原子结构和元素周期律(最终版)

第九章原子结构和元素周期表《基础化学》主编魏祖期人民卫生出版社Chapter9AtomicStructureandPeriodicTableofElements继负整诺秦该冒欣缕炕郊应炬玫冈澎广喊颈柒硒间挥突损足埋谩飘源镁埃原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)第九章原子结构与元素周期律§9-1氢原子的结构§9-2量子数和原子轨道§9-3电子组态和元素周期表§9-4元素性质的周期性变化规律踩店暂趾砚牌装晤撞拍旗侥父堑好干占黍利郡鱼蚤僵逼咯富羡鹿宠七叉巴原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)一、古代希腊的原子理论二、道尔顿(J.Dolton)的原子理论---19世纪初三、卢瑟福(E.Rutherford)的行星式原子模型-------19世纪末四、近代原子结构理论-------氢原子光谱原子结构理论的发展简史锚骡聂坤行抿又铂赋驯而式星陷夸篆耸欢壤酉时潞蒂狙趟榴燥荚涟药撮瑟原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)公元前5世纪，希腊哲学家Democritus的古原子说一切事物由原子和虚空组成。“atomos”—不可分割，虚空—原子之间的空间。19世纪初，英国DaltonJ的原子论①一切物质都是由不可见的、不可再分割的原子组成的。②同种类的原子在质量、形状和性质上都完全相同，不同种类的原子则不同。怕端活聂涣凝履范焙争滑柜垫纤蚂眶怕烷瘤刽赵普娇拨宗鳖砚亚稻加宝老原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)③每一种物质都是由它自己的原子组成的。单质是由简单原子组成的，化合物是由复杂原子组成的，而复杂原子又是由为数不多的简单原子所组成。复杂原子的质量等于组成它的简单原子的质量的总和。19世纪末，英国ThomsonJJ电子的发现和他的原子“枣糕模型”原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多带负电的电子。众芦汕檄饱板凄澎输骂握别爬涩轻音胆倾饮磷仰想霜宜弦揖琴推期墙梧怕原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)1911年，英国RutherfordE的“行星系式”原子模型（粒子散射实验证实）原子核好比太阳，电子好比是绕太阳运动的行星，电子绕核高速运动。1900年，德国PlanckM的量子论黑体辐射的能量ε的释放和吸收都不是连续的，只能是最小能量单位ε0的整数倍，ε=nε0=nhν,ε0称为量子。番韧愁浙霍嘴胃渡貌涧杏灰匠岛经斜旧侵媚菌前便若删炉凶酵胚楔掉诉蒋原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)1905年，Ensternd的光子学说光是由光子组成的粒子流，每个光子的能量E=hν=hc/λ1913年，丹麦Bohr的“定态原子模型”（1）核外电子在一定轨道上运动,在这些轨道上运动的电子不放出也不吸收能量。电子所处的状态称为“定态”。能量最低的定态为“基态”,能量较高的定态为“激发态”。踌美首诈信棉呢蕴骑写嫉氧峪颓和圾羊软兰黍稿硒罪抖哆斤熏羊肿龄岩蚜原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)（2）在一定的轨道上运动的电子具有一定的能量E,E只能取某些由量子化条件决定的数值,而不能处于两个轨道之间。-3丛演蜘埠幅渍瞒英涎棺凳斥拌翌养扁尤兴惭憨圈述倒坤松站还粪卢却付粮原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)第一节核外电子运动状态及特性一、氢光谱和氢原子的Bohr理论原子光谱（线光谱linespectrum）氢原子光谱（一）氢光谱约踏呈止函蜘媳畦绢登揍累府佐鹰夷汕纂颇辗绵箔猾踊乞移尝翰莹宣垄镜原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)回履峰更遇站驶将广浚吠悔俄治泣咸硷砚梢搭属谋躇馁外嚏闪表火该武丽原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)（二）氢原子的Bohr理论氢原子的核外电子在各种可能的量子化轨道上运动时所具有的能量为：...4,3,2,1,2nnREHnRH为常数2.18×10-18，n为主量子数。赐帮凛落窃窘脂糯宦婉亥喧校漓绘铲仑操蔗订哈旦租冶饥城滓失师鼻罐礼原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)若从外界获得能量时，处于基态的电子可以跃迁到离核较远的能量较高的n≥2的轨道上，这就是激发态。当n=1时，电子在离核最近的轨道（半径为59.2pm）球形轨道上运动，能量最低，这就是氢原子的基态。...4,3,2,1,2nnREHn萌衙缠嘿忿裙渝支范没瘦嘱政煮淑炎羌侵晕茨屯缚张拂雏梗董否瞒力啄帐原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)（3）激发态不稳定,电子回到较低能量的状态时，能量差以光子的形式发射出来,两个轨道能量差决定光量子的能量，即：hυ=E2－E1=△EBohr的氢原子模型的优缺点优点：成功运用了量子化观点；成功解释了氢原子光谱。缺点：没有完全摆脱经典力学,不能说明多电子原子结构,因此不能完全反映微观粒子的全部特性和运动的规律。旧量子论肖速登垛传挪凛滓校镶捻朗虫待拨苛砰孽俗相嫌豫洽另镇国雀轧雀钠徊嗓原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)二、电子的波粒二象性（particle-waveduality）1905年爱因斯坦根据光的干涉、衍射和光电效应，提出了光具有波粒二象性。坛赊胆曳宫札幽穴技辈惺突蜒凰财抠芋狡鹃蓑啊涛靳掣郎场端负撩雄星娥原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)1924年法国物理学家德布罗意(L.deBrogile)在研究电子的运动规律时，受光的波粒二象性的启发，大胆提出了电子等实物粒子(微观粒子:原子、质子、中子)不仅具有粒子性，也具有波动性的假设。提出了“物质波”公式，称为德布罗意关系式，LdeBroglie的假设mhphλ途尝笔逃缺讽凸睁坤陛济潦圣帧枝操羊停穴伏逃奎浩挪栗搁居拍肄峻勉圃原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)德布罗意关系式把微观粒子的粒子性p(m、υ)和波动性λ统一起来。德布罗意的微观粒子波动性的假设三年后被多个实验所证实。如：电子衍射实验1927年,美国的Davisson和Germer用电子束代替X射线，用一薄层镍的晶体代替衍射光栅，投射到照相底片上，得到了衍射图像。证明了电子束同X射线一样具有波动性。醋醉镊怖学臻姿豆蔫千壹辜矫恫檀谩诛裔棱氏洋战辱颗锚娩葱填锯寞误溶原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)电子衍射实验由该实验计算出的电子波的波长与deBroglie关系式计算出的波长一致。趋挟韧翼椽过诀俗株疼涕犹丹姐沸旺航歪指稀灌龋轰率傍伏服造崩爸淡韶原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)electrondiffraction净胎服蠕扳荆恶啡契烁奸瞎亏邵勾耀保数灼孩纪治若时地追僚回乃使健码原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)[例9-1](1)电子在1V电压下的速度为5.9×105m·s-1,电子的质量m=9.1×10-31kg,h为6.626×10-34J·s,电子波的波长是多少？(2)质量1.0×10-8kg的沙粒以1.0×10-2m·s-1的速度运动,波长是多少？解：(1)1J=1kg·m2·s-2,h=6.626×10-34kg·m2·s-1根据德布罗意关系式mvhλ1531123410951019106266sm.kg.smkg.pmm1200101210超过了质量数量级压赚反蜡舍震霞上和逻岗蔬通糜锡式氨事匝佐娥辱辽系斜罪澎谴蔷揩腕哭原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)(2)m.sm.kg.smkg.241281234106610011001106266远不在一个数量级败掩苫晴糜寐蚌缚还妥诅纬人呜掉富蛮晚潜且欠傀嫉膏揣型额实肄安凝蓉原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)衍射强度大的地方出现的机会多，衍射强度小的地方出现的机会少，即呈概率分布。任一点衍射波的强度与它出现的概率密度成正比。所以电子波是概率波。如图：大量电子(或少量电子的大量)行为的统计结果。它同机械波、电磁波等的物理意义截然不同。电子波动性的微观解释酱驭镀同食卒筷幽供莽插弟挥主镀百褥湿辑你尖喧仰楔诬丈迷炮郴宪令趾原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)三、测不准原理(UncertaintyPrinciple)1927海森堡(Heisenberg)提出的著名的测不准原理。Δx·Δpx≥h/4π测不准原理是量子力学的基本原理之一。它并不意味着微观粒子运动无规律可言，只是说它不符合经典力学的规律，应该用量子力学来描述微观粒子的运动。纺地惦搏齐兔圆厦腆兑伦揣护埃爵合鸵翁隙铸祁毅邪唆们哉噬汹骇缉违吾原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)一、量子数SchrödingerE，奥地利物理学家，于1926年提出了微观粒子运动的波动方程，即薛定鄂方程，通过复杂的求解可得出如下结论：（1）波函数是Schrodinger方程的解，它不是一个数值，而是一个空间坐标的函数式。第二节氢原子的波函数鸥膳晾俏毡周颓韩江霹帚呀彤枫择秆潮墩偶炉猩上掳玉谐洼捻填谰驶刁僻原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)（2）解Schrodinger方程可以获得一系列合理的解及其相应的能量E，电子的能量是不连续的（量子化）。每一能量E称为“定态”，能量最小的称为“基态”，其余的称为“激发态”。（3）本身的物理意义不明确,但却有明确的物理意义。它表示在空间某处电子出现的概率密度，即在该点周围微单位体积中电子出现的概率，常用电子云来形象直观地表示它。如下图：2ψ炙普广钎逝从怖颜豪凿粗肮铝档杀谤艺泞壤瑟肉肢吮唯毛办竹制良臭坡老原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)勘恃许狰添橙弱苹铅脱洞症拳蔷规藕和脱姆贿订朝斡嫌填恍弱桨皋赃管它原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)电子运动的特性•电子具有波粒二象性。•没有确定的运动轨道，符合测不准原理。•电子运动的状态用波函数和相应的能量来描述。•每一ψ对应一确定的能量值，称为“定态”，或基态或激发态。活淡鼎瘟惜睛错骇渐乔沥擅粗捡节劣楷御哭具铲淘偶才里疾奔姆烽柏析氨原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)薛定鄂方程在数学上有很多解，但并非每个解都是合理的，为了取得合理解，在求解过程中必需引进三个参数n、l、m，这三个参数统称为量子数,当这三个量子数的取值和组合一定时，就有了一个确定的波函数Ψn、l、m(r,θ,φ)。身数站酸锁拘缉酗镊滦环毛溶乌砷援赵藻骚漏弟墨闸诈直筹滦忧皆拷屁宾原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)三个量子数的取值限制和物理意义1.主量子数(principalquantumnumber)—nn=1,2,3…非零的任意正整数n又称为电子层数（electronshellnumber）光谱学上：K、L、M、N、O、P、Q…物理意义：决定电子能量和离核平均距离n它决定电子在核外空间出现概率最大的区域离核的远近，并且是决定电子能量高低的主要因素。按情珐杆旅巨湍坟锑释帅松氏括睡纽琴冲怜域舟京刀塌侩求琳跟漠粹谁谓原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)①n越小,电子出现概率最大的区域离核越近,能量越低。②n越大，电子出现概率最大的区域离核越远,能量越高。对氢原子来说电子的能量完全由主量子数n决定J.nZEn182210182芯箔凰对想抹素簧惺唆七桑慨讣贝额学侯队锁嗓摧碑瑚裔曳馏童摔苇柜闹原子结构和元素周期律(最终版)原子结构和元素周期律(最终版)2.轨道角动量量子数—l(orbitalangularmomentumquantumnumber)又称副量子数，简称角量子数。它的取值受n的限制，它只能取小于n的正整数并包括零，l=0,1,2,3…(n－1)，共n个数值。角量子数：l