式放出能量。激光发光原因：电子泵、发光晶体。第10页，共43页，2023年，2月20日，星期三玻尔理论成功地解释了氢原子光谱。连续光谱氢原子光谱第11页，共43页，2023年，2月20日，星期三并提出原子能级、主量子数、定态轨道等重要概念，并成功地把氢原子光谱现象与氢原子内电子运动的定态相联系起来，为运用光谱现象研究原子的内部结构提供了理论基础与成功的经验。当氢原子的电子从n2=3，4，5，6能级跳回到第二级（n1=2）时，在可见光区就可以观察到分立的四条谱线。第12页，共43页，2023年，2月20日，星期三能级跃迁第13页，共43页，2023年，2月20日，星期三第14页，共43页，2023年，2月20日，星期三第15页，共43页，2023年，2月20日，星期三二、微观粒子的波粒二象性

由于玻尔原子结构理论在进一步发展中遇到难以克服的困难，1924年法国青年物理学家德·布罗意（deBroglie）用与光的量子论相类比的方法提出电子等微观质点的运动兼具波动性的见解，后来他的这一假说得到实验的证明。德布罗依提出微观粒子的波粒二象性假设：λ=h/mv第16页，共43页，2023年，2月20日，星期三h为Planck

常量著名的德布罗依关系式第17页，共43页，2023年，2月20日，星期三

电子衍射实验指出：当用很弱的电子流做衍射实验，电子是一个一个地通过晶体发生衍射的。因为电子有粒子性，开始只是落到照相底片的一个一个点上，每次所落的点都不是重合在一起的。经过足够长的时间，通过大量的电子后，得到的衍射图呈现出波动性。若用较强的电子流可在较短的时间内得到同样的电子衍射环纹。

第18页，共43页，2023年，2月20日，星期三由此可见，波动性是和微粒行为的统计规律联系在一起的。在底片上衍射强度大的地方（明处），也就是波强度大的地方，一定是电子在该处单位微体积内出现的机会多，衍射强度小的地方，一定是电子在该处单位微体积内出现的机会少（概率密度小）。第19页，共43页，2023年，2月20日，星期三动量实验:第20页，共43页，2023年，2月20日，星期三不确定原理（测不准原理）△X·△Px≈h=6.6262×10-34J·S△X表示粒子位置的不确定度、△Px表示在X方向上动量的不确定度；第21页，共43页，2023年，2月20日，星期三5-1-3、波函数和原子轨道微观粒子的特性:波粒二象性：A和N卷入争论，1924年德布罗依提出“二象性”设想。第22页，共43页，2023年，2月20日，星期三1、波函数和薛定谔方程圆周运动：有相应的数学方程式来描述。两维绳波：Y=Asinθ

θ0π2π3π4πY=2sinθ020-20电子运动：薛定谔方程—表示原子核外空间某点电子出现的几率。第23页，共43页，2023年，2月20日，星期三薛定谔方程→解薛定谔方程→Ψ

=f(x、y、z)第24页，共43页，2023年，2月20日，星期三2、波函数与电子云（原子轨道（函））图形电子并不象宏观物体一样沿着一定的轨道运动，而是高速做“毫无规律”的运动。照相：怎么办？找规律。电子云电子的几率分布规律：第25页，共43页，2023年，2月20日，星期三5-1-4概率密度和电子云几率分布规律:每个电子的落点是不确定的，但大量统计的结果是确定的。比如扔硬币，比如容器内气体分子对器壁的碰撞和压力。表明微观粒子的运动是随机的，不确定的，但符合几率分布规律。原子中的电子，无法知道他的运动轨道，无法知道某电子某时刻在什么地方出现，但可以知道他在原子核外什么区域出现的几率较大、什么区域出现的几率较小。电子云。第26页，共43页，2023年，2月20日，星期三5-1-5波函数的空间图象薛定谔方程→解薛定谔方程→Ψ

=f(x、y、z)Ψ（音：波赛）：波函数，表示电子出现的几率，对于（x1、y1、z1），相应的Ψ1值表示原子核外一点（x1、y1、z1）处电子出现的几率大小。但无法做直观的的图象。Ψ=f(x、y、z)→Ψ=f`(Υ、θ、φ)→Ψ

=R（Υ）Y（θ、φ）第27页，共43页，2023年，2月20日，星期三Ψ=R（Υ）Y（θ、φ）Y（θ、φ）：角向分布函数。表示。。。。R（Υ）：径向分布函数。表示。。。。角向分布函数的图象即是原子轨道（函）原子轨道的画法：Pz原子轨道角向分布函数Y=COSθS、P、d原子轨道的图象第28页，共43页，2023年，2月20日，星期三第29页，共43页，2023年，2月20日，星期三第30页，共43页，2023年，2月20日，星期三5-1-6四个量子数解薛定谔方程必须引入三个常数，才有确定的解。例如Y=aX+b,表示一组直线，没有确定的解或图线。（1）主量子数n（表示主层）描述电子层能量高低和离核远近,n越大，离核越远，能量越高。取值：主量子数n12345电子层代号KLMNP第31页，共43页，2023年，2月20日，星期三（2）副（角）量子数L表示亚层，描述电子的运动状态和能量，亚层确定时，对应于确定形状的原子轨道，其取值受n的制约。副（角）量子数L01234…（n－1）亚层（原子轨道符号）SPdf第32页，共43页，2023年，2月20日，星期三（3）磁量子数m描述原子轨道的空间伸展方向。在通常状况下，m相同的电子能量相同，在外磁场中，能量不同。其取值受L的制约。对于一定的L，m取值的个数表示这种形状轨道的数目：0±1±2±3……±L第33页，共43页，2023年，2月20日，星期三（4）自旋量子数ms表示电子的自旋方向，取值为±1/2电话号码：8位确定一个用户电子：4个量子数的取值，决定一个运动状态。

第34页，共43页，2023年，2月20日，星期三例如:n123L（轨道形状代号）0

01012m（轨道数）000±100±10±1±2ms±1/2±1/2±1/2轨道符号1S2S2P3S3P3d第35页，共43页，2023年，2月20日，星期三电子运动状态的表示方法：原子轨道符号组成：主层数+亚层符号+电子数例如：3S24P43d5（含义？）Ψ(2、1、1)表示什么意思？第36页，共43页，2023年，2月20日，星期三三、多电子原子核外电子的运动状态（一）核外电子排布的原理泡利不相容原理每个原子轨道内只允许排布两个自旋相反的电子。即不可能有两个电子具有完全相同的量子数。第37页，共43页，2023年，2月20日，星期三第38页，共43页，2023年，2月20日，星期三北京大学结构化学家徐光宪提出了“n+0.7L”规则,轨道的这个值越小,能量越低,比如:4S轨道和3d轨道,n+0.7L值分别为4和4.4,因此,4S轨道能量比3d轨道能量低,应优先填充.第39页，共43页，2023年，2月20日，星期三(3)洪德规则

等价轨道上的电子尽可能分占不同的轨道,且自旋平行.例如3d5:第40页，共43页，2023年，2月20日，星期三(4)特殊稳定性规则半充满、全充满有特殊的稳定性.例如铜的价层结构Cu:4S13d10.而不是4S23d9第41页，共