06原子结构

ms =±1/2
ms 取值+1/2 和 -1/2，分别用↑和↓表示

同一轨道只能容纳两个自旋相反的电子
量子数结构示意图：
n l m
能量 距离 能量 形状 空间 取向
决 定 电 子 能 量
决 定 原 子 轨 道 （ 波 函 数 ）
决 定 电 子 总 运 动 状 态
自旋 ms 方向
量子数小结：
原子轨道是由三个量子数 n,l,m 确定；原子中每个电子
σ：屏蔽常数
2

内层电子对外层电子的屏蔽作用较大
同层电子互相间也有屏蔽作用，
但小于内层对外层
离核越近的电子对外层电子屏蔽效应越大
主要是指n相同，l不同 钻穿效应: 的轨道，由于电子云径 向分布不同，电子穿过 内层钻穿到核附近回避其他电子屏蔽的能力 不同从而使其能量不同的现象。电子钻穿的 结果，降低了其余电子对它的屏蔽作用，受 到的有效核电荷的作用增强，从而使轨道能 量降低。
2 2 2 2
Schrodinger E
m －－－粒子质量 E －－－粒子总能量 V －－－势能 x, y, z －－－粒子的空间坐标 ψ －－－描述粒子运动状态的波函数
的物理意义：
ψ：
:
2
没有明确的物理意义，只是说明电子的 运动受它控制 空间某一点电子出现的概率密度
空间单位微体积内出现的几率
第六章 原子结构
十九世纪末的物理学三大发现
X射线（1895，伦琴，德国物理学家）
放射性（1896，贝克勒尔，法国物理学家） 电子（1897，汤姆逊，英国物理学家） 这些发现证明了原子具有复杂的结构，揭开了物 理学革命乃至现代科学革命的序幕。
核型原子模型的要点：
所有原子都有一个核即原子核(nucleus) 核的体积只占整个原子为一定值能量最
低的定态称为基态，能量较高的定态称为激发态。 轨道能量: 轨道半径:
1 E A 2 n
A 2.179 10
2
18
J
r Bn
r1 52.9 pm
B 52.9 pm
18
E1 2.179 10 J 1 n 2 : r1 4 52.9 pm E1 2.179 1018 J 4 1 n 3 : r1 9 52.9 pm E1 2.179 1018 J 9
n 1:
能量的吸收与辐射 电子在不同轨道之间跃迁时， 原子会吸收或辐射出光子，吸 收或辐射出光子能量的多少决 定于跃迁前后的两个轨道之差
基态
吸收E
激发态
发射光 ΔE＝E终态－E始态＝hν
A 1 1 ( 2 2) h n1 n2
玻尔理论的成功之处
解释了 H 及 He+、Li2+、Be3+ 的原子光谱
P mv
h

h mv
1927年，戴维逊 (Davissa)和 革末 (Germer)电子衍射实验 证实了德布罗依的假设。
三、测不准原理
1926年，Heisenberg提出了著名的测不 准原理：位置的不确定程度Δx和动量的 不确定程度ΔP之间有：
xp h
测不准关系示意图 即具有波粒二象性的微观粒子 和宏观物体具有完全不同的运 动特点，不能同时确定它们的 坐标和动量。
n 1
l0 l0 l 1 l0 l 1
n2
m0 m0 m0 m 1 m 1 m0
n3
l2
(1, 0, 0) (2,0,0) (2,1, 0) (2,1,1) (2,1, 1) (3, 0, 0) (3,1, 0) m0 (3,1,1) m 1 (3,1, 1) (3, 2, 0) m0 (3, 2,1) m 1 (3, 2, 1) (3, 2, 2) m 2 (3, 2, 2)
n: 大于2的正整数
R 1.09737310 m
n 5:
n 3 : H
n 4 : H
H n 6 : H
理德堡(包括紫外区和红外区)：
1 1 R ( 2 2 ) n1 n2
1
n2 n1
赖曼线系（紫外） 帕邢线系（红外） n1 = 1 n1 = 3
玻尔理论
1、下列各组量子数，不正确的是（ B ） A、n=2，l=1，m=1，ms= - 1/2 B、n=3，l=1，m=2，ms= 1/2 C、n=2，l=1，m=0，ms= 1/2 D、n=3，l=2，m=-1，ms= - ½
2、核外电子能量的高低是由n、l、m、ms四个量子数决定。 ×
第三节
多电子原子核外电子的运动状态
Heisenberg W
第二节 氢原子核外电子的运动状态
一、薛定谔Schrődinger方程
1926年，奥地利物理学家Schrődinger提 出描述核外电子运动状态的波动方程， 即Schrődinger方程
8 m 2 2 2 ( E V ) 0 2 x y z h
n 1, 2,3
主量子数 角量子数 磁量子数
l 0,1, 2, n 1
m 0, 1, 2, l
每一组合理的n, l, m对应一个合理的ψ
二、四个量子数 主量子数（n）
n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ……
光谱学上 K, L, M, N, O, P, Q ……
说明了原子的稳定性 对其他发光现象（如Ｘ光的形成）也能解释 计算氢原子的电离能
玻尔理论的不足之处
不能解释氢原子光谱的精细结构 不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂
不能解释多电子原子的光谱
二、微观粒子的波粒二象性 爱因斯坦的光子学说：
（光具有波粒二象性）
E h
P
h

1924年德布罗依：电子等微粒也具有波粒二象性:
第一节 微观粒子的运动特征
一、氢原子光谱和波尔理论 连续光谱：
自然
实验室
原子的光谱：
在抽成真空的放电管中充入少量气体（如氢气），通过 高压放电，可观测到原子的发光现象。 将碱金属化合物在火焰上加热，也会观测到碱金属的发光现象。
氢气
氢原子光谱
氢原子光谱特征:
①不连续的、线状的，
②很有规律性.
氢原子光谱的规律性： 1 1 1 1885年 巴尔麦发现： R ( 2 2 ) 2 n R : 理德堡常数 7 1
E h
P mc
E mc 2

c
mc h
2
c


P
h

玻尔理论的三点假设：
稳定轨道 原子中的电子只能在符合一定量子化 条件的轨道上运动，在这些轨道上运动时，处于稳定 状态，不放出也不吸收能量。
h 角动量： L mvr n 2
n: 量子数 n = 1, 2, 3……
(1s) (2s) (2 pz ) (2 px ) (2 py ) (3s) (3 pz )
1 4
(3 px ) (3 py ) (3dxy ) (3d yz ) (3d zx ) (3dz ) (3d 2 2 )
2
9
自旋量子数 ms
描述电子旋转的状态
n3
l 1 l2
3p 3d
磁量子数m
取值：m = 0, ±1, ±2 ……±l (2l+1)
决定了原子轨道或电子云在空间的伸展方向， 一个伸展方向为一个轨道（波函数） l 值相同的轨道互为等价轨道（简并轨道） 磁量子数 m 与能量无关
s 轨道(l = 0, m = 0 ) :
四、原子核外电子的排布
多 电 子 原 子 中 轨 道 填 充 顺 序
p轨道：
px
py
pz
6
等价轨道
d轨道：
dxy
dyz
dxz
dz2
dx2-y2
10
7N
电子层结构示意图： 原子轨道图示： 1S
1s22s22p3
2S
2P
轨道的表示形式：
20Ca
1s22s22p63s23p6× 3d2 1s22s22p63s23p64s2
m 一种取值, 空间一种取向, 一条s 轨道.
p 轨道(l = 1, m = +1, 0, -1) m 三种取值, 三种空间取向, 三条等 价(简并) p 轨道. d 轨道(l = 2, m = +2, +1, 0, -1, -2) : m 五种取值, 五种空间取向, 五条等价(简 并) d 轨道.
徐光宪表示方法：
（n + 0.7l）规则
(n + 0.7l)值的整数部分相等的为同一能级组，整数部分的 数字表示第几能级组；(n + 0.7l)愈大，轨道的能量愈高。
科顿能级图：
三、核外电子排布规则
保里 (Pauli)不相容原理
每个原子轨道最多只能容纳两个电子，且自旋方向必须相反。
能量最低原理
理论基础：
普朗克的量子论
能量是一份一份不连续的 能量最小的单位是量子
物质吸收和发射的能量总是量子的整数倍
The Planck equation：
ν：电磁波的频率
E h
h ：普朗克常数 h = 6.626×10-34 J· s
Einstein的光子学说
光是电磁波的一种，具有波粒二象性 一束光是由具有粒子特征的光子所组成 每一个光子的能量与光的频率成正比
在不违背保里不相容原理的前提下，电子总是尽可能占据能量
最低的原子轨道，然后才依次进入能量较高的原子轨道。
洪特 (Hund)规则
①电子在同一亚层的等价轨道上排布时，总是尽可能分占不同 的轨道，并且自旋方向相同。