第6章原子结构

2 2 x 2 2 y 2 2 z8h2 2m (EV)0
这便是著名的薛定谔方程式，式中：E是体系的总能量；V是 体系的势能；m为微粒的质量。
二、波函数和原子轨道
（1）波函数：解薛定谔方程所得出的ψ是一系列的函数 表达式而不是一个个数值，称ψ为波函数，它并没有实际 的物理意义。
ψ是描述原子核外电子运动状态的数学函数式，是空 间坐标（X，Y，Z）的函数。
1、主量子数(n) 物理意义：决定核外电子的能量和电子离核的平均距离
（1）电子离核的平均距离最近的一层即第一电子层，用n = 1 表示，余此类推，可见n越大电子离核的平均距离越远。
电子层：在一个原子内，具有相同主量子数的电子，近乎在同 样的空间范围运动，这一范围称电子层。
（2） 主量子数也可用光谱符号K, L, M, N…表示。 n 123456
E = n hυ
(二 ) 玻尔理论(三个假设)
1、定态轨道的假设：原子中的每个电子，都是围绕原子核在一 个固定的、有一定能量和有特定半径的定态圆形轨道上运动的。 每个轨道表达（描述）了原子中电子的一种固定的运动状态。
2、轨道能量的假设：轨道能量符合量子化特点。轨道所具有的 能量随轨道离核距离不同而不同。离核越远的轨道能量越高。
2、熟悉s、p、d原子轨道和电子云的形状和伸展方向。 3、重点掌握周期系内各元素原子的核外电子层结构的特 征，并结合原子参数，熟悉元素性质周期性变化规律。
§6.1 概 述
光是一种电磁辐射，光以能量或波长顺序排列得到的光谱。
原子光谱是线光谱；分子光谱是带光谱；由炽热的物质所 辐射的光谱是连续光谱。
光或辐射的能性质和原子、电子等微粒的性质之间有着密 切的联系。
3、能量的吸收和释放的假设：电子运动时所处的能量状态称为 能级。在正常情况下，电子是在离核最近、能量最低的轨道上运 动的。此时电子既不释放能量，也不吸收能量，处于稳定状态， 称为基态（n = 1的轨道）
但当电子受到外界能量作用时，将吸收能量，从离核近的 一个轨道跳跃到离核远的某个轨道上，电子处于离核远的高能 量轨道时，称为电子处于激发态（n＞1的轨道）。
（2）原子轨道：在量子力学中，把原子体系中的每一个 这种波函数叫原子轨道，代表微粒的一种运动状态，是一 种概率的量度。
波函数ψ和原子轨道是同义词，用ψ（X，Y，Z）表示。具体 应用时，应注以量子数下标。
Ψn,l,m（X，Y，Z）合理地描述了核外电子运动状态。 它是薛定谔方程的特定解。
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三、四个量子数
按照相对论的质能联系定律：E = mc2 ； m = E/c2
已知光子的能量： E =hυ； c = υλ
光子的动量： P = mc
故
P = E/c = hυ/c = h/λ
2、实物粒子有波粒二象性的预言（1924）
如果光子具有二象性，那么微观粒子在某些情况下， 也能呈现波动性。
对于质量m，速度v的微粒，其波长可用下式求得： = h / mv
处于激发态的电子是不稳定的，能以辐射的形式释放出多 余能量并回到基态。
因为电子的能量与辐射能的频率成正比， 即： E = h 所以： E2 - E1= E = h
= (E2 - E1) / h 式中h为普朗克常数6.62610-34JS，E的单位为J。
玻尔理论的局限性： 1. 不能说明多电子原子光谱的规律和特征； 2. 不能解释氢原子光谱的精细结构。
第六章 原子结构
§6.1 概述 §6.2 核外电子运动状态的描述 §6.3 多电子原子的能级 §6.4 多电子原子的核外电子排布规则 §6.5 原子的电子构型和 §6.6 主要的原子参数及其变化规律
基本要求：
1、从氢原子光谱了解能级的概念。了解原子核外电子运 动的近代概念。掌握四个量子数对核外电子运动状态的描述。
这种波称为德布罗意波或物质波。 德布罗依的假设在1927年为戴维逊和革麦的电子衍 射所证实。
四、测不准原理
1927年德国的物理学家海森堡提出了量子力学中的一个重 要关系式 —— 测不准关系：
△x.△P≥ h/4л 该式表明：粒子位置的测定准确度越大(△x越小)，则其相 应的动量的准确度就越小(△P越大)，反之亦然.
0 -0.872 -1.36 -2.42
-5.45
-21.79
氢原子轨道能级示意图
7 6
红
5
外 光
4
区
谱 线
3
2
紫 外 光 区 谱 线
1
三、波粒二象性：核外电子运动的特性
1、光子的二象性：20世纪初人们根据光的干涉、衍射和光电效
应等大量实验认识到光既有波动的性质，又有微粒子的性质，即 光的波粒二象性。
用于描述光的参数有：光速c、波长λ、频率ν等。它们 之间存在简单的关系：
c=νλ 原子并非是组成物质的最小微粒，其组成结构也是极其复 杂的。
原子
原子核
质量很小（9.11×10-31Kg） 电子 运动空间小（直径约10-10 m）
高速运动（106m/s）
电子运动规律 遵循量子力学规律
具有量子化特性 具有波粒二象性
一、氢原子光谱
1、形成：将低压H2置于放电管中，在其两端通以高压电流，使
H2 然后
H 原子（基态）
H 原子（激发态），
以光的形式辐射出光谱。
2、氢原子光谱的规律： （1）氢原子光谱是线状光谱； （2）各条谱线的λ、υ是不均匀的，但存在一定的规律。
二、玻尔理论
（一）普朗克的量子化理论： 1900年，普朗克首先提出了著名的，当时被誉为
物理学上一次革命性的量子化理论。
该理论的核心内容是： 物质吸收或发射能量是不连续的，而是量子化的。即：
式中： E：光子E的能=量h；υυ：光的频率；
h: 普朗克常数 （h = 6.6262×10-34 J .S） 物质的能量就是以这样一个能量单位一份一份地（或按照这 个能量单位的整数倍n）辐射或吸收，因而是不连续的。即上式 也可写成
§6. 2 核外电子运动状态的描述
量子力学从微观粒子具有波粒二象性出发，认为微观粒子的 运 动状态可用波函数(x,y,z)来描述。波函数可通过量子力学的基本 方程求解。
一、薛定谔方程
1926年，奥地利科学家薛定谔( E. Schr ödinger )在考虑实物 粒子的波粒二象性的基础上，通过光学和力学的对比，把微粒的运 动用类似于表示光波动的运动方程来描述。它的具体形式如下：