基础化学原子结构cz2011
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建立的基础：经典物理学，采用宏观物体 运动的固定轨道概念
3.1.2 微观粒子运动的波粒二象性
17世纪末，牛 顿和惠更斯 分别提 出了光的粒子性和 波动性。
粒子性：运动时具有动量和动能，称为粒子性 波动性：微粒流在运动中表现出“波”的特性 微观粒子运动有时表现出粒子性， 有时呈现出波动性—波粒二象性。
第三章 原子结构
§3.1 微观粒子运动的特性 §3.2 氢及类氢原子核外电子的运动状态 §3.3 多电子原子核外电子的排布 §3.4 原子的电子层结构与元素周期性 §3.5 元素基本性质的周期性
3.1 微观粒子运动的特性
研究原子结构，主要就是研究原子核外电子 的运动。量子力学研究表明，原子核外电子的运 动主要有两大特征：
电子的波粒二象性
1924年， 法国物理学家de Broglie： 电子等微观粒子除具有粒子性外，同样具 有波动性。这种波被称为物质波 (德布罗 意波)。
质量为 m ，运动速度为v 的粒子，相应的波长为：
h h
P mv
1927年，Davission 和 Germer ： 根据电子衍射图计算得到的电子波 的波长与de Broglie 公式计算出的 波长一致。
氢原子可见光谱有四条颜色不同的谱线 H、H、H、H 频率 分别为：
4.571014 s-1, 6.171014 s-1, 6.911014 s-1, 7.311014 s-1
氢原子光谱仪示意图和氢原子可见光谱
Balmer 经验公式：
3646.00
(
n2 n2
) 4
n = 3, 4, 5, 6时可以算出 分别等于实验中 得到的氢的4条谱线的频率。
3. 原子核体积很小，原子核外空间较大。
经典核原子模型解决了原子的组成问题： 质子
原 原子核 中子 子
电子
究竟原子中核外电子如何分布？以及 运动状态如何？
2. Bohr的原子结构理论
Bohr 根据
Rutherford 核原子模型
M. Planck 量子论 A. Einstein光子学说
建立了Bohr 理论
具有波动性的微观粒子和宏观物体有着完
全不同的运动特点，不可能同时而又准确的测 量微观粒子在某一时刻的位置和动量（速度）
氢原子的光谱实验Байду номын сангаас
Planck的量子论： 物质吸收和发射能量是不连
续的，即量子化的。吸收和发 射能量最小的单位是光量子。
Einstein的光子学说： 光既是一种波，但又具有
粒子性
Bohr 理论的三点假设
关于固定轨道的概念：核外电子只能在具有确定 半径和能量的特定轨道上绕核运动。 这些轨道的角动量要满足一定的量子化条件：
除了可见光的Balmer线系，后来又发现了 氢 原 子 紫 外 光 谱 Lyman 线 系 ， 红 外 光 谱 的 Paschen线系，Bracket线系，Pfund线系。
氢原子光谱的实验事实与经典电磁理论不符
经典电磁理论：
• 绕核高速旋转的电子将不断从原子发射 连续的电磁波，原子光谱应是连续的；
基础化学
Fundamental Chemistry
（3）
宏观现象的微观本质：微观决定了宏观物 质的性质。
化学的特点：既研究物质宏观上的性质及 变化，也研究物质微观上的组成和结构，宏观 与微观的联系是化学学科最特征的思维方式。
化学反应中，原子核不变，起变化的只是 核外电子。要了解物质的性质及其变化规律， 有必要先了解原子结构，特别是核外电子的运 动状态。
物质波的意义
• 波粒二象性是所有微观粒子的运动特征。 • 电子的粒子性与波动性定量的联系起来。 • 任何运动质点，包括宏观物体都可以按照 de
Broglie 公式计算它们的波长。
3.1.3 海森堡测不准原理
宏观物体:可用准确的位置和动量描述运动（经典力学） 微观粒子:？
1927年， Heisenberg 提出了测不准原理：
量子化特征和波粒二象性
3.1.1 核外电子运动的量子化特征
————氢原子光谱和玻尔理论
连续光谱
光是电磁波 = c ：频率； ：波长，c：光速
不连续光谱
气体原子 被激发而产生 的光，分光后 产生的是分立 的、有明显分 界的不连续光 谱或线状光谱
由激发态原子发射出来的光谱叫原子光谱。
氢原子光谱
mvr n h (n 1, 2, 3, ......)
2
m 为电子的质量 v 是电子运动的速度 r 是轨道的半径 h 普朗克常数 n 是量子数
在一定轨道中运动的电子具有一定的能量，称为定态
电子在不同的轨道上运动有不同的能量（能级）。 正常情况下，氢原子中的电子尽可能处在离核最 近的轨道上 (n=1)，即原子处于基态。当原子获得 能量，电子可以跃迁到离核较远的高能轨道上去， 原子处于激发态。
• 而且由此，电子的能量逐渐降低，最后 坠入原子核，使原子不复存在。
玻尔理论
1.经典核原子结构模型 1911年，卢瑟夫根据 粒子(He2+)散射实验，
创立了关于原子结构的 “核型原子模型 ”。
1. 原子中心有一个原子核，它集中了原子全部的正 电荷和几乎全部的质量;
2. 带负电的电子于核外空间绕核高速运动;
（1）解释了氢原子光谱的实验事实； （2）提出了能级（轨道）的概念，确定了Balmer公式中 n1、n2的物理意义：代表不同能量的轨道(能级)的序号； （3）提出了核外电子运动时物理量的量子化特性。
Bohr 理论的局限之处
• 不能解释氢原子光谱的精细结构 • 不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂 • 不能解释多电子原子的光谱
r 52.9n2 pm 波尔半径
E
2k 2 2mZ 2e4
n2h2
13.6 n2
eV=
2.179 1018 n2
J
n 为量子数 (1, 2, 3…)，当 n = 时，电子完 全脱离了原子核的束缚，能量 E = 0
这种不连续性——量子化， 即电子的运动是量子化的。
玻尔理论的成功之处
处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到其它轨道上， 同时释放或吸收光能。光能的频率决定于两个轨 道的能量差。
h = E2 - E1
E2：离核较远的轨道的能量（高能级） E1：离核较近轨道的能量（低能级） ：光的频率 h： Planck 常量，6.6210-34 J·s
Bohr 根据经典力学原理和量子化条件：
3.1.2 微观粒子运动的波粒二象性
17世纪末，牛 顿和惠更斯 分别提 出了光的粒子性和 波动性。
粒子性：运动时具有动量和动能，称为粒子性 波动性：微粒流在运动中表现出“波”的特性 微观粒子运动有时表现出粒子性， 有时呈现出波动性—波粒二象性。
第三章 原子结构
§3.1 微观粒子运动的特性 §3.2 氢及类氢原子核外电子的运动状态 §3.3 多电子原子核外电子的排布 §3.4 原子的电子层结构与元素周期性 §3.5 元素基本性质的周期性
3.1 微观粒子运动的特性
研究原子结构，主要就是研究原子核外电子 的运动。量子力学研究表明，原子核外电子的运 动主要有两大特征：
电子的波粒二象性
1924年， 法国物理学家de Broglie： 电子等微观粒子除具有粒子性外，同样具 有波动性。这种波被称为物质波 (德布罗 意波)。
质量为 m ，运动速度为v 的粒子，相应的波长为：
h h
P mv
1927年，Davission 和 Germer ： 根据电子衍射图计算得到的电子波 的波长与de Broglie 公式计算出的 波长一致。
氢原子可见光谱有四条颜色不同的谱线 H、H、H、H 频率 分别为：
4.571014 s-1, 6.171014 s-1, 6.911014 s-1, 7.311014 s-1
氢原子光谱仪示意图和氢原子可见光谱
Balmer 经验公式：
3646.00
(
n2 n2
) 4
n = 3, 4, 5, 6时可以算出 分别等于实验中 得到的氢的4条谱线的频率。
3. 原子核体积很小，原子核外空间较大。
经典核原子模型解决了原子的组成问题： 质子
原 原子核 中子 子
电子
究竟原子中核外电子如何分布？以及 运动状态如何？
2. Bohr的原子结构理论
Bohr 根据
Rutherford 核原子模型
M. Planck 量子论 A. Einstein光子学说
建立了Bohr 理论
具有波动性的微观粒子和宏观物体有着完
全不同的运动特点，不可能同时而又准确的测 量微观粒子在某一时刻的位置和动量（速度）
氢原子的光谱实验Байду номын сангаас
Planck的量子论： 物质吸收和发射能量是不连
续的，即量子化的。吸收和发 射能量最小的单位是光量子。
Einstein的光子学说： 光既是一种波，但又具有
粒子性
Bohr 理论的三点假设
关于固定轨道的概念：核外电子只能在具有确定 半径和能量的特定轨道上绕核运动。 这些轨道的角动量要满足一定的量子化条件：
除了可见光的Balmer线系，后来又发现了 氢 原 子 紫 外 光 谱 Lyman 线 系 ， 红 外 光 谱 的 Paschen线系，Bracket线系，Pfund线系。
氢原子光谱的实验事实与经典电磁理论不符
经典电磁理论：
• 绕核高速旋转的电子将不断从原子发射 连续的电磁波，原子光谱应是连续的；
基础化学
Fundamental Chemistry
（3）
宏观现象的微观本质：微观决定了宏观物 质的性质。
化学的特点：既研究物质宏观上的性质及 变化，也研究物质微观上的组成和结构，宏观 与微观的联系是化学学科最特征的思维方式。
化学反应中，原子核不变，起变化的只是 核外电子。要了解物质的性质及其变化规律， 有必要先了解原子结构，特别是核外电子的运 动状态。
物质波的意义
• 波粒二象性是所有微观粒子的运动特征。 • 电子的粒子性与波动性定量的联系起来。 • 任何运动质点，包括宏观物体都可以按照 de
Broglie 公式计算它们的波长。
3.1.3 海森堡测不准原理
宏观物体:可用准确的位置和动量描述运动（经典力学） 微观粒子:？
1927年， Heisenberg 提出了测不准原理：
量子化特征和波粒二象性
3.1.1 核外电子运动的量子化特征
————氢原子光谱和玻尔理论
连续光谱
光是电磁波 = c ：频率； ：波长，c：光速
不连续光谱
气体原子 被激发而产生 的光，分光后 产生的是分立 的、有明显分 界的不连续光 谱或线状光谱
由激发态原子发射出来的光谱叫原子光谱。
氢原子光谱
mvr n h (n 1, 2, 3, ......)
2
m 为电子的质量 v 是电子运动的速度 r 是轨道的半径 h 普朗克常数 n 是量子数
在一定轨道中运动的电子具有一定的能量，称为定态
电子在不同的轨道上运动有不同的能量（能级）。 正常情况下，氢原子中的电子尽可能处在离核最 近的轨道上 (n=1)，即原子处于基态。当原子获得 能量，电子可以跃迁到离核较远的高能轨道上去， 原子处于激发态。
• 而且由此，电子的能量逐渐降低，最后 坠入原子核，使原子不复存在。
玻尔理论
1.经典核原子结构模型 1911年，卢瑟夫根据 粒子(He2+)散射实验，
创立了关于原子结构的 “核型原子模型 ”。
1. 原子中心有一个原子核，它集中了原子全部的正 电荷和几乎全部的质量;
2. 带负电的电子于核外空间绕核高速运动;
（1）解释了氢原子光谱的实验事实； （2）提出了能级（轨道）的概念，确定了Balmer公式中 n1、n2的物理意义：代表不同能量的轨道(能级)的序号； （3）提出了核外电子运动时物理量的量子化特性。
Bohr 理论的局限之处
• 不能解释氢原子光谱的精细结构 • 不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂 • 不能解释多电子原子的光谱
r 52.9n2 pm 波尔半径
E
2k 2 2mZ 2e4
n2h2
13.6 n2
eV=
2.179 1018 n2
J
n 为量子数 (1, 2, 3…)，当 n = 时，电子完 全脱离了原子核的束缚，能量 E = 0
这种不连续性——量子化， 即电子的运动是量子化的。
玻尔理论的成功之处
处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到其它轨道上， 同时释放或吸收光能。光能的频率决定于两个轨 道的能量差。
h = E2 - E1
E2：离核较远的轨道的能量（高能级） E1：离核较近轨道的能量（低能级） ：光的频率 h： Planck 常量，6.6210-34 J·s
Bohr 根据经典力学原理和量子化条件：