第3章31 原子结构与元素周期系.ppt
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1、第三章第三章 物质的微观结构物质的微观结构及其键合及其键合3 3、1 1 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系3 3、2 2 原子的键合与分子中的电子运动原子的键合与分子中的电子运动第三章第三章 物质的结构和材料的性质物质的结构和材料的性质一、核外电子运动状态的量子力学描述一、核外电子运动状态的量子力学描述二、基态原子中电子的分布原则二、基态原子中电子的分布原则三、原子的电子层结构三、原子的电子层结构四、元素周期系四、元素周期系3 3、1 1 核外电子的运动状态核外电子的运动状态 核外电子运动的特征核外电子运动的特征能量量子化能量量子化波粒二象性波粒二象性统计性统计性量子化量子化:如果某一
2、物理量的变化是不连续的,而如果某一物理量的变化是不连续的,而是以某一最小单位作整数倍的增加是以某一最小单位作整数倍的增加(或减或减少少),我们就说这个物理量是量子化的,我们就说这个物理量是量子化的,这一最小单位就叫做这一物理量的这一最小单位就叫做这一物理量的量子量子(quanta)。能量量子化能量量子化E一、核外电子运动状态的量子力学描述一、核外电子运动状态的量子力学描述1926年年奥地利物理学家奥地利物理学家Schrodinger提提出出描述描述电子运动状态的波动方程电子运动状态的波动方程:薛定谔方程薛定谔方程E体系的总能量。体系的总能量。m粒子的质量。粒子的质量。V体系的势能。体系的势能。
3、h普朗克常数。普朗克常数。解解Schrodinger方程可得方程可得的具体解,的具体解,2表示波的强表示波的强度也叫电子云。当度也叫电子云。当E处于能量最低时,原子处于稳定态,处于能量最低时,原子处于稳定态,也叫也叫基态基态。当基态电子激发到高能级时,为。当基态电子激发到高能级时,为激发态。激发态。概率密度与电子云概率密度与电子云1927年,年,Davissson 和和Germer 应用应用Ni晶体进行晶体进行电子衍射实验,证实电子具有波动性电子衍射实验,证实电子具有波动性。微粒波动性的近代证据微粒波动性的近代证据电子的波粒二象性电子的波粒二象性既然电子具有波粒二象性,其运动状态就只能用几率来
4、描述,既然电子具有波粒二象性,其运动状态就只能用几率来描述,同其它波一样也符合一个波动方程,即同其它波一样也符合一个波动方程,即波函数波函数(xyz)。它的物理意义:它的物理意义:表示微观粒子的运动状态,也就是通常所说的表示微观粒子的运动状态,也就是通常所说的“原子轨道原子轨道”,(Atomal Orbital)。电子在空间出现的机会称为概率,在某单位体积内出现的概率称为概率密度。电子运动状态由波的图像。函数描述,|2则是电子在核外空间出现的概率密度。电子云是子云是|2的的图像像。图3.3 电子云的轮廓图量子化学量子化学量子力学量子力学波函数波函数(wave function)Bohr原子模型
5、原子模型(1913年年)近代原子云模型近代原子云模型(19271935年年)1926年年奥地利物理学家奥地利物理学家Schrodinger提出提出描述描述电子运动状态的波动方程:电子运动状态的波动方程:.四个量子数四个量子数 Schrodinger E n:1、2、3、4、5、主量子数主量子数n(principalquantumnumber)确定电子离核的确定电子离核的远近远近。与电子的能量有关。与电子的能量有关。解解Schrodinger方程必须假设方程必须假设三个量子数三个量子数三个量子数三个量子数的的取值取值,否则无法解否则无法解!.波函数和量子数波函数和量子数(wave functio
6、n and quantum number)主量子数、角量子数、磁量子数主量子数、角量子数、磁量子数角量子数角量子数(azimuthalquantumnumber)反映了波函数反映了波函数(原子轨道原子轨道)的的形状形状。其取值受。其取值受n限制限制。l:0、1、2、3、(n1)共可取共可取n个数值个数值s 轨道轨道 球形球形p轨道轨道 哑铃形哑铃形d轨轨 道道 有有 两两 种种 形形 状状磁量子数磁量子数m(magneticquantumnumber)n=1l=0(一种形状一种形状)n=2l=0、1(二种形状二种形状)n=3l=0、1、2(三种形状三种形状)n=4l=0、1、2、3(四种形状四
7、种形状)spdf轨道名称(轨道名称(光谱学上规定光谱学上规定):):1s2s、2p3s、3p、3d4s、4p、4d、4f角角量子数量子数l(azimuthalquantumnumber)反映了波函数的空间反映了波函数的空间取向取向。其取值受。其取值受l限制。限制。m:0、1、2、3、磁量子数磁量子数m反映了波函数的空间反映了波函数的空间取向取向。其取值受。其取值受l限制。限制。m:0、1、2、3、n=1l=0m=0(一种取向一种取向)n=2l=0m=01m=0、1(三种取向三种取向)n=3l=0m=01m=0、12m=0、1、2(五种取向五种取向)n=4l=0m=01m=0、12m=0、1、2
8、3m=0、1、2、3(七种取向七种取向)s1个轨道个轨道p3个轨道个轨道d5个轨道个轨道f7个轨道个轨道s轨道轨道(l=0,m=0):m 一一种取值种取值,空间一种取向空间一种取向,一条一条s轨道轨道 p轨道轨道(l=1,m=+1,0,-1)m 三种取值三种取值,三种取向三种取向,三条等价三条等价(简并简并)p轨道轨道d 轨道轨道(l=2,m=+2,+1,0,-1,-2):m 五五种取值种取值,空间五种取向空间五种取向,五条等价五条等价(简并简并)d 轨道轨道15 f f 轨道轨道 (l l=3,=3,m m=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3)=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3):
9、m m 七种取值七种取值,空间七种取向空间七种取向,七条等价七条等价(简并简并)f f 轨道轨道.本课程本课程不要求不要求记住记住 f轨道轨道具体形状具体形状!自旋量子数自旋量子数ms(spinquantumnumber)表示电子的自旋方向。取值为表示电子的自旋方向。取值为SN电子流电子流Magnetic fieldscreenSmall clearance spaceSilver atomic raykiln 描述电子绕自轴旋转的状态描述电子绕自轴旋转的状态 自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为 ms取值取值+1/2和和-1/2,分别用,分别用和和表示表示
10、想象中的电子自旋想象中的电子自旋 两种可能的自旋方向两种可能的自旋方向:正向正向(+1/2)(+1/2)和反向和反向(-1/2)(-1/2)产生方向相反的磁场产生方向相反的磁场 相反自旋的一对电子相反自旋的一对电子,磁场相互抵消磁场相互抵消.Electron spin visualized自旋量子数自旋量子数ms(spinquantumnumber)确定确定波函数波函数的具体表达式:的具体表达式:n、l、m确定确定核外电子的运动状态核外电子的运动状态:n、l、m、ms自旋量子数:自旋量子数:ms(spinquantumnumber)或或自旋平行:两个电子处于相同的自旋状态。自旋平行:两个电子处
11、于相同的自旋状态。即即ms相等相等自旋状态自旋状态或或自旋反平行:两个电子处于不同的自旋状态。自旋反平行:两个电子处于不同的自旋状态。即即ms不相等不相等或或注意注意nlm轨道名称轨道名称 轨道数轨道数1001s1201010+12s2p133012010+10123s3p3d13540123010+101201234s4p4d4f13574916总总结结只有当三个量子数各自数值一定时,波函数才只有当三个量子数各自数值一定时,波函数才有确切的解,相应的解表示电子的运动状态,用有确切的解,相应的解表示电子的运动状态,用表示,也可叫表示,也可叫“原子轨道原子轨道”,即:,即:Atomic Orbi
12、tal.n=1l=0m=0(100)n=2l=0m=0(200)1m=0(210)1(211)、(211)量子数与原子轨道(运动状态)的关系:量子数与原子轨道(运动状态)的关系:n=3l=0m=0(300)1m=0(310)1(311)、(311)2m=0、(320)1(321)、(321)2(322)、(322)9种种续前续前n=4l=0m=01m=0、12m=0、1、23m=0、1、2、316种种核外电子运动核外电子运动轨道运动轨道运动自旋运动自旋运动与一套量子数相对应(自然也有与一套量子数相对应(自然也有1个能量个能量Ei)n l m ms小结小结当当n有确定值时就有有确定值时就有n2个
13、波函数的解,个波函数的解,也可以说电子有也可以说电子有n2种运动形式。种运动形式。光谱学上规定光谱学上规定:l 0123 轨道名称轨道名称 S轨道轨道P轨道轨道d轨道轨道f轨轨 轨道数目轨道数目 1357 n=4l=0m=04S轨道轨道1m=0、14p轨道轨道2m=0、1、24d轨道轨道3m=0、1、2、34f轨道轨道二、基态原子中电子的分布规则二、基态原子中电子的分布规则 1.核外电子分布的三个原则核外电子分布的三个原则:Pauli原理原理:能量最低原理:能量最低原理:Hund 规则:规则:每个轨道只能容纳每个轨道只能容纳2个电子个电子优先占据能量最低的轨道优先占据能量最低的轨道尽可能分占不
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