无机及分析化学：第六章 原子结构

第八章原子结构和元素周期系

8.1、人类认识原子结构的简单历史

元素互相化合时质量关系的基本定律

1、质量守恒定律

2、定组成定律

3、倍比定律

Dalton原子论在化学发展中的作用。

十九世纪原子分子论的论点的归纳。

二十世纪初，量子论和光子学说的发展。

8.2、核外电子的运动状态

8.2.1核外电子运动的量子化特征

――氢原子光谱和Bohr（玻尔）理论

它们的特征是：P123

（１）不连续的线状光谱，从红外区到紫外区呈现多条具有特征波长的谱线。

（２）从长波到短波，Hα至Hδ等谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性。

这几条谱线称为Balmer系。

Bohr提出的原子模型的假设，成功地解释了氢原子线状光谱的成因和规律。

8.2.2、核外电子运动的波粒二象性

光具有波粒二象性。

1924年，De Broglie预言：

假如光具有二象性，那么微观粒子在某些情况下，也能呈现波动性。

例如：目前，电子衍射显微镜等。

波长：λ = h / mυ

m粒子的质量，υ，粒子运动速度，

h = 6.626×10－34 Js ，

Planck, M. （普朗克）常数

式左边是电子的波长，表明它的波动性的特征。

右边是电子的动量，代表它的粒子性。

通过Planck常数h，把电子的粒子性和波动性定量地联系起来了。

8.2.3、测不准原理

电子具有波粒二象性。

微观粒子与经典力学中的宏观物体的运动状态不同。

不能用位置和速度的物理量来准确地描述电子的运动状态。

Heisenberg（海森堡）提出微观粒子的位置和动量之间的测不准原理。

8.2.4、核外电子运动状态的描述

１、波函数

拿住一条绳子的一头，上下摆动，就可以看到在一维平面上的波动。

在纵坐标的方向可以度量出波的振幅的大小。

在横坐标方向则不存在什么波动。

每个波的振幅是其位置坐标的函数。

这个函数就波函数。

电子在原子核外空间运动的波动性，也可以用波函数来描述。

为了描述电子的运动规律，

Schrodinger（薛定谔）提出了一种波动方程。

p127：

ψ为波函数，E是总能量，V 是势能，m是电子的质量，h是Planck常数，x，y，z是空间方程。这就是所说的薛定谔方程。

方程中包含着体现微粒性（如：m，E，V）和波动性（ψ）的两个物理量。

所以它能正确地反映微粒的运动状态。

２、四个量子数

从Schrodinger 方程中求出ψ(x,y,z)的具体函

数形式，即为方程的解。它是一个包含n，l，m三个常数项的三变量(x,y,z)的函数，常用

ψn,l,m(x,y,z)表示。

应当指出，并不是每个方程的解都是合理的，都能表示电子运动的一个稳定状态。

所以为了得到一个合理的解，

就要求n，l，m不是任意的常数，而是要符合一定的取值。

在量子力学中把这类特定n，l，m称为量子数。n为主量子数，取值为，n = 1，2，3，……，n；

l 为角量子数，

取值为，l = 0，1，2，……，( n－1)；

m为磁量子数，

取值为，m = 0,±1，±2，……，±l

通过一组特定的n，l，m，就可以得到一个相应的波函数ψn,l,m(x,y,z)。

每一个ψn,l,m(x,y,z)表示原子中核外电子的一种运动状态。（轨道）

当主量子数增加时，电子的能量随着增加，其电子出现在离核的平均距离也相应增大。

在一个原子内，具有相同主量子数的电子，几乎在同样的空间范围内运动。

n相同的电子为一个电子层。

常用电子层的符号为：

n = 1，2，3，4，5，6，7，……

电子层符号：K，L，M，N，O，P，Q，……

角量子数l确定原子轨道的形状，并在多电子原子中和主量子数一起决定电子的能级。

l = 0，1，2，3，4，……，(n－1)

相应能级符号： s，p，d，f，g，……，

如：n = 1，l = 0，为ψ1s，即1s电子。

n = 2，l = 0，为ψ2s，即2s电子。

n = 2，l = 1，为2p电子。

磁量子数m决定原子轨道在空间的取向。

某一种形状的原子轨道可以在空间取不同的伸展方向，得到几个空间取向不同的原子轨道。

由于m = 0，±1，±2，……，±l

所以共有(2 l +1)个值。

如：

这些状l = 0，m 可取值为0，一种，

为s轨道。

l = 1，m 可取值为：+1，0，－1，

即三种，为p轨道。

l = 2，m：+2, +1, 0, －1,－2，

即五种，为d轨道。

l = 3，m：+3, +2, +1, 0,－1,－2,－3，

即七种，为f 轨道。

原子轨道在空间有不同的取向，它们也是量子化的。

电子在空间的运动状态数（轨道数）等于磁量子数。态的能量在没有外加磁场时是相同的，称为简并状态。

例如：p电子的三种空间运动状态，

px，py，pz能量完全相同。

自旋量子数ms，在强磁场存在下，精密观察原子光谱，发现大多数谱线由靠得很近的两条谱线组成。

这是因为，电子在核外运动，还可以取数值相同，而方向相反的两种运动状态。通常用↑和↓表示，称为自旋量子数，ms，取值：ms = ±1/2。

1/2仅为一种量子表示，而不表示数值的大小。±则表示运动状态。