普通化学教学课件 物质结构基础
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1、薛定谔方程:
二阶偏微分方程：
222 8m
(x2y2z2)h2 (EV)
式中: 称为波函数, 是核外电子出现区域的函数;
E为原子的总能量;
V为原子核对电子的吸引能( V m为电子的质量;
-
z e 2 );
r2
h为普朗克常数; x、y、z为电子的空间坐标。
a
薛定谔
氢原子的薛定谔方程求解
解薛定谔方程式时,为方便 起见,将直角坐标(x,y,z)变换
a
微观粒子的波粒二象性
• 1879 年 英国人 Crookes 发现阴极射线
1896 年 法国人 ereBecqul 发现铀的放射性
1897 1898 1899 1900
年 年 年 年
英国人 波兰人 英国人 德国人
tMRPhluoaatnmrhiceeskroCfn提our测rd出ie发电量发现子子现的论钋、荷和质、镭比的射发放线现射电性子
R(r)称为波函数(的r,径向,部)分 ，R Y((r θ,) φ)称Y 为(波,函)数的角度部分。
电子在原子核外空间的运动状态，可以用波函数来描述， 每一个 就表示电子的一种运动状态，通常把波函数称为
原子轨道。
a
氢原子的某些波函数、径向波函数和角度波函数
轨道 （r, , ）
R(r)
1s 2s 2px 2py 2pz
为球极坐标(r,,):
x＝r·sin ·cos ，
y＝r·sin ·sin ，
z＝r·cos ，
r2＝ x2 + y2 + z2
球坐标与直角坐标的关系
( 2 x 2 2 y 2 2 z 2)8 h2 m(EV)
a
从薛定谔方程解出来的波函数，是球坐标 r , , 的函数
式，记为
(r,常,将波) 函数分解为两个函数的乘积：
a
2、电子的波粒二象性
1924 年，法国青年物理学家 de Broglie大胆地 提出电子也具有波粒二象性的假说。并预言：
对于质量为me，运动速率为ν的电子v ，其相应 的波长可由下式给出：
e
h mv
h p
P：动量，m:光子质量（粒子性） : 光的频率， : 光的波长（波动性） h = 6.626 ×10-34J.s( Planck常数)
a
电子衍射实验：1927年, 两位美国科学家进行了电子 衍射实验, 证实了德布罗意关系式的正确性。
a
3 、测不准原理
原理. 如果位置测不准量为 x, 动量测不准量为 p, 则其数学 表达式为:
x p h ，xmv h
2
2
v
h
2 mx
W.Heisenberg（海森堡）
a
氢原子核外电子的运动状态
1 e r a0
π
a
3 0
1 1 (2 r )er 2a0
4 2πa03
a0
2
1
a
3 0
er
a0
1 (2 r )er 2a0 8πa03 a0
a
1
1 R(22
1 n2
)
n = 3,4,5,6，Balmer（瑞士）公式
1
R
(1 n12
1 n22
)
Rydberg（瑞典）公式
a
1.4 玻尔理论（经典电磁理论及有核原 子模型与原子光谱实验结果发生矛盾） 1）提出的原因：经典电磁理论认为
电子绕核作高速圆周运动， 发出连续电磁波→ 连续光谱， 电子能量↓ → 坠入原子核→原子湮灭 • 事实：
E E终E始
h
h
式中h为普朗克常数（6.626×10-34J·s）
局限性：失败的原子模型
无法解释多电子原子、分子以及固体的光谱
a
微观粒子运动的特殊性 • 1、光的二象性 • 普朗克量子论以及爱因斯坦光子说：E =hν • 相对论中的质能联系定律：E= mc2 • 波长λ与动量P之间的关系：
• P = mc = E/c = hν/c = h/ λ
在一定轨道中运动的电子具有一定的能量，称 定态。核外电子只能在定态轨道上运动, 且既不吸 收也不辐射能量;不同定态轨道能量不同,且不连续。
a
基态: 通常原子所处的能量最低状态(电子在离核较 近,能量较低轨道上运动)。
激发态:原子中电子处于离核较远,能量较高轨道 上运动的状态。
电子可在不同的定态轨道间跃迁,在这过程中要吸 收或放出一定的辐射能.辐射能的频率ν与两个定态 轨道间能量差E的关系为:
1905 1909 1911
年 年 年
瑞士人 美国人 英国人
REMiunitlshlitekeriafnnor提用d 出进油光行滴子实粒论验子测解散电释射子光实的电验电效提量应
•
出原子的有核模型
• 1谱913 年 丹麦人 Bohr 提出 Bohr 理论解释氢原子光
a
微观粒子的波粒二象性
• 1、氢原子光谱和Bohr理论 • 1.1 连续光谱（continuous spectrum ）：一束白光通过三
氢原子光谱是线状（非连续）光谱； 原子没有湮灭。
丹麦物理学家 N.Bohr
a
2）玻尔理论的要点： 在普朗克量子论（E=hν）、爱因斯坦光子学说、 和卢瑟福有核原子模型的基础上提出。 核外电子只能在一些特定半径的圆形轨道上运动， 即电子运动的角动量必须等于h/2整数倍。 P = mvr = nh/2π
Chapt 5、物质结构基础
• 物质结构：微观粒子的波粒二象性
•
氢原子核外电子的运动状态
•
多电子原子核外电子的运动状态
•
原子结构和元素周期律
• 分子结构：离子键
•
共价键：价键理论
•
杂化轨道理论：等性和不等性杂化
•
分子的极性和分子间力
•
氢键
a
物质结构
• 微观粒子的波粒二象性 • 氢原子核外电子的运动状态 • 多电子原子核外电子的运动状态 • 原子结构和元素周期律
棱镜折射后，可以分解成赤橙黄绿蓝靛紫等不同波长的光 谱，称之为连续光谱。例如：自然界中，雨后天空的彩虹 是连续光谱。白炽固体、液体、高压气体等。
a
• 1.2 线状光谱（原子光谱，line spectrum ）：以火 焰、电弧、电火花等方法灼烧化合物时，化合物 发出不同频率的光线，光线通过三棱镜折射，由 于折射率不同，在屏幕上得到一系列不连续的谱 线，称之为线状光谱。
a
1.3 氢原子光谱
在真空管中充入少量 H2 （g），通 过高压放电，氢原子被激发发光， 这些光经过三棱镜分成一系列按波 长大小排列的线状光谱。
特征:
不连续的线状光谱 有规律
Hδ Hγ
Байду номын сангаасHβ
Hα
410.2 434.0 486.1
656.3
除氢原子外，其他原子也可以产生特征的发射谱线，我们可以 利用原子的特征谱线来鉴定原子的存在。
二阶偏微分方程：
222 8m
(x2y2z2)h2 (EV)
式中: 称为波函数, 是核外电子出现区域的函数;
E为原子的总能量;
V为原子核对电子的吸引能( V m为电子的质量;
-
z e 2 );
r2
h为普朗克常数; x、y、z为电子的空间坐标。
a
薛定谔
氢原子的薛定谔方程求解
解薛定谔方程式时,为方便 起见,将直角坐标(x,y,z)变换
a
微观粒子的波粒二象性
• 1879 年 英国人 Crookes 发现阴极射线
1896 年 法国人 ereBecqul 发现铀的放射性
1897 1898 1899 1900
年 年 年 年
英国人 波兰人 英国人 德国人
tMRPhluoaatnmrhiceeskroCfn提our测rd出ie发电量发现子子现的论钋、荷和质、镭比的射发放线现射电性子
R(r)称为波函数(的r,径向,部)分 ，R Y((r θ,) φ)称Y 为(波,函)数的角度部分。
电子在原子核外空间的运动状态，可以用波函数来描述， 每一个 就表示电子的一种运动状态，通常把波函数称为
原子轨道。
a
氢原子的某些波函数、径向波函数和角度波函数
轨道 （r, , ）
R(r)
1s 2s 2px 2py 2pz
为球极坐标(r,,):
x＝r·sin ·cos ，
y＝r·sin ·sin ，
z＝r·cos ，
r2＝ x2 + y2 + z2
球坐标与直角坐标的关系
( 2 x 2 2 y 2 2 z 2)8 h2 m(EV)
a
从薛定谔方程解出来的波函数，是球坐标 r , , 的函数
式，记为
(r,常,将波) 函数分解为两个函数的乘积：
a
2、电子的波粒二象性
1924 年，法国青年物理学家 de Broglie大胆地 提出电子也具有波粒二象性的假说。并预言：
对于质量为me，运动速率为ν的电子v ，其相应 的波长可由下式给出：
e
h mv
h p
P：动量，m:光子质量（粒子性） : 光的频率， : 光的波长（波动性） h = 6.626 ×10-34J.s( Planck常数)
a
电子衍射实验：1927年, 两位美国科学家进行了电子 衍射实验, 证实了德布罗意关系式的正确性。
a
3 、测不准原理
原理. 如果位置测不准量为 x, 动量测不准量为 p, 则其数学 表达式为:
x p h ，xmv h
2
2
v
h
2 mx
W.Heisenberg（海森堡）
a
氢原子核外电子的运动状态
1 e r a0
π
a
3 0
1 1 (2 r )er 2a0
4 2πa03
a0
2
1
a
3 0
er
a0
1 (2 r )er 2a0 8πa03 a0
a
1
1 R(22
1 n2
)
n = 3,4,5,6，Balmer（瑞士）公式
1
R
(1 n12
1 n22
)
Rydberg（瑞典）公式
a
1.4 玻尔理论（经典电磁理论及有核原 子模型与原子光谱实验结果发生矛盾） 1）提出的原因：经典电磁理论认为
电子绕核作高速圆周运动， 发出连续电磁波→ 连续光谱， 电子能量↓ → 坠入原子核→原子湮灭 • 事实：
E E终E始
h
h
式中h为普朗克常数（6.626×10-34J·s）
局限性：失败的原子模型
无法解释多电子原子、分子以及固体的光谱
a
微观粒子运动的特殊性 • 1、光的二象性 • 普朗克量子论以及爱因斯坦光子说：E =hν • 相对论中的质能联系定律：E= mc2 • 波长λ与动量P之间的关系：
• P = mc = E/c = hν/c = h/ λ
在一定轨道中运动的电子具有一定的能量，称 定态。核外电子只能在定态轨道上运动, 且既不吸 收也不辐射能量;不同定态轨道能量不同,且不连续。
a
基态: 通常原子所处的能量最低状态(电子在离核较 近,能量较低轨道上运动)。
激发态:原子中电子处于离核较远,能量较高轨道 上运动的状态。
电子可在不同的定态轨道间跃迁,在这过程中要吸 收或放出一定的辐射能.辐射能的频率ν与两个定态 轨道间能量差E的关系为:
1905 1909 1911
年 年 年
瑞士人 美国人 英国人
REMiunitlshlitekeriafnnor提用d 出进油光行滴子实粒论验子测解散电释射子光实的电验电效提量应
•
出原子的有核模型
• 1谱913 年 丹麦人 Bohr 提出 Bohr 理论解释氢原子光
a
微观粒子的波粒二象性
• 1、氢原子光谱和Bohr理论 • 1.1 连续光谱（continuous spectrum ）：一束白光通过三
氢原子光谱是线状（非连续）光谱； 原子没有湮灭。
丹麦物理学家 N.Bohr
a
2）玻尔理论的要点： 在普朗克量子论（E=hν）、爱因斯坦光子学说、 和卢瑟福有核原子模型的基础上提出。 核外电子只能在一些特定半径的圆形轨道上运动， 即电子运动的角动量必须等于h/2整数倍。 P = mvr = nh/2π
Chapt 5、物质结构基础
• 物质结构：微观粒子的波粒二象性
•
氢原子核外电子的运动状态
•
多电子原子核外电子的运动状态
•
原子结构和元素周期律
• 分子结构：离子键
•
共价键：价键理论
•
杂化轨道理论：等性和不等性杂化
•
分子的极性和分子间力
•
氢键
a
物质结构
• 微观粒子的波粒二象性 • 氢原子核外电子的运动状态 • 多电子原子核外电子的运动状态 • 原子结构和元素周期律
棱镜折射后，可以分解成赤橙黄绿蓝靛紫等不同波长的光 谱，称之为连续光谱。例如：自然界中，雨后天空的彩虹 是连续光谱。白炽固体、液体、高压气体等。
a
• 1.2 线状光谱（原子光谱，line spectrum ）：以火 焰、电弧、电火花等方法灼烧化合物时，化合物 发出不同频率的光线，光线通过三棱镜折射，由 于折射率不同，在屏幕上得到一系列不连续的谱 线，称之为线状光谱。
a
1.3 氢原子光谱
在真空管中充入少量 H2 （g），通 过高压放电，氢原子被激发发光， 这些光经过三棱镜分成一系列按波 长大小排列的线状光谱。
特征:
不连续的线状光谱 有规律
Hδ Hγ
Байду номын сангаасHβ
Hα
410.2 434.0 486.1
656.3
除氢原子外，其他原子也可以产生特征的发射谱线，我们可以 利用原子的特征谱线来鉴定原子的存在。