原子精细结构的探究

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2
2.量子数:
(2)四个量子数的意义: n———确定电子离核的远近和原子轨道的 解决。n越大,电子离核越远,原子轨道离 核能级越高。 l ———反映原子轨道的形状和电子亚层的 能级: 如:l =0, s轨道 如:Ens<Enp<End<Enf l =1, p轨道 l =2, d轨道 l =3, f轨道
如:n=1,只能l=0,m=0,只有1(即12)个原子轨道( )。 n=2 l=0,1 m=0, 1其组合数有: (2,0,0)(2,1,0),(2,1,-1),(2,1,+1)有4(即22 )个原子 轨道
1.波函数( )
(1) 如:n=3 l=0,1,2 m=0, 1, 2, 其组合数有:(3,0,0)(3,1,0)(3,1,+1) (3,1,-1)(3,2,0)(3,2,+1) (3,2,-1)(3,2,+2)(3,2,-2) 有9(即32个原子轨道)
(1)光的波动性:
(2)光的衍射:
如右图所示,如果光是 直线传播的,则只能 如红线所示;而光的 传播如黑线所示。因 此说明光能绕过障碍 物弯曲传播,即光能 衍射。而光的干涉和 衍射实波动才有的现 象,即光具有波动性。
1.光的波粒二象性:
(2)光的粒子性:
1905年,A.Ainstein(爱因斯坦)应用Planck 量子论成功解释了光电效应,并提出了光子 学说。他认为光是具有粒子特征的光子所组 成,每一个电子的能量与光的频率成正比, 即光子的能量E=hν o由此可见具有特定频 率ν 的光的能量只能是光子能量E的整数倍 nE(n为自然数)。而不能是1.1E, 1.2E,2.3E……。这就是说,光的能量是量 子化的。
当n1=1,n2=∞时,上式△E=-2.179╳10-18J, 这表示H原子的一个电子从n=1能级跃迁至n=∞ 能级。即电子完全离开原子核,因此,氢原子的 电离能为2.179╳10-18J。
2.179 1018 J 3.289 1015 s 1 其中: 6.626 10 34 J .S
2.量子数:
(1)四个量子数的取值: Schodinger方程是一个二阶偏微分方程,可以 有无穷多的解 。需要引进三个参量(量子 数),才能解出确定的有意义的解(E和 Biblioteka Baidu)。这三个量子数及其取值分别是:
主量子数n=1,2,3,4……(任意正整数) 角(副)量子数l =0,1,2……(n-1) 磁量子数 m=0,1, 2…… l 自旋量子数ms= 1
2.Bohr理论:
• 1913年,丹麦物理学家N.Bohr首次 认识到氢原子光谱与结构之间的内 在联系,并提出了氢原子结构模型。
并用经典的牛顿 力学推导了结论
2.Bohr理论:
(1)Bohr的原子结构理论的三点假设 :
–原子核外的电子只能在有确定的半径和能量的轨道上运动。 电子在这些轨道上运动时并不辐射能量。 –在正常情况下,原子中的电子尽可能处在离核最近的轨道上。 这时原子的能量最低,即原子处于基态。当原子受到辐射, 加热或通电时获得能量后电子可能跃迁到离核较远的轨道上 去。即电子被激发到高能量的轨道上,这时原子处于激发态。 –处于激发态的电子不稳定,可以跃迁到离核较近的轨道上, 同时释放出光能。 E 2 E1 光的频率ν = h –式中:E1————离核较近的轨道的能量 E2————离核较远的轨道的能量
2.量子数:
m———基本反映原子轨道的空间取向;如 2pz: p轨道哑铃型在z轴上。 ms ———表示电子自旋的两种方向 (状态),通常用“↑”表示, 如“↑↑”或“↓↓”表示自旋平行; “↑↓”表示自旋反平行。 总之,电子在核外的运动,可以用四个 量子数来确实。
2.量子数:
(2)四个量子数的意义: n———确定电子离核的远近和原子轨道( ) 的解决。n越大,电子离核越远,原子轨道 离核能级越高。 L———反映原子轨道( )的形状和电子亚 层的能级: 如:l=0, s轨道 如:Ens<Enp<End<Enf l=1, p轨道 l=2, d轨道 l=3, f轨道
当n,l,m都有确定的值时,可以从 Schodinger方程解出一个(原子轨道)及其 能级E。对氢原子来说,其光谱中各能级间 定量关系式为 1 1
E R H (
式中。Rh——Rydberg(里德保)常数。其 值为0.179╳10-18J
n
2

1
n
2
)
2
1 1 E R H ( 2 2 ) n1 n 2 当n等于无穷大的时候,表示电子完全脱离了核的 吸引,其能级为0,而其它比n等于无穷低的能级, 其能量比小于0,均为负值。
2.Bohr理论:
• 根据ν 2 n1 在可见光区: 当n1=2, n2=3 为Hα 谱线的频率 n2=4 为Hβ 谱线的频率 n2=5 为Hγ 谱线的频率 n2=6 为Hδ 谱线的频率 在红外光区: 当n1=3,n2=4,5,6,7有一组谱线 在紫外光区: 当n1=3, n2=2,3,4,5也有一组谱线 =3.29╳1015(
2.电子的波粒二象性:
(2)电子衍射实验: 1927年,Davisson和Germer 应用Ni晶体进行的电子衍 射实验证实了电子具有波 动性。将一束电子流经过 一定的电压加速后通过金 属单晶,象单色光通过小 圆孔一样发生衍射现象, 在感光底片上,得到一系 列明暗相同的衍射环纹 (如右图所示)。
2.电子的波粒二象性:
分别处理:
1.氢原子轨道的能级:当轨道上有一个电子在运动时所具 有的能量叫能级。 E=-KJ.Mol-1
=2.179╳10-18J╳6.022╳10-23Mol-1╳10-3KJ.J-1
=1312KJ.Mol-1 2.多电子原子的能级: Z 2 E R H ( ) 。式中Z*——有效核电荷 n
第三章 原子结构
§3-1 原子核外电子运动状态
电子围绕原子核高速运转, 从最简单的原子氢光谱开始研究
1.氢原子光谱
• (1)实验事实:当极少量的高纯氢 气在高真空玻璃管中,加入高电压 使之放电,管中发出光束,使这种 光经过分光作用。在可见光区得到 四条颜色不用的谱线,如下图所示, 这种光谱叫做不连续光谱或线状光 谱。所有的原子光谱都是线性光谱。
*表示:
对原子中电子运动状态的波函数,一般可用 (x,y,z,t)来表示。 而在定态时:1,力学量平均值;2,几率密度, 二者不随时间而变化时,可用(x,y,z)表示。
1.波函数( )
(1)当n,l,m都是有确定值时,就可以从Schodinger方程 解出一个确定的波函数。因此,波函数的数目等于n,l, m的合理组合数。
分别处理: 3.类氢原子(如He+ . Li2+.Be3+……)的能级: 解Schodinger方程得到氢原子系统的总能量为:
E R H ( 1 E R H ( )2 对氢原子,Z=1,故其能级 n Z 2 ) n
。而上述类氢原子,Z=2,3,4…...
1.波函数( )
*定义:
用空间坐标(x,y,z)来描述波的数学函数式。通 常波函数也叫原子轨道(借用Bohr名称)
1 1 2 )s-1 n 2
2.Bohr理论:
(3)玻尔理论的贡献和局域性: – 贡献: • 成功的解释了氢原子光谱。 • 提出了主量子数n和能级的重要概念,为 近代原子结构的发展作出一定的贡献。 – 局限性: • 不能说明多电子原子光谱和氢原子光谱的 精细结构; • 不能说明化学键的本质。
2.Bohr理论:
• 轨道 • 基态、激发态 • 引入量子数-n,1、2、3…
2.Bohr理论:
Bohr在其三点假设的基础上,运用牛顿力学定律 推算出下列关系式: r=a0n2 1312 2 E=- KJ.mol-1 n 1 1 2 ν=3.29╳1015( n1 2 n 2 )s-1 (n1<n2) 式中:r——氢原子轨道的半径,a0=0.053纳米 (玻尔半径) E——氢原子轨道的能量 ν——氢原子中电子由高能态跃迁到低能 态时辐射光的平率 n——正整数(自然数,量 子数)。
1.波函数( )
(2)电子层和电子亚层: 把具有相同n值的原子轨道叫电子层,则各电 子层会有的原子轨道数为: n=1, K层 12=1 n=2, L层 22=4 n=3, M层 32=9
1.氢原子光谱
• (2)实验总结: 1885年,瑞士一位中学物
理教师J.J.Balmar(巴尔多)指出,上述谱线的频 率符合下列公式:
ν=3.289╳1015(
• 由此公式可算出:
1 1 -1 2)s 2 2 n
–当n=3时,是Hα 的频率 –当n=4时,是Hβ 的频率 –当n=5时,是Hγ 的频率 –当n=6时,是Hδ 的频率
(3)物质波的统计性规律: –在电子衍射实验中,若以极弱的电子束通过金属箔 进行衍射,则电子几乎是一个一地通过金属箔。若实 验时间较短,则在照相底片上出现若干似乎不规则分 布的感光点,表明电子显粒子性。只有实验时间较长, 底片上才形成衍射环纹,显示出波动性。 –在衍射实验中,就一个电子来说,不能确定它究竟 会落在哪一点上(测不准原理),但若重复进行多次 相同的实验,就能显示出电子在空间位置上出现具有 衍射环纹的规律。这就是说,电子的波动性是电子无 数次行为的统计结果。
2.电子的波粒二象性:
(3)物质波的统计性规律:
–在衍射图系中,衍射强度大的地方表示电 子在该处出现的次数多,即电子出现的几 率较大。反之则电子出现的的几率较小。 衍射强度是物资波强度的一种反映,在空 间任一点物质波的强度与微观粒子出现的 几率密度(单位体积的几率)成正比。因 此,电子的物质波是具有统计性的几率波。
2.量子数:
(2)四个量子数的意义: m——基本反映原子轨道()的空间取向 如2px:表示第二电子层中最大值在X轴的P 轨道。 mp ——表示电子自旋的两种方向(状态),通 常用“↑”表示,如“↑↑”或“↓↓”表示自 旋平行;“↑↓”表示自旋反平行。 总之,电子在核外的运动,可以用四个量子数 来确实。
1.光的波粒二象性:
(3)光的波粒二象性:
–由实验测定的,光的动量P与其波长λ 成反 比。 h –即P= (h——Planck常数:6.626╳10-24J.s) –此式表明了光具有波粒二象性。
2.电子的波粒二象性:
(1) L.De Broglie(德布罗衣)预言:
– 对于电子这样的实物粒子,其粒子性早在发现电子时就已 得到人们的公认,但电子的波动性就不容易被发现。经过 人们长期的研究和受到波力二象性的启发。1924年,法国 物理学家L.De Broglie认为:既然关具有波力二象性, 则电子等微观粒子也可有波动性,并指出,具有质量为m, h 运动速率为v的粒子,相应的波长为:λ= h mv 即 λ= p –这个关系式把电子等微观粒子的波动性和粒子性的定量地 联系起来。表明:粒子的动量越大,其波长越短。
由于微观粒子的运动具有波粒二象性, 其运动规律须用量子力学来描述,它 的基本方程是Schrodinger方程,是一 个偏微分方程
8 m 2 2 ( E V ) 0 2 2 x y z h
2 2 2 2
式中: ——波函数(是空间坐标的一种函数式) E——总能量(动能+势能)(氢原子总能 量) ze 2 V——势能 (原子核对电子吸引能V=- r ;Z——核 电荷数,e电子电荷,r——电子离核距离) m——微观粒子质量(电子质量) h —— Planck常数
–产生局限性的原因: •把宏观的牛顿经典力学用于微观 粒子的运动,没有认识到电子等 微观粒子的运动必须遵循特有的 运动规律和特征,即能量量子化. 微观波粒二象性规律。
1.光的波粒二象性:
(1)光的波动性:
1)光的干涉:指同样波长的光束在传播时, 光波相互重叠而形成明暗相间的条纹的现象。
1.光的波粒二象性:
(2)电子衍射实验:
–根据电子衍射图计算得到的电子射线的波长 与德布罗衣关系式预期的波长一致。这就证 实了电子等微观粒子具有波粒二象性。 –对于宏观物体,也可根据德布罗衣关系式计 算其波长,只不过计算出的波长极断,根本 无法测量。故其主要表现粒子性,服从牛顿 静电力学的运动规律。
2.电子的波粒二象性:
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