08第九章原子结构08-5-10

1第九章原子结构和元素周期律ElectronicStructureofAtomsandPeriodicPropertiesofElements药学院无机化学与物理化学教研室（2668429）主讲李雪华（13006918166）2掌握内容微观粒子的波粒二象性氢原子的量子力学模型：原子轨道和波函数、四个量子数的概念及意义、波函数的有关图形表示多电子原子核外电子的排布规律。元素的原子结构（电子组态）、元素周期表及其元素某些性质的周期性变化规律3熟悉内容物质波的假设屏蔽效应和钻穿效应、多电子原子轨道能级原子轨道（波函数）、概率密度、电子云的概念用四个量子数表示核外电子的运动状态了解内容波尔的氢原子模型原子核外电子运动状态的近代概念4复习1.Rutherford的原子有核模型（nuclearmodel）52.爱因斯坦：光量子假说光由光子组成，光的能量是不连续的，光能量最小单位是光子(Photon)光子能量E0=hh：普朗克常数，：光的频率光能量E=nh（n=1，2，3……）光能量是量子化的6ThePhotoelectricEffectLightshiningonacleanmetalsurfacecausesthesurfacetoemitelectrons.Foreachmetal,thereisaminimumfrequencyoflightbelowwhichnoelectronsareemitted.Forexample,lightwithafrequencyof4.6×1014s-1orgreaterwillcausecesiummetaltoejectelectrons,butlightoflowerfrequencyhasnoeffect.RadiantenergyEmittedelectronsMetalsurfacephotocell7爱因斯坦：光电效应v一定，光强度I0↑，光电流强度↑射出ne与I0强度有关不同金属截止频率不同射出e动能只与入射光的v或λ有关经典电磁波理论：光电子的发射只和I0有关而与光v无关光波动性与粒子性统一于一体8？截止v；波&粒子统一一．氢原子光谱和氢原子的玻尔模型第一节氢原子的结构氢原子光谱9白光散射→连续光谱Continuousspectrum太阳光光谱10HighvoltageDischargetubeSlitPrismPhotographicplateLightseparatedintovariouscomponentsLinespecturmH2H受激发→不连续的线状光谱(四条谱线)1.氢原子光谱→linespectrum112.Bohr的氢原子模型RH=2.18×10-18J主量子数n=1,2,3,…(1)电子在原子内沿着具有一定能量和一定半径r的圆形轨道(orbit)运动,不吸收也不辐射能量，称为定态(stationarystate)，轨道能量称为能级2HnREn=1n=2n=3energygroundstateexcitedstate(2)频率假设：e由某一定态跃迁到另一定态时,会吸收或放出一定频率的光,光的能量h等于这两个定态的能量差ΔE=h=E2-E1能量量子化(QuantizedEnergy)→linespectrumn=1n=2n=3EmittedenergyΔEGroundstateExcitedstateAabsorbedenergyΔE13(3)量子化条件假设电子运动的角动量必须等于h/2整数倍n=1n=2n=3energygroundstateexcitedstate14玻尔理论的局限性成功之处引入了量子化的观点成功解释氢原子光谱原子的稳定性局限性沿用经典力学固定轨道概念无法解释除氢原子外的其他原子光谱15二电子的波粒二象性particle-waveduality1.光子波粒二象性:波动性:λ或ν，E=nhν粒子性:光子，p=mcEinstein方程式E=mc2及ν=c/λ，得(1))1(mch2.电子的波粒二象性①DeBroglie’sHypothesis(2))2(mvhph16②1927年[美]DavissonC和GermerL实验同年[英]ThomsonG金箔作光栅实验镍晶体薄层电子衍射实验17③电子波是概率波(probabilitywave)衍射图上,亮圈呈现电子出现概率大暗圈显示电子出现几率少电子衍射图样是一种统计的结果电子的运动特征是一种统计的结果电子波是一种几率波电子运动无固定轨道18④测不准原理(uncertaintyprinciple)Heisenberg指出,无法同时确定微观粒子的位置和动量h是极小的量，△x越小，△px越大，反之亦然测不准原理是粒子波动性的结果，意味着微观粒子运动不存在既确定位置又有确定速度的运动轨迹电子运动无固定轨道4hpxx19ExamplesMacroscopicsubstance:m=1g，△x=10-6m(m/s)1028.5101014.341063.64266334xmhvMicroscopicsubstance:m=9×10－31kg,△x=10-11m(m/s)1086.51010914.341063.646113134xmhv20电子运动的波粒二象性小结具有一定的质量和速度，是粒子性表现能产生衍射现象，则是波动性的表现电子波是统计的结果,是概率波波强度的大小反映电子出现的机会或概率，即电子的运动仅具有统计规律无法同时预测某个电子在空间的准确位置和运动速度,即电子运动无固定轨道21三氢原子的波函数—Schrodinger方程—描述微观例子运动状态的量子力学方程0)(822222222vEhmzyxΨ=Ψ(x，y，z)波函数，Schrodinger方程式的解E：电子的总能量v：电子的势能h:普朗克常数x，y，z:电子在空间的坐标22氢原子的波函数说明1.波函数ψ（wavefunction）ψiswavefunctioninthreedimensions.ψanditsassociatingenergy(E)andthevalueoftheenergyisquantized.ψandEcanbeusedtodescribethemotionoftheelectronsψ是Schrodinger方程的解,是(x，y，z)或(r，，)的函数,有相应的能量,能量是量子化的.Ψ和其相应的E可用于描述核外电子的运动状态232.ψ的意义ψhasnorealphysicalmeaning.ψ2iscalledprobabilitydensitywhichrepresentstheprobabilitythattheelectronwillbefoundatthatlocationatagivenpointinspace.ψ2则表示在原子核外空间某点处电子出现的概率密度（probabilitydensity）,即在该点处微单位体积中电子出现的概率243.ψ2的表示:电子云（electroncloud）概率密度的几何图形称电子云ab254.ψ≡原子轨道函数≡原子轨道5.“原子轨道”≠核外电子的实际运动轨迹，而是指核外电子可能出现的区域。一般把电子出现概率在99%的空间区域的界面作为原子轨道的大小。266.SchrodingerEquationhasalotofsolutions,wecangetarationalsolutionwithsomelimitations(n,l,m).量子数的取值和组合方式一定，波函数Ψ的解就确定薛定鄂方程的具体解（轨道）表示：ψ(x，y，z)ψ(r，，)ψ(n，l，m)27四、小结电子具有波粒二象性，电子波是概率波。电子运动状态体现为在核外空间出现的概率，即无固定轨道电子的运动状态用波函数ψ描述。波函数ψ2表示电子的概率密度每一ψ对应一确定的能量值，称为定态电子的能量具有量子化特征，是不连续的，基态时能量最小，比基态能量高的是激发态。28第二节量子数和原子轨道一．量子数n、l、m（quantumnumber）n、l和m这三个量子数的取值一定时，就确定了一个原子轨道，即波函数ψn,l,m。29一．量子数1.主量子数n（principalquantumnumber）Thevaluesofnarepositiveintegralvalues.n=1，2，3，…ndeterminestheenergyofanorbital.Insingleelectronatom,onlyncandeterminestheenergyofanorbital.2HnnRE30ThePrincipalQuantumNumber(n)2.nrelatestotheaveragedistanceoftheelectronfromthenucleusinaparticularorbital.(becalledshell)3.Itdeterminestheenergyofanorbital.Insingleelectronatom,onlyncandeterminetheenergyofanorbital.1.Thevaluesofnareintegralvalues.n=1,2,3,andsoforthn↑，theaveragedistance↑n↑→distance→E↑31TheAngularMomentumQuantumNumber(l)1.Itdefinesthe“shape”oftheorbitals.(subshell)2.Inmany-electronatom,landndeterminetheenergyofanorbitaltogether.l=0、1、2、3…….n-1.3.Itsvaluesdependonthevalueoftheprincipalquantumnumber,n.Valueofl0123Letterusedspdf32L=n-1Ifn=1l=n-1=1-1=0sIfn=2.l=1-1,2-1=0,1s,pIfn=3.l=1-1,2-1,3-1=0,1,2s,p,d33TheMagneticQuantumNumber(m)1.Itdescribestheorientationoftheorbitalinspace.m=0、±1、±2……±l-l,(-l+1),…0,…(+l-1),+lThereare(2l+1)integralvaluesofm.Eachvaluerelatetooneorientation,oneorientationcorrespondtoaorbital2.Withinasubshell,Itsvaluesdependonthevalueoftheangularmomentumquantumnumber,l.34Ifl=1,m=–1,0,+1Apsubshellhas3orbitals,correspondingtopx,py,pzorbitalIfl=2,m=-2,–1,0,+1,+2Adsubshellhas5orbitalscorrespondingtodxy,dyz,dxz,dx2-y2,dz2orbital35Ifn=2,l=0,1,m=0;–1,0,+1;Hasa2ssubshell,monlyhasonevalue,namelyhasoneorbitala2psubshell,inthissubshellwehavethree2porbitals(becausetherearethreevaluesofm,givenby–1,0,+1)36TheElectronSpinQuantumNumber(ms)1.Thevaluesofthemscorrespondtothetwopossiblespinningmotionsoftheelectron.count