1原子结构与元素周期系

2020/1/14原子结构与元素周期系1原子结构与元素周期系主讲：贾大成核外电子的运动状态核外电子的排布和元素周期系元素基本性质的周期性2020/1/14原子结构与元素周期系2第一部分核外电子的运动状态氢原子光谱和玻尔理论微观粒子的波粒二象性波函数和原子轨道概率密度和电子云波函数的空间图象四个量子数2020/1/14原子结构与元素周期系31━1氢原子光谱和玻尔理论氢原子光谱和玻尔理论玻尔理论的应用玻尔理论局限性2020/1/14原子结构与元素周期系4原子光谱——是不连续性的线状光谱氢原子光谱——是最简单的原子光谱玻尔的三点假设1、氢原子光谱和玻尔理论2020/1/14原子结构与元素周期系51.电子不是在任意轨道上绕核运动，而是在一些符合一定条件的轨道上运动，即电子轨道的角动量P，必须等于h/2π的整数倍。这种符合量子化条件的轨道称为稳定轨道，电子在稳定轨道上运动时，并不放出能量。玻尔的三点假设2020/1/14原子结构与元素周期系62.电子的轨道离核越远，原子所含的能量越大，原子在正常或稳定状态时（称为基态），各电子尽可能处在离核最近的轨道上，这时原子的能量最低。当原子从外界获得能量时（如灼热、放电、辐射等）电子可以跃迁到离核较远的轨道上去，即电子已被激发到较高能量级上，此时原子和电子处于激发态。3.只有电子从较高的能级（即离核较远的轨道）跃迁到较低的能级（即离核较近的轨道）时，原子才会以光子形式放出能量。hν=E2-E12020/1/14原子结构与元素周期系7玻尔理论局限性•对氢原子光谱的精细结构无法说明•不能说明多电子原子光谱结论：量子性是微观世界的重要特征，要正确客观地反映微观世界微粒运动的规律，就必须用建筑在微观世界的量子性和微粒运动的统计性这两个基本特征基础上的量子力学来描述。2020/1/14原子结构与元素周期系81━2微观粒子的波粒二象性一、光和实物粒子的波粒二象性1924年德国物理学家LdeBroglie(德布罗意)提出假设：既然光是一种微粒又是一种波，那么静止质量不为零的实物粒子也含有相似的二象性1927年C.J.Pavisson(戴维逊)和L.H.Germer(盖末尔)获得一种晶体的电子衍射图，从实验上证实了deBroglie的假设，从此科学家们开始接受实物粒子的二象性。2020/1/14原子结构与元素周期系9感光屏幕薄晶体片衍射环纹电子枪电子束电子衍射实验示意图用电子枪发射高速电子通过薄晶体片射击感光荧屏，得到明暗相间的环纹，类似于光波的衍射环纹。2020/1/14原子结构与元素周期系10结论：1.电子等实物粒子具有波粒二象性；2.不能用经典物理的波和粒的概念来理解它的行为。再次说明描述电子等微粒的运动规律只能用描述微粒运动规律的量子力学。2020/1/14原子结构与元素周期系11二、测不准原理和几率概念•测不准原理：一个粒子的位置和动量不能同时地、准确地测定。注意：这里所讨论的不确定性并不涉及所用的测量仪器的不完整性，它们是内在固有的不可测定性。△x≥h/2πm×△v2020/1/14原子结构与元素周期系12例1:对于m=10克的子弹，它的位置可精到x＝0.01cm,其速度测不准情况为：速度不准确程度过大23341001.0101014.34106.621291027.5sm∴对宏观物体可同时测定位置与速度xmh42020/1/14原子结构与元素周期系13例2:对于微观粒子如电子,m=9.1110-31Kg,半径r=10-10m，则x至少要达到10-11m才相对准确，则其速度的测不准情况为：161131341029.5101011.914.34106.62sm∴若m非常小，则其位置与速度是不能同时准确测定的xmh42020/1/14原子结构与元素周期系14结论：测不准关系很好地反映了微观粒子的运动特征——波粒二象性；根据量子力学理论，对微观粒子的运动规律只能采用统计的方法作出几率性的判断。测不准关系促使我们对微观世界的客观规律有了更全面更深刻的理解。2020/1/14原子结构与元素周期系151━3波函数和原子轨道•薛定谔方程•波函数和原子轨道一定的波函数表示电子的一种运动状态，状态——轨道。波函数叫做原子轨道，即波函数与原子轨道是同义词。0V)(Ehm8πzyx222222222020/1/14原子结构与元素周期系16从薛定谔方程中求出的具体函数形式，即为方程的解。它是一个包含nlm三个常数项的三变量（x、y、z）的函数。通常用表示。应当指出，并不是每一个薛定谔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nlm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常数nlm称为量子数。通过一组特定的nlm就可得出一个相应的n，l，m（x、y、z），每一个即表示原子中核外电子的一种运动状态。zyxmln,,,,zyxmln,,,,2020/1/14原子结构与元素周期系17（2）波函数和原子轨道波函数在量子力学中起了核心作用，展示出原子和分子中电子的运动状态，是探讨化学键理论的重要基础。按照实物粒子波的本性和测不准原理的几率概念，物理学家玻恩M.Born假定粒子的波函数已不再是振幅的函数，取代它的是粒子出现的几率，当这个波函数的绝对值越大，粒子出现的几率也就越大。一定的波函数表示电子的一种运动状态，状态——轨道。波函数叫做原子轨道，即波函数与原子轨道是同义词。2020/1/14原子结构与元素周期系18•原子核外电子的一种运动状态•每一个波函数都有对应的能量E•波函数ψ没有明确的直观的物理意义,但波函数绝对值的平方|ψ|2却有明确的物理意义（3）波函数的意义2020/1/14原子结构与元素周期系194概率密度和电子云•概率和概率密度概率＝ψ|(x·y·z)|2dτ概率密度＝=ψ|(x·y·z)|2•电子云|ψ|2的空间图像就是电子云分布图像ττ|),,(|2ddzyx2020/1/14原子结构与元素周期系20、电子云||2的空间图像就是电子云分布图像即电子云是从统计的概念出发，对核外电子出现的概率密度做形象化的描述。当电子云中黑点密的地方表示电子在此处出现的概率密度大，黑点稀的地方表示概率小。2020/1/14原子结构与元素周期系215、四个量子数量子数物理意义取值范围主量子数n描述电子离核远近及能量高低n=1,2,3,…正整数角量子数l描述原子轨道的形状及能量的高低l=0,1,2,…小于n的正整数磁量子数m描述原子轨道在空间的伸展方向自旋量子数ms描述电子的自旋方向ms=+1/2,-1/22－m=0,+1,-1,+2,,…±l2020/1/14原子结构与元素周期系22主量子数（n）角量子数（l）磁量子数（m）轨道符号轨道数1001s12002s110，＋1，-12p33003s110，＋1，-13p320，＋1，-1，＋2，-23d54004s110，＋1，-14p320，＋1，-1，＋2，-24d530，＋1，-1，＋2，-2，＋3，-34f75005s110，＋1，-15p320，＋1，-1，＋2，-25d530，＋1，-1，＋2，-2，＋3，-35f740，＋1，-1，＋2，-2，＋3，-3,+4,-45g92020/1/14原子结构与元素周期系23对比玻尔原子结构模型和波动力学模型两者所得的结果可得：•两种理论都有着相同的能量表达式；•波函数能解释其它一些原子的性质，如光谱线的强度等；•从解薛定谔方程，量子数是通过边界条件自然的出现，但在Bohr模型中它们是人为规定的。•在Bohr理论中，电子占据像行星绕太阳的轨道；在波动力学模型中（薛定谔方程）中，电子占据离域轨道，实验证明支持薛定谔方程所得图像2020/1/14原子结构与元素周期系24第二部分核外电子的排布和元素周期系•多电子原子的能级•核外电子层结构的原则•原子的电子层结构和元素周期系2020/1/14原子结构与元素周期系251、多电子原子的能级•鲍林（L.Pauling）的近似能级图•屏蔽效应•钻穿效应•科顿原子轨道能级图2020/1/14原子结构与元素周期系262020/1/14原子结构与元素周期系27（1）鲍林（L.Pauling）的近似能级图•近似能级图是按原子轨道的能量高低而不是按原子轨道离核的远近顺序排列起来。把能量相近的能级划为一组，称为能级•1s第一能级组2s2p第二能级组3s3p第三能级组4s3d4p第四能级组5s4d5p第五能级组6s4f5d6p第六能级组7s5f6d7p第七能级组在能级图中可以看到：相邻的两个能级组之间的能量差较大，而在同一能级组中各能级的能量差较小。2020/1/14原子结构与元素周期系281.在能级图中:所谓等价轨道是指其能量相同、成键能力相同，只是空间取向不同的轨道。2.角量子数l相同的能级，其能量由主量子数n决定，n越大，能量越高。3.主量子数n相同，角量子数l不同的能级，其能量随l的增大而升高。4.主量子数n和角量子数l同时变化时，从图中可知，能级的能量变化情况是比较复杂的。2020/1/14原子结构与元素周期系29（2）屏蔽效应与斯莱脱（Slater）规则在多电子原子中，每个电子不仅受到原子核对它的吸引力，而且还要受到其它电子的斥力。我们把这种内层电子的排斥作用考虑为对核电荷的抵消或屏蔽，相当于使核的有效核电荷数减少。2020/1/14原子结构与元素周期系30（2）屏蔽效应与斯莱脱（Slater）规则Z*=Z－σE==22)(6.13nZ22*6.13nZ•由于其它电子对某一电子的排斥作用而抵消了一部分核电荷，从而使有效核电荷降低，削弱了核电荷对该电子的吸引，这种作用称为屏蔽作用和屏蔽效应。2020/1/14原子结构与元素周期系31为了计算屏蔽参数，斯莱脱Slater提出规则可近似计算。Slater规则暂不介绍22*6.13nZZ*=Z－σE==22*6.13nZ2020/1/14原子结构与元素周期系32钻穿效应在原子中，对于同一主层的电子，因s电子比p、d、f电子在离核较近处出现的概率要多，表明s电子有渗入内部空间而靠近核的本领，这种外层电子钻到内层空间而靠近原子核的现象，称为钻穿作用。由于电子的钻穿作用的不同而使它的能量发生变化的现象，称为钻穿效应。由于钻穿效应的存在，使得电子在核外排布时出现了能级交错的现象。2020/1/14原子结构与元素周期系332020/1/14原子结构与元素周期系342、核外电子层结构的原则•能量最低原理•堡里不相容原理（奥地利科学家）•洪特（Hund）规则（德国科学家）2020/1/14原子结构与元素周期系35⑴、能量最低原理多电子原子在基态时，核外电子总是尽可能分布到能量最低的轨道，这称为能量最低原理。2020/1/14原子结构与元素周期系36⑵、堡里不相容原理一个电子的四个量子数为（3、2、0、-1/2）另一个电子的四个量子数为（3、2、0、+1/2）从保里原理可获得以下几个重要结论：a)每一种运动状态的电子只能有一个。b)由于每一个原子轨道包括两种运动状态，所以每一个原子轨道中最多只能容纳两个自旋不同的电子。c)因为s、p、d、f各分层中原子轨道数为1、3、5、7所以各分层中相应最多只能容纳2、6、10、14个电子。d)每个电子层原子轨道的总数为n²个，因此，各电子层中电子的最大容量为2n²个。2020/1/14原子结构与元素周期系37⑶、洪特（Hund）规则电子分布到能量相同的等价轨道时，总是尽先以自旋相同的方向，单独占领能量相同的轨道。例:7N2p2s1s2020/1/14原子结构与元素周期系38作为洪特规则的特例，等价轨道：全充满p6、d10、f14半充满p3、d5、f7全空p0、d0、f0的结构状态比较稳定例：19号K1s22s22p63s23p64s1原子实结构式为[Ar]4s124号Cr[Ar]3d54s12020/1/14原子结构与元