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) 第二章 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 negative charge B rays (Electrically charged plates Photog零raphic film 0时ph0sph0rsr8en Lead block Fluorescent Electron paths Charged High voltage Magnet plates 阴极射线管 天然放射性的发现 汤姆生，电子带负电，质量为9.109389×10kg 2.1原子结构 2.1.1原子结构理论的初期发展 .un 原子的结构 G Y Thomson 原子模型 氢原子光谱 Rutherford's a-particle experiment 1
1 第二章 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 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 原子的结构 2.1 原子结构 Thomson 原子模型 第 2章化学元素和物质结构 Rutherford’s α-particle experiment 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
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 2.氢原子光谱和玻尔(Bohr)理论 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 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。 hv=E2-E 2.1.1原子结构理论的初期发展 2.氢原子光谱和玻尔理论 电子在不同 的电子层间 Niels Bohr 发生跃迁 1885-1962 excitation Copenhagen. Denmark 1 1 Laureate of the V=R Nobel Prize in Physics 1922 Rydberg const. R=3.2891015s-l 2.1.2.核外电子运动的特征 ·玻尔原子理论的成功之处 1.微观粒子的波粒二象性 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 ·光的波粒二象性 3)用于计算氢原子的电离能 粒子性一光电效应 波动性一干涉、衍射 ·玻尔原子理论的局限性 普朗克的量子理论 1)无法解释氢原子光谱的精细结构 爱因斯坦的光子学说 2)不能解释多电子原子、分子或固体的光谱 E=hv h:普朗克常数6.62×1034Js 2
2 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 hν = − 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 ν = − Rydberg const. R=3.289×1015s-1 3.1.2 原子的核外电子运动状态 • 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 • 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 = hν 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
v-c 微观粒子的波粒二象性 E=me2 入= h m v E hv h P=mc== c A 14 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 ,1一表征波动性 Prize in Physics 1929 2.11原子结构理论的初期发展 X-Ray Diffraction 2.测不准原理 h △x·△v≥ 2πm 宏观物体子弹m10g △x=104m,△v≥1.054×10-28ms1 微观电子m=9.11×10-引g △x=10-m,△v≥1.157×10'ms1 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薛定溽方程和波函数 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 ay8坐+a业+8πm（E-7y=0 "for the creation of quantum 3+ 3 mechanics,the application of which has,inter alia,led to the discovery of 平：波函数 the allotropic forms(同素异形体)of xz:空间坐标 hydrogen" E:体系的总能量 V:势能 3
3 3.1.1 微观世界的特征 2 E = mc λ ν c = E hν 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 λ P mc 由 h 定量相联系 微观粒子的波粒二象性 h m v λ = 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 X-Ray Diffraction 第 2章化学元素和物质结构 2. 测不准原理 宏观物体子弹 m=10g 2 h x v πm Δ ⋅Δ ≥ 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 宏观物体子弹 g -4 28 1 x v 10 m, 1.054 10 m s − − Δ = Δ≥ × ⋅ m kg 31 9.11 10− 微观电子 = × 11 7 1 x v 10 m, 1.157 10 m s − − Δ = Δ≥ × ⋅ 研究微观世界粒子运动状态——量子力学 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
2.2.1薛定调方程和波函数 Erwin Schrodinger 2.波函数和原子轨道 (1887-1961,Vienna,Austria) Ψ(xy,) 薛定谔方程的解：的具体函数形式。 包含，↓m三个常数项的三变量函数： 0002 Laureate of the Nobel Prize in Physics 1933 平nm(x,y,2） "for the discovery of new productive forms of atomic theory" n,L,m三个量子数是薛定谔方程有合理解的必要条件。 2.2.1蒂定得方程和波函数 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)波函数的空间图象就是原子轨道： 原子轨道的数学表示式就是波函数 3)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。 H原子的1s电子云 4)平没有明确的物理意义，但平2表示空间某处 单位体积内电子出现的概率（概率密度）。 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 角量子数1 ·主量子数(n): 它表示原子轨道角动量的大小，原子轨道或 ·描述原子中电子出现概率最大区域离核 电子云的形状，即电子亚层。 的远近，或者说它决定电子层数 取值：0,1,2,3(n-1)(共m个取值) ·取值：1,2,3，.…n等正整数. 电子层数n1234567 0 1 2 3 光谱学符号K L M NOPQ 光谱学符号 d 电子云 球形 哑铃形 花瓣形 4
4 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：Ψ(x,y,z) 的具体函数形式。 包含 nlm 三个常数项的三变量函数 Ψ(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 Ψn 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) 波函数的空间图象就是原子轨道； 原子轨道的数学表示式就是波函数 2.2.1薛定谔方程和波函数 第 2章化学元素和物质结构 原子轨道的数学表示式就是波函数。 3) 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。 4) Ψ没有明确的物理意义，但 |Ψ| 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 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 2.2 核外电子的运动状态 第 2章化学元素和物质结构 的远近，或者说它决定电子层数 • 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
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 ■磁量子数m: ·表征原子轨道角动量在外磁场方向上分量的 自旋量子数(m,): 大小，即原子轨道在空间的伸展方向 电子的自旋有两种 取值：0，士1，±2 状态，即自旋角动 ±L,有21+1个取值 量有两种不同的取 问。 ,一 说明了线状光谱在外加磁场的作 用下的分裂现象。 ■在没有外加磁场情况下，同一亚 行共2个取值 说明了氢光谱的精细结构 层的原子轨道，能量是相等的，叫 等价轨道。 原子中每个电子的出现概率大的区城可用m,↓， m,m四个量子数来描述。同时，将一套量子 数代入得到的山即表示该电子的运动状态 15电子云的三种表示法 原子轨道 电子层 品 6亚层 电子云 与状的距离 空间伸展方向 自旋方向 22.3波函数的空间图像 等几率密度面及1s界面图 90% 80% 50% 10% (a) (b) 1s等几率密度面 1s界面图 5
5 2.2.2四个量子数 磁量子数m: • 表征原子轨道角动量在外磁场方向上分量的 大小，即原子轨道在空间的伸展方向 取值 ± ± 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,… ± l,有2 l+1个取值 说明了线状光谱在外加磁场的作 用下的分裂现象。 在没有外加磁场情况下，同一亚 层的原子轨道，能量是相等的，叫 等价轨道。 2.2.2 四个量子数 自旋量子数（ms ）: 电子的自旋有两种 状态 即自旋角动 2.2 核外电子的运动状态 第 2章化学元素和物质结构 状态，即自旋角动 量有两种不同的取 向。 ,共2个取值 2 1 ms = ± 说明了氢光谱的精细结构 原子中每个电子的出现概率大的区域可用 n, l, m, ms 四个量子数来描述。同时，将一套量子 数代入得到的ψ即表示该电子的运动状态 第 2章化学元素和物质结构 第 2章化学元素和物质结构 等几率密度面及1s界面图 2.2.3波函数的空间图像 第 2章化学元素和物质结构 1s等几率密度面 1s界面图 第 2章化学元素和物质结构