第八章原子结构和元素周期律.ppt
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1、第八章 原子结构和元素周期律,原子结构的发展简况: 经典核原子模型的建立:原子是不可分割的;Thomson的原子“枣糕模型”;Rutherford的“行星系式”原子模型; 微观粒子能量量子化规律的发现; 氢原子Bohr理论:定态原子模型; 近代量子力学原子结构理论。,原子结构模型的演变,第一节 氢原子光谱和玻尔理论,一、氢原子光谱,连续光谱(实验室),连续光谱(自然界),电磁波连续光谱,氢原子光谱(原子发射光谱) 发出紫外光和可见光 三棱镜 不连续的线状光谱,太阳光或白炽灯发出的白光,通过分光三棱镜时,不同波长的光由于折射率不同,形成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等没有明显分界的连续分布的彩色带状
2、光谱,这类光谱称为连续光谱。 气态原子被火花、电弧或其他方法激发产生的光,经过棱镜分光后得到不连续的线状光谱,这种线状光谱称为原子光谱。 氢原子光谱特征:不连续的光谱,即线状光谱; 谱线频率有一定的规律:,二、玻尔理论,普朗克的量子论 爱因斯坦的光子学说 卢瑟福的原子结构模型 氢原子的光谱实验,玻尔理论,玻尔理论的基本要点:,1、核外电子只能在有确定半径和能量的圆形轨道上绕核运动,在这些轨道上运动的电子既不吸收能量,也不放出能量;这些状态称为定态; 2、原子轨道的能量是量子化的: 能级:轨道的这些不同的能量状态; 基态:能量最低的状态,即n = 1; 激发态:其余能量高于基态的状态,即n 1。
3、,3、电子在能量不同的轨道之间跃迁时原子才会吸收或放出能量。 当电子从能量较高的轨道(E2)跃迁到能量较低的轨道(E1)时,放出的能量以光的形式发射出去,发射出的光的频率与轨道能量间的关系为:,氢原子光谱与氢原子能级,第二节 微观粒子的特性 一、微观粒子的波粒二象性,1924 年,法国年轻的物理学家 L. de Broglie指出,对于光的本质的研究,人们长期以来注重其波动性而忽略其粒子性;与其相反,对于实物粒子的研究中,人们过分重视其粒子性而忽略了其波动性。 L. de Broglie 从 Einstein 的质能联系公式 E = mc2 和光子的能量公式 E = h 的联立出发,进行推理:
4、,对于微观粒子;,p 微观粒子的动量,表明微观粒子的 粒子性;, 微观粒子的波长,表明微观粒子的 波动性。,de Broglie关系式,h,微观粒子具有波粒二象性。,例: 子弹,m = 2.5 10-2 Kg,v = 300 ms-1; 电子,me = 9.110-31 Kg,v = 5.9105 ms-1; 波长: 子弹 = h / (mv) = 6.610-34 / (2.5 10-2 300) = 8.8 10-35 (m) 可忽略,主要表现为粒子性 电子 = h / (mv) = 6.610-34 / (9.1 10-31 5.9105) = 12 10-10 (m) = 1.2 nm
5、,电子的衍射实验证实了de Broglie的预言,确认了电子具有波动性。,1927, 美国 C. Davisson and L. Germar,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。,电子的波动性是和电子运动的统计性规律联系在一起的; 电子波是概率波,反映了电子在空间各区域出现的概率大小。,亮纹:电子出现的概率大,暗纹:电子出现的概率小,二、不确定原理,1927 年,德国人 Heisenberg 提出了不确定原理: xpx h px=mvx x: x坐标方向上微粒的位置不确定程度; px : x坐标方向上微粒的动量不确定程度
6、。 x越小(位置越准确),px越大(动量越不准确); px越小(动量越准确),x越大(位置越不准确) ; 因此,微观粒子的位置和动量不能同时确定;即微观粒子的运动没有固定的运动轨道。,例: 子弹,m = 0.01 Kg,v = 1000 ms-1, vx=0.1% 电子,me = 9.110-31 Kg,v = 106 ms-1,x =10-10 m 子弹 x = h / (mvx) = 6.610-34 / (0.0110000.1%) = 6.610-32 (m) 对于宏观物体,x =10-8 m就很准确了,完全可忽略 电子 vx= h / (mx) = 6.610-34 / (9.110
7、-31 10-10) = 7.27 106 (ms-1) 不确定程度甚至超过电子本身的运动速率,显然是不能忽略的。,第三节 单电子原子的薛定谔方程及其解,一、单电子原子的薛定谔方程 :波函数,E:能量,V:势能, m:微粒的质量,x,y,z:电子的空间坐标 :圆周率,h:普朗克常数, 求解薛定谔方程,就是求得波函数和能量 E; 解得的不是具体的数值, 而是包括三个常数 (n,l,m)和三个变量(r, )的函数式n,l,m(r, ) ; 有合理解的函数式叫做波函数(Wave functions);可用来描述核外电子的运动状态; 波函数 = 薛定谔方程的合理解 = 原子轨道,坐标变换:直角坐标(x
8、,y,z)变换成球坐标(r,),二、单电子原子的波函数,变数分离: n,l,m(r, ) = Rn,l(r) Yl,m(, ) Rn,l(r) :波函数的径向部分,称为径向函数,由 n 和 l 决定; Yl,m(,):波函数的角度部分,称为角度函数,由 l 和 m 决定。,三、量子数的物理意义,(一)主量子数(n) 意义:描述原子中电子出现几率最大的区域离核的远近,决定了电子所处的层数;也是决定电子能量高低的重要因素。 n越大,电子出现几率最大的区域离核越远,能量也就越高; 取值:n = 1,2,3正整数 n 1 2 3 4 5 6 7 光谱学符号 K L M N O P Q,(二)角量子数(
9、l) 意义:表示原子轨道的形状,也表示同一电子层中具有不同状态的分层(亚层,能级),是影响轨道能量的次要因素。 取值:l = 0,1,2(n1) l 0 1 2 3 4 光谱学符号 s p d f g 例:n=1,l=0: 1s亚层; n=2,l=0,1: 2s,2p亚层; n=3,l=0,1,2: 3s,3p,3d亚层; n=4,l=0,1,2,3; 4s,4p,4d,4f亚层。,(三)磁量子数(m) 意义:它决定原子轨道在空间的伸展方向;每一个m的取值,对应一种空间的伸展方向,也即对应一条原子轨道。 取值:m = 0,1,2,3l,共有(2l +1)个取值。 简并轨道(等价轨道):n 和
10、l 都相同,但 m 不同的各原子轨道的能量相同;这些能量相同的轨道称为简并轨道。 总结:n,l,m可以确定一个原子轨道的离核远近、形状和伸展方向;也即n,l,m确定了,一条原子轨道就确定了,电子的轨道运动也就确定了。,l = 1,m = +1,-1,0:px,py,pz 轨道 m:三个取值,空间三种取向, 三条简并p 轨道,l = 2, m = 0, +1, +2, -1, -2: m:五个取值, 空间五种取向, 五条简并d 轨道,l = 3, m = +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 : f 轨道 m: 七种取值, 空间七种取向, 七条简并 f 轨道,(四)自旋磁量子数(m
11、s) 意义:描述电子的自旋运动方向。 取值:+1/2,1/2;分别用和表示。,总结:原子中每个电子的运动状态(既包括轨道运动又包括自旋运动)可以用这四个量子数(n, l, m,ms)来描述。四个量子数确定之后,电子在核外空间的运动状态就确定了。,四个量子数,第四节 氢原子的波函数和电子云的图形,一、基态氢原子的电子云图形 2:代表在核外空间某一点电子出现的概率密度。 概率密度:电子在核外空间某处附近单位微体积内出现的概率。 概率:电子在空间出现的机会叫概率。 概率 = 概率密度 体积 电子云(概率密度):用小黑点的疏密来表示核外电子出现的概率密度的图形叫电子云。,氢原子的1s电子云图:小黑点密
12、集的地方,电子出现的概率密度大。,1s电子云的等概率密度面图:概率密度相等的各点连起来所得的空间曲面。,1s电子云的界面图:界面内电子出现的概率为90%的等概率密度面。,二、氢原子波函数的角分布图和电子云的角分布图 (一)氢原子波函数的角分布图 n,l,m(r, ) = Rn,l(r) Yl,m(, ) 氢原子波函数的角函数Yl,m(, )随角, 变化的图形:氢原子波函数的角分布图 以pz轨道为例:,波函数的角度分布图,(二)氢原子电子云的角分布图 2(r, ) = R 2 (r) Y 2 (, ) R 2 (r) :概率密度的径向函数; Y 2 (, ):概率密度的角函数。 氢原子概率密度的
13、角函数Y 2 (, )随角, 变化的图形:氢原子电子云的角分布图。,原子轨道和电子云的角度分布图:,x,x,y,y,z,z,原子轨道和电子云的角度分布图:,xy,xy,yz,yz,xz,xz,原子轨道和电子云的角度分布图:,z2,z2,x2-y2,x2-y2,三、氢原子的径向分布图,例:以原子核为球心,半径为 r 的球面到半径为 r+dr 的球面之间的薄球壳层内电子出现的概率。 概率=概率密度体积 薄球壳层的概率密度=R2(r) 薄球壳层的体积=4r2dr 概率=R2(r)4r2dr 令D(r)=R2(r)4r2:径向分布函数 D(r)的意义:电子在半径为r的单位厚度的薄球壳层内出现的概率。
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- 第八 原子结构 元素周期律
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