课件:原子结构与元素周期律.pdf
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1、原子结构与元素周期律37原子核外电子的运动状态3-2核外电子的排布3-3原子的电子层结构和元素周期表3-4元素基本性质的,237核外电子的运动状态n粒子波与波粒二象性H薛定诗方程H量子数H电子云3一、电子的波粒二象性和测不准原理1.光的波粒二象性既具有波的性质又具有粒子的性质。1718世纪一直在争论光的本质 的问题:光的干涉、衍射现象支持光的 光压、光电效应等支持光的通过爱因斯坦的质能关系式:E=2 及。=2-v有 mc=E/c=hvl c,p=h I兀式中:m为光子的运动质量,E=hv,h为普朗克常量:6.626 x 10-34J-s;c为光速:2.998x l08m-s-1;为光子的动量。
2、说明,称为光的。42.德布罗意波德布罗意(18921989)法国物理学家。1910年获巴黎大学文学学士学位。1911年,他听到作为第一届索尔维物理讨 论会秘书的莫里斯谈到关于光、辐射、量 子性质等问题的讨论后,激起了强烈兴趣,特别是他读了庞加莱的科学的价值等 书,他转向研究理论物理学。1913年,他获理学硕士学位。第一次世界大战期间,在埃菲尔铁塔上的 军用无线电报站服役。战后他研究与量子 有关的理论物理问题,攻读博士学位。5德布罗意(de-Broglie)1924年提出微观粒子也具 有波的性质,并假设:2=h/p=h/mv式中,几为粒子波的波长;V为粒子的速率,加为粒子的质量1927年,粒子波
3、的假设被汤姆森的电子衍射实验 所证实939年获得诺贝尔物理奖。6因此,电子等实物粒子也具有波粒二象性。电子衍射实验当经过电势差加速的电子束入射到锲单晶上,观察散射电子束 的强度和散射角的关系,结果完全类似于单色光通过小圆孔的衍射 图像。从实验所得的衍射图,可以计算电子波的波长,结果表明动量 p与波长2之荷3勺关系完全符合德花萝依亲法式 九=hJmv。电子衍射实验表明:一个动量另夕能量为的微观粒子,在运动 时表现为一个波长为/加V、频率为v=/力的沿微粒运动方向传播 的波(物质波)。一T晶光 II缝,狭 电-于束3.海森堡测不准原理沃纳海森堡于19 01年出生在 德国,1923年在慕尼黑大学获
4、得理论物理学博士学位。1932 年获得诺贝尔物理奖海森堡于1927年提出了著名的“测不准原理”。这条原理被 认为是科学中所有道理最深奥、意义最深远的原理之一。测不 准原理所起的作用就在于它说 明了我们的科学度量的能力在 理论上存在的某些局限性。8宏观物体的运动依据牛顿定律在任一瞬间的位置和动量 都可以准确确定。如卫星、导弹、飞机的运行,它的运 动轨迹(轨道)是可测知的。Ax(位置误差)与A(动量误差)的乘积为一定值力(力为普 朗克常数),即电子运动动量愈精确,切,则AxT,愈不确定。原子内高速运动的电子,不可能有固定的轨道。因而描 述微观粒子的运动不能用经典的牛顿力学,而必须用描 述微观世界的
5、量子力学。9例 电子的质量为9.1091 x lO-3ik g,当在电势差为IV的也场中运动速度达6.00 x l05m.sT时,其波长为多少?z的函数。为核外电子总能量,忆为核外电子的势能,为普朗克常数)加为电子的质量。122.四个量子数和原子轨道在整个求解过程中,需要引入三个参数,几、/和加。结果 我们得到一个含有三个参数和三个变量的函数=%/,加(XJZ)根据要使函数具有明确物理意义的边界条件,可以确定参 数的取值由于上述参数的取值是非连续的,故被称之为量子数。当、/和加的值确定时,波函数即可确定,也即原子轨道 即可确定。三个量子数确定唯一的一个原子轨道或说在同一原子中,不可能有两个轨道
6、具有完全相同的三个量子数(nm)。13主量子数决定原子轨道离核的远近。可取的数为,目前只到7,光谱学符号分别表示为n值愈大,电子离核愈远,能量愈高。由于只能取正整数,所以 的。对氢原子来说,其电子的能量可用下式表示:E=-3.6!n2eV14在多电子原子中,当相同时,不同的角量子数/(即不同的电子云形状)具有相同值的可视为处于同一“”。I可取的数为,共可取个,在光谱学中分别用符号,表示,相应为S亚层和P亚层、S轨道和p轨道之称。15m可取的数值为,共可例:当/=0蒲,按量子化条件加只能取0,即s 电子云在空间只有球状对称的一种取向,表 明s亚层只有一个轨道;当/=1时,加依次可取-1,0,+1
7、三个值,表示 p电子云在空间有互成直角的三个伸展方向,分别以p%、P y P z表示,即P亚层有三个轨道。16d、f电子云分别有5、7个取向,有5、7个轨道。I 同一亚层内的原子轨道其能量是相同 的,称等价轨道或简并轨道。当一组合理的量子数、/、加确定后,电子运动的波函数少也随之确定,该电子 的能量、核外的概率分布也确定了。通常 将原子中单电子波函数称为17(4)自旋角动量量子数月光栅台压T真空,少量H2Electron spin visualized红 绿蓝紫高分辨率H光谱S想象中的曲子自旋 两种可能的自旋状点:用邑.=+1/2和-1/2表示,也可图示用 箱头T、J符号表示。产生方向相反的潴
8、场 相反自旋的对曲子,戚场相互抵请C18纵上所述,主量子数n和轨道角动量量子 数1决定原子轨道的能量;轨道角动量量子数/决定原子轨道的形状;磁量子数夬定原子轨道 的空间取向或原子轨道的数目;自旋角动量量子 数S/夬定电子运动的自旋状态。也就是说,电子 在核外运动的状态可以用四个量子数来描述。轨道运动/核外电子运动 mI I 自旋运动 舟与一套量子数相对应MX/,加闻(具有确定的能量Ei)19核外电子的可能状态主量子教1234曲子层符号KLMN轨道角动量量子数/0010120123曲子花层符号1s2s2P3s3P3d4s4p4d4f000000000o1111112223亚层轨道教(2/+1)1
9、131351357曲子层轨道教14916自旋角动量量子数、+%或%各层可参纳的电子教28183220Questi例写出轨道量子数=4,/=2,加=0 的原子轨道的名称。解:原子轨道是由n,4 m三个量子教决定的。与 1=2对反的轨道是d轨道o因为=4,该轨道的名 称应该是4d轨道。磁量子数加=0在轨道名称中 得不到反映,但根据我们迄今学过的知识,加=0表 示该4d轨道是不同伸铁方向的5个4d轨道之。21料本身没有明确的物理意义。只能说,电子运动的规律 受它控制。波函数-绝对值的平方却有明确的物理意义。它O量子力学原理指出:在核外空间某点0(T,0,。)I附近微体积dr内电子出现的概率d0为d/
10、7=|夕 12-dr所以I%|2表示电子在核外空间某点附近单位微体 积内出现的概率,即22电子云示意图本节小结:1)微观粒子与光子一样,具有波、粒二象性。2)电子运动分为轨道运动和自旋运动。3)在氢原子薛定将方程的求解过程中得到三个量子数。取值要遵循一定的规则。4)三个量子数确定一个原子轨道。四个量数确定原子 轨道只的一个电子。5)电子在轨道中的运动具有统计规律,可用电子云来 描述。243-2多电子原子的核外电子排布 多电子原子的能级 多电子原子电子排布规则 相近能级分组与特征电子构型25一.多电子原子的能级氢原子和类氢原子核外只有一个电子,它只受到核的吸引作用,其波动方程可精确 求解,其原子
11、轨道的能量只取决于主量子数小 在主量子数乃相同的同一电子层内,各亚层的 能量相等。如等。在多电子原子中,电子不仅受核的吸引,电子与电子之间还存在相互排斥作用,相应 的波动方程就不能精确求解,电子的能量不 仅取决于主量子数,还与轨道角量子数/有 关。26量子化学大师鲍林(Linus pauling)鲍林是著名的量子化学家,他在化学的多个领域都有过 重大贡献。曾两次荣获诺贝尔奖金(1954年化学奖,1962 年和平奖)。1901年2月18日,鲍林出生在美国俄勒冈州波特兰市。幼年聪明好学,H岁认识了心理学教授捷夫列斯,捷夫列斯 有一所私人实验室,他曾给幼小的鲍林做过许多有意思的化 学演示实验,这使鲍
12、林从小萌生了对化学的热爱,这种热爱 使他走上了研究化学的道路。鲍休鲍林在研究量子化学和其 他化学理论时,创造性地提出了许多新的概念。例如,共价 半径、金属半径、电负性标度、杂化轨道等。27IsOl(ls)28由北京大学徐光宪教授提出利用5+0.7/)值的大 小计算各原子轨道相对次序,并将所得值整数 部分相同者作为一个能级组。轨道角量子数/相同时,原子轨道的能量随着主 量子数值增大而升高:1sE2s3s 主量子数相同,轨道能量随着角量子数/值的 增大而升高:En s p En d En f 主量子数和角量子数/都不同则有能级交错现 象:29多电子原子中,电子除受到原子核的吸引外,还 受到其它电子
13、的排斥,其余电子对指定电子的排斥作 用可看成是抵消部分核电荷的作用,从而削弱了核电 荷对某电子的吸引力,即使作用在某电子上的有效核 电荷下降。这种抵消部分核电荷的作用叫(shielding effect)o 核电荷数(Z)减去屏蔽常数(得 到有效核电荷(Z*):30钻穿效应:S轨道电子云出现在较内层空间 从而受到核电荷的有效吸引而降低能量的 现象。钻穿效应使得4s/5s轨道的能量低于3d/4d轨 道,6s/7 s轨道的能量低于4f75微道。这一 现象也称为。31二、核外电子排布的一般规则(1)能量最低原理系统能量L 稳定性色 所以基态原子核 外电子的排布尽可能先占据能量较低的轨道;Pauli不
14、相容原理在同一原子中不存在四个量子数全部相 同的电子;或在耳/,加均相同的原子轨道上只 能容纳两个、不同的电子;各亚层可容电子数s:2;p:6;d:10;f:14;(3)Hund规则平行自旋规则电子在能量相同的轨道(简并轨道)上将 尽可能以相同自旋角动量量子数5,分占不同的 轨道;、K、电子填充顺序Hund规则补充亚层轨道全空、全满或半满时能量更低,更稳定。32根据Pauli不相衮原理,可得出各电子层的最大衮量KLMNn1234电子亚屋SSPSPdSPdf/0010120123m0000+3+2+2+2+1+1+1+1+1+1000000-1-1-1-1-1-1-2-22-3亚层最大家量226
15、2610261014曲子层最大家量(2层)28183233根据,电子在简并轨道上的排布将尽可能以自旋相同(相同*)的方式分占各简并轨道。如6己C原子有6个电子,按能量最低原理,先填入1s轨道2个,再填入2s轨道两个,还有2个电子应填入2P轨道。而2P轨道有3个能 量相同的简并轨道(Px R,pz),根据Hund规则,电子应平行自旋填入 简并轨道,因而电子在2P轨道上的排布应为L而不是n或ni:可能的量子数为:2,1,0,+1/2;2,1,1,+1/2;或2,1,0,+1/2;2,1,1,+1/2;或244.+1/2;2,1-1.+1/2;或2,1,0,-1/2;2,1,1,-1/2;2,1,0
16、,-1/2;2.1-1-1/2;2,1/2;2,1-1-1/2;34电子排布式与电子构型投的电子排布式为:这种用主量子数刀的数值和轨道角动量量子数/的符 号并在亚层右上角表出亚层电子数表示的电子排布 式称为电子构型)也叫电子组态、电子结构式、电子排布式。也可用轨道排布式表示:Is2Px 2py 2Pz0T35常把电子排布已达到稀有气体结构的内层,以稀有气体元素符号加方括号(称)表示。一 如钠原子的电子构型2s-2p(3:可表示为?|3so原子实以外的电子排布称外层价电子构型。必须注意,原子中电子是按近似能级图由低到高的顺序填充的,但在书写原子的电子构型时,外层电子构型应按(n-2)f.(n-l
17、)d.ns、np的顺序书写。当原子失去电子时,按“pf“s f(-1)d-(-2)f的顺序失去 电子的。如F e的电子构型为Ar 3 d64s2,Fe2+的电子构型为Ar3d64s,而不是Ar3d44s2。36nNa IS2 2 s2 2 P63sl1 9K IS2 2 s2 2 P 63 s2 3P64sl3d1钾和钠具有相似性质,填布符合元素周期系的规律由于内层填满后都一样,故常仅填最外 层价电子,如K A r4sl(外层电子排布式)37高墙赍源网 【高考资源网-你身边的高考专家!电子排布与特征电子构型 382 4电子构型为2 9CU电子构型为8 2 P b电子构型为 基态:Is2 2 s
18、2 2 P lA r3d54s1;A r 3d】04si;Xe 4fl45d1 06s2 6P2激发态:Is2 2 sl2 P239序数电子层结构序数电子层结柩1HIs119KAr4sl2HeIs220CaAr4s23LiHe2sl21ScAr 3dzs24BeHe2s222TiAr 3d24s25BHe2s22Pl23VAr 3d34s26CHe2s22P224CrAr 3d54sl7NHe2s22P325MnAr 3d54s28OHe2s22P426FeAr 3d64s29FHe2s22P27CoAr 3d74s210NeHe2s22P628NiAr 3d104s11NaNe3sl29Cu
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- 课件 原子结构 元素周期律
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