电子在原子轨道中的排布

1第二章原子结构与元素周期系一、近代原子理论的发展二、微观粒子的运动特征三、核外电子运动的描述1、波函数与原子轨道2、四个量子数3、原子轨道的图形4、电子云和概率密度四、核外电子的排布1、基本原则2、原子轨道能级的顺序3、原子中电子的实际排布4、原子的电子排布和元素周期系五、元素性质的周期性变化2重点和难点:一、核外电子运动的描述：1、波函数与原子轨道2、四个量子数3、原子轨道的图形4、电子云和概率密度二、核外电子的排布的基本原则，原子轨道能级的顺序和原子的电子排布和元素周期系。3一、近代原子结构理论的发展物质的性质决定于物质的组成和结构。近代原子结构量子力学模型理论的建立，大体上经历了以下四个重要阶段：道尔顿“原子说”、汤姆逊发现带负电荷的原子、卢瑟福“天体行星模型”、玻尔原子模型。4道尔顿：“原子说”1803年，英国的一所教会学校教师道尔顿（J．Dalton）建立了“原子说”，认为一切物质都是由不可再分割的原子组成。5汤姆逊发现电子的存在1897年，英国物理学家汤姆逊（J．J．Thomson）通过阴极射线向着静电计的电极偏转时，发现了带有负电荷的电子，从而打破了原子不可分割的观点。人们对物质结构的认识开始进入了一个重要发展阶段。原子内正电荷均匀分布负电荷包罗于正电荷由此提出原子的西瓜模型——认为电子处于在带正电荷的球内。6卢瑟福的“天体行星模型”1911年，英国物理学家卢瑟福（E．Rutherford）借助一个放射源，用α粒子轰击金箔的散射实验，发现了原子核，从而提出了最早的原子结构模型，即“天体行星模型”。在这个模型中，把微观的原子看成是“太阳系”，带正电的原子核好比“太阳”，把电子描述为在绕核的固定轨道上运动，就象行星绕着太阳运动一样。7考察粒子在金箔上的散射。发现大多数粒子未偏转。一部分粒子偏转。sourcedeflectedundeflectedreflected卢瑟福的粒子散射实验：结论：原子是由带正电的原子核和一定数目绕核运动的电子构成。8卢瑟福的“天体行星模型”：在这个模型中，把微观的原子看成是“太阳系”，带正电的原子核好比“太阳”，把电子描述为在绕核的固定轨道上运动，就象行星绕着太阳运动一样。9卢瑟福的含核原子模型为近代原子结构理论的研究奠定了基础，并在1908年获得诺贝尔化学奖。但这个模型不能说明原子核中的正电荷数，以及任何原子可以发射出频率不连续的线状光谱这一事实。10玻尔原子模型1913年，年轻的丹麦物理学家玻尔（N.bohr）在研究氢原子光谱产生的原因时，借助于经典力学的基本理论，吸收了普朗克量子论和爱因斯坦光子学的理论建立了玻尔原子模型，取代了卢瑟福的“天体行星模型”。11玻尔原子模型12玻尔成功的解释了氢原子光谱的产生，并把宏观的光谱现象和微观的原子内部电子分层结构联系起来，推动了化学学科的进一步发展。玻尔原子模型成功地解释了氢原子的线状光谱，但仍无法解释电子的波粒二象性所产生的电子衍射实验结果以及多电子体系的光谱。像电子这样的微观粒子不能用经典力学来描述，它必将被新的原子结构模型所取代。1320世纪20年代，随着科学技术的发展，用量子力学来描述微观粒子具有量子化特性和波粒二象性得到了满意的结果，从而建立了近代原子结构的量子力学模型理论，不可否认，卢瑟福的天体行星模型和玻尔原子模型对原子结构理论的发展作出了重要贡献。14二、微观粒子的运动特征1、微观粒子的界定：微观粒子是指质量轻、体积小，其运动规律不符合宏观物体经典力学运动规律的微粒。如原子和电子等。152、微观粒子的运动特征：量子化特征、波粒二象性及统计特性结论：微观粒子并不遵循经典物理学的规则，而是遵循量子力学的规则。16A、量子化特征微观粒子运动遵循量子力学规律，与经典力学运动规律不同的重要特征是“量子化（quantized）”。“量子化”是指微观粒子的运动以及运动过程中能量的变化是不连续的，而是以某一最小量为单位呈现跳跃式的变化。跳跃式的概念其实就是后来的原子轨道。17“量子化”这一重要概念是普朗克（Plank）于1900年首先提出的。他根据黑体辐射实验的结果，提出能量的传递与变化是不连续的，是量子化的这一大胆假说。这是与传统的物理学观念相背的、革命性科学假说，后来发展为量子论，是现代量子力学发展的开端，是科学发展史上具有划时代意义的里程碑之一。18普朗克把能量的最小单位称为能量子，简称量子。以光或辐射形式传递的能量子具有的能量E与辐射的频率成正比：式中，h＝6.626×10-34J·s，称为普朗克常数。Eh19原子光谱是分立的线光谱而不是连续光谱的事实，是微观粒子运动呈现“量子化”特征的一个很好的证据。按照经典电磁学理论，原子中的电子在环绕原子核不断高速运动时，会不断地对外辐射出电磁波，而辐射的电磁波波长应不断逐渐增长。据此推断，原子的发射光谱应为一连续光谱。然而，实验事实表明，原子光谱是分立的线光谱。20光谱是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和粉红色。21光谱的分类连续光谱连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱。炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。例如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。22带状光谱（分立光谱）----原子光谱观察固态或液态物质的原子光谱，可以把它们放到煤气灯的火焰或电弧中去烧，使它们气化后发光，就可以从分光镜中看到它们的明线光谱。实验证明，原子不同，发射的明线光谱也不同，每种元素的原子都有一定的明线光谱。彩图7就是几种元素的明线光谱。每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此，明线光谱的谱线叫做原子的特征谱线。利用原子的特征谱线可以鉴别物质和研究原子的结构。23由图可见，氢原子光谱的谱线的波长不是任意的，其相应的谱线频率也是特定的，各谱线的频率是不连续的，而是跳跃式变化的。氢原子光谱的谱线系24波尔原子模型要点：卢瑟福模型＋量子化条件ao基态激发态1、原子核外的电子只能在一些特定的轨道上运动，每一个轨道都有特定的能量，称为能级。电子运动的轨道是不连续的，是以核为圆心的不同半径的同心圆。252、在波尔轨道（即符合量子化条件导出的轨道，也称特定轨道）上运动的电子处于相对稳定的状态（即基态），不会主动吸收或辐射出能量。通常情况下，电子总是尽可能处于离核最近，能量最低的轨道上。3、只有当电子在不同的轨道间跃迁时（受到激发），才会吸收或放出能量。4、跃迁时放出或吸收的能量，正好等于两个轨道的能级差。5、放出或吸收的能量，若以光辐射的形式转移，则光的频率ν=（E2-E1）/h。26Paschen线系,infrared红外;BalmerSeries,visible可见;Lyman线系,ultraviolet紫外紫外光可见光红外光氢原子光谱27波尔模型的成功与局限性成功地解释了原子的稳定性，氢原子光谱（线光谱）的不连续性，预测了氢光谱的新线系及理得堡常数，明确的指出原子轨道能级的量子化特征等。局限：未脱离经典力学的框架；电子运动并没有确定的轨道，不能解释多电子原子的光谱，不能解释氢光谱的精细结构，没有认识到电子运动的另一个重要特征—波粒二象性，而把核外电子的运动看做是宏观物体在固定的轨道上运动来处理，不能全面反映微观粒子的运动规律。28B、波粒二象性波粒二象性（wave-particleduality）是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质。B-1:光的二象性20世纪初，人们根据光的干涉、衍射和光电效应等各种试验现象认识到光既具有光的性质，有具有粒子的性质，即光具有波粒二象性。在爱因斯坦的光子学说和普朗克的量子论中提出了关系式结合相对论中的质能关系定律：可以得到光子的波长和动量之间的关系Ehv2EmcEhvhPmccc29在式子E和P是表示粒子特性的物理量，λ和ν是表示波动性的物理量，这两种性质通过普朗克常数定量的联系起来，很好的揭示了光的本质。光在空间传播过程中发生的干涉、衍射等现象，表现出光的波动性；而光与实物相互作用时发生能量交换如光的发射、吸收、光电效应等，突出地表现出其微粒性。2EhvEmcEhvhPmccc301905年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。1924年，德布罗依提出“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象，这被后来的电子衍射试验所证实。311924年德布罗依（deBroglie）受光具有波粒二象性的启发，提出分子、原子、电子等微观粒子也具有波粒二象性。对于质量为m、以速度v运动着的微观粒子，不仅具有动量p（p=mv,粒子性特征），而且具有相应的波长λ（波动性特征）。两者间的相互关系符合下列关系式：这就是著名的德布罗依关系式，它把物质微粒的波粒二象性联系在一起。式中λ称为物质波的波长，或德布罗依波长。hhpmv32根据德布罗依关系式，可求得电子的波长。例如以1.0×106m/s的速度运动的电子，其德布罗依波波长为：这个波长相当于分子大小的数量级且与X射线的波长相近。因此，当一束电子流经过晶体时，应该能观察到由于电子的波动性引起的衍射现象。341031616.610710(9.110)(1.010)Jsmkgms33电子衍射图片这一推断在1927年戴维逊和杰莫通过电子衍射实验得到了证实。34X-raysElectron两种衍射图相似，因电子的波长与X射线接近35以后的实验又发现了许多其它的粒子流，如质子射线、射线、中子射线、原子射线等通过合适的晶体靶时都会产生衍射现象，其波长都符合德布罗依关系式。36物质质量/g速度/cm·s-1λ/m波动性慢速电子9.1×10-285.9×1071.2×10-9显著快速电子9.1×10-285.9×1091.2×10-11显著a粒子6.6×10-241.5×1091.0×10-15显著1g小球1.01.06.6×10-29不明显垒球2.1×1023.0×1031.1×10-34不明显地球6.0×10273.4×1043.3×10-61不明显几种物质的德布罗意波长37C、微观粒子运动的统计特性（不确定性）经典力学，经典物理学对宏观物质运动状态的描述是非常确定的。如发射的子弹，行进的火车，运动的星球……一定的轨道（几何形状），一定质量，一定速率（v0、a一定），则在指定时刻的位置，速度，及能量都是确定的，可求的。38然而，微观粒子（如电子）质量极轻、体积极小，并做高速运动，其并不遵循牛顿力学为基础的经典物理规则，没有固定的轨道，只能用统计规律来描述。海森堡测不准原理------微观粒子在指定时刻的空间位置和能量是不可能同时确定的。确定了能量（或速度v)，其位置将是不确定的——弥散的：位置偏差动量偏差22xxxhxphxmvpmv39式子中，Δx为位置的不准量，ΔP为粒子动量的不准量。测不准关系式的含义是：我们用位置和动量两个物理量来描述微观粒子的运动时，只能达到一定的近似程度。即粒子在某一个方向上位置的不准量和在此方向上的动量的不准量的乘积一定大于或等于常数h/2π。这说明：粒子位置的测定准确度越大（Δx越小）。则其相应的动量的准确度越小（ΔP越大）。从式子可见，m越大，的乘积越小，所以对m很大的宏观物体而言，是可能准确的测定位置和速度的。xv40例子：质量m=10g的子弹，它的位置能准确的测定到Δx=0.01cm,其速度测不准情况为：可见，对宏观物体而言，测不准情况是微不足道的，Δx和Δv都小到可以忽略的程度，所以可以认为宏观物体的位置和速度是可以同时准确测量的。34322816.6210223