基础化学课件PPT 原子结构和元素周期律

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第一节 量子力学基础及核外电子运动特性
二、 电子的波粒二象性(1924年）
例 电子质量m = 9.1×10-31kg，在1V电压下的速度为5.9×105 m·s-1， h=6.626×10-34 J·s ，电子波的波长是多少？⑵ 质量1.0×10-8kg的沙粒 以1.0×10-2 m·s-1速度运动，波长是多少？ 解 ⑴ h = 6.626×10-34kg·m2·s-1；根据德布罗意关系式
我感到很疲倦 能级低的好可怜 学基础及核外电子运动特性
一、 氢光谱和氢原子的Bohr模型
量子力学简介
19世纪末，物理学领域尚有若干问题仍未解决，它们都与光 或电磁辐射有关：
氢原子线状光谱--卢瑟福（英） 黑体辐射--普朗克（德） 光电效应--爱因斯坦（德）
H原子线状光谱 Bohr 的 解 释 （ 1913 年 ） ：
① 电子沿一定轨道绕核运动，具有确定的能量，不吸收也
不辐射能量，称为定态(stationary state) 。每个定态都对应 一个能级(energy level)。 原子处于能量最低状态时，为基态(ground state)；其它能 量较高的状态都称为激发态(excited state)。
N ···
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第二节 氢原子结构的量子力学解释
一、 波函数及三个量子数的物理意义
2. 轨道角动量量子数 l
① 只能取小于 n 的正整数和零 l = 0、1、2、3 … (n – 1)，共可取n个值
② 它决定原子轨道的形状
③ 在多电子原子中，由于有电子间的静电排斥， l 还和n共同决 定电子能量的高低及离核平均距离。
第九章 原子结构和 元素周期律
Atomic Structure and Periodic Properties of Elements
内容提要
1. 量子力学基础及核外电子运动特性
①氢光谱和氢原子的Bohr模型 ②电子的波粒二象性 ③不确定原理
2. 氢原子结构的量子力学解释
①波函数及三个量子数的物理意义 ②原子轨道和电子云的角度分布图 ③径向分布函数图
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内容提要
3. 多电子原子的结构
①多电子原子的能级 ②电子的自旋 ③原子的电子组态
4. 元素周期表与元素性质的周期性
①原子的电子组态与元素周期表 ②元素性质的周期性变化规律(自学)
5. 元素和人体健康 (自学)
①人体必需元素及其生物功能简介
②环境污染中对人体有害的元素
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教学基本要求
1.掌握四个量子数的取值限制和它们的物理意义，量 子数组合和轨道数的关系；原子轨道、电子云的角度 分布；基态原子核外电子排布遵守的三条规律（Pauli 不相容原理，能量最低原理，Hund规则）。
Ψ：波函数，此方程的解，用来描述电子的运动状态。 E：轨道总能量； V：势能； m：粒子质量；h：普朗克常数 x, y, z：粒子的空间直角坐标
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第二节 氢原子结构的量子力学解释
一、 波函数及三个量子数的物理意义
2 x Ψ 2 2 y Ψ 2 2 z Ψ 2 8 π h 2 2 m E V Ψ
即原子中电子的位置误差比原子半径大10倍，电子在原子中无精 确的位置可言。
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第二节 氢原子结构的量子力学解释
一、 波函数及三个量子数的物理意义
1. 波函数ψ （wave function）
奥地利物理学家Schrödinger推导出薛定谔方程：
2 x Ψ 2 2 y Ψ 2 2 z Ψ 2 8 π h 2 2 m E V Ψ
x = rsinθcosφ y = rsinθsinφ z = rcosθ rx2 y2 z2
ψ (x, y, z) → ψ (r, θ, φ) = Rn, l(r)·Yl, m(θ, φ)
hE n 2-E n 1 R H n 1 1 2 n 1 2 2
或
1cR hHcn 1 1 2n 12 2
R H 2 - J 为 . 1 1 8 R 7 常 氢 y 9 d 1 数 原 b 0 12 e
第一节 量子力学基础及核外电子运动特性
一、 氢光谱和氢原子的Bohr模型
Bohr模型的局限性
仅能解释氢原子的光谱，不能解释多电子原子结构。
即使对于氢原子光谱，Bohr模型也不能解释光谱的精细结构。 仍然假设电子是一个沿着行星式的固定轨道运动的经典粒子。 不能解释角动量量子化的条件，并未深刻了解电子的本性。
丹麦物理学家 量子力学奠基人 1922年Nobel物理奖
由于Bohr模型的上述局限以及其中明显的经典物理 痕迹，因此这个模型仍属于旧量子论。
原子轨道 描述电子运动状态的波函数常称作原子轨道，仅是波函数的形象代名词 ，绝无经典力学中的轨道含义。严格地说原子轨道在空间是无限扩展的 ，一般用电子出现概率为99%空间区域的界面来体现原子轨道的大小。
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第二节 氢原子结构的量子力学解释
一、 波函数及三个量子数的物理意义
为方便求解，须将直角坐标转换为球极坐 标，则将原子轨道表示成ψ (r, θ, φ)。
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0
ψ3dz2
2
±1
ψ3dxz ψ3dyz
±2
ψ3dxy ψ3dx2-y2
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第二节 氢原子结构的量子力学解释
一、 波函数及三个量子数的物理意义
ψ本身物理意义并不明确，但|ψ |2表示在原子
核外空间某点处电子出现的概率密度，即在
该点处单位体积中电子出现的概率。
(a)
(b)
电子云（直观形象的电子概率密度分布图） 图形a是基态氢原子|ψ|2的立体图，b是剖面图。黑色深的地方概率密度 大，浅的地方概率密度小。
电子亚层
s
p
d
f
···
l
0
1
2
3
···
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第二节 氢原子结构的量子力学解释
一、 波函数及三个量子数的物理意义
3. 磁量子数 m
① 可以取 –l 到 +l 的 2l+1个值，即 m = 0、±1、±2，…，±l
② 它决定原子轨道的空间取向。 l 亚层共有 2l+1个不同空间伸展方向的原子轨道。
③ n与l相同时m不同的各轨道能量相等，称简并轨道或等价轨道。
h 6 . 6 1 3 2 k 4 m 0 2 6 s g -1 1 1 1 2 m 0 0 1 2 p 0 m m 9 1 - v 3 . k 1 1 0 5 g 1 5 m . s - 1 9 0
⑵
1 6 . 6 1 . - 8 k 1 0 2 0 1 3 k g 0 4 1 6 m . - 2 2 g m s 0 - 0 s - 1 1 6 . 6 1 2 m 0 4
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二、第电一子节的量波子粒第一力二节学象量子基性力学(础基1础9及2及4核核年外电外）子电运动子特性运动特性
1923年，法国博士生de Broglie提 出微观粒子的物质波假说：
h h
p mv
p为粒子的动量 m为质量 v为速度
λ为粒子波波长
h为普朗克常数
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第一节 量子力学基础及核外电子运动特性
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第一节 量子力学基础及核外电子运动特性
一、 氢光谱和氢原子的Bohr模型
② 原子由一种定态（能级E1）跃迁到
另一种定态（能级E2），所吸收或辐 射光子的能量等于跃迁前后能级的能 量差：
ΔE = hν = | E2 –E1 |
普朗克常数 h = 6.626×10-34 J·s， ν是光子频率。
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二、 电子的波粒二象性
物质波的实验证据
Davidson-Germer 电子束的反射实验 (1927, 镍单晶) Thomson-Reil 电子衍射实验 (1927, 金箔和铝晶体)
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第一节 量子力学基础及核外电子运动特性
二、 电子的波粒二象性
统计解释
电子波是概率波，空间任一点的波强度和电子在该点出现的概率成正比 。 亮斑强度大的地方，电子出现的概率大；亮斑强度弱的地方，电子出现 的概率小。
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第二节 氢原子结构的量子力学解释
一、 波函数及三个量子数的物理意义
表9-1 量子数组合和原子轨道数
主量子数n
轨道角动量 量子数l
磁量子数m
波函数ψ
同层轨道数 容纳电子数
（n2）
（2n2）
1
0
0
ψ1s
1
2
0
0
ψ2s
2
1
0
ψ2pz
4
±1
ψ2px ψ2py
8
0
0
ψ3s
3
1
0 ±1
ψ3pz ψ3px ψ3py
对易，表象，守恒，自旋，是谁的发现？ 喜欢在光谱中你只属于我的那条线 经过丹麦玻尔研究院 我以大师之名许愿
思念像海森堡矩阵般地蔓延 当波函数只剩下测不准语言 几率就成了永垂不朽的诗篇
我给你的爱是轨道加自旋渗透到每一个原子的里面 隔一个世纪再一次发现泡利不相容原理依然清晰可见 我给你的爱是轨道加自旋渗透到每一个原子的里面 用狄拉克符号写下了永远 那一宏观确定的经典，不会再重演
2.熟 悉 波 函 数 ψ ，概率密度| ψ | 2 ，电子云；多电子原子 的近似能级；原子的电子组态与元素周期表。
3.了解氢原子的Bohr模型；电子的波粒二象性，测不 准原理；电子云的径向分布；元素性质的周期性变化 规律；元素和人体健康。
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星际穿越
《爱在西元前》量子力学版
普朗克先生写下了黑体辐射公式 宣告量子力学诞生距今已一百又零三年 薛定谔方程，天才的灵光一现 用德布罗意波谱写出物理学光辉顶点
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第一节 量子力学基础及核外电子运动特性
一、 氢光谱和氢原子的Bohr模型
氢原子线状光谱