上海交通大学：《大学化学（通识）》课程教学资源（课件讲义）第2章 化学元素和物质结构（1/2）

2.1原子结构 2.1.1原子结构理论的初期发展 L人们对原子结构的认识 Dalton,John(1766-1844) 第2章化学元素和物质结构 原子理论Atomic Theory(1803) ·不同元素代表不同原子 分子是由原子在空间按一定方式或结构结 合而成 分子的结构直接决定其性能，分子进一步 聚集成物体 上海交通大学 化学化工学院大学化学教研室 2.1原子结构 2.1原子结构 2.1.1原子结构理论的初期发展 2.原子的组成 电子的发现 (Electrically charged plates N Fluorescent Electron paths High voltage Magnet 阴极射线管 天然放射性的发现 汤姆生，电子带负电，质量为9.109389×1031kg 2.1原子结构 2.1原子结构 ·经典物理学概念遇到的难题 ·经典物理学概念遇到的难题 ,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 Rutherford原子结构模型 ,运动着的电子轨道会越来越小， …原子有核即原子核 最终将与原子核相撞并导致原子 核的体积极小： 毁灭。 An unsatisfactory atomic model ·原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上 ,电子像行星绕着太阳那样绕核运动。 1

1 第2章 化学元素和物质结构 第 2章化学元素和物质结构 上海交通大学 化学化工学院大学化学教研室 Dalton, John(1766-1844) 原子理论Atomic Theory (1803) 2.1 原子结构 2.1.1 原子结构理论的初期发展 1.人们对原子结构的认识 第 2章化学元素和物质结构 原子理论Atomic Theory (1803) • 不同元素代表不同原子 • 分子是由原子在空间按一定方式或结构结 合而成 • 分子的结构直接决定其性能，分子进一步 聚集成物体 2.1 原子结构 2.1.1 原子结构理论的初期发展 2. 原子的组成 Henry Becquerel， 1852—1908 第 2章化学元素和物质结构 天然放射性的发现 电子的发现 2.1 原子结构 第 2章化学元素和物质结构 阴极射线管 汤姆生，电子带负电，质量为9.109389× 10-31kg R th f d’ i t ti l b b d t f t l f il •经典物理学概念遇到的难题 2.1 原子结构 第 2章化学元素和物质结构 Rutherford 原子结构模型 •原子有核即原子核 •核的体积极小； •原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上； •电子像行星绕着太阳那样绕核运动。 Rutherford’s experiment on α particle bombardment of metal foil •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 •经典物理学概念遇到的难题 2.1 原子结构 第 2章化学元素和物质结构 •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。 An unsatisfactory atomic model

2.1.1原子结构理论的初期发展 不连续光谱一原子发射光谱 氢原子光谱 1044 2.1.1原子结构理论的初期发展 2.1.1原子结构理论的初期发展 2.氢原子光谱和玻尔(Bohr)理论 2.氢原子光谱和玻尔理论 1913年，玻尔提出了原子结构理论的三点假设： Niels Bohr 1)电子不是在任意轨道上绕核运动，而是在一些 1885-1962 符合一定条件的轨道上运动，轨道的角动量等 Copenhagen 于h/2π的整数倍。 Denmark 2)电子在离核越远的轨道上运动，其能量越大。 Laureate of the 3)处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到离核较 Nobel Prize in Physics 1922 近的轨道上，在跃迁的同时会以光子形式释放 出光能。 hv=E2-E 电子在不同 ·玻尔原子理论的成功之处 的电子层间 发生跃迁 1)提出了量子的概念 2)成功地解释了氢原子光谱的实验结果 3)用于计算氢原子的电离能 =宁为 ·玻尔原子理论的局限性 1)无法解释氢原子光谱的精细结构 Rydberg const. 2)不能解释多电子原子、分子或固体的光谱 R=3.289×1015s-1 2

2 氢 原 子 2.1.1 原子结构理论的初期发展 第 2章化学元素和物质结构 子 光 谱 不连续光谱—原子发射光谱 第 2章化学元素和物质结构 1913年，玻尔提出了原子结构理论的三点假设： 1) 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 轨道的角动量等 2.氢原子光谱和玻尔(Bohr)理论 2.1.1 原子结构理论的初期发展 第 2章化学元素和物质结构 符合一定条件的轨道上运动，轨道的角动量等 于h/2π的整数倍。 2) 电子在离核越远的轨道上运动，其能量越大。 3) 处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到离核较 近的轨道上，在跃迁的同时会以光子形式释放 出光能。 E2 E1 h   2.氢原子光谱和玻尔理论 2.1.1 原子结构理论的初期发展 Niels Bohr 1885 -1962 Copenhagen, 第 2章化学元素和物质结构 Denmark Laureate of the Nobel Prize in Physics 1922 电子在不同 的电子层间 发生跃迁 第 2章化学元素和物质结构 2 2 1 1 ( ) 2 R n    Rydberg const. R=3.289×1015s-1 • 玻尔原子理论的成功之处 1) 提出了量子的概念 2) 成功地解释了氢原子光谱的实验结果 3) 用于计算氢原子的电离能 第 2章化学元素和物质结构 • 玻尔原子理论的局限性 1) 无法解释氢原子光谱的精细结构 2) 不能解释多电子原子、分子或固体的光谱

2.1.2.核外电子运动的特征 Elementary Particles 1.微观粒子的波粒二象性 syeno t ·光的波粒二象性 QQQ b ⊙⊙⊙ Vu 82 粒子性一光电效应 波动性一干涉、衍射 e 普朗克的量子理论 爱因斯坦的光子学说 oo Three Families of Matter E=hv The photoelectrie effect www2.slac.stanford.edu h:普朗克常数6.62×1034Js 微观粒子的波粒二象性 E=me2 V= = h m v P=mc= E hv h Louis de Broglie (1892-1983 Paris,France) E,P一表征粒子性 由h定量相联系 Laureate of the Nobel g1一表征波动性 Prize in Physics 1929 电子通过Al箔和石墨的衍射图 2.测不准原理 h △x·△v≥ 2πm 宏观物体子弹=10g a)(b) △x=104m,△v≥1.054×10-28ms 微观电子m=9.11×10g △x=10-m,△v≥1.157×10ms1 研究微观世界粒子运动状态—量子力学 3

3 第 2章化学元素和物质结构 •www2.slac.stanford.edu 2.1.2. 核外电子运动的特征 • 光的波粒二象性 粒子性---光电效应 1. 微观粒子的波粒二象性 第 2章化学元素和物质结构 E  h 普朗克的量子理论 爱因斯坦的光子学说 粒子性---光电效应 波动性---干涉、衍射 h : 普朗克常数6.62×10-34 J·s The photoelectric effect 2 E  mc   c  E h h P  mc    第 2章化学元素和物质结构 E, P － 表征粒子性 ν, λ － 表征波动性 c c  mc 由 h 定量相联系 微观粒子的波粒二象性 h m v   第 2章化学元素和物质结构 Louis de Broglie (1892-1983 Paris, France) Laureate of the Nobel Prize in Physics 1929 灯光源 电子通过Al箔和石墨的衍射图 第 2章化学元素和物质结构 (a) (b) 2. 测不准原理 宏观物体子弹 m=10g 2 h x v m    第 2章化学元素和物质结构 微观电子 宏观物体子弹 g -4 28 1 x v 10 m, 1.054 10 m s        m kg 31 9.11 10   11 7 1 x v 10 m, 1.157 10 m s        研究微观世界粒子运动状态——量子力学

2.2核外电子的运动状态 2.2.1薛定谔方程和波函数 Werner Heisenberg 1.薛定谔方程一一微粒的波动方程 (1901-1976,Lipzig,Germany) Laureate of the Nobel Prize in Physics 1932 a'y ov8'm(E-v=0 中h2 "for the creation of quantum mechanics,the application of which has,inter alia,led to the discovery of 平：波函数 x,yz:空间坐标 the allotropic forms(同素异形体)of E: 体系的总能量V:势能 hydrogen 2.21薛定谔方程和波函敦 Erwin Schrodinger 2.波函数和原子轨道 (1887-1961,Vienna,Austria) TAUSE Ψ(x,) 薛定谔方程的解：x,以)的具体函数形式。 包含m,1,m三个常数项的三变量函数： 0002 000 Laureate of the Nobel Prize in Physics 1933 平nm(x,y,2) "for the discovery of new productive forms of atomic theory" 血，↓，m三个量子数是薛定谔方程有合理解的必要条件。 2.2.1稀定得方程和波函数 2.2.2.波函数的空间图像 波函数和原子轨道 概率密度和电子云 1)波函数平是量子力学中描述核外电子运动状态 的数学函数式。 2)波函数平描述了核外电子可能出现的一个空间 区域（原子轨道），不是经典力学中描述的某 种确定的几何轨迹。 H原子的1s电子云 3)平没有明确的物理意义，但平表示空间某处 因为像爱情一样 测不准 单位体积内电子出现的概率（概率密度）。 所以你的身影 总是一片飘忽的云 4

4 Werner Heisenberg (1901-1976,Lipzig, Germany) 第 2章化学元素和物质结构 • Laureate of the Nobel Prize in Physics 1932 “for the creation of quantum mechanics, the application of which has, inter alia, led to the discovery of the allotropic forms(同素异形体) of hydrogen" 1.薛定谔方程――微粒的波动方程 2.2 核外电子的运动状态 2.2.1薛定谔方程和波函数 第 2章化学元素和物质结构 Ψ：波函数 x,y,z ：空间坐标 E：体系的总能量 V：势能 Erwin Schrödinger (1887-1961,Vienna, Austria ) 第 2章化学元素和物质结构 • Laureate of the Nobel Prize in Physics 1933 "for the discovery of new productive forms of atomic theory" 2.波函数和原子轨道 薛定谔方程的解：(x,y,z) 的具体函数形式。 包含 nlm 三个常数项的三变量函数 (x, y,z) 2.2.1薛定谔方程和波函数 第 2章化学元素和物质结构 包含 n, l, m 三个常数项的三变量函数： ( , , ) , , x y z n l m n, l, m 三个量子数是薛定谔方程有合理解的必要条件。 波函数和原子轨道 1) 波函数Ψ是量子力学中描述核外电子运动状态 的数学函数式。 2) 波函数Ψ描述了核外电子可能出现的一个空间 2.2.1薛定谔方程和波函数 第 2章化学元素和物质结构 2) 波函数Ψ描述了核外电子可能出现的一个空间 区域（原子轨道），不是经典力学中描述的某 种确定的几何轨迹。 3) Ψ没有明确的物理意义，但 || 2表示空间某处 单位体积内电子出现的概率（概率密度）。 概率密度和电子云 2.2.2. 波函数的空间图像 第 2章化学元素和物质结构 H原子的1s电子云 因为像爱情一样 测不准 所以你的身影 总是一片飘忽的云

2.2核外电子的运动状态 2.2核外电子的运动状态 2.2.2.四个量子数 2.2.2四个量子数 ·主量子数(n): ·描述原子中电子出现概率最大区域离核 角量子数1 的远近，或者说它决定电子层数 它表示原子轨道角动量的大小，原子轨道或 ·取值：1,2,3，…n等正整数. 电子云的形状，即电子亚层。 电子层数n1234567 取值：0,1,2,3，(n-1)(供n个取值) 光谱学符号K L MNOPQ 1 2 3 光谱学符号 d 电子云 球形 哑铃形 花瓣形 2.2核外电子的运动状态 2.2核外电子的运动状态 角量子数1 磁量子数m ◆与角动量的取向有关，取向是量子化的 The allowed valees for angular momentum qeantum number, ◆m可取0，±1，士2…±1 ◆值决定了山角度函数的空间取向 ◆m值相同的轨道互为等价轨道 The allowed valees for magnetic quantum number,ar 道 p轨道 形 哑铃形 0 +10-1 244 +2+10-1-2 +3+2+10-1-2-3 电子云伸展方向d 电子云伸展方向3，p ￥轨通=0，m=0): m一种取值，空间一种取向，一条￥轨道 的 p轨道-1，m+1,0,-1) d轨道(1-2，m-+2,+1,0,-1,-2y m三种取值，三种取向。三条等价（简并）p轨道 m五种取值，空问玉种取向，五条等价（简并）d轨道. 5

5 2.2.2.四个量子数  主量子数(n): • 描述原子中电子出现概率最大区域离核 的远近，或者说它决定电子层数 • 取值:1 2 3 n等正整数 2.2 核外电子的运动状态 第 2章化学元素和物质结构 • 取值:1,2,3,…n等正整数. 电子层数 n 1 2 3 4 5 6 7 光谱学符号 K L M N O P Q 2.2.2四个量子数  角量子数l 它表示原子轨道角动量的大小,原子轨道或 电子云的形状,即电子亚层。 2.2 核外电子的运动状态 第 2章化学元素和物质结构 , 取值:0，1，2，3,…,（n－1）(共n个取值) l 012 3 光谱学符号 spd f 电子云 球形 哑铃形 花瓣形 The allowed values for angular momentum quantum number, l n l 1 2 3 4 0 0 0 0 1 1 1 2 角量子数 l 2.2 核外电子的运动状态 第 2章化学元素和物质结构 4 (subshell symbol 0 s 1 p 2 d 3 f ) s 轨道 球形 p 轨道 哑铃形 d 轨 道 有 两 种 形 状 ◆ 与角动量的取向有关，取向是量子化的 ◆ m可取 0，±1, ±2……±l ◆ 值决定了ψ角度函数的空间取向 •磁量子数 m 2.2 核外电子的运动状态 第 2章化学元素和物质结构 ψ ◆ m 值相同的轨道互为等价轨道 The allowed values for magnetic quantum number, m l m number of orbital 0(s) 1(p) 2(d) 3(f) 0 ＋1 0 －1 ＋2 ＋1 0 －1 －2 ＋3 ＋2 ＋1 0 －1 －2 －3 1 3 5 7 s 轨道(l = 0, m = 0 ) : m 一种取值, 空间一种取向, 一条 s 轨道. 电子云伸展方向 s, p 第 2章化学元素和物质结构 p 轨道(l = 1, m =+1, 0, －1) m 三种取值, 三种取向, 三条等价(简并) p 轨道. 电子云伸展方向 d 第 2章化学元素和物质结构 d 轨道(l = 2, m = +2, +1, 0, －1, －2): m 五种取值, 空间五种取向, 五条等价(简并) d 轨道