1、8.1 氫原子結(jié)構(gòu)8.2 多電子原子結(jié)構(gòu)8.3 元素周期律第八章 原子結(jié)構(gòu)1本章重點(diǎn)：理解原子軌道和電子云的概念掌握四個(gè)量子數(shù)的物理意義和合理取值能寫(xiě)出元素的核外電子排布和價(jià)電子層構(gòu)型了解周期的劃分，確定元素在周期表中的位置了解原子半徑、電離能、電子親合能、電負(fù) 性的周期性變化規(guī)律2STM利用隧道電流來(lái)描繪物質(zhì)表面的輪廓圖STM-掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope)34 大約兩個(gè)世紀(jì)以來(lái)，原子與分子是理論科學(xué)家想象中的世界，它們是“任何人始終無(wú)法看到的”(Robinson, 1984)。STM的發(fā)明使科學(xué)家能夠適時(shí)地觀察到原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)，得知與

2、表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)，它對(duì)表面科學(xué)、材料科學(xué)、生物科學(xué)和信息科學(xué)的研究有著重大意義并具有廣闊的應(yīng)用前景。5歷史的回顧經(jīng)典核原子模型的建立6原子的概念及原子論 古希臘元素說(shuō)世界上任何東西都是由原子組成的（包括物質(zhì)和靈魂）。原子是不可分割的。Democritus，公元前440年, BC460-370，古希臘哲學(xué)家德謨克利特Dalton原子論 1808年，英國(guó)科學(xué)家道爾頓提出了原子學(xué)說(shuō)：元素是由非常微小的、看不見(jiàn)的、不可再分割的原子組成，原子既不能創(chuàng)造，不能毀滅，也不能轉(zhuǎn)變，所以在一切化學(xué)反應(yīng)中都保持自己原有的性質(zhì)；同一種元素的原子其形狀、質(zhì)量及各種性質(zhì)都相同，不同元素的原子的形狀、質(zhì)量

3、及各種性質(zhì)則不相同。不同元素的原子以簡(jiǎn)單的數(shù)目比例相結(jié)合，形成化合物電子的發(fā)現(xiàn)7電子的發(fā)現(xiàn) 湯姆生Sir Joseph John Thomson(1856-1940)英國(guó)物理學(xué)家獲1906年Nobel物理獎(jiǎng)人們?cè)谘芯繗怏w放電的時(shí)候發(fā)現(xiàn)陰極射線19世紀(jì)末物理學(xué)的一系列重大發(fā)現(xiàn)推翻否定了“原子不可再分”的傳統(tǒng)觀念。1897年，J. J. Thomson 利用電場(chǎng)及磁場(chǎng)對(duì)帶電質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的影響測(cè)定了陰極射線的荷質(zhì)比(e/m)，并得出該射線是帶負(fù)電荷并存在于所有原子之中的基本粒子，即為后來(lái)人們所知的電子。Plum Pudding Model在原子中，電子分布在均勻的正電荷背景里。Millikan油滴實(shí)驗(yàn)（

4、1909）8Millikan油滴實(shí)驗(yàn)（1909） 密里根Robert Andrews Millikan 1869-1953 美國(guó)物理學(xué)家獲1923年Nobel物理獎(jiǎng)E = 1.60217710-19 C；me = 9.10939010-28 g1909年，Millikan通過(guò)油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)出電子的電量，借助荷質(zhì)比得到電子的質(zhì)量Rutherford原子行星模型(1911)9Rutherford -粒子散射實(shí)驗(yàn)（1906）Rutherford原子行星模型(1911)盧瑟福(1871-1937)Sir Ernest Rutherford新西蘭裔英國(guó)化學(xué)家獲1908年Nobel化學(xué)獎(jiǎng)原子中含有帶負(fù)電的電子

5、，意味著必然還有帶正電的部分。 1911年Rutherford和助手Hans Geiger通過(guò)粒子(He2+)散射實(shí)驗(yàn)證明了原子核的存在，提出了核型原子模型。10Rutherford模型的問(wèn)題根據(jù)經(jīng)典電磁理論，在原子核外作加速運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)不斷輻射出能量，最終將完全喪失能量墜入原子核中去。于是，原子不可能是穩(wěn)定體系，必將崩潰且不可能長(zhǎng)期存在。但是，在現(xiàn)實(shí)世界里原子是穩(wěn)定的?？茖W(xué)遇到了一個(gè)難題原子中的正電荷集中在很小的區(qū)域，原子的質(zhì)量主要來(lái)自于正電荷部分即原子核，而質(zhì)量很小的電子則圍繞原子核作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。就像行星繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)一樣。118.1.1 氫原子光譜與Bohr理論8.1 氫原子結(jié)構(gòu)8.1.5 氫

6、原子的激發(fā)態(tài)8.1.4 氫原子的基態(tài)8.1.3 Schrdinger方程與量子數(shù)8.1.2 電子的波粒二象性12紅 橙 黃 綠 青 藍(lán) 紫連續(xù)光譜：太陽(yáng)光、白熾燈光等，光譜間沒(méi)有明顯的分界線。線狀光譜：分立的、有明顯界線的譜線,不連續(xù),又稱原子光譜演示氣體經(jīng)高溫火焰、電火花、電弧等作用產(chǎn)生8.1.1 氫原子光譜與Bohr理論13 在抽成真空的放電管中充入少量氣體(如氫氣)，通過(guò)高壓放電，可觀測(cè)到原子的發(fā)光現(xiàn)象。將堿金屬化合物在火焰上加熱，也會(huì)觀測(cè)到堿金屬的發(fā)光現(xiàn)象。原子的光譜 在抽成真空的放電管中充入少量氣體(如氫氣)，通過(guò)高壓放電，可觀測(cè)到原子的發(fā)光現(xiàn)象。將堿金屬化合物在火焰上加熱，也會(huì)觀測(cè)

7、到堿金屬的發(fā)光現(xiàn)象。原子的光譜14HHHH1.氫原子光譜15(a) The visible spectrum. (b) The complete spectrum of atomic hy drogen. 特征與規(guī)律16不連續(xù)光譜,即線狀光譜其頻率具有一定的規(guī)律氫原子光譜譜線的規(guī)律性：氫原子光譜特征：量子和量子化式中n1、n2為正整數(shù)，且n2 n1n1= 1，Lyman線系；n1= 2，Balmer線系；n1= 3，Paschen線系；n1= 4，Bracket線系；n1= 5，Pfund線系；n = 3,4,5,61885年，Johann J. Balmer(瑞士)提出氫原子的可見(jiàn)線狀光譜的

8、經(jīng)驗(yàn)公式：1913年， Janne Rydberg（瑞典)提出更為普遍的經(jīng)驗(yàn)公式：或其中，RH = 1.097 107 m-1，即Rydberg常數(shù)。17式中 2，n，3.2891015各代表什么意義？為什么激發(fā)的原子會(huì)發(fā)光？如何解釋氫原子光譜？經(jīng)典電磁理論遇到的難題： 按經(jīng)典電磁學(xué)理論，電子繞核作圓周運(yùn)動(dòng)，原子不斷發(fā)射連續(xù)的電磁波，原子光譜應(yīng)是連續(xù)的；而且由此電子的能量逐漸降低，最后墜入原子核，使原子不復(fù)存在。實(shí)際上原子既沒(méi)有湮滅，其譜線也不是連續(xù)的而是線狀的。量子和量子化181900年，M.Plank德國(guó)提出量子論普朗克認(rèn)為能量是不連續(xù)的，具有微小的分立的能量單位量子；物質(zhì)吸收或放出能量是

9、不連續(xù)的，是量子能量的整數(shù)倍量子化；能量以光的形式傳播時(shí)，其最小單位又稱光量子或光子；量子化特征表征微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的某些物理量具有不連續(xù)變化的特征。玻爾理論光子能量某些物理量變化的不連續(xù)性(量子化)實(shí)際上是自然界的普遍規(guī)律，由于每一種量子的量值都非常小，所以在宏觀物體中量子化不明顯，尤如連續(xù)變化一樣。但在微觀世界卻是微觀粒子運(yùn)動(dòng)的重要特征。19玻爾(Bohr)理論 1913年，丹麥青年物理學(xué)家Bohr在Rutherford核原子模型基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)時(shí)剛剛萌芽的Planck 量子論和Einstein 光子學(xué)說(shuō)，提出了自己的原子結(jié)構(gòu)理論，從理論上解釋了氫原子光譜的規(guī)律Bohr理論的兩個(gè)基本假設(shè)：假

10、設(shè)1：核外電子只能在有確定半徑和能量的特定軌道上運(yùn)動(dòng)，電子在這些軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)并不輻射出能量；而且每一個(gè)穩(wěn)定的軌道的角動(dòng)量(L)是量子化的，它等于h/2的整數(shù)倍，即n稱為量子數(shù)，h 是Planck常數(shù)。 根據(jù)這個(gè)軌道角動(dòng)量量子化條件，結(jié)合物體運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典力學(xué)公式，即可計(jì)算出氫原子中電子運(yùn)動(dòng)的速度、軌道半徑和能量。20假設(shè)2：電子在不同軌道之間躍遷時(shí)，原子會(huì)吸收或輻射出光子。吸收和輻射出光子能量的多少?zèng)Q定于躍遷前后的兩個(gè)軌道能量之差，即通常電子處在離核最近的軌道上，能量最低原子處于基態(tài)(1個(gè))； 軌道的不同能量狀態(tài)稱為能級(jí)； 原子獲得能量后，電子被激發(fā)到高能量軌道上，原子處于激發(fā)態(tài)(多個(gè))處于激發(fā)態(tài)

11、的電子不穩(wěn)定，有可能從能級(jí)高的軌道躍遷到離核較近的低能軌道，甚至恢復(fù)為基態(tài)。這時(shí)以光的形式釋放能量 。E：軌道能量h：Planck常數(shù)可以定量解釋氫原子光譜的不連續(xù)性氫原子光譜的能量關(guān)系式21RH：Rydberg常數(shù)2.17910-18J電子運(yùn)動(dòng)的軌道半徑和電子的能量：H原子能級(jí)？氫原子光譜的能量關(guān)系式可見(jiàn)，隨著n的，r,電子離核越遠(yuǎn)，電子的能量以量子化的方式，因此，n被稱為量子數(shù)22借助于氫原子光譜的能量關(guān)系式可定出氫原子各能級(jí)的能量：電離能可見(jiàn)，n1，n2為能級(jí)代號(hào)23原子能級(jí)圖24原子能級(jí)Balmer線系巴爾麥線系25n = 3 紅（H）n = 4 青（H ）n = 5 藍(lán)紫 （ H ）

12、n = 6 紫（H ）Balmer線系如何計(jì)算？26當(dāng)電子從n=3n=2能級(jí)時(shí)同理當(dāng)電子從n=4n=2能級(jí)時(shí)，得到H譜線 從n=5n=2能級(jí)時(shí)，得到H譜線 從n=6n=2能級(jí)時(shí)，得到H譜線 從n=7n=2能級(jí)時(shí)，得到H譜線當(dāng)電子從n=2,3,4,5,6n=1能級(jí)時(shí),產(chǎn)生賴曼線系(紫外區(qū));當(dāng)電子從n=4,5,6n=3能級(jí)時(shí),產(chǎn)生帕邢線系（紅外區(qū)）;激發(fā)與發(fā)射圖示2728波粒二象性29Bohr 氫原子理論局限性只能解釋氫原子及一些單電子離子(或稱類氫離子，如He+、Li2+、Be2+等)的光譜,而對(duì)于這些光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)根本無(wú)能為力；對(duì)于多電子原子，哪怕只有兩個(gè)電子的He原子，其光譜的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)

13、結(jié)果也有很大出入。說(shuō)明從宏觀到微觀物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(fā)生了深刻變化，原來(lái)適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律用于微觀物體已經(jīng)失效.人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到，從Planck發(fā)展到Bohr的這種舊量子論都是在經(jīng)典物理的基礎(chǔ)上加進(jìn)一些與經(jīng)典物理不相容的量子化條件，它本身就存在不能自圓其說(shuō)的內(nèi)在矛盾。出路在于徹底拋棄經(jīng)典理論的體系，建立新的理論量子力學(xué)。30微觀粒子的特性及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律31光的波粒二象性：光的干涉、衍射 波動(dòng)性光具有能量、與實(shí)物相互作用 粒子性 （光壓、光電效應(yīng)）電子的？1924年，法物理學(xué)家德布羅依預(yù)言：微觀粒子也應(yīng)具有波粒二象性。321924年，Louis de Broglie認(rèn)為：質(zhì)量為 m ，運(yùn)動(dòng)速度為的

14、粒子，相應(yīng)的波長(zhǎng)為：8.1.2 電子的波粒二象性 1927年，Davissson和Germer應(yīng)用Ni晶體進(jìn)行電子衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)電子具有波動(dòng)性。=h/m=h/p，h=6.62610-34 Js，Plank常量。波粒二象性微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征與微觀粒子相聯(lián)系的波稱為物質(zhì)波或德布羅依波電子的德布羅依波長(zhǎng)？Louis de Broglie (1892-1987) France33 任何運(yùn)動(dòng)物體包括宏觀物體都可按上式計(jì)算，但宏觀物體的波長(zhǎng)極短難以察覺(jué)而主要表現(xiàn)粒子性。電子的德布羅依波長(zhǎng)？若電子的速度為光速的一半，電子的質(zhì)量則電子的德布羅意波長(zhǎng)如某子彈：則：其它粒子的波長(zhǎng)34粒子的波長(zhǎng) 只有像電子、原子等

15、質(zhì)量極小的微粒才具有與X射線相近的波長(zhǎng)，當(dāng)它們透過(guò)晶體時(shí)就有衍射現(xiàn)象，表現(xiàn)出波動(dòng)性。35海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理(不確定原理)：1927年，德國(guó)物理學(xué)家海森堡提出測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系用位置和動(dòng)量來(lái)描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)時(shí)，所測(cè)位置的準(zhǔn)確度愈高，則其動(dòng)量準(zhǔn)確度愈低，反之亦然。即不可能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定微粒的空間位置和動(dòng)量。反映了微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征，但對(duì)宏觀物體不起作用。統(tǒng)計(jì)性36對(duì)于m=10g的子彈，若能準(zhǔn)確測(cè)到x=0.01cm，則所以，宏觀物體的位置和動(dòng)量能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定。對(duì)于電子，m=9.1110-31kg，原子半徑數(shù)量級(jí)為10-10m若能準(zhǔn)確測(cè)到x=10-11m，則所以，微觀粒子的位置和速度不能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定。 電子的速

16、度不確定程度既然如此之大，就意味著電子運(yùn)動(dòng)軌道不復(fù)存在。(揭示了Bohr理論的缺陷)量子力學(xué)理論認(rèn)為，微觀粒子在極小的空間運(yùn)動(dòng)都如此，它們沒(méi)有固定的軌道，只有統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，即只能用概率不能用軌道來(lái)描述它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。統(tǒng)計(jì)性37微觀粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)性：考察電子衍射實(shí)驗(yàn)，設(shè)想若電子流很強(qiáng)，則很快得到明暗相間的衍射環(huán)紋顯示波動(dòng)性；若電子流強(qiáng)度很小，電子一個(gè)一個(gè)從陰極燈絲飛出，底片上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)一個(gè)的點(diǎn)顯示電子具有粒子性。經(jīng)一定時(shí)間同樣得到明暗相間的衍射環(huán)紋。亮環(huán)紋處，衍射強(qiáng)度大，電子出現(xiàn)的機(jī)會(huì)多，即幾率大；暗環(huán)紋處則相反。量子力學(xué)認(rèn)為，原子中核外電子的運(yùn)動(dòng)不象經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為的那樣有確定的軌道，但具有按幾率

17、分布的統(tǒng)計(jì)性規(guī)律。薛定諤方程應(yīng)如何正確描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)？電子通過(guò)石墨的衍射圖 381.Schrdinger方程8.1.3 Schrdinger方程與量子數(shù)（二階偏微分方程）（是空間坐標(biāo)x,y,z 的函數(shù)）END聯(lián)系了微觀粒子的波動(dòng)性和粒子性39直角坐標(biāo)( x,y,z)與球坐標(biāo)(r,)的轉(zhuǎn)換 波函數(shù)的徑向部分波函數(shù)的角度部分量子數(shù)402、量子數(shù)為得到合理的解需引入三個(gè)參數(shù)，它們需滿足的條件：n = 1，2，3 （正整數(shù)）l = 0，1，2，n-1m = 0，1，2，l 通過(guò)一組特定的n，l，m值就可得到相應(yīng)的波函數(shù)(r,) n，l，m ，并求出相應(yīng)的能量值E 。 例如，對(duì)氫原子 1，0，0 ，

18、2，0，0 ，2，1，0 l = 0 s 態(tài)l = 1 p 態(tài)l = 2 d 態(tài)l = 3 f 態(tài)l = 4 g 態(tài)其他41氫原子和類氫離子幾個(gè)波函數(shù) ( a0 = Bohr 半徑)423、波函數(shù)和原子軌道波函數(shù)是描述核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)式，又是空間坐標(biāo)(r,)的函數(shù)，其空間圖象可理解為電子運(yùn)動(dòng)的空間范圍，因此把n，l，m稱為原子軌道函數(shù)，俗稱“原子軌道”。 波函數(shù) 即原子軌道（兩者是同義語(yǔ)），指電子的一種空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或者電子在核外運(yùn)動(dòng)的空間范圍。 可用一組量子數(shù)n，l，m描述，每個(gè)確定的 表示電子的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。例如， 1，0，0 即 1s 稱為1s 軌道 2，0，0 即 2s 稱為2

19、s 軌道 2，1，0 即 稱為2pz 軌道 在量子力學(xué)中，把三個(gè)量子數(shù)都有確定值的波函數(shù)稱為一個(gè)原子軌道?？偨Y(jié)43綜上所述：是描述核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)式； 在量子力學(xué)中把每一個(gè)這種波函數(shù)稱為原子軌道； 它代表原子中核外電子的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)； 每一種原子軌道即每一個(gè)都有與之對(duì)應(yīng)的E。Schrdinger方程的物理意義： 對(duì)一個(gè)質(zhì)量為m，在勢(shì)能為V 的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的微粒(如電子)來(lái)說(shuō)，方程的每一個(gè)特定的解 (r,) n，l，m 表示原子中電子的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，與 相應(yīng)的常數(shù) E 即為該狀態(tài)的能量。理解44 根據(jù)量子力學(xué)理論，電子不是沿著固定軌道繞核旋轉(zhuǎn)，而是在原子核周?chē)目臻g很快地運(yùn)動(dòng)著。因此，我

20、們不能肯定電子在某一瞬間在空間的什么位置上。但這并不是說(shuō)電子運(yùn)動(dòng)沒(méi)有規(guī)律性，大量電子的運(yùn)動(dòng)或一個(gè)電子的千百萬(wàn)次運(yùn)動(dòng)具有一定的規(guī)律性?？梢越y(tǒng)計(jì)的方法推算出電子在空間出現(xiàn)的幾率大小。電子運(yùn)動(dòng)具有一定的幾率分布規(guī)律。END45幾率(概率)電子在核外空間某一區(qū)域出現(xiàn)的機(jī)會(huì) 表示：電子在核外空間某處單位微體積內(nèi)出現(xiàn) 的幾率 即幾率密度(概率密度)幾率 = 幾率密度體積電子云以小黑點(diǎn)疏密描述電子在核外出現(xiàn)的幾率密度分布的空間圖象。是電子在核外空間出現(xiàn)的幾率密度大小的形象化描述s電子云：球形對(duì)稱p電子云：無(wú)柄啞鈴形，px py pzd電子云：花瓣形，8.1.4 幾率密度和電子云表示方法由波函數(shù)描述的波為幾率

21、波，波的強(qiáng)度與幾率密度成正比1s電子云46ns電子云的空間分布圖2p電子云的空間分布圖47幾率密度分布的幾種表示方法(c) 等幾率面的空間圖象481.徑向分布函數(shù)D(r)：空間微體積問(wèn)D(r)與2 的圖形有何區(qū)別?8.1.5 波函數(shù)的空間圖象？rr+dr則單位厚度球殼內(nèi)的幾率在球殼內(nèi)的發(fā)現(xiàn)電子的幾率：49半徑為 r 的單位厚度球殼內(nèi)發(fā)現(xiàn)電子的幾率;幾率密度,指在核外空間某點(diǎn)附近單位體積內(nèi)發(fā)現(xiàn)電子的幾率.(2) 由圖可知,1s的徑向分布曲線有一個(gè)大幾率峰, 對(duì)H, （為什么?）其它狀態(tài):2s 2個(gè)峰2p 1個(gè)峰3s 2個(gè)峰3p 2個(gè)峰3d 2個(gè)峰幾率最大峰半徑相似幾率最大峰半徑相似規(guī)律：(n-l

22、)個(gè)峰，n相同，主峰半徑相近,可見(jiàn)電子分層分布.END50節(jié)面峰數(shù)=nl角度分布51+30602.角度分布(1)原子軌道的角度分布其它52(2)電子云的角度分布圖態(tài)兩者的區(qū)別？53(3) 3d態(tài)：n=3, l=2, m=0,四個(gè)量子數(shù)54 主量子數(shù) n (principal quantum number) 磁量子數(shù) m (magnetic quantum number) 自旋量子數(shù) ms(spin quantum number) 角量子數(shù)(azimuthal quantum number) n=1, 2, 3,8.1.6 四個(gè)量子數(shù)END55與電子能量有關(guān)，是決定能量大小的主要因素;對(duì)于氫原子

23、，電子能量唯一決定于n；不同的n 值，對(duì)應(yīng)于不同的電子層：主量子數(shù)n：取值 K L M N O軌道能量是量子化的 核外電子按能級(jí)高低分層分布不同能級(jí)的層次稱為電子層n 描述電子層能級(jí)高低次序和離核遠(yuǎn)近的參數(shù)電子層是按電子出現(xiàn)幾率較大區(qū)域離核遠(yuǎn)近劃分的。角量子數(shù)56角量子數(shù)l ：(副量子數(shù)) l 的取值 0，1，2，3n1 對(duì)應(yīng)著 s, p, d, f. (亞層) l 決定了的角度函數(shù)的形狀。 描述原子軌道或電子云的形狀. l 表示同一層中具有不同狀態(tài)的分層或稱亞層n=1， l =0， 1sn=2， l =0，1， 2s，2pn=3， l =0，1，2 3s，3p，3dn=4， l =0，1，2

24、，3 4s，4p，4d，4f57 對(duì)單電子原子或離子，E只與n有關(guān)如對(duì)H原子，（ l 相同時(shí)n則E）對(duì)多電子原子，（n相同時(shí) l則E）所以 l 與多電子原子的能量有關(guān)磁量子數(shù)m：同一亞層中還包含若干個(gè)空間伸展方向不同的原子軌道m(xù)描述原子軌道或電子云在空間的伸展方向m可取 0，1, 2l ； 有（2 l+1）個(gè)m值列表58m與E無(wú)關(guān),同一亞層中原子軌道能量相等；能量相等的軌道等價(jià)軌道或簡(jiǎn)并軌道。簡(jiǎn)并軌道的數(shù)目稱為簡(jiǎn)并度（2l+1）線狀光譜分裂的原因： 在外加磁場(chǎng)作用下，由于伸展方向不同，角動(dòng)量在外加磁場(chǎng)方向上的分量大小不 同，而顯示微小的能量差別。ms59自旋量子數(shù)ms：描述電子的自旋運(yùn)動(dòng)；取值

25、：表示： “” ， “”示順時(shí)針 或 逆時(shí)針歸納 在應(yīng)用高分辨率光譜儀觀察氫原子光譜時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)，氫原子在無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)，電子由2p能級(jí)躍遷到1s能級(jí)時(shí)得到的不是1條譜線，而是靠得很近的2條譜線。 1925年, 人們?yōu)榻忉尨爽F(xiàn)象沿用舊量子論中習(xí)慣名詞提出電子有自旋運(yùn)動(dòng)的假設(shè)，引出了第四個(gè)量子數(shù)，稱為自旋量子數(shù)。須指出，電子自旋并非真像地球繞軸自旋一樣，它只是表示電子的兩種不同狀態(tài)考慮自旋后，由于自旋磁矩和軌道磁矩相互作用分裂成兩個(gè)相隔很近的2p 能級(jí)，因此2p與1s間的躍遷可得兩條很接近的譜線60 n, l, m 一定，軌道也確定 l 0 1 2 3 軌道 s p d f 例如: n =2， l

26、=0， m =0， 2s n =3， l =1， m =0， 3pz n =3， l =2， m =0， 3dz2思考：當(dāng)n為3時(shí), l ,m 分別可以取何值？軌道的名稱? 綜上所述，原子中每個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用四個(gè)量 子數(shù)n, l, m，ms來(lái)描述，四個(gè)量子數(shù)確定后，電子的核外空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就確定了。小結(jié)61小結(jié)(1)：四個(gè)量 子數(shù)n, l, m，ms可規(guī)定每個(gè)原子中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。主量子數(shù)n決定電子的能量和電子離核的遠(yuǎn)近。角量子數(shù)l決定電子軌道的形狀，在多電子原子中也影響電子的能量。磁量子數(shù)m決定原子軌道或電子云的伸展方向。自旋量子數(shù)ms決定電子自旋的方向。62本節(jié)內(nèi)容小結(jié)(2)：由于電子具

27、有波粒二象性，又表現(xiàn)出量子化特征，所以核外電子運(yùn)動(dòng)沒(méi)有固定的軌道，但具有按幾率分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性；可用Schrdinger方程描述電子的運(yùn)動(dòng)；波函數(shù)是描述核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，滿足一定條件的方程的每一個(gè)合理的解就表示電子某一可能的穩(wěn)定狀態(tài)；也稱原子軌道或原子軌函或軌道函數(shù)原子軌道的空間圖象，以的角度分布圖作為近似描述；以 的空間圖象電子云表示電子在核外空間出現(xiàn)的 幾率密度；以四個(gè)量子數(shù)來(lái)確定核外每一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。END638.2.1 多電子原子軌道能級(jí)8.2 多電子原子結(jié)構(gòu)8.2.2 核外電子排布64軌道：與氫原子類似，其電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 可描述為1s, 2s, 2px, 2py, 2p

28、z, 3s能量：與氫原子不同, 能量不僅與n有關(guān), 也與l有關(guān); 在外加磁場(chǎng)的作用下, 還 與m有關(guān)。8.2.1 多電子原子軌道能級(jí)Pauling近似能級(jí)圖651.Pauling近似能級(jí)圖特點(diǎn)66特點(diǎn)：近似能級(jí)圖是按原子軌道能量高低排列的； 能量相近的能級(jí)劃分為一組稱為能級(jí)組； 通常有7個(gè)能級(jí)組；能量相同的狀態(tài)叫簡(jiǎn)并狀態(tài) p 軌道為三重簡(jiǎn)并；d 軌道為五重簡(jiǎn)并；f 軌道為七重簡(jiǎn)并； l 相同，n 不同時(shí)，n則E n相同， l 不同時(shí)，l則E，即發(fā)生能級(jí)分裂； n 不同， l 不同時(shí)較復(fù)雜，可能出現(xiàn)能級(jí)交錯(cuò)。圖67屏蔽效應(yīng)682.屏蔽效應(yīng) 對(duì)單電子原子，如H，Z=1，核外只有一個(gè)電子， E 只與

29、 n 有關(guān)； 對(duì)多電子原子，一個(gè)電子不僅受到原子核的吸引，而且還受到其它電子的斥力，尤如核電荷數(shù)減少了個(gè)；Z= Z*， Z* 有效核電荷數(shù)， 屏蔽常數(shù)屏蔽效應(yīng)：多電子原子中由于其它電子對(duì)某一電子的排斥作用而抵消了部分核電荷，使有效核電荷 降低，核對(duì)該電子的吸引力被削弱的作用稱為屏蔽作用或屏蔽效應(yīng)。Z* =Z屏蔽作用大小69 各電子層屏蔽作用大小：KLMN 離核越近的電子對(duì)外層電子的屏蔽作用越大;l 同n不同時(shí),1s2s3s; 2p3p4p同一內(nèi)層電子對(duì)d、f 電子的屏蔽作用大， 而對(duì)s、p電子的??；當(dāng)屏蔽電子數(shù)越多或被屏蔽電子離核越遠(yuǎn)時(shí)， 值越大。n 相同時(shí)，為什么其它電子對(duì)l 越大的電子屏蔽

30、作用越大？鉆穿效應(yīng)用Slater規(guī)則近似求算屏蔽常數(shù)。70屏蔽常數(shù)的計(jì)算方法 Slater規(guī)則：(1s),(2s,2p),(3s,3p),(3d),(4s,4p),(4d),(5s,5p)處于被屏蔽電子右側(cè)的各組對(duì)被屏蔽電子的=0如被屏蔽電子為(ns,np)組中的電子，則同組每個(gè)其他電子對(duì)此電子的=0.35(同組為1s時(shí)=0.30)，(n-1)電子層中每個(gè)電子對(duì)此電子的=0.85，(n-2)以及更內(nèi)層電子的=1.00被屏蔽電子為(nd)或(nf)組中的電子，則同組每個(gè)其他電子對(duì)此電子的=0.35，所有左側(cè)各組中每個(gè)電子對(duì)此電子的=1.00計(jì)算原子中某電子的值，可將有關(guān)屏蔽電子對(duì)該電子的值相加：

31、 = 1+ 2+ 3+Slater根據(jù)光譜實(shí)驗(yàn)資料提出以下計(jì)算屏蔽常數(shù)的近似規(guī)則。利用這個(gè)規(guī)則可以粗略地估計(jì)電子在不同軌道上的能量。將原子的電子層結(jié)構(gòu)用括號(hào)分成下列小組：71鉆穿作用：外層電子鉆到原子內(nèi)部空間而靠近原子核的現(xiàn)象。2s,2p軌道的徑向分布圖3d 與 4s軌道的徑向分布圖3.鉆穿效應(yīng)鉆穿效應(yīng) 72鉆穿效應(yīng) 外層電子鉆到內(nèi)層空間靠近原子核，受到 原子核較強(qiáng)吸引,使能量降低的作用。 電子的鉆穿效應(yīng)越大，更能回避其它電子的屏蔽作用，受到核的吸引力越強(qiáng)，因而能量越低。n 相同， l 不同時(shí)，鉆穿效應(yīng) ns np nd nf( 解釋能級(jí)分裂)解釋能級(jí)交錯(cuò)Cotton734.Cotton原子軌

32、道能級(jí)圖 n 相同的氫原子軌道的簡(jiǎn)并性。原子軌道的能量隨原子序數(shù)的增大而降低。隨著原子序數(shù)的增大，原子軌道產(chǎn)生能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象。核外電子排布174核外電子分布三規(guī)則： 最低能量原理 電子在核外排列應(yīng)盡先分布在低能級(jí)軌道上, 使整個(gè)原子系統(tǒng)能量最 低。 Pauli不相容原理 每個(gè)原子軌道中最多容納兩個(gè)自旋方式相反的電子。(即在同一個(gè)原子中沒(méi)有四個(gè)量子數(shù)完全對(duì)應(yīng)相同的電子) Hund 規(guī)則 在 n 和 l 相同的軌道上分布的電子,將盡可能分占 m 值不同的軌道, 且自旋平行。8.2.2 核外電子排布說(shuō)明75 s p d f 原子軌道數(shù) 1 3 5 7 (2l+1) 最多電子數(shù) 2 6 10 14每一種

33、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)只能有一個(gè)電子;2）每個(gè)軌道最多能容納兩個(gè)自旋相反的電子;3）每個(gè)電子層中原子軌道的總數(shù) n24）每個(gè)電子層中電子的最大容量 2n276半滿全滿規(guī)則：當(dāng)軌道處于全滿、半滿時(shí)，原子較穩(wěn)定。Z = 26 Fe：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 N：1s2 2s2 2p3Ar稱為原子芯練例如, C Z=6軌道表示式：1s2s2p電子結(jié)構(gòu)式或電子排布式電子構(gòu)型的書(shū)寫(xiě)方式：774s3d決定基態(tài)中性原子或離子的核外電子排布時(shí)，最根本的是考慮整個(gè)原子或離子在哪一種狀態(tài)能量最低，而不是任何情況只看軌道的能量高低。 78運(yùn)用三原則討論核外電子排布NeNaKBrCr歸納79量子數(shù)，電

34、子層，電子亞層之間的關(guān)系每個(gè)亞層中軌道數(shù)目1 3 5 72 6 10 142 8 18 2n2每個(gè)亞層最多容納電子數(shù)每個(gè)電子層最多 容納的電子數(shù)主量子數(shù) n 1 2 3 4電子層 K L M N角量子數(shù) l 0 1 2 3電子亞層 s p d f元素周期律808.3.1 原子的電子層結(jié)構(gòu)和 元素周期系8.3 元素周期律8.3.2 元素性質(zhì)的周期性818.3.1 原子的電子層結(jié)構(gòu)和元素周期系82元素周期表(長(zhǎng)表)：周期(號(hào))數(shù) = 電子層數(shù)。各周期元素的數(shù)目=最高能級(jí)組中原子軌道所能容納的電子總數(shù)。周期的劃分原子的電子層結(jié)構(gòu)： 根據(jù)核外電子排布三原則和光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得周期系中各元素原子的電子層

35、結(jié)構(gòu)。831、周期的劃分根據(jù)原子的電子層結(jié)構(gòu)劃分為七個(gè)周期周期名稱周期數(shù)元素?cái)?shù)目最高能級(jí)組原子軌道電子最大容量特短周期121s2短周期282s2p8383s3p8長(zhǎng)周期4184s3d4p185185s4d5p18特長(zhǎng)周期6326s4f5d6p32未完成周期723(未滿)7s5f6d7p3284預(yù)計(jì)第8、9周期有多少種元素？周期與能級(jí)組的關(guān)系：元素周期的劃分實(shí)質(zhì)上是按原子結(jié)構(gòu)中能級(jí)組高 低順序劃分的；元素所在周期數(shù)=原子外層電子所處最高能級(jí)組數(shù)=電子層數(shù)各周期元素?cái)?shù)目=最高能級(jí)組內(nèi)軌道所能容納的電子總數(shù)原子中外層電子每進(jìn)入一個(gè)新的能級(jí)組，周期表就出現(xiàn)一 個(gè)新周期；而外層電子填滿一個(gè)能級(jí)組就完成一

36、個(gè)周期； 每一能級(jí)組中的電子填充都從ns1開(kāi)始np6結(jié)束 堿金屬稀有氣體由此證明， 電子的周期性排布元素性質(zhì)的周期性變化 （電子層結(jié)構(gòu)的周期性）族的劃分85周期與能級(jí)組的關(guān)系：族的劃分862、族的劃分主族（A）：原子中最后一個(gè)電子填入的亞層為s或p 包含短周期的族：A、A、A、A,零族 族數(shù)=原子最外層電子數(shù)A ns1A ns2A ns2np5副族（B）：原子最后填入電子的亞層為d 或 f 不包含短周期的族：B、B、B、和B B 族數(shù)=ns電子+(n-1)d電子數(shù) 如CrB、B 族數(shù)= ns電子數(shù) ns電子+ (n-1)d電子數(shù)之和=810 過(guò)渡元素長(zhǎng)周期表劃分為16個(gè)族 18個(gè)縱行7個(gè)主族7

37、個(gè)副族零族(A)族(B)區(qū)87s 區(qū)ns12 最后一個(gè)電子s p 區(qū)ns2np16 最后一個(gè)電子p d 區(qū)(n1)d19ns12 (Pd無(wú)s電子) 最后一個(gè)電子dds區(qū)(n1)d10ns12 最后一個(gè)電子s或df 區(qū)(n2)f114(n1)d02ns2 最后一個(gè)電子f3、區(qū)的劃分例88掌握 周期表中的位置 原子的電子層結(jié)構(gòu)例3-3已知 Z=25，寫(xiě)出原子的電子結(jié)構(gòu)式、名稱、符號(hào)及 所屬的周期和族。解：電子結(jié)構(gòu)式 名稱 錳 元素符號(hào) Mn 屬d區(qū)元素、位于第四周期、第B族例3-3已知某元素在周期表中位于第五周期、A族，試寫(xiě)出 該元素的基態(tài)原子的電子排布式、元素名稱、符號(hào)和 原子序數(shù)。解：電子排布

38、式 元素名稱 碲 元素符號(hào) Te 原子序數(shù) 52練89練習(xí)1已知某元素處于周期表中第四周期、A族，試寫(xiě)出 該元素原子的電子排布式、原子的核電荷數(shù)和名稱。練習(xí)2已知某元素原子序數(shù)為26，試指出它在周期表中的位 置、名稱和元素符號(hào)。位于第四周期、族、d區(qū) 元素周期律90元素周期律：元素以及由它形成的單質(zhì)和化合物的性質(zhì)，隨著元素的原子序數(shù)(核電荷數(shù))的依次遞增，呈現(xiàn)周期性的變化。1.原子半徑（r）8.3.2 元素性質(zhì)的周期性 原子核的周?chē)请娮釉疲鼈儧](méi)有確定的邊界。一般所謂原子半徑是指形成共價(jià)鍵或金屬鍵時(shí)原子間接觸所顯示的半徑。 91示意圖 共價(jià)半徑：同種元素原子，形成共價(jià)單鍵時(shí)，兩原子核間距的一半。 van der Waals 半徑 ：分子晶體中，原子以范德華力作用時(shí)，兩相鄰原子核間距的一半。 金屬半徑：金屬晶體中，兩相鄰原子核間距的一半。主族元素：同一周期從左到右,隨Z,Z, r 減??； 同一族從上到下,隨Z,電子層數(shù), r 增大。過(guò)渡元素：同一周期從左到右, r 緩慢減小； 同一族從上到下，r增加幅度很小,甚至相等. d（核間距）92主族元素示意圖93 元素的原子半徑變化趨勢(shì)鑭系收縮94 鑭系元素從左到右，原子半徑減小幅度更小，這是由于新增加的電子