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单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文,本样式,第二级,第三级,第四级,*,第五级,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢,第一章原子结构和元素周期表,第1页,1,1.1,氢原子光谱和微观粒子运动特征,1.1.1 氢原子光谱和波尔理论,1.氢原子光谱,当原子被电火花、电弧、火焰或其它方法激发时，能够发出一系列含有一定频率（或波长）光谱线，这些光谱线就组成了原子光谱,。,第2页,2,原子光谱特点：一是譜线锐利，这就表明原子不是以连续方式发射和吸收能量，而是以一定频率发射和吸收能量；二是含有高度特征性。也就是说，原子光谱是线状光谱，且每种原子光谱都有确定特征频率。,1861年 Kirchoff and Bunsen 碱金属光谱,1885年 Balmer 氢原子光谱,称为波数 R是Rydberg常数，其值为10967758.1cm,-1,第3页,3,1911年 Rutherford提出原子模型，认为原子是由带正电荷原子核核绕核运动电子组成。,行星原子模型,经典电磁理论,氢原子光谱,矛盾,原子毁灭,连续光谱,第4页,4,黑体辐射,(Blackbody Radiation),Max Planck,黑体,是指全部吸收外来电磁波物体。当加热时又能发射出各种电磁波，称为黑体辐射。,Planck(1901),Quantum hypothesis:,(Plank constant h=6.626210,-34,Js),第5页,5,光电效应,(Photo-electronic Effect),Albert Einstein,入射光频率v必须超出某一 阀值v,0,才能发射电子，此阀值v,0,与被照金属相关。,发射电子与入射光强度无关。,发射电子动能与入射光频率v 呈线形关系。,第6页,6,Einstein(1905),with Plancks quantum hypothesis,光能量是不连续，是量子化。,光为一束以光速c行进光子流,光强度取决于单位体积内光子数目，即取决于光子密度。,光子不但由能量，还有质量m,既然光子有质量，就必有动量p,光子与电子撞时服从能量守恒与动量守恒定律。,Einstein光子学说,第7页,7,逸出功,临阈(yu)频率,第8页,8,2.玻尔理论,1913年，Bohr综合了Planck量子假说，Einstein光子说和Rutherford原子有核模型提出了原子量子论,1.原子存在于含有确定能量稳定态（定态），定态中原子不辐射能量。能量最低叫基态，其余叫激发态。,2.只有当电子从一个定态跃迁到另一个定态时，才发射或吸收辐射能。其发射或吸收频率v是唯一，满足,Bohr量子论,Niels Bohr,第9页,9,1.1.2 微观粒子波粒二象性,光波粒二象性,Particle Property,Wave Property,实物微粒,是指静止质量不为零电子，质子，中子，原子和分子等。,2.实物粒子波粒二象性,第10页,10,假设,对于实物微粒,上述关系式也成立,粒子应该含有波粒二象性,粒子行为应该用波函数形式加以描述,de Broglie,1923,de Brogile关系式,第11页,11,Electron diffraction,Davisson and Germer,1927,Bell Lab.,Electron diffraction,The first evidence of de Broglies Hypothesis,第12页,12,2.海森堡不确定原理,Heisenberg,1925,粒子坐标和动量无法同时准确测定(确定),其误差乘积大于Planck常数 h,粒子能量和时间也无法同时准确测定(确定),粒子任何两个“互补”物理量无法同时准确测定(确定),Heisenbergs Uncertainty Principle,第13页,13,3.波粒二象性统计解释,玻恩（Born）,1926,物质波“统计规律”,电子波动性反应了微观粒子在空间区域出现概率大小。,微观粒子波,概率波,第14页,14,1.2,氢原子核外电子运动状态,1.2.1 波函数,假设1,：,波函数,对于一个微观体系，它状态和相关情况能够用波函数（x,y,z,t)来表示。是体系状态函数，是体系中全部粒子坐标函数，也是时间函数。不含时间波函数（x,y,z)称为定态波函数。,量子力学理论是描述微观粒子运动规律科学，它包含若干基本假设,第15页,15,几率（propability):,Probability of finding a particle in the volume element dxdydz about the point(x,y,z)at time t,几率密度（probability density):,Probability per unit volume,波函数物理意义,第16页,16,1,.,必须是连续（Continuous and Differentiable）,2.必须是单值（Single-valued）,3.必须是有限，且平方可积（Finite),Normalized,归一化：,合格波函数条件,意义：电子在整个运动空间出现总几率为1。,第17页,17,1.2.2 波动方程薛定谔方程,第18页,18,直角坐标与球坐标变换,第19页,19,变量分离,m,磁量子数,l,角量子数,n,主量子数,量子数,第20页,20,单电子原子波函数,第21页,21,原子轨道及其符号,波函数,轨道,经典力学中描述物体运动概念,光谱学表示,第22页,22,氢原子和类氢离子能级,能量由,主量子数,n,阶决定,Degeneracy(简并度）：,n,1,2,3,4,3s,2s,1s,4s,2p,3p,4p3d,4d,4f,K,L,M,N,第23页,23,1.2.3 概率密度和电子云,波函数,y,：描述电子所处可能状态,电子云；表示某个状态电子在空间某点概率密度,径向函数图,角度函数图,径向分布函数图,角度分布函数图,单位体积内概率称为概率密度：,第24页,24,1.原子轨道角度分布图,Graphics of wavefunctions,p,z,p,z,q,polar coordinates,z,1.2.4 波函数和电子云图像,第25页,25,Graphics of wavefunctions p,x,j=0,z,x,q,|,sin,q,|,+,-,q=p/2,y,x,j,|,sin,q,|,Node:,cos,j=0,j =p/2,yz,plane,第26页,26,ILLustration of Wavefunctions,y,z,+,-,+,s,p,z,x,y,z,+,-,p,x,x,y,z,+,-,p,y,x,第27页,27,Wavefunctions of d orbitals,第28页,28,2.电子云角度分布图,Probability density graph,原子轨道角度分布图有正负之分，而电子云角度分布图无正负之后；,电子云角度分布图比原子轨道角度分布图“瘦”。,第29页,29,3.电子云径向分布图,Radial Probabilities,薄球壳体积为,Radial Probability:,r,r,+,dr,dr,第30页,30,Radial wavefunctions and Radial probability,Radial Wavefunctions,Radial Probabilities,Node Number:,n,-,l,-1,径向函数图,径向分布函数图,第31页,31,1.2.5 四个量子数物理意义,m,磁量子数,l,角量子数,n,主量子数,第四个量子数,m,s,自旋量子数,第32页,32,1.主量子数,n,轨道总节面数(,n,-1),简并态,n,2,2.角量子数,l,不一样角量子数l角函数能够用光谱学符号 s,p,d,f,g,标识,3.磁量子数,m,决定电子轨道角动量在磁场方向分量大小,M,0,1,2,l,确定轨道角动量大小，即决定“轨道”形状,第33页,33,M,z,=0,M,z,=h,M,z,=2h,M,z,=-h,M,z,=-2h,l,=2,L,2,=6,h,2,z,z,l,=1,L,2,=2,h,2,M,z,=-,h,M,z,=0,M,z,=,h,Angular Momentum and Space Quantization,角动量方向量子化,第34页,34,4.自旋量子数,m,s,Spinning Electrons and the Structure of Spectra,Nature,vol.117,p.264-265February 20,1926,G.E.Uhlenbeck（乌仑贝克）S.Goudsmit（哥希密特）Instituut voor Theoretische NatuurkundeLeyden,December 1925,电子自旋（The Spin of electrons),电子含有不依赖于轨道运动，固有磁矩假说。,第35页,35,The Spin of electrons,Intrinsic,Not a classical mechanical effect,Hypothetical,no real picture,Study by analogy with the orbital movement,第36页,36,operators,Orbital,Spin,Square of angular moment,z-component of angular moment,Azimuthal quantum number,l,s,Magnetic quantum number,m,m,s,第37页,37,Orbital,Spin,本征方程,角动量,本征方程,角动量在z方向分量,第38页,38,However,only two spin states were observed for a single electron(such as in a hydrogen atom),which imply that,Notation for the two spin states:,a,b,第39页,39,a,b,a,b,第40页,40,The Complete description for a hydrogen atom wavefunction will include the intrinsic spin eigenstate:,One electron in 3d,2,orbital,a,spin,第41页,41,1.3,多电子原子核外电子运动状态,氢原子,（1个电子）,多电子原子,（,n,个电子）,1个电子,n,个独立电子,求解薛定谔方程,中心力场模型,每一个独立电子,求解薛定谔方程,第42页,42,1.3.1 多电子原子原子轨道能级,1.鲍林近似能级图和能级组,鲍林(Pauling L)依据光谱试验结果，总结出了多电子原子轨道近似能级高低次序：,1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4 d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d,7p,徐光宪归纳能级规律：,对于原子外层电子，（,n,0.7,l,）值越大，则电子能量越高。,对于离子外层电子，（,n,0.4,l,）值越大，则电子能量越高。,对于原子或离子较深内层电子，能量高低基本上取决于主量子数,n,。,第43页,43,第44页,44,多电子原子中，轨道能量除决定于主量子数,n,以外，还与量子数,l,相关，可归纳出以下三条规律：,角量子数,l,相同时，伴随主量子数,n,值增大，轨道能量升高。比如，,主量子数,n,相同时，伴随角量子数,l,值增大，轨道能量升高。比如，,当主量子数,n,和角量子数,l,都不一样时，有时出现能级交织现象。比如，,第45页,45,第46页,46,2.屏蔽效应和有效核电荷,屏蔽效应：其余电子抵消核电荷对指定电子作用。,屏蔽常数,s,有效核电荷,第47页,47,3.钻穿效应,4.原子轨道能量和原子序数关系,第48页,48,1.3.2 多电子原子核外电子分布,1.核外电子分布标准,保里不相容原理,:原子中不能有两个电子含有完全相同四个量子数,n,，,l,，,m,，,m,s,。任何一个原子轨道最多能容纳两个电子，且两电子自旋方向相反。,能量最低原理,：原子中电子排布，在不违反Pauling原理条件下，电子尽可能从最低能级依次向高能级填充，以使得整个原子能量最低。,洪特规则,：电子在角量子数l相同简并能级填充时将尽可能占据不一样轨道，且自旋平行愈多，则能量愈低。,等价轨道,全充满（p,6,，d,10,，f,14,）,半充满（p,3,，d,5,，f,7,）,全空（p,0,，d,0,，f,0,）,比较稳定,第49页,49,2.元素原子电子分布式,多电子原子核外电子分布表示式称为电子分布式。,Br（35）,1s,2,2s,22p,6,3s,2,3p,6,4s,2,3d,10,4p,5,1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,3d,10,4s,2,4p,5,Ar3d,10,4s,2,4p,5,4s,2,4p,5,外层电子分布式,第50页,50,Cr（24）,1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,3d,4,4s,2,1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,3d,5,4s,1,Cu（29）,1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,3d,9,4s,2,1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,3d,10,4s,1,第51页,51,1.3.3 元素原子结构和周期表,元素性质周期性起源于,原子电子层结构周期性,。,1869年2月，俄罗斯化学家门捷列夫发表了“元素属性和原子量关系”论文，阐述了“按照原子量大小排列起来元素，在性质上展现显著周期性规律，这种规律称为元素周期律。”,长周期表：,7个周期,、,18个族,、,5个区,第52页,52,元素周期表,s区,p区,d区,ds区,f区,第53页,53,基于原子电子排布方式、元素周期律可归纳为：,在周期表中，各周期终止于封闭壳层。,除闭壳层外，同一主族中各元素有相同外电子层结构。,过渡元素主要是,d,电子填充。,镧系和锕系元素主要是,f,电子填充。,第54页,54,1.4,元素性质与原子结构关系,1.4.1 原子半径,原子基本性质如原子半径、电离能、电负性等都与原子结构亲密相关，因而也展现显著周期性改变。,共价半径,金属半径,离子半径,第55页,55,第56页,56,1.4.2 元素电离能,气态原子失去一个电子成为一价气态正离子所需最低能量，称为原子第一电离能（,I,1,）。,第57页,57,1.4.3 元素电子亲和能,气态原子取得一个电子成为一价气态负离子所放出能量，称为电子亲和能（,E,ea,）。,第58页,58,1.4.4 元素电负性,1932年 鲍林（Pauling）：,电负性是指元素原子，在分子中吸引电子能力,第59页,59,1.4.5 元素氧化数与原子结构关系,第60页,60,