第五章原子结构与元素周期表

第五章 原子结构与元素周期性

第五章 原子结构与元素周期性一、原子与元素(自学)

二、原子结构的近代概念 运用1926年薛定谔建立起量子力学讨论研究原子结构，形成了近 代概念。 (一)电子的波粒二象性。 20世纪初，人们已发现光具有波粒二象性。 对电子来说，人们早已知道它是一种有确定体积(直径d=10-15m )和质量(9.1×10-31kg)的粒子，故具有微粒性。 电子的波动性是1927年科学家们用电子衍射实验加以证实，如 p131图示电子衍射环纹。与光的衍射图相似，因此电子也具有波动 性。 以后进一步证明，质子、中子等微观粒子也具有波粒二象性，这 使经典力学在证明微观粒子物质上出现问题。

(一)电子的波粒二象性 微观粒子运动的特性：从波粒二象性的特点出发，原子中电子 的运动规律是怎样的？ 由慢射电子枪实验，推论：原子中个别电子某时刻在什么地方出 现虽然不能确切知道，也没有确定数量，但核外电子的分布似是有 规律的：电子在核外空间某区域出现的机率较大，而另一些区域电 子出现的几率较小。

量子力学认为：原子核外电子的运动具有按机率分布的统计规 律性。(所谓统计是一种研究方法：即一个电子亿万次重复研究， 所得的结果我们所取的目的的研究方法)。

(二)原子轨道 1、波函数 1926年薜定谔根据波一粒二象性的概念提出了一个描述微观离子 运动的基本方程——薜定谔波动方程，它是一个二阶偏微分方法。

Ψ Ψ Ψ 8 m ( E V )Ψ 2 2 2 2 x y z h2 2 2 2式中： Y叫波函数，E为体系的总能量，V为微粒势能，h为普朗 克常数，m为微粒的质量，x、y、z为空间直角坐标。 对氢原子体系来说， Y是描述氢原子核外电子运动状态的数 学表示式，是空间直角坐标(x.y.z)的函数。 Y =f(x.y.z);E为氢原子 H的总能量；V为电子的势能(即核对电子的吸引能);m为电子 质量。

对氢原子1 1s e r / a0 3 a0

,

E1s 2.179 10 18 J

可见，量子力学是用波函数和与其对应的能量来描述微粒粒子运 动状态的。 原子中既然是描述电子运动状态的数学表示式，而且又是空间坐 标的函数， Y =f(x.y.z)可以用其作图，其空间图象可以形象地理解 为电子运动的空间范围——俗称“原子轨道(又称原子轨函)”。 波函数的空间图像就是原子轨道，原子轨道的数学表示式是波函数 ，故波函数和原子轨道常作同义语使用。

2、原子轨道角度分布图 Y =f(x.y.z),有四个量在空间不便作图，将直角坐标变为球半径 (r.θφ)然后利用数学中的变量分离法，将Y =f(r.θ.φ)分解为三个 独立函数方程再进行角度

部分合并，即Y =R(r)· Y(θ.φ)。波函数就 分成了径向分布部分R(r)和角度分布部分(Y)。 分布用的角度部分Y(θ.φ)作的图称为原子轨道的角度分布图。 注意图中的“+”“-”不是正、负电，而是Y函数为正负值。

(三)电子云 1、概率密度 电子在原子核外空间某处单位体积内出现的概率，称为概率 密度(ρ)。概率密度与Y 间是怎样的关系？ 在光的波动方程中， Y 代表电磁波的电磁场强度，而且光 的强度是与光的电磁场强度Y 的绝对值平方成正比。 2 光子数目 即光的强度∝ ,由于 光的强度 光子密度 V(体积) 2 光的密度 。 用类比的方法，推理到原子中电子数：在原子核外某处空间 2 电子出现的概率密度(ρ)也是和电子波在该处的强度( )的绝 对值平方成正比的。 2 ρ∝ 在研究ρ时，有实际意义的只是它在空间各处的相对密度， 2 而不是其绝对值本身，故作图时可不考虑ρ与 间的比例系数，因 2 此，电子在原子内核外某处出现的概率密度可直接用 来表示。

2、电子云

为了形象地表示核外电子运动的概率分布情况，化学上常用黑 点分布的疏密来表示电子出现概率密度的相对大小。密——概率密度大，平均体积内电子出现的机会多，用这种方法( 小黑点的疏密)来描述电子在核外出现的概率密度分布所得的空间 图像称电子云。 由于概率密率ρ∝ 象。

,若以 作图，可得到电子云的近似图2 2 2

将的角度分布部分( )作图，所得图象称为电子云角度分布图。 2 比较Y和 Y 两种角度分布图可得：

相似点：图形基本相似。不同点：(1)原子轨道角度分布图有“+”、“-”之分，而电子云 图

均为“+”;

(四)量子数 要比较具体描述原子中各电子的状态(电子所在的电子层，原 子轨道能级，形状，方向及电子自旋的方向等)则需要四个参数才 行。 1、主量子数(n) 含义：(1)描述电子层离核的远近； (2)描述电子层能量的高低。 取值：取零以外的正整数，其中每一个数代表一个电子层。主量子数(n):1 2 3 4 5 …… 电子层： 第一层 第二层 第三层 第四层 第五层 …… 电子层符号： K L M N O …… n值越小，电子层离核越近，能量越低。

2、副(角)量子数(l)含义：(1)在多电子原子中与n一起决定电子亚层的能量，l值 越小，亚层能量越低。 (2)每一个l 值决定电子层中的一个亚层； (3)每一个l值代表一种电子云或原子轨道的形状。 取值：从0开始一直取到(n-1)的正整数 副量子数(l) : 0 1 电子亚层符号: s p 原子轨道(或亚层):球形 哑铃形 2 3 … (n-1) d f … 花瓣形

3、磁量子

数(m) 含义：描述原子轨道或电子云在空间取向。 取值：受l限制，可取-l,…-2,-1,0,1,2,… …… 此处隐藏：3278字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……