化学原理原子结构的量子理论优秀课件

(3) 当电子由一个高能量的轨道向低能量的轨 道跃迁时，可以光辐射的方式发射其能量。 所发射的光量子的能量大小决定于两个轨 道之间的能量差
EE 2E 1h
E2 : 高能量轨道的能量 E1 : 低能量轨道的能 量 ν： 辐射光的频率
波尔的原子结构模型成功地解释了氢原 子的光谱，但无法解释多电子原子的光谱， 也无法解释氢原子光谱的精细结构
(1)原子核外的电子只能在符合 一定条件的、 特定的(有确 定的半径和能量）轨道上运 动。电子在这些轨道上运动时处于稳定状态， 即不吸收能量也不释放能量。这些轨道称为 定态轨道
(2) 电子运动的轨道离核越远，能量越高。当 电子处在能量最低的状态时，称为基 态。 当原子从外界获得能量时，电子可由离核 较近的轨道跃迁到离核较远的能量较高的 轨道上，这种状态称为激发态。
微观粒子的能量是不连续的
微观粒子的能量是量子化的
微观粒子能够 允许具有的能量称 为能级
小结： （1）物质的微观粒子具有波-粒二重性 （2）微观粒子的能量是量子化的
§1.2 核外电子运动状态
核外电子在空间分布的几率密度的形象表 示称为电子云( Electron cloud )
电子云的图形表示：
电子云图
m = 0， ±1， ±2， ±3，… ， ± l
一个波函数（原子轨道）的值由n, l, m三 个量子数决定，记作ψn,l,m 。
例如： ψ2，1，0 代表n = 2， l =1， m = 0 的电子轨道
(4) 自旋角动量量子数 ms (spin angular momentum number)
自旋角动量量子数ms 反映了电子的两种 不同的自旋状态。
l: 代号：
01234 spd fg
在多电子原子中，当n值相同，而 l 值不同 时，电子的能量也稍有不同，可以看作是形成 了“亚层”。
亚层的符号： 1s 2s, 2p 3s, 3p, 3d 4s, 4p, 4d, 4f
(3) 磁量子数 m (magnetic quantum number)
磁量子数 m 反映了原子轨道在空间的方向 m 的允许取值为:
Einstein的光量子假说（1905）
当光束和物质相互作用时，其能量不是连 续分布的，而是集中在一些称为光子（photon) (或光量子）的粒子上。光子的能量ε正比于光 的频率ν
h
h : Planck常数 Einstein 主要由于光电效应方面的工作而在 1921年获诺贝尔物理奖
Bohr 的原子结构模型(1913)
(2) 轨道角动量量子数 ( l ) (Orbital angular momentum quantum number)
轨道角动量量子数l 与电子运动角动量的 大小有关，也决定了电子云在空间角度的分 布的情况，即与电子云的形状有关。
l 的取值为： l = 0, 1, 2, 3, …，（n-1) l 的值常用英文小写字母代替：
微观粒子的波粒二象性
(1) 德布罗意假设和物质波:
1924 年，年仅32岁的法国理 论物理学家De Broglie 在光的波-粒 二象性的启发下，大胆假设：
所有的实物的微观粒子，如电子、原子、 分子等和光子一样，也具有波粒二象性。
h
mv
λ： 波长 m : 粒子的质量 v : 粒子运动的速度
德布罗意波（物质波）
③核外电子的能量是量子化的。单电子原子 中电子的能量仅由n决定，多电子原子中 电子的能量由n、l 二者决定
④ 核外电子的运动状态由4个量子数决定： 主量子数 n 决定了电子与核的平均距离， 取值为：1， 2， 3， … 角动量量子数 l 决定了电子运动在空间 的角度分布（即电子云的形状），取值
为：0，1， 2， …， （n-1) 磁量子数 m 反映了原子轨道在空间的不 同取向，取值为：m = 0, ±1， ±2， … ±l 。 自旋角动量量子数 mS 反映了电子的两种 不同的自旋运动状态，取值为+1/2 或-1/2
化学原理原子结构的量子理论 优秀课件
Planck的量子假说（1900）：
① 物质吸收或发射的能量是不连续的，只能 是某一能量最小单位的倍数。这种能量的最 小单位称为能量子，或量子，即能量是量子 化的。
② 每一个量子的能量ε与相应电磁波（光波）的 频率ν成正比：
h
h = 6.626×10-34 J.s-1 Planck常数
n 值越大，电子运动轨道离核越远，能量越高 (当电子与核相距无限远，即电子与核无相互 引力作用时，电子的能量定为零值）
在一个原子内，具有相同主量子数的电 子几乎在同样的空间内运动，可以看作是构 成一“层”，称为电子层。n = 1， 2， 3，… 的电子层也称为K, L, M ,N, O, P, Q, …层。
电子云界面图
电子云
(电子出现几率>95%的区域） 等密度面图
描述电子运动的量子数
(1) 主量子数( n ) ( Principle quantum number) 主量子数n 和电子与原子核的平均距离
有关。n 越大，电子与原子核的平均距离越 远。
n只能取正整数， n = 1, 2, 3, … 单电子原子中电子的能量只取决于n值
(2) 测不准原理（uncertainty principle)
1927年，德国科学家海森伯格（Heisenberg） 经过严格的推导证明：
测不准原理
微观粒子的空间位置和运动速率是不能被 同时准确确定的。
结论： 核外电子运动的轨道是不确定的
只有当粒子的能量E取某些特殊的值时， 薛定谔方程才能求得满足上述条件的解；
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§1.3 多电子原子的电子结构
1. 多电子原子轨道的能量
多电子原子的波动方程无法精确求解， 只能求近似解。
多电子原子中，电子不仅受原子核的作用， 还要受其它电子的作用，因此各原子轨道能量 的大小（能级的高低）不仅与主量子数n 有关， 还与角动量量子数 l 有关。
m = ±1/2 通常也用箭头↑和↓表示
核外电子可能的轨道
n
1
2
3
电子层符号
K
L
M
l
0 0 1012
电子亚层符号
1s 2s 2p 3s 3p 3d
m
0 0 00 00
±1 ±1 ±1
±2
电子层轨道数 1
4
9
电子云角度分布图
d2x2-
dz2
y
对核外电子运动的量子力学描述小结：
① 原子中核外电子的运动具有波-粒二象性。 ② 核外电子运动没有确定的运动轨道，