原子结构与元素周期系
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原子结构与元素周期系
11
在能级图中:所谓等价轨道是指其能量相同、 1. 在能级图中:所谓等价轨道是指其能量相同、 成键能力相同，只是空间取向不同的轨道。 成键能力相同，只是空间取向不同的轨道。 角量子数l相同的能级， 2. 角量子数l相同的能级，其能量由主量子 数 决定， 越大，能量越高。 n决定，n越大，能量越高。 主量子数n相同，角量子数l不同的能级， 3. 主量子数n相同，角量子数l不同的能级， 其能量随l的增大而升高。 其能量随l的增大而升高。 主量子数n和角量子数l同时变化时， 4. 主量子数n和角量子数l同时变化时，从图 中可知， 中可知，能级的能量变化情况是比较复杂 的。
6
波函数的意义
• 原子核外电子的一种运动状态 • 每一个波函数都有对应的能量 E • 波函数ψ没有明确的直观的物理 波函数ψ 意义, 意义,但波函数绝对值的平方 |ψ|2却有明确的物理意义
原子结构与元素周期系
7
1—6 四个量子数
量子 数
主量子数n
物 理 意 义 描述电子离核远近及 能量高低 描述原子轨道的形状 及能量的高低 描述原子轨道在空间 的伸展方向 描述电子的自旋方向
轨道符号
1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 5g
轨道数 1 1 3 1 3 5 1 3 5 7 1 3 5 7
3
4 1 2 3 0 1 2 3 4
5
原子结构与元素周期系
0，＋1，-1，＋2，-2，＋3，-3,+4, -4
9
9
原子结构与元素周期系
10
多电子原子近似能级图的特点：
11 12 13 14 15 16 17 18
Na Mg Al Si P Si Cl Ar
钠
Magnesium 镁 Aluminium Silicon Phosphorus Sulfur Chlorine Argon
原子结构与元素周期系
铝 硅 磷 硫 氯 氩
* 19 20 ** 21 22 23 24 25 26 27 28
B C N
第一能级组： 第一能级组： 2 个电子
2 Li Be
1 个轨道
O F Ne
第二周期： 第二周期：
8 种元素 2 个能级 2s 2p 4 个轨道 23
原子结构与元素周期系
第二能级组： 第二能级组： 8 个电子
3
Na Mg
Al Si
P
S
Cl Ar
第三周期： 第三周期：
8 种元素 2 个能级 3s 3p 4 个轨道
原子结构与元素周期系
18
原子的电子层结构 与元素的分区
原子结构与元素周期系
19
核外电子的排布（原子的电子层结构） 核外电子的排布（原子的电子层结构）
原子 元素 序数 符号
英文名称 Hydrogen Helium Lithium Beryllium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Fluorine
中文 名称
电子轨道图
电子结构式 1s1 1s2 1s2 2s1 1s2 2s2 1s2 2s22p1 1s2 2s22p2 1s2 2s22p3 1s2 2s22p4 1s2 2s22p5
6 1s2 2s22p20
1 * 2 3 4 5 ** 6 7 8 9 10
H He Li Be B C N O F Ne
原子结构与元素周期系
15
洪特（Hund） 洪特（Hund）规则
电子分布到能量相同的等价轨道时， 电子分布到能量相同的等价轨道时， 总是尽先以自旋相同的方向， 总是尽先以自旋相同的方向，单独占领 能量相同的轨道。 能量相同的轨道。 例:
7N
2p 2s 1s
原子结构与元素周期系
16
作为洪特规则的特例，等价轨道： 作为洪特规则的特例，等价轨道： 全充满 p6、d10、f14 半充满 p3、d5、f7 全 空 p 0 、 d 0 、f 0 的结构状态比较稳定 19号 例： 19号 K 1s22s22p63s23p64s1 原子实结构式为 [Ar]4s1 24号 24号 Cr [Ar]3d54s1
原子结构与元素周期系
4
• 测不准原理： 一个粒子的位置和动量不能同时地、准确地 测定。 注意：这里所讨论的不确定性并不涉及所用的测 量 仪器的不完整性，它们是内在固有的不可 测定性。 △x≥h/2π m×△v
二、 测不准原理和几率概念
原子结构与元素周期系
5
1━3
•
2
波函数和原子轨道
2 2 2
薛定谔方程
氢 氦 锂 铍 硼 碳 氮 氧 氟
原子结构与元素周期系 Neon 氖
原子 序数
元素 符号
英文名称 Sodium
中文 名称
电子结构式 1s2 2s22p63s1 1s2 2s22p63s2 1s2 2s22p63s23p1 1s2 2s22p63s23p2 1s2 2s22p63s23p3 1s2 2s22p63s23p4 1s2 2s22p63s23p5 1s2 2s22p63s23p6 21
取 值 范 围 n=1,2,3, …正整数 l=0,1,2,… 小 于 n 的 正 整数 m=0,+1,-1, +2, －2 , …±l ms =+1/2,-1/2
角量子数l
磁量子数m
自旋量子数 ms
原子结构与元素周期系
8
主量子数（n）
角量子数（l）
1 2
0 0 1 0 1 2 0
磁量子数（m） 0 0 0，＋1，-1 0 0，＋1，-1 0，＋1，-1，＋2，-2 0 0，＋1，-1 0，＋1，-1，＋2，-2 0，＋1，-1，＋2，-2，＋3，-3 0 0，＋1，-1 0，＋1，-1，＋2，-2 0，＋1，-1，＋2，-2，＋3，-3
原子结构与元素周期系
12
核外电子层结构的原则
• 能量最低原理 • 堡里不相容原理 （奥地利科学家） • 洪特（Hund）规则 洪特（Hund）规则（德国科学家）
原子结构与元素周期系
13
能量最低原理
多电子原子在基态时， 多电子原子在基态时，核外电子总 是尽可能分布到能量最低的轨道， 是尽可能分布到能量最低的轨道，这称 能量最低原理。 为能量最低原理。
∂ ϕ ∂ ϕ ∂ ϕ 8π m + 2+ 2 + (E − V)ϕ = 0 2 2 ∂x ∂y ∂z h
• 波函数和原子轨道 一定的波函数表示电子的一种运动状 状态——轨道。 轨道。 态，状态 轨道 波函数叫做原子轨道，即波函数与原 波函数叫做原子轨道， 子轨道是同义词。 子轨道是同义词。
原子结构与元素周期系
(2)元素周期系 元素周期系 1 元素的周期 周期的划分与能级组的划分完全一致， 周期的划分与能级组的划分完全一致，每个能级组都独自 对应一个周期。共有七个能级组， 所以共有七个周期。 对应一个周期。共有七个能级组， 所以共有七个周期。
1 H He
第一周期： 第一周期：
2 种元素 1 个能级 1s
原子结构与元素周期系
17
原子的电子层
注意几个例外 : 24号 24号Cr 3d54s1 40号 40号Zr 4d25s2 42号Mo 4d55s1 42号 44号 44号Ru 4d75s1 46号 46号Pd 4d10 29号 29号Cu 3d104s1 41号 41号Nb 4d45s1 43号Tc 4d55s2 43号 45号 45号 Rh 4d85s1
La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg
第三能级组： 第三能级组： 8 个电子
4
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
第四周期： 第四周期：
18 种元素 3 个能级 4s 3d 4p 9 个轨道
I Xe
第四能级组： 第四能级组： 18 个电子
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te
* [ Ar ] 原子实，表示 Ar 的电子结构式 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 。 原子实， 原子实后面是价层电子，即在化学反应中可能发生变化的电子。 原子实后面是价层电子，即在化学反应中可能发生变化的电子。
原子结构与元素周期系 ** 虽先排 4s 后排 3d ， 但电子结构式中先写 3d，后写 4s 22 ，
原子结构与元素周期系
14
堡里不相容原理
一个电子的四个量子数为（ 一个电子的四个量子数为（3、2、0、-1/2） 1/2） 另一个电子的四个量子数为（ +1/2） 另一个电子的四个量子数为（3、2、0、+1/2） 从保里原理可获得以下几个重要结论： 从保里原理可获得以下几个重要结论： a)每一种运动状态的电子只能有一个。 每一种运动状态的电子只能有一个。 每一种运动状态的电子只能有一个 b)由于每一个原子轨道包括两种运动状态，所以每一个 由于每一个原子轨道包括两种运动状态， 由于每一个原子轨道包括两种运动状态 原子轨道中最多只能容纳两个自旋不同的电子。 原子轨道中最多只能容纳两个自旋不同的电子。 c)因为 、p、d、f各分层中原子轨道数为 、3、5、7 因为s、 、 、 各分层中原子轨道数为 各分层中原子轨道数为1、 、 、 因为 所以各分层中相应最多只能容纳2、 、 、 个电 所以各分层中相应最多只能容纳 、6、10、14个电 子。 d)每个电子层原子轨道的总数为 个，因此，各电子层 每个电子层原子轨道的总数为n² 因此， 每个电子层原子轨道的总数为 中电子的最大容量为2n²个 中电子的最大容量为 个。
第五周期： 第五周期：
18 种元素 3 个能级 5s 4d 5p 9 个轨道 24
第五能级组： 第五能级组： 18 个电子
原子结构与元素周期系
第六周期： 第六周期：
32 种元素 6s 4f 5d 6p
6p 5d
第六能级组： 第六能级组： 32 个电子 4 个能级
16 个轨道
Tl Pb Bi Po At Rn
• 近似能级图是按原子轨道的能量高低而不是按原子轨道 离核的远近顺序排列起来。把能量相近的能级划为一组， 离核的远近顺序排列起来。把能量相近的能级划为一组， 称为能级 • 1s 第一能级组 2s2p 第二能级组 3s3p 第三能级组 4s3d4p 第四能级组 5s4d5p 第五能级组 6s4f5d6p 第六能级组 7s5f6d7p 第七能级组 在能级图中可以看到： 在能级图中可以看到：相邻的两个能级组之间的能量 差较大，而在同一能级组中各能级的能量差较小。 差较大，而在同一能级组中各能级的能量差较小。
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni
Potassium Calcium Scandium Titanium Vanadium Chromium Manganese Iron Cobalt Nickel
钾 钙 钪 钛 钒 铬 锰 铁 钴 镍
[Ar] 4s1 [Ar] 4s2 [Ar] 3d14s2 [Ar] 3d24s2 [Ar] 3d34s2 [Ar] 3d54s1 [Ar] 3d54s2 [Ar] 3d64s2 [Ar] 3d74s2 [Ar] 3d84s2
原子结构与元素周期系
核外电子的运动状态 核外电子的排布和元素周期系 元素基本性质的周期性
原子结构与元素周期系
1
1━2 微观粒子的波粒二象性
一、 光和实物粒子的波粒二象性
1924年德国物理学家 L de Broglie (德布罗 年德国物理学家 德布罗 提出假设： 意)提出假设： 提出假设 既然光是一种微粒又是一种波， 既然光是一种微粒又是一种波 ， 那么静止 质量不为零的实物粒子也含有相似的二象性 1927年C.J.Pavisson (戴维逊 和L.H.Germer 戴维逊)和 年 戴维逊 (盖末尔 获得一种晶体的电子衍射图，从实验 盖末尔)获得一种晶体的电子衍射图 盖末尔 获得一种晶体的电子衍射图， 上证实了de 的假设， 上证实了 Broglie的假设，从此科学家们开 的假设 始接受实物粒子的二象性。 始接受实物粒子的二象性。
原子结构与元素周期系
2
电子衍射实验示意图
用电子枪发射高速电子通过薄晶体片射击感光荧屏， 用电子枪发射高速电子通过薄晶体片射击感光荧屏，得到明 暗相间的环纹，类似于光波的衍射环纹。 暗相间的环纹，类似于光波的衍射环纹。
电 子 枪
电 子 束
薄晶体片 感光屏幕
原子结构与元素周期系
衍射环纹 3
结论： 结论 1.电子等实物粒子具有 波粒 二象性； 2.不能用经典物理的波和粒 的概念来理解它的行为。 再次说明描述电子等微粒的 运动规律只能用描述微粒运动 规律的量子力学。
11
在能级图中:所谓等价轨道是指其能量相同、 1. 在能级图中:所谓等价轨道是指其能量相同、 成键能力相同，只是空间取向不同的轨道。 成键能力相同，只是空间取向不同的轨道。 角量子数l相同的能级， 2. 角量子数l相同的能级，其能量由主量子 数 决定， 越大，能量越高。 n决定，n越大，能量越高。 主量子数n相同，角量子数l不同的能级， 3. 主量子数n相同，角量子数l不同的能级， 其能量随l的增大而升高。 其能量随l的增大而升高。 主量子数n和角量子数l同时变化时， 4. 主量子数n和角量子数l同时变化时，从图 中可知， 中可知，能级的能量变化情况是比较复杂 的。
6
波函数的意义
• 原子核外电子的一种运动状态 • 每一个波函数都有对应的能量 E • 波函数ψ没有明确的直观的物理 波函数ψ 意义, 意义,但波函数绝对值的平方 |ψ|2却有明确的物理意义
原子结构与元素周期系
7
1—6 四个量子数
量子 数
主量子数n
物 理 意 义 描述电子离核远近及 能量高低 描述原子轨道的形状 及能量的高低 描述原子轨道在空间 的伸展方向 描述电子的自旋方向
轨道符号
1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 5g
轨道数 1 1 3 1 3 5 1 3 5 7 1 3 5 7
3
4 1 2 3 0 1 2 3 4
5
原子结构与元素周期系
0，＋1，-1，＋2，-2，＋3，-3,+4, -4
9
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原子结构与元素周期系
10
多电子原子近似能级图的特点：
11 12 13 14 15 16 17 18
Na Mg Al Si P Si Cl Ar
钠
Magnesium 镁 Aluminium Silicon Phosphorus Sulfur Chlorine Argon
原子结构与元素周期系
铝 硅 磷 硫 氯 氩
* 19 20 ** 21 22 23 24 25 26 27 28
B C N
第一能级组： 第一能级组： 2 个电子
2 Li Be
1 个轨道
O F Ne
第二周期： 第二周期：
8 种元素 2 个能级 2s 2p 4 个轨道 23
原子结构与元素周期系
第二能级组： 第二能级组： 8 个电子
3
Na Mg
Al Si
P
S
Cl Ar
第三周期： 第三周期：
8 种元素 2 个能级 3s 3p 4 个轨道
原子结构与元素周期系
18
原子的电子层结构 与元素的分区
原子结构与元素周期系
19
核外电子的排布（原子的电子层结构） 核外电子的排布（原子的电子层结构）
原子 元素 序数 符号
英文名称 Hydrogen Helium Lithium Beryllium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Fluorine
中文 名称
电子轨道图
电子结构式 1s1 1s2 1s2 2s1 1s2 2s2 1s2 2s22p1 1s2 2s22p2 1s2 2s22p3 1s2 2s22p4 1s2 2s22p5
6 1s2 2s22p20
1 * 2 3 4 5 ** 6 7 8 9 10
H He Li Be B C N O F Ne
原子结构与元素周期系
15
洪特（Hund） 洪特（Hund）规则
电子分布到能量相同的等价轨道时， 电子分布到能量相同的等价轨道时， 总是尽先以自旋相同的方向， 总是尽先以自旋相同的方向，单独占领 能量相同的轨道。 能量相同的轨道。 例:
7N
2p 2s 1s
原子结构与元素周期系
16
作为洪特规则的特例，等价轨道： 作为洪特规则的特例，等价轨道： 全充满 p6、d10、f14 半充满 p3、d5、f7 全 空 p 0 、 d 0 、f 0 的结构状态比较稳定 19号 例： 19号 K 1s22s22p63s23p64s1 原子实结构式为 [Ar]4s1 24号 24号 Cr [Ar]3d54s1
原子结构与元素周期系
4
• 测不准原理： 一个粒子的位置和动量不能同时地、准确地 测定。 注意：这里所讨论的不确定性并不涉及所用的测 量 仪器的不完整性，它们是内在固有的不可 测定性。 △x≥h/2π m×△v
二、 测不准原理和几率概念
原子结构与元素周期系
5
1━3
•
2
波函数和原子轨道
2 2 2
薛定谔方程
氢 氦 锂 铍 硼 碳 氮 氧 氟
原子结构与元素周期系 Neon 氖
原子 序数
元素 符号
英文名称 Sodium
中文 名称
电子结构式 1s2 2s22p63s1 1s2 2s22p63s2 1s2 2s22p63s23p1 1s2 2s22p63s23p2 1s2 2s22p63s23p3 1s2 2s22p63s23p4 1s2 2s22p63s23p5 1s2 2s22p63s23p6 21
取 值 范 围 n=1,2,3, …正整数 l=0,1,2,… 小 于 n 的 正 整数 m=0,+1,-1, +2, －2 , …±l ms =+1/2,-1/2
角量子数l
磁量子数m
自旋量子数 ms
原子结构与元素周期系
8
主量子数（n）
角量子数（l）
1 2
0 0 1 0 1 2 0
磁量子数（m） 0 0 0，＋1，-1 0 0，＋1，-1 0，＋1，-1，＋2，-2 0 0，＋1，-1 0，＋1，-1，＋2，-2 0，＋1，-1，＋2，-2，＋3，-3 0 0，＋1，-1 0，＋1，-1，＋2，-2 0，＋1，-1，＋2，-2，＋3，-3
原子结构与元素周期系
12
核外电子层结构的原则
• 能量最低原理 • 堡里不相容原理 （奥地利科学家） • 洪特（Hund）规则 洪特（Hund）规则（德国科学家）
原子结构与元素周期系
13
能量最低原理
多电子原子在基态时， 多电子原子在基态时，核外电子总 是尽可能分布到能量最低的轨道， 是尽可能分布到能量最低的轨道，这称 能量最低原理。 为能量最低原理。
∂ ϕ ∂ ϕ ∂ ϕ 8π m + 2+ 2 + (E − V)ϕ = 0 2 2 ∂x ∂y ∂z h
• 波函数和原子轨道 一定的波函数表示电子的一种运动状 状态——轨道。 轨道。 态，状态 轨道 波函数叫做原子轨道，即波函数与原 波函数叫做原子轨道， 子轨道是同义词。 子轨道是同义词。
原子结构与元素周期系
(2)元素周期系 元素周期系 1 元素的周期 周期的划分与能级组的划分完全一致， 周期的划分与能级组的划分完全一致，每个能级组都独自 对应一个周期。共有七个能级组， 所以共有七个周期。 对应一个周期。共有七个能级组， 所以共有七个周期。
1 H He
第一周期： 第一周期：
2 种元素 1 个能级 1s
原子结构与元素周期系
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原子的电子层
注意几个例外 : 24号 24号Cr 3d54s1 40号 40号Zr 4d25s2 42号Mo 4d55s1 42号 44号 44号Ru 4d75s1 46号 46号Pd 4d10 29号 29号Cu 3d104s1 41号 41号Nb 4d45s1 43号Tc 4d55s2 43号 45号 45号 Rh 4d85s1
La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg
第三能级组： 第三能级组： 8 个电子
4
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
第四周期： 第四周期：
18 种元素 3 个能级 4s 3d 4p 9 个轨道
I Xe
第四能级组： 第四能级组： 18 个电子
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te
* [ Ar ] 原子实，表示 Ar 的电子结构式 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 。 原子实， 原子实后面是价层电子，即在化学反应中可能发生变化的电子。 原子实后面是价层电子，即在化学反应中可能发生变化的电子。
原子结构与元素周期系 ** 虽先排 4s 后排 3d ， 但电子结构式中先写 3d，后写 4s 22 ，
原子结构与元素周期系
14
堡里不相容原理
一个电子的四个量子数为（ 一个电子的四个量子数为（3、2、0、-1/2） 1/2） 另一个电子的四个量子数为（ +1/2） 另一个电子的四个量子数为（3、2、0、+1/2） 从保里原理可获得以下几个重要结论： 从保里原理可获得以下几个重要结论： a)每一种运动状态的电子只能有一个。 每一种运动状态的电子只能有一个。 每一种运动状态的电子只能有一个 b)由于每一个原子轨道包括两种运动状态，所以每一个 由于每一个原子轨道包括两种运动状态， 由于每一个原子轨道包括两种运动状态 原子轨道中最多只能容纳两个自旋不同的电子。 原子轨道中最多只能容纳两个自旋不同的电子。 c)因为 、p、d、f各分层中原子轨道数为 、3、5、7 因为s、 、 、 各分层中原子轨道数为 各分层中原子轨道数为1、 、 、 因为 所以各分层中相应最多只能容纳2、 、 、 个电 所以各分层中相应最多只能容纳 、6、10、14个电 子。 d)每个电子层原子轨道的总数为 个，因此，各电子层 每个电子层原子轨道的总数为n² 因此， 每个电子层原子轨道的总数为 中电子的最大容量为2n²个 中电子的最大容量为 个。
第五周期： 第五周期：
18 种元素 3 个能级 5s 4d 5p 9 个轨道 24
第五能级组： 第五能级组： 18 个电子
原子结构与元素周期系
第六周期： 第六周期：
32 种元素 6s 4f 5d 6p
6p 5d
第六能级组： 第六能级组： 32 个电子 4 个能级
16 个轨道
Tl Pb Bi Po At Rn
• 近似能级图是按原子轨道的能量高低而不是按原子轨道 离核的远近顺序排列起来。把能量相近的能级划为一组， 离核的远近顺序排列起来。把能量相近的能级划为一组， 称为能级 • 1s 第一能级组 2s2p 第二能级组 3s3p 第三能级组 4s3d4p 第四能级组 5s4d5p 第五能级组 6s4f5d6p 第六能级组 7s5f6d7p 第七能级组 在能级图中可以看到： 在能级图中可以看到：相邻的两个能级组之间的能量 差较大，而在同一能级组中各能级的能量差较小。 差较大，而在同一能级组中各能级的能量差较小。
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni
Potassium Calcium Scandium Titanium Vanadium Chromium Manganese Iron Cobalt Nickel
钾 钙 钪 钛 钒 铬 锰 铁 钴 镍
[Ar] 4s1 [Ar] 4s2 [Ar] 3d14s2 [Ar] 3d24s2 [Ar] 3d34s2 [Ar] 3d54s1 [Ar] 3d54s2 [Ar] 3d64s2 [Ar] 3d74s2 [Ar] 3d84s2
原子结构与元素周期系
核外电子的运动状态 核外电子的排布和元素周期系 元素基本性质的周期性
原子结构与元素周期系
1
1━2 微观粒子的波粒二象性
一、 光和实物粒子的波粒二象性
1924年德国物理学家 L de Broglie (德布罗 年德国物理学家 德布罗 提出假设： 意)提出假设： 提出假设 既然光是一种微粒又是一种波， 既然光是一种微粒又是一种波 ， 那么静止 质量不为零的实物粒子也含有相似的二象性 1927年C.J.Pavisson (戴维逊 和L.H.Germer 戴维逊)和 年 戴维逊 (盖末尔 获得一种晶体的电子衍射图，从实验 盖末尔)获得一种晶体的电子衍射图 盖末尔 获得一种晶体的电子衍射图， 上证实了de 的假设， 上证实了 Broglie的假设，从此科学家们开 的假设 始接受实物粒子的二象性。 始接受实物粒子的二象性。
原子结构与元素周期系
2
电子衍射实验示意图
用电子枪发射高速电子通过薄晶体片射击感光荧屏， 用电子枪发射高速电子通过薄晶体片射击感光荧屏，得到明 暗相间的环纹，类似于光波的衍射环纹。 暗相间的环纹，类似于光波的衍射环纹。
电 子 枪
电 子 束
薄晶体片 感光屏幕
原子结构与元素周期系
衍射环纹 3
结论： 结论 1.电子等实物粒子具有 波粒 二象性； 2.不能用经典物理的波和粒 的概念来理解它的行为。 再次说明描述电子等微粒的 运动规律只能用描述微粒运动 规律的量子力学。