1-原子结构

(i) 决定轨道在空间的伸展方向 (ii) 取值：m = 0、 1、 2、 3、…… l，共取(2 l + 1)个数值 (iii) 原子轨道的角度分布图：
l = 0 , m=0, s轨道
１ ２ K L
３ ４ ５…….. M N O……..
19
l = 1, m =0，+1，-1
l = 2, m=0, +1, -1, +2, -2
同一亚层内的各原子轨道, 在没有外加磁场下, 能量是相等的, 这些轨道 称为等价轨道 (简并轨道) 。
20
（4） 自旋量子数(ms) (the spin quantum number )
描述电子绕自轴旋转的状态, 自旋运动使电子具有类似于微 磁体的行为ms 取值+1/2和-1/2，分别用↑和↓表示电子两种不同的 运动状态。
21
量子数和原子轨道
波函数 ：薛定谔方程的合理解 = 原子轨道
22
例
Question
题
下列哪组量子数是正确的? ②n =3, l =0, m =0; √ ④n =2, l =1, m =0; √ ⑥n =2, l =3, m =2;
√ ①n =3, l =1, m =-1; ③n =2, l =2, m =-1; ⑤n =2, l =0, m =-1;
Fe： 4s ＜ 3d [Ar] 3d64s2 n+0.7l
Fe2+：4s ＞ 3d
[Ar] 3d6ห้องสมุดไป่ตู้s0
n+0.4l
因此：原子失电子变成简单阳离子时总是先失去最外层电子。
价电子电离的顺序：→np→ns→(n-1)d→(n-2)f
31
1.5 原子的电子层结构与周期表的关系
32
ⅠA
ⅡA ⅢA ~ ⅦA
会不会？！
2
2. Bohr理论(Bohr’s Model)
核外电子在一定的线性轨道上绕核运动。 ★ 定态规则: 原子在一定轨道上运动，不释放能量。基态, 激发态; ★量子化条件: 轨道是有条件的，轨道角动量L只能等于h/(2π)的整数 h 倍, 即L = n 2 ，核外电子的轨道不是连续的，而是分立的。 ★跃迁规则: 1 1 h E E2 E1 B( 2 2 ) h
27
1.4.3 基态原子中电子的分布
1. 核外电子填入轨道的顺序 1s,
2s2p,
3s3p, 4s3d4p, 5s4d5p, 6s4f5d6p,
7s5f6d7p
基态原子外层电子填充顺序: →ns →(n-2)f →(n-1)d →np
28
2. 基态原子的价层电子构型
第一种方法：写出所有的原子轨道，标明原子轨道上的电子数： 如
26
3. 钻穿效应
钻穿效应—外层电子钻到内部空间而 靠近原子核的现象。 钻穿效应越大，靠近核的机会越 多，能量越低。
轨道的钻穿能力通常有如下顺序: n s > n p > n d > n f，这意味着, 电
子云越来越远离原子核, 导致能级 Ens<Enp <E nd < Enf)
能级分裂—在多电子原子中，n相同l不同引起的能级不同的现象。 能级交错— E(n+1)S< End n=3,4,5,6…… E(n+2)S< Enf n=4,5,6……
1.鲍林近似能级图
n相同，l 也相同的轨道，能 量相同，叫做简并轨道。
7s
能级组
7p
6p 6s 5p 5s 4p 4s 3s 3p 2p
6d 5d
5f 4f
7(7s5f6d7p)
6(6s4f5d6p)
4d 3d
5(5s4d5p) 4(4s3d4p) 3(3s3p) 2(2s2p) 1(1s)
25
1. 能级: n越大，能量越大。 2. 同一电子层：l越大，能量越大。 3. 能级交错：如E5s< E4d< E5p
0
ⅢB ~ ⅦB
Ⅷ
ⅠB
ⅡB
(n-1)d 1~5 ns1~2 (n-1)d 6~8 n1~2
s区
ns 1~2
d区 f
区 (n-2)f1~14(n-1)d0~2ns1~2
ds 区
(n-1)d10 ns1~2
p区
ns2 np1~6
周期表中元素的区
33
元素A在n=5,l=0的轨道上有一个电子，它的次外层l=2的轨道上电子
12
电子在核外空间某处单位体积元内出现的概率(称 概率密度 ) 与波函数绝对值的平方│ │ 2 成正比。即
波函数的平方的物理意义是代表电子的概率密度。
电子云
|Ψ |2的空间图象
13
氢原子的电子云完整图
14
（2）电子云的角度分布图
|Ψ |2 的图象称为电子云。 Y2(θ,φ) ~θ,φ 作图即得到电子云 原子轨道与电子云的不同之处有两点： ● 由于|Y| ≤1，Y2 ≤|Y| ，电子云角度分布图瘦些. ● 电子云的角度分布图没有正负号。
n1 n2
Bohr理论的成功之处： *解释了H及类氢原子 的原子光谱 *说明了原子的稳定性 *对其他发光现象（如Ｘ光的形成） 也能解释 *计算氢原子的电离能
Bohr理论的局限性 *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
3
达 标 练 习
1. 按照玻尔理论，一个氢原子中的电子从一半径为ra 的圆轨道自发地直接跃迁到一半径为rb的圆轨道上， 则在此过程中: A、原子要发出一系列频率的光子 B、原子要吸收一系列频率的光子 C、原子要发出某一频率的光子 C D、原子要吸收某一频率的光子
处于全充满状态，而元素B与A处于同一周期中，若A，B的简单离子
混合，则又难溶于水的黄色沉淀AB生成。则A的价电子层构型为 4d105s1，B的价电子层构型为5s25p5，AB的化学式为AgI
华东理工大学
某元素的原子核外有25个电子，该元素的符号是Mn，在周期表中处
于第四周期，第ⅦB族，属于d区元素。
(i) 决定轨道的形状 (ii) 符号(光谱项符号)：s, p, d, f, g, h,….. (iii) 每个主层上有一个或多个分层组成。 取值：0、1、2、3 …… (n 1) , 共n个数值。
s 轨道 球形
p 轨道 哑铃形
同一电子层, l 值越小, 该电子亚层能级越低。
18
（3） 磁量子数(m) (the magnetic quantum number)
15
16
（3）电子云的径向分布图
定义: 径向分布函数 D(r) = 4 r2Rn,l(r) 氢原子核外电子的D函数图象
1s 轨道的径向分 布图
2s
2p
3s
r
52.9pm
3p 从图中看到，D函数图象是峰形的， 峰数恰等于相应能级的主量子数n 和角量子数l之差（n–l）。
3d
17
5. 四个量子数
104s1， Cu [Ar] 3d 29 54s1 Cr [Ar] 3d 24 14d5 Mo [Kr]5s 42
29
3、用量子数表示原子中的价电子 如
19K
1s22s22p63s23p64s1 n= 4, l=0, m=0, ms = ½ 或n= 4, l=0, m=0, ms = -½
4s1
24Cr：1s
23
1.4 多电子原子结构与周期律
1.4.1 核外电子排布的三个规则
然后才进入能量较高的轨道。
1、能量最低原理：基态原子中的电子首先占有能量最低的空轨道，
2、泡利不相容原理: 基态原子中不能存在四个量子数完全相同
的电子。
3、洪特规则：基态原子中电子总是自旋平行地分布到简并轨道。
24
1.4.2 多电子原子的能级 E
19K
1s22s22p63s23p64s1
22s22p63s23p6 Ar 1s 18 24Cr：1s 22s22p63s23p6 4s23d4
4s13d5 5s14d5 2, 8, 18, 32, 32, 18
42Mo：1s
22s22p63s23p64s23d104p6 5s24d4
第二种方法：［原子实］+ 价电子
求出不同 r 对应的 R （ r ）值，并以 r 为横坐标， R （ r ） 为纵坐标作图。
10
如下图给出了一些氢原子轨道的R ( r )图
11
4. 概率密度和电子云
（1）电子云 ──是电子在核外空间出
现概率密度的形象化描述。
它是以小黑点的浓密程度
来表示电子出现的概率密度大
小的图形。
H的1s电子云
或不连续光谱。
原子光谱特征: ①不连续的、线状的， ②有规律的.
1
什么是
经典物理学概念面临的窘境？
根据当时的物理学概念,
带电微粒在力场中运动时总要
产生电磁辐射并逐渐失去能量 ,
运动着的电子轨道会越来越小 ,
最终将与原子核相撞并导致原 子毁灭。由于原子毁灭的事实 从未发生, 将经典物理学概念推 到前所未有的尴尬境地。
22s22p63s23p6
4s13d5
n= 3, l=2, m=0, ms = ½ n= 3, l=2, m=1, ms = ½ n= 3, l=2, m=-1, ms = ½ n= 3, l=2, m=2, ms = ½ n= 3, l=2, m=-2, ms = ½
3d5
30
4. 基态阳离子的电子排布
时，两个原子核间距的一半。
36
2. 原子半径在周期和族中的变化规律
37
(1) 同周期原子半径减小。
相邻元素的减小幅度：主族元素 > 过渡元素 > 内过渡元素 ◆ 第3周期前7个元素平均减小: [ r(Na) - r(Cl)]/6 = [191 pm - 99 pm]/6 =15.3 pm ◆ 第一过渡系10个元素平均减小: [ r(Sc) - r(Zn)]/9 = [164 pm - 137 pm]/9 = 3.0 pm ◆ 镧系15个元素平均减小: [ r(La) - r(Lu)]/14 = [188 pm - 173pm]/14 = 1.1 pm
（1） 主量子数(n) (the principal quantum number)
(i) n值越大，表明电子能级或主能级层的能量越大，也 表示电子离核的平均距离越大； (ii) 取值：n可取1、2、3、4…… (iii) 符号(光谱项符号)：K, L, M, N, ……
（2） 角量子数(l) (the second quantum number)
大连理工大学
某元素的原子在n=4的电子层上有2个电子，在次外层l=2的轨道中有 10个电子，该元素符号是Zn，位于元素周期表第四周期，第ⅡB族。
南京理工大学
34
35
1. 原子半径
(1)共价半径
同种元素的两个原子以共价单键连接时（如H2、Cl2），它们的核
间距离的一半。 (2) 金属半径： 在金属晶体中，两个相邻金属原子的核间距离的一半。 (3) 范德华半径 当两个原子间没有形成化学键而只靠分子间的作用力相互接近
4
1.2微观粒子的运动特征
1. 微观粒子的波粒二象性
德布罗意关系式： = h/mv = h/p h = 6.626×10-24 J·s
5
1.3 氢原子的量子力学模型
1. 薛定谔方程的建立：
2 2 2 8 2m ( E V ) 0 2 2 2 2 x y z h
第1章 原子结构
1.1 氢原子光谱与Bohr理论
1. 连续光谱: 太阳或白炽灯发出的白光, 通过三棱镜折射后，可分
出红、橙、黄、绿、青、兰、紫等波长的光谱，称为连续光谱。
2. 原子光谱
(1) 氢原子光谱: 在抽成真空的放电管中充入少量氢气, 通过高压放 电，可观测到氢原子的发光的图像，这种图像称之为氢原子光谱， 在可见光区，它的光谱只由几根分立的线状谱线组成, 称为线状光谱
8
z
s
x
z
+
z
y
z
px
+
x
z
y
py
x
-
+
y
pz
x
+ z
y
z
d xy
x
+ - +
y
d yz
z
x
+
+ -
y
d xz
x z
+ - +
y
d x2 y 2
x
+
+ -
y
d z2
x
+ +
y
氢原子波函数的角分布图
9
3. 波函数的径向函数
波函数径向函数是反映在任意角度方向上R ( r )随r 变化的情况, 它取决于n与l的大小。 例 氢原子波函数 ( 1s原子轨道 ) 的径向部分为：
2s
1s
2. 屏蔽效应 (Penetration effect )
一个指定的电子, 会受到来自内层电子和同层其它电子的排斥力, 部分抵消了原子核对该电子的吸引作用（即使有效核电荷降低），称 为屏蔽效应。
Z- = Z* Z*—有效核电荷
—“屏蔽常数” 。
屏蔽常数i的计算（Slater’s rule）
薛定谔方程的合理解 = 原子轨道(原子轨函)
Ψ n, l, m ( r, θ,φ ) =R n, l (r) · Y l,m (θ,φ )
径向函数
角度函数
6
氢原子和类氢离子几个波函数(a0=Bohr 半径)
7
2. 波函数的角度分布图
以氢原子2pz轨道为例
z
30°
+ θ
60°
x ,y
3 Y(1,0) ( , ) cos 4 作图方法： ① 原子核为原点，引出方向为( θ ,φ )的向量； ② 从原点起，沿此向量方向截取长度等于 | Y ( θ ，φ ) | 的线段； ③ 所有这些向量的端点在空间组成一个立体曲面，就 是波函数的角度分布图。