大學(xué)無機化學(xué)-第八章 原子結(jié)構(gòu) 課件

1、無機化學(xué)無機化學(xué)第八章第八章 原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu) 8.1 8.1 原子的內(nèi)部組成原子的內(nèi)部組成 8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu) 8.3 8.3 多電子原子的結(jié)構(gòu)多電子原子的結(jié)構(gòu) 8.4 8.4 元素周期律元素周期律 無機化學(xué)無機化學(xué) 傳統(tǒng)觀念傳統(tǒng)觀念實驗新發(fā)現(xiàn)實驗新發(fā)現(xiàn) 為其他實驗所證實為其他實驗所證實 產(chǎn)生新觀念產(chǎn)生新觀念 世人接受世人接受原子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)史原子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)史原子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)史無機化學(xué)無機化學(xué) 1、公元前公元前5世紀世紀-19世紀的哲學(xué)觀念世紀的哲學(xué)觀念 宇宙萬物都由原子組成，原子是最微小、最堅硬、不可入、不可分不可分的物質(zhì)粒子。原子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)史2、 1879年電子的發(fā)現(xiàn)沖

2、破了千百年來原子是組年電子的發(fā)現(xiàn)沖破了千百年來原子是組成最小單元的陳舊觀念。成最小單元的陳舊觀念。（a a） 18791879年，英國人克魯克斯用湯姆生的陰極年，英國人克魯克斯用湯姆生的陰極射線管發(fā)現(xiàn)了陰極射線。射線管發(fā)現(xiàn)了陰極射線。無機化學(xué)無機化學(xué)（b b） 18971897年，英國物理學(xué)家湯姆生年，英國物理學(xué)家湯姆生，測定了帶測定了帶負電粒子的荷質(zhì)比負電粒子的荷質(zhì)比(e/m)(e/m)。原子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)史（C C）兩年后密利根用油滴實驗分別測定了這種粒兩年后密利根用油滴實驗分別測定了這種粒子的質(zhì)量和電荷。子的質(zhì)量和電荷?！坝斜仍有〉枚嗟牧Ｗ哟嬖谟斜仍有〉枚嗟牧Ｗ哟嬖凇?，人們將這種粒子稱為電

3、子。人們將這種粒子稱為電子。（d d）原子是原子是電中性的電中性的，原子中既然存在帶負電荷，原子中既然存在帶負電荷的電子，就必然還有帶正電荷的物質(zhì)。的電子，就必然還有帶正電荷的物質(zhì)。從而打開了從而打開了人類探索原子結(jié)構(gòu)奧密的窗口。人類探索原子結(jié)構(gòu)奧密的窗口。無機化學(xué)無機化學(xué)3、 1896年，原子核的發(fā)現(xiàn)建立了原子結(jié)構(gòu)的年，原子核的發(fā)現(xiàn)建立了原子結(jié)構(gòu)的“行行星式模型星式模型”。（a a） 18961896年，盧瑟福通過年，盧瑟福通過粒子散射實驗發(fā)現(xiàn)了粒子散射實驗發(fā)現(xiàn)了原子核原子核-集中了原子全部集中了原子全部(99.9%(99.9%以上以上) )質(zhì)量，而大小質(zhì)量，而大小僅為原子僅為原子/1012

4、 的帶正電荷的粒子的帶正電荷的粒子（b b）通過通過粒子散射實驗進一步發(fā)現(xiàn)了帶正電荷的粒子散射實驗進一步發(fā)現(xiàn)了帶正電荷的質(zhì)子質(zhì)子。 粒子散射實驗原子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)史無機化學(xué)無機化學(xué)（C C）原子核中還存在著質(zhì)量與質(zhì)子相當(dāng)?shù)请娭行缘脑雍酥羞€存在著質(zhì)量與質(zhì)子相當(dāng)?shù)请娭行缘奈⒘Ｎ⒘?中子中子。（d d）19121912年，英國人莫斯萊用實驗測定了各種原子的年，英國人莫斯萊用實驗測定了各種原子的電荷數(shù)，證明：電荷數(shù)，證明：原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)和核外的電子數(shù)都原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)和核外的電子數(shù)都恰好等于原子序數(shù)恰好等于原子序數(shù)。（e e）電子像行星繞太陽運轉(zhuǎn)一樣繞原子核運動，建立電子像行星繞太陽運轉(zhuǎn)一樣繞原子核

5、運動，建立了原子結(jié)構(gòu)的了原子結(jié)構(gòu)的“行星式模型行星式模型”。這個模型已成為現(xiàn)代。這個模型已成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的象征?？茖W(xué)技術(shù)的象征。 原子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)史無機化學(xué)無機化學(xué)8.1 8.1 原子的內(nèi)部組成原子的內(nèi)部組成8.1.1 8.1.1 原子的內(nèi)部組成原子的內(nèi)部組成8.1.2 8.1.2 原子組成微粒的體積關(guān)系原子組成微粒的體積關(guān)系8.1.3 8.1.3 原子組成微粒的質(zhì)量關(guān)系原子組成微粒的質(zhì)量關(guān)系8.1.4 8.1.4 原子組成微粒的電荷關(guān)系原子組成微粒的電荷關(guān)系無機化學(xué)無機化學(xué)11表 原子組成微粒的基本物理量 名稱與符號電荷質(zhì)量aum / Kgau原子核質(zhì)子（）1 . 6 0 2 1.1 836中

6、子（）0.1 839核 外 電 子（）1 . 6 0 2 1.1311auau為原子單位為原子單位8.1 8.1 原子的內(nèi)部組成原子的內(nèi)部組成8.1.1 8.1.1 原子的內(nèi)部組成原子的內(nèi)部組成無機化學(xué)無機化學(xué)8.1.2 8.1.2 原子組成微粒的體積關(guān)系原子組成微粒的體積關(guān)系 由表數(shù)據(jù)，可算：由表數(shù)據(jù)，可算： 核核/ /原子原子（1010-15-15-14-14）3 3/ /（1010-10-10）3 3 /10/1012121515電子電子/ /原子原子/10/1012121515 原子核是原子體積的百萬億分之一！原子核是原子體積的百萬億分之一！原子幾乎是空的。原子幾乎是空的。8.1 8.

7、1 原子的內(nèi)部組成原子的內(nèi)部組成無機化學(xué)無機化學(xué)8.1.3 8.1.3 原子組成微粒的質(zhì)量關(guān)系原子組成微粒的質(zhì)量關(guān)系 原子核的體積只有原子體積的原子核的體積只有原子體積的1 1，而原，而原子核的質(zhì)量卻占了原子質(zhì)量的子核的質(zhì)量卻占了原子質(zhì)量的99.9% 以上以上 ，所以，所以原子核的原子核的密度高達密度高達1 1101013 13 g gcmcm-3-3（一般物質(zhì)的密度只有（一般物質(zhì)的密度只有1 gcm 數(shù)量級）。數(shù)量級）。 根據(jù)愛因斯坦根據(jù)愛因斯坦(Einstein)的質(zhì)能聯(lián)系方程可以算出，原子的質(zhì)能聯(lián)系方程可以算出，原子核內(nèi)蘊藏著異常巨大的潛能。原子正是通過其巨大質(zhì)量的核核內(nèi)蘊藏著異常巨大的

8、潛能。原子正是通過其巨大質(zhì)量的核和核電荷對化學(xué)反應(yīng)施加影響。因此，和核電荷對化學(xué)反應(yīng)施加影響。因此，原子核的性質(zhì)決定原子核的性質(zhì)決定了原子的種類和性質(zhì)了原子的種類和性質(zhì)。8.1 8.1 原子的內(nèi)部組成原子的內(nèi)部組成無機化學(xué)無機化學(xué)8.1.4 8.1.4 原子組成微粒的電荷關(guān)系原子組成微粒的電荷關(guān)系 根據(jù)原子及其內(nèi)部微粒的電荷關(guān)系，英國人莫斯萊根據(jù)原子及其內(nèi)部微粒的電荷關(guān)系，英國人莫斯萊(Moseley)研究證明：原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)和核外的電子數(shù)都研究證明：原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)和核外的電子數(shù)都恰好等于原子序數(shù)，即：恰好等于原子序數(shù)，即：原子序數(shù)（原子序數(shù)（Z Z）= = 核內(nèi)質(zhì)子數(shù)核內(nèi)質(zhì)子數(shù) = =

9、核電荷數(shù)核電荷數(shù) = = 核外電子數(shù)核外電子數(shù) 也就是說，也就是說，質(zhì)子數(shù)相同的原子屬于同種元素質(zhì)子數(shù)相同的原子屬于同種元素。但質(zhì)子數(shù)相。但質(zhì)子數(shù)相同的原子，中子數(shù)不一定相同，這意味著同種元素中可能同的原子，中子數(shù)不一定相同，這意味著同種元素中可能含有不同的原子。含有不同的原子。8.1 8.1 原子的內(nèi)部組成原子的內(nèi)部組成無機化學(xué)無機化學(xué)元素元素將質(zhì)子數(shù)相同的一類單核粒子統(tǒng)稱為同一種元素，將質(zhì)子數(shù)相同的一類單核粒子統(tǒng)稱為同一種元素， 用元素符號表示。用元素符號表示。核素核素將質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都相同的單核粒子稱為同一種核素，將質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都相同的單核粒子稱為同一種核素，用核素符號用核素符號 表示

10、。表示。式中左下標式中左下標Z為質(zhì)子數(shù)，左上標為質(zhì)子數(shù)，左上標A為核子數(shù)為核子數(shù)(質(zhì)子數(shù)與中子質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和數(shù)之和)，因為它近似等于原子質(zhì)量的數(shù)值，故，因為它近似等于原子質(zhì)量的數(shù)值，故A又稱為又稱為質(zhì)量數(shù)。質(zhì)量數(shù)。 EAZ8.1 8.1 原子的內(nèi)部組成原子的內(nèi)部組成無機化學(xué)無機化學(xué)8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)8.2.1 8.2.1 微觀粒子的量子化特征微觀粒子的量子化特征 8.2.2 8.2.2 波粒二象性波粒二象性 8.2.3 8.2.3 薛定諤方程式薛定諤方程式8.2.4 8.2.4 原子軌道與電子云的圖形原子軌道與電子云的圖形 8.2.5 8.2.5 四個量子數(shù)四

11、個量子數(shù) 無機化學(xué)無機化學(xué)8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu) 宏觀物體與微觀粒子對照表宏觀物體與微觀粒子對照表 體體 系系宏宏 觀觀 物物 體體微微 觀觀 粒粒 子子質(zhì)質(zhì) 量量大大， m m（子彈）（子彈）= = 極微，極微， m m（e e）=9.1=9.13131運運 動動 范范 圍圍較大較大 極小極小原子原子= =運運 動動 速速 度度較低較低v vs s極快極快v vs s描描 述述 方方 法法經(jīng)典力學(xué)原理經(jīng)典力學(xué)原理 統(tǒng)計力學(xué)原理統(tǒng)計力學(xué)原理無機化學(xué)無機化學(xué)1 1、 普朗克的量子假說普朗克的量子假說 （1）黑體輻射實驗）黑體輻射實驗 無反射能力的物體稱無反射能力的物體稱

12、( (絕對絕對) )黑體，黑體向四周黑體，黑體向四周輻射的能量稱為輻射能輻射的能量稱為輻射能。按照經(jīng)典理論的觀點，諧。按照經(jīng)典理論的觀點，諧振子的能量和它的振幅平方成正比，振子的振幅是振子的能量和它的振幅平方成正比，振子的振幅是連續(xù)變化的，因而振子的能量也是連續(xù)變化的。然連續(xù)變化的，因而振子的能量也是連續(xù)變化的。然而，根據(jù)物理量連續(xù)變化的這種傳統(tǒng)觀念，總是不而，根據(jù)物理量連續(xù)變化的這種傳統(tǒng)觀念，總是不能圓滿解釋黑體輻射實驗曲線。能圓滿解釋黑體輻射實驗曲線。 8.2.1 8.2.1 微觀粒子的量子化特征微觀粒子的量子化特征8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)（2 2）

13、普朗克的量子假說）普朗克的量子假說 為此，為此，19001900年普朗克年普朗克(M(MP1anck)P1anck)首次提出首次提出了微觀粒子具有量子化特征的假說。所謂微觀粒子了微觀粒子具有量子化特征的假說。所謂微觀粒子的的量子化特征量子化特征是指是指: : 如果某一物理量的變化是不連續(xù)的，而是以某一如果某一物理量的變化是不連續(xù)的，而是以某一最小單位作跳躍式的增減，這一物理量就是量子化最小單位作跳躍式的增減，這一物理量就是量子化的，其變化的最小單位就叫做這一物理量的量子。的，其變化的最小單位就叫做這一物理量的量子。 普朗克的量子假說，否定了普朗克的量子假說，否定了“一切自然過程都是連續(xù)的一切自

14、然過程都是連續(xù)的”的觀點，成為的觀點，成為“20世紀整個物理學(xué)研究的基礎(chǔ)世紀整個物理學(xué)研究的基礎(chǔ)”(愛因斯坦愛因斯坦)。 8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué) 在黑體輻射在黑體輻射( (或吸收或吸收) )能量的過程中，能量的變化能量的過程中，能量的變化是不連續(xù)的，而是最小能量單元的整數(shù)倍：是不連續(xù)的，而是最小能量單元的整數(shù)倍： E En n = n = n E E n n =1=1，2 2，3 3，正整數(shù)，正整數(shù) 能量的這種不連續(xù)性，稱能量的這種不連續(xù)性，稱( (能量能量) )量子化，最小量子化，最小能量單元稱為能量單元稱為( (能能) )量子。由于它與黑體輻射的頻

15、率量子。由于它與黑體輻射的頻率成正比，相當(dāng)于一個光子的能量，又稱為光量子：成正比，相當(dāng)于一個光子的能量，又稱為光量子： E = h h = 6626X10 34 J.s 式中式中h h稱為普朗克常數(shù)稱為普朗克常數(shù)。8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)2 2、氫原子光譜實驗、氫原子光譜實驗 研究原子光譜是了解原子性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的最重要手段之研究原子光譜是了解原子性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的最重要手段之一。研究氫原子核外電子結(jié)構(gòu)的實驗是氫原子光譜實驗。一。研究氫原子核外電子結(jié)構(gòu)的實驗是氫原子光譜實驗。 在熔接著兩個電極的真空在熔接著兩個電極的真空玻璃管內(nèi)，充入氫氣，通玻璃管內(nèi)，充入氫氣，通

16、過電極加上電壓，玻璃管過電極加上電壓，玻璃管會發(fā)光，這是核外電子從會發(fā)光，這是核外電子從高能狀態(tài)回遷到低能狀態(tài)高能狀態(tài)回遷到低能狀態(tài)釋放能量所發(fā)出的光。此釋放能量所發(fā)出的光。此光通過棱鏡分光，在黑色光通過棱鏡分光，在黑色屏幕上可以看到對屏幕上可以看到對應(yīng)的光應(yīng)的光譜。譜。 8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)可見光光譜可見光光譜, ,即連續(xù)光譜即連續(xù)光譜-表示能量連續(xù)變化。表示能量連續(xù)變化。 在可見光范圍只看到四條顏色不同的譜線，在可見光范圍只看到四條顏色不同的譜線，分別為分別為 紅色（紅色（ 4.57X1014S-1）、青色（）、青色（6.17 X1014S-1）

17、、）、 藍紫色（藍紫色（6.91 X1014S-1）、紫色（）、紫色（7.31 X1014S-1）。并符合下列規(guī)律：并符合下列規(guī)律： = 3.289X1015（ ）S-1當(dāng)當(dāng)n = 3、4、5、6時分別等于時分別等于上述四條譜線的頻率。上述四條譜線的頻率。22121n8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)3 3、BohrBohr理論理論1913年，丹麥物理學(xué)家玻爾年，丹麥物理學(xué)家玻爾(Bohr)在盧瑟福原子結(jié)構(gòu)的在盧瑟福原子結(jié)構(gòu)的“行星式模型行星式模型”基礎(chǔ)上，引入了普朗克的量子化概念，比基礎(chǔ)上，引入了普朗克的量子化概念，比較滿意地解釋了氫原子光譜規(guī)律，玻爾理論的要點

18、如下：較滿意地解釋了氫原子光譜規(guī)律，玻爾理論的要點如下： （1）核外電子只能在具有確定半徑和能量的軌道上核外電子只能在具有確定半徑和能量的軌道上運動運動，也就是說軌道半徑和軌道的能量都是不連續(xù)的，電，也就是說軌道半徑和軌道的能量都是不連續(xù)的，電子在這些軌道上運動時并不輻射能子在這些軌道上運動時并不輻射能量量。 軌道半徑的計算公式為：軌道半徑的計算公式為：r r n n = =0 0 ，. . ，正整數(shù)，正整數(shù). . 其中其中0 0 = 53 pm = 53 = 53 pm = 5310 10 -12-12 m m，稱為玻爾半徑。，稱為玻爾半徑。8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無

19、機化學(xué)無機化學(xué)（2）能能 量最低的軌道稱為基態(tài)原子軌道，在正常情況下，量最低的軌道稱為基態(tài)原子軌道，在正常情況下，電子總是處于基態(tài)軌道電子總是處于基態(tài)軌道。電子獲得能量后可以躍遷到離核。電子獲得能量后可以躍遷到離核較遠（能量較高）的軌道上去，這時原子處于激發(fā)態(tài)。軌較遠（能量較高）的軌道上去，這時原子處于激發(fā)態(tài)。軌道能量的計算公式為：道能量的計算公式為：= = / / ，. . ，正整數(shù)，正整數(shù). . 其中其中B = 13.6 B = 13.6 eVeV = 2.179 = 2.1791010-8-8 J J。（3 3）于激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定于激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定，可以，可以躍遷躍遷到離核較近的軌道

20、上，到離核較近的軌道上，同時同時釋放出光能釋放出光能。 輻射輻射 高高低低 （/ /低低）（）（/ /高高）由由輻射輻射 = = ， =輻射輻射/ /可以計算光譜的頻率。可以計算光譜的頻率。由由=/可以計算波長，可以計算波長，其中其中c c為光速，為光速，c = 299792458 m.sc = 299792458 m.s-1-1 3 310108 8 m.s m.s-1-18.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)玻爾理論的貢獻玻爾理論的貢獻 玻爾理論提出玻爾理論提出能級能級的概念，的概念，引入量子化條件引入量子化條件，成功，成功地解釋了氫原子光譜，把宏觀的光譜現(xiàn)象和微

21、觀的原子地解釋了氫原子光譜，把宏觀的光譜現(xiàn)象和微觀的原子內(nèi)部電子分層結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，推動了原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)內(nèi)部電子分層結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，推動了原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展，是原子結(jié)構(gòu)理論發(fā)展過程中的一個重大進展。展，是原子結(jié)構(gòu)理論發(fā)展過程中的一個重大進展。玻爾理論的缺陷：玻爾理論的缺陷：（a a） 無法解釋原子光譜的精細結(jié)構(gòu)無法解釋原子光譜的精細結(jié)構(gòu)（b b） 不能說明多電子原子的光譜不能說明多電子原子的光譜（c c） 不能解釋原子的穩(wěn)定性不能解釋原子的穩(wěn)定性 8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué) 8.2.2 8.2.2波粒二象性波粒二象性 光電效應(yīng)實驗光電效應(yīng)實驗-愛因斯坦光子學(xué)

22、說愛因斯坦光子學(xué)說 人們的常識性：人們的常識性：-光是一種電磁波光是一種電磁波 -但是不能解釋光電效應(yīng)的實驗規(guī)律但是不能解釋光電效應(yīng)的實驗規(guī)律 愛因斯坦受普朗克量子假說啟發(fā)，于愛因斯坦受普朗克量子假說啟發(fā)，于19051905年提出了光年提出了光子學(xué)說：子學(xué)說： 電磁波電磁波( (即光即光) )不僅在黑體表面交換能量時，是一份不僅在黑體表面交換能量時，是一份一份進行的，是不連續(xù)的，而且在空間傳播時，也是不一份進行的，是不連續(xù)的，而且在空間傳播時，也是不連續(xù)的，是一份一份地進行的。連續(xù)的，是一份一份地進行的。 光波是一個個不可分割的粒子聚集而成的整體。光波是一個個不可分割的粒子聚集而成的整體。8.

23、2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)光具有光具有“粒子性粒子性”，體現(xiàn)在：，體現(xiàn)在： 具有能量：具有能量：具有動量：具有動量：具有質(zhì)量：具有質(zhì)量： hE hP 22ChCEm 光子電子的碰撞服從能量守恒和動量守恒定律。光子電子的碰撞服從能量守恒和動量守恒定律。這些性質(zhì)與經(jīng)典力學(xué)中所表示的微粒性質(zhì)相一致。這些性質(zhì)與經(jīng)典力學(xué)中所表示的微粒性質(zhì)相一致。這就是愛因斯坦的光子說這就是愛因斯坦的光子說 。8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)4 4、德布羅意、德布羅意(De (De BroglieBroglie) )物質(zhì)波假說物質(zhì)波假說 德布羅意于德布羅意

24、于19241924年提出：波粒二象性不只是光才有的特性，年提出：波粒二象性不只是光才有的特性，而是一切微觀粒子共有的本性。并提出德布羅意關(guān)系式：而是一切微觀粒子共有的本性。并提出德布羅意關(guān)系式：mvhph計算發(fā)現(xiàn)：計算發(fā)現(xiàn)：只有當(dāng)實物粒子的德布羅意波長大于或等于其直只有當(dāng)實物粒子的德布羅意波長大于或等于其直徑時徑時，才既能顯示波動性，又能顯示粒子性，即，才既能顯示波動性，又能顯示粒子性，即具有波粒二具有波粒二象性象性；對于波長小于直徑的那些粒子，粒子性掩蓋了波動性，；對于波長小于直徑的那些粒子，粒子性掩蓋了波動性，即只顯示粒子性。即只顯示粒子性。 波粒二象性是微觀粒子的特性波粒二象性是微觀粒子

25、的特性。8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)【例例9-19-1】* * 一顆直徑為一顆直徑為質(zhì)量為質(zhì)量為10g10g的子的子彈以每秒彈以每秒1000m1000m的速度運行。又已知電子的直徑為的速度運行。又已知電子的直徑為. .0 0，質(zhì)量為，質(zhì)量為9.119.11 ， 在在100V100V電場加速，根據(jù)其動能可求出電子的運動電場加速，根據(jù)其動能可求出電子的運動速率為速率為5.93105.93106 6m ms s-1-1。分別計算飛行的子彈和高速分別計算飛行的子彈和高速旋轉(zhuǎn)的電子的物質(zhì)波旋轉(zhuǎn)的電子的物質(zhì)波的波長，并討論它們的運動的波長，并討論它們的運動是否具有波動性

26、。是否具有波動性。解：解：根據(jù)公式根據(jù)公式 h / m vh / m v8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)表表 幾種粒子的波動性幾種粒子的波動性粒子粒子V Vs s = = h / m vh / m v波波動動性性電電 子子9.19.1.0. .0 0顯顯著著氫原子氫原子. . . .不不明明顯顯槍槍 彈彈. .沒沒 有有8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué) 電電 子子槍槍 彈彈0 00 0波動性波動性顯顯 著著沒沒 有有8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué) 1927 1927年，美國年，美國物理學(xué)家戴維遜物

27、理學(xué)家戴維遜( (C.J.DavissonC.J.Davisson) )和和英國物理學(xué)家湯姆英國物理學(xué)家湯姆森森( (G.P.ThomsonG.P.Thomson) )分分別獲得了金屬晶體別獲得了金屬晶體的電子衍射圖，的電子衍射圖，完完全證實了電子具有全證實了電子具有波動性波動性。(a) X(a) X光衍射圖光衍射圖(b) (b) 電子衍射圖電子衍射圖8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué) 光既是一束電磁波，具有光既是一束電磁波，具有波動性波動性的特征，表現(xiàn)在光的干涉的特征，表現(xiàn)在光的干涉和衍射實驗中；光也是一束由光子組成的粒子流，具有和衍射實驗中；光也是一束由光子組

28、成的粒子流，具有微粒性微粒性的特征，表現(xiàn)在光電效應(yīng)等實驗中的特征，表現(xiàn)在光電效應(yīng)等實驗中： 光具有能量：光具有能量： 光具有頻率光具有頻率光具有動量：光具有動量： 光具有波長光具有波長光具有質(zhì)量：光具有質(zhì)量： 光具有波數(shù)光具有波數(shù) =1/=1/ 光的雙重屬性被稱為光的光的雙重屬性被稱為光的波粒二象性波粒二象性 hE hP 22ChCEm微粒性微粒性波動性波動性8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)德布羅意關(guān)系式的內(nèi)涵德布羅意關(guān)系式的內(nèi)涵： 所謂微觀粒子的所謂微觀粒子的波動性波動性，是指粒子的運動在某種條件下，是指粒子的運動在某種條件下，會產(chǎn)生干涉和衍射等波動現(xiàn)象，但不

29、意味著物理量在介質(zhì)中會產(chǎn)生干涉和衍射等波動現(xiàn)象，但不意味著物理量在介質(zhì)中的傳播的傳播( (否則就是經(jīng)典波否則就是經(jīng)典波) )，所以德布羅意波是不可測量的；，所以德布羅意波是不可測量的； 所謂微觀粒子的所謂微觀粒子的粒子性粒子性，是指在與物質(zhì)相互作用時，能，是指在與物質(zhì)相互作用時，能顯示能量、質(zhì)量和動量等粒子屬性，但它不存在沿一定軌道顯示能量、質(zhì)量和動量等粒子屬性，但它不存在沿一定軌道運動的觀點運動的觀點( (否則是經(jīng)典粒子否則是經(jīng)典粒子) )。不確定關(guān)系不確定關(guān)系 對于對于微觀粒子微觀粒子，由于它還具有波動性，經(jīng)典理論的方法不，由于它還具有波動性，經(jīng)典理論的方法不再適用。微觀粒子是再適用。微觀

30、粒子是測不準測不準的。的。8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)hPXx/4無機化學(xué)無機化學(xué)粒子質(zhì)量粒子質(zhì)量 m/ kgm/ kg 運動速度（運動速度（v v） 運動坐標（運動坐標（x x）v v/ /m ms s- -確定量確定量vv運 動 直 徑運 動 直 徑/m/m不確定量不確定量/m/mm m（電子）：（電子）：9.19.110101010 101010101010 ( (誤差不可忽略誤差不可忽略) )m m（塵埃）：（塵埃）：10105 510106 610103 3不限不限6.6266.62610101010( (誤差誤差完全可以忽略完全可以忽略) )（/ /） 欲用經(jīng)典

31、理論中的物理量欲用經(jīng)典理論中的物理量坐標和動量來描述微觀粒子坐標和動量來描述微觀粒子的運動狀態(tài)時，只能達到一定的近似程度。的運動狀態(tài)時，只能達到一定的近似程度。8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu) 必須強調(diào)這里所討論的必須強調(diào)這里所討論的不確定量不確定量是是內(nèi)在固有的不可測定性內(nèi)在固有的不可測定性，玻爾玻爾(N(NBohr)Bohr)理論認為氫原子中電子的位置和速度都可精確理論認為氫原子中電子的位置和速度都可精確計算，計算，違反了測不準原理！違反了測不準原理！無機化學(xué)無機化學(xué) 由于微觀粒子具有波粒二象性，受不確定關(guān)系的限由于微觀粒子具有波粒二象性，受不確定關(guān)系的限制，微觀粒子的運動

32、不能用經(jīng)典理論，而應(yīng)該用量子力制，微觀粒子的運動不能用經(jīng)典理論，而應(yīng)該用量子力學(xué)的方法進行處理。學(xué)的方法進行處理。 描述微觀粒子運動規(guī)律的數(shù)理方程稱為描述微觀粒子運動規(guī)律的數(shù)理方程稱為薛定諤方程薛定諤方程，其形式如下：其形式如下：22x22y22z)(822VEhm+=- （，）8.2.38.2.3薛定諤方程與波函數(shù)薛定諤方程與波函數(shù) 8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)0822222222VEhmzyx電電子子運運動動狀狀態(tài)態(tài)的的波波函函數(shù)數(shù)m為電子的質(zhì)量為電子的質(zhì)量h為普朗克常數(shù)為普朗克常數(shù)E E為系統(tǒng)的總能量為系統(tǒng)的總能量V V為電子對核的勢能為電子對核的勢能

33、zyxf,= 0通式為：通式為： 8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)1 1、 薛定諤方程的解薛定諤方程的解 薛定諤方程式求解過程非常復(fù)雜，只須了解其求解基本思路和步驟。薛定諤方程式求解過程非常復(fù)雜，只須了解其求解基本思路和步驟。(1)坐標變換：坐標變換： 核電荷產(chǎn)生的勢場是球形對稱的核電荷產(chǎn)生的勢場是球形對稱的，所以解這個方程應(yīng)在含，所以解這個方程應(yīng)在含rr變量的變量的球極坐標系中進行。為此：球極坐標系中進行。為此： （，）（，）（，（，）坐標變換坐標變換 （，）（，）（，）波函數(shù)變換波函數(shù)變換8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)自變量

34、，與自變量，自變量，與自變量，之間的換算關(guān)系之間的換算關(guān)系8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)(2)(2)分離變量：分離變量： 將含多個自變量的薛定鄂方程：將含多個自變量的薛定鄂方程： （，（，） 拆分為兩個簡單變量薛定鄂方程拆分為兩個簡單變量薛定鄂方程 ：（）（） 稱徑向方程（稱徑向方程（R R方程）方程）和（和（， ）稱角度方程（稱角度方程（ 、 方程）方程）(3)(3)求解方程：求解方程：求解徑向方程（）求解徑向方程（） ，得徑向波函數(shù)，得徑向波函數(shù)R R（r r）；）；求解角度方程（求解角度方程（， ），得角度波函數(shù)），得角度波函數(shù)Y Y（，）；）；這二者的

35、乘積就是總的波函數(shù)這二者的乘積就是總的波函數(shù) （，）= R R（r r）Y Y（，）8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)單電子原子軌道的波函數(shù)單電子原子軌道的波函數(shù) 8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)2 2、波函數(shù)的意義、波函數(shù)的意義因為因為 2（，）表示離核距離為，表示離核距離為， 方位為方位為，處微小空間電子云出現(xiàn)的幾率密度，處微小空間電子云出現(xiàn)的幾率密度，所以所以波函數(shù)波函數(shù) （，）是表示核外電子運動狀態(tài)的函是表示核外電子運動狀態(tài)的函數(shù)，稱為軌道函數(shù)，簡稱原子軌道數(shù)，稱為軌道函數(shù)，簡稱原子軌道。 雖然它是薛定鄂方程的解但仍然是非常

36、復(fù)雜的函數(shù)式，雖然它是薛定鄂方程的解但仍然是非常復(fù)雜的函數(shù)式，通常用圖解的方法直觀的理解軌道函數(shù)通常用圖解的方法直觀的理解軌道函數(shù) （，）和和電子云電子云 2（，）的分布情況，的分布情況，分別稱為分別稱為軌道函數(shù)的圖形和電子云的圖形軌道函數(shù)的圖形和電子云的圖形。8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)1 1、原子軌道的圖形、原子軌道的圖形 將角度函數(shù)將角度函數(shù)Y Y（，）對角度（）對角度（，）作圖，）作圖， 得原子軌道的角度分布圖（得原子軌道的角度分布圖（Y Y圖）；圖）； 將徑向波函數(shù)將徑向波函數(shù)R R（r r）對）對半徑（半徑（r r）作圖，）作圖， 得得原子軌道的

37、徑向分布圖（原子軌道的徑向分布圖（R R圖）；圖）；將將Y Y圖和圖和R R圖疊加得原子軌道圖形。例圖疊加得原子軌道圖形。例2Pz2Pz原子軌道圖的產(chǎn)生：原子軌道圖的產(chǎn)生： Y（Pz）-圖R（2Pz）-r圖2Pz原子軌道圖8.2.48.2.4原子軌道與電子云的圖形原子軌道與電子云的圖形 8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)例例: :（）原子軌道的角度分布圖作圖過程（）原子軌道的角度分布圖作圖過程（）（） / /（）（）（ ） /。0 0303090901501501801801.001.000.8660.8660.000.00-0.866-0.866-1-1（）0.

38、4890.4890.4230.4230.000.00-0.423-0.423-0.489-0.4892 2（）0.2390.2390.1790.1790.000.000.1790.1790.2390.2398.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)0 30 。90150180 0.4890.4230-0.423-0.489+-波函數(shù)（原子軌道）角度分布圖的繪制波函數(shù)（原子軌道）角度分布圖的繪制虛線部分虛線部分 -PZ軌道的角度分布圖；軌道的角度分布圖；實線部分實線部分 -PZ電子云的角度分布圖。電子云的角度分布圖。 8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)

39、無機化學(xué)波函數(shù)波函數(shù)( (原子軌道原子軌道) )的徑向分布圖的徑向分布圖8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)2 2、電子云的圖形、電子云的圖形 Y Y2 2（，）對角度（）對角度（，）作圖，得電子云的角度分布圖（）作圖，得電子云的角度分布圖（Y Y2 2圖）；令圖）；令 D（r）= R2 (r) 4r2 ，則，則 D D（r r）對半徑（）對半徑（r r）作圖，得電子云）作圖，得電子云的徑向分布圖（的徑向分布圖（D D圖）；將電子云的角度分布圖（圖）；將電子云的角度分布圖（Y Y2 2圖）與電子云的徑向分圖）與電子云的徑向分布圖（布圖（D D圖）疊加，便得到電子云圖

40、。例如圖）疊加，便得到電子云圖。例如2Pz2Pz電子云圖的產(chǎn)生：電子云圖的產(chǎn)生：Y2（2Pz）-圖D（2Pz）- r圖2Pz電子云圖8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)例：例：電子云的徑向分布圖的意義電子云的徑向分布圖的意義r r drdrS = D dr = dr8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu) d d半徑為的半徑為的 球殼面積體積球殼面積體積R （） 該處電子云的概率密度該處電子云的概率密度 （單位體積的幾率）（單位體積的幾率） dr dr R （） 該球殼上電子云的概率該球殼上電子云的概率無機化學(xué)無機化學(xué)結(jié)論：結(jié)論： 由圖可見，基態(tài)氫原子電子對

41、應(yīng)于半徑為由圖可見，基態(tài)氫原子電子對應(yīng)于半徑為處的矩處的矩形面積形面積S=DS=D（r r）r r最大，故最大，故表示該處球殼夾層內(nèi)電子出現(xiàn)的表示該處球殼夾層內(nèi)電子出現(xiàn)的概率最大。概率最大。 故故稱為電子的最大概率半徑，又稱為稱為電子的最大概率半徑，又稱為玻爾半徑玻爾半徑。徑向分布徑向分布函數(shù)函數(shù) D D（）（）= = R R（）則函數(shù)則函數(shù)D D（）（）對半徑作圖，稱為徑向分布函數(shù)圖。對半徑作圖，稱為徑向分布函數(shù)圖。D D（）（）的物理意義為：的物理意義為： 在一個以原子核為球心、半徑為、微單位厚度為的極在一個以原子核為球心、半徑為、微單位厚度為的極薄的球殼夾層（其體積薄的球殼夾層（其體積d

42、 d）內(nèi)電子出現(xiàn)的概率。）內(nèi)電子出現(xiàn)的概率。8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)3d3d電子云圖的疊合過程電子云圖的疊合過程3S3S電子云圖的疊合過程電子云圖的疊合過程3P3P電子云圖的疊合過程電子云圖的疊合過程徑向分布函數(shù)圖的特點徑向分布函數(shù)圖的特點（1 1）隨著主量子數(shù)的增大，隨著主量子數(shù)的增大，最大概率半徑增大。最大概率半徑增大。（2 2）曲線的峰數(shù)等于曲線的峰數(shù)等于n - l。n一定時一定時l值越大，峰數(shù)越少。值越大，峰數(shù)越少。8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)1S1S電子云圖的疊合過程電子云圖的疊合過程1s1s8.2 8.2

43、單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)2p2p2P2P電子云圖的疊合過程電子云圖的疊合過程8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)3d3d電子云圖的疊合過程電子云圖的疊合過程3d3d8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué) 各種波函數(shù)和電子云的角度分布圖 實線部分實線部分- 原子軌道角度分布圖原子軌道角度分布圖虛線部分虛線部分- 電子云的角度分布圖電子云的角度分布圖 8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué) 波函數(shù)（原子軌道）與電子云的角度分布圖的波函數(shù)（原子軌道）與電子云的角度分布圖的區(qū)別與聯(lián)系區(qū)別與聯(lián)系： 由

44、于角度波函數(shù)由于角度波函數(shù)Y，只與量子數(shù)只與量子數(shù)l，m有關(guān)，而與主量子有關(guān)，而與主量子數(shù)數(shù)n無關(guān)。因此，對于無關(guān)。因此，對于l，m相同而相同而n不同的狀態(tài)，波函數(shù)和電不同的狀態(tài)，波函數(shù)和電子云的角度分布圖都分別是相同的。子云的角度分布圖都分別是相同的。 由于由于Y（PZ）(軌道軌道)值有正負值值有正負值，故它的圖上對應(yīng)位置分別，故它的圖上對應(yīng)位置分別標注了標注了正負號正負號，該符號可用于判斷共價鍵的方向性。而，該符號可用于判斷共價鍵的方向性。而Y2（PZ）(電子云電子云)值都是值都是正值正值，故它的圖形無正負號之分。，故它的圖形無正負號之分。 由于由于Y2（PZ）值小于對應(yīng)的值小于對應(yīng)的Y（

45、PZ）值，所以值，所以電子云的角電子云的角度分布圖比波函數(shù)的角度分布圖度分布圖比波函數(shù)的角度分布圖“瘦瘦”些。些。 8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)（a a）1s1s的電子云圖的電子云圖 （b b）1s1s電子云的等密度圖電子云的等密度圖（c c）1s1s電子云的界面圖電子云的界面圖 （1 1）電子云圖）電子云圖 在圖中用小黑點在圖中用小黑點的疏密程度表示的疏密程度表示電子云概率密度電子云概率密度 的大小。的大小。 （2 2）等密度圖）等密度圖 用一系列標有用一系列標有值的等密度曲面表值的等密度曲面表示電子云概率密度示電子云概率密度相同的球面。相同的球面。 （3

46、 3）界面圖）界面圖 包括了電子出包括了電子出現(xiàn)概率現(xiàn)概率90%以以上的等密度面上的等密度面 228.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)1 1、主量子數(shù)、主量子數(shù) 符號：符號： 意義意義1 1 決定電子出現(xiàn)幾率最大的區(qū)域離核的遠近。（決定電子出現(xiàn)幾率最大的區(qū)域離核的遠近。（n n值愈大值愈大離核愈遠離核愈遠） 取值：取值：1 1，2 2，3 3，4 4， 等正整數(shù)。等正整數(shù)。 符號：符號：K K，L L，M M，N N，O O，P P，意義意義2 2 決定電子能量的高低決定電子能量的高低對于單電子體系對于單電子體系(H)(H)，電子能量完全由決定：，電子能量完全由決定

47、： E En n. .( (/n/n2 2) )（）（） . .( (/ n/ n2 2) )（）（）對于多電子原子，電子能量的大小除了與對于多電子原子，電子能量的大小除了與主量子數(shù)主量子數(shù)有關(guān)外，有關(guān)外，還與還與角量子數(shù)角量子數(shù) l 有關(guān)。有關(guān)。8.2.5 8.2.5 四個量子數(shù)四個量子數(shù) 8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)2 2、角量子數(shù)、角量子數(shù) 符號：符號：意義意義1 1 決定電子云的形狀。決定電子云的形狀。 取值：取值： 0 0，1 1， 2 2， 3 3，（，（n - 1n - 1） 符號：符號：， 取值限制：取值限制：共共n n個，個，最大值為（）最

48、大值為（）意義意義2 2 決定電子角動量的大小，決定電子角動量的大小，相同相同愈大電子的能量愈愈大電子的能量愈高。高。 相同相同不同的電子能量差別并不太大，所以通常將相不同的電子能量差別并不太大，所以通常將相同、同、不同的電子歸在同一電子層中的不同電子亞層。不同的電子歸在同一電子層中的不同電子亞層。例如：例如：（層）時：（層）時： （態(tài)）（態(tài)）, ,（態(tài)）（態(tài)）, ,（態(tài)）（態(tài)）, ,（態(tài)）（態(tài)） 即：第四電子層共有、四個電子亞層，即：第四電子層共有、四個電子亞層，可見：可見：電子亞層數(shù)與它的主量子數(shù)值相同電子亞層數(shù)與它的主量子數(shù)值相同。8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)

49、無機化學(xué)3 3、磁量子數(shù)、磁量子數(shù) 符號：符號： 意義意義：決定了在外磁場作用下，電子繞核運動的角動量在：決定了在外磁場作用下，電子繞核運動的角動量在磁場方向上的分量的大小，它磁場方向上的分量的大小，它反映原子軌道在空間的不同反映原子軌道在空間的不同取向。每一個取向相當(dāng)于一個取向。每一個取向相當(dāng)于一個“原子軌道原子軌道”。取值限制取值限制：，：， 共共2 2+1+1個個即：每個亞層中的電子可以有即：每個亞層中的電子可以有2 2+1+1個取向，個取向，每個亞層中有每個亞層中有2 2+1+1個原子軌道個原子軌道。 4 4、自旋量子數(shù)、自旋量子數(shù) 符號：符號：意義：意義： 決定電子的自旋運動狀態(tài)決定

50、電子的自旋運動狀態(tài)取值：取值： / /-順時針方向自旋順時針方向自旋 / /-逆時針方向自旋逆時針方向自旋 “電子自旋電子自旋” 表示表示電子自身的兩種不同的運動狀態(tài)電子自身的兩種不同的運動狀態(tài)。8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)m m等于等于0 0為為s s軌道，在軌道，在空中呈球形分布，因空中呈球形分布，因此只有一種取向此只有一種取向（2X02X0=1=1）m m等于等于2 2為為d d軌道，在軌道，在空中分別空中分別有有5 5種取向種取向（2X22X2=5=5）量子數(shù)與原子軌道量子數(shù)與原子軌道 3lmmln ,

51、1主量子數(shù)主量子數(shù)角量子數(shù)角量子數(shù)磁量子數(shù)磁量子數(shù)軌道符號軌道符號003s103pZ Z3pX X3pY Y203d（z2z2）3d XYXY3dYZYZ3d（x2-y2x2-y2）3d XYXYln21無機化學(xué)無機化學(xué) 在同一原子中的各個電子在同一原子中的各個電子，它們的運動狀態(tài)不可能完全它們的運動狀態(tài)不可能完全相同相同，即，即四個量子數(shù)中至少有一個量子數(shù)是不同的四個量子數(shù)中至少有一個量子數(shù)是不同的。量子數(shù)和原子軌道量子數(shù)和原子軌道 8.2 8.2 單電子原子的結(jié)構(gòu)單電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)8.3 8.3 多電子原子的結(jié)構(gòu)多電子原子的結(jié)構(gòu)8.3.1 8.3.1 屏蔽效應(yīng)與有效核電荷屏蔽

52、效應(yīng)與有效核電荷8.3.2 8.3.2 鉆穿效應(yīng)鉆穿效應(yīng) 8.3.3 8.3.3 近似能級圖與近似能級公式近似能級圖與近似能級公式 8.3.4 8.3.4 核外電子的排布規(guī)律核外電子的排布規(guī)律 無機化學(xué)無機化學(xué)8.3.1 8.3.1 屏蔽效應(yīng)與有效核電荷屏蔽效應(yīng)與有效核電荷 含有含有N N個電子的原子中，電子個電子的原子中，電子i i除了受到原子核除了受到原子核( (核電荷核電荷為為Z)Z)的吸引外，同時還受到其他（的吸引外，同時還受到其他（N N）個電子的排斥。）個電子的排斥。實際上相當(dāng)于部分地抵消了核電荷實際上相當(dāng)于部分地抵消了核電荷Z Z對電子的吸引，從對電子的吸引，從而引入而引入有效核

53、電荷有效核電荷Z Z* *的概念：的概念：* *-屏蔽常數(shù)，等于屏蔽常數(shù)，等于N N個電子個電子對電子對電子i i的屏蔽作用的總和的屏蔽作用的總和 +11+112 28 81 18.3 多電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué) 有效核電荷有效核電荷*隨原子序數(shù)的變化情況隨原子序數(shù)的變化情況 8.3 多電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)單電子體系，電子（軌道）的能量僅與主量子數(shù)單電子體系，電子（軌道）的能量僅與主量子數(shù)n n有關(guān)：有關(guān)： (Z (Z / /) ) 對多電子體系，電子（軌道）的能量還與角量子數(shù)對多電子體系，電子（軌道）的能量還與角量子數(shù)l l有關(guān)：有關(guān)： (Z(Z* */ /) ) 其中：其中

54、：. . evev 或或 2.1792.179 對相同原子（核電荷對相同原子（核電荷Z Z一定），當(dāng)對電子一定），當(dāng)對電子i i的屏蔽常數(shù)的屏蔽常數(shù)越越大，對它的有效核電荷大，對它的有效核電荷Z Z* *越小，電子越小，電子i i的能量就越高，所以的能量就越高，所以屏屏蔽效應(yīng)結(jié)果使電子的能量上升。蔽效應(yīng)結(jié)果使電子的能量上升。 8.3 多電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)8.3.2 8.3.2 鉆穿效應(yīng)鉆穿效應(yīng) 相同（同層）而不同的軌道，其電子云的徑向分布相同（同層）而不同的軌道，其電子云的徑向分布情況不同，越小的軌道其峰數(shù)越多（峰數(shù)情況不同，越小的軌道其峰數(shù)越多（峰數(shù)= =n-ln-l），），部分

55、電部分電子云電子穿過內(nèi)層而更靠核更近子云電子穿過內(nèi)層而更靠核更近，這種現(xiàn)象稱為，這種現(xiàn)象稱為鉆穿效應(yīng)鉆穿效應(yīng)。 EnsEnpEnd 電子通過鉆穿效應(yīng)能夠回避其他電子對它的屏蔽作用，電子通過鉆穿效應(yīng)能夠回避其他電子對它的屏蔽作用，所感受到的有效核電荷所感受到的有效核電荷* *值越高，使能量降低。值越高，使能量降低。1s2s3sD(r) r8.3 多電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)8.3.3 8.3.3 近似能級圖與近似能級公式近似能級圖與近似能級公式1 1、近似能級圖、近似能級圖美國化學(xué)家鮑美國化學(xué)家鮑林提出了多電林提出了多電子原子中軌道子原子中軌道的近似能級圖，的近似能級圖，這個圖的能級這個圖的

56、能級順序與外層軌順序與外層軌道電子的填充道電子的填充順序是一致的，順序是一致的，因此因此近似能級近似能級圖實際上是電圖實際上是電子填充順序圖子填充順序圖。8.3 多電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)周期號數(shù)周期號數(shù) = = 能級組號數(shù)能級組號數(shù) = = 電子層數(shù)電子層數(shù) = = 最大主量子數(shù)最大主量子數(shù)maxmax8.3 多電子原子的結(jié)構(gòu)周期周期 能級能級組號組號軌道軌道軌道軌道個數(shù)個數(shù)元素元素個數(shù)個數(shù)一一11s12二二22s2p48三三33s3p48四四44s3d4p918五五55s4d5p918六六66s4f5d6p1632七七77s5f6d7p16未完成未完成無機化學(xué)無機化學(xué)原子軌道能量與原

57、子序數(shù)的關(guān)系原子軌道能量與原子序數(shù)的關(guān)系8.3 多電子原子的結(jié)構(gòu) 原子核外電子能原子核外電子能量高低的順序隨著原量高低的順序隨著原子序數(shù)的增加有所變子序數(shù)的增加有所變化?；?19621962年美國化學(xué)年美國化學(xué)家科頓（家科頓（F.A.CottonF.A.Cotton）根據(jù)原子結(jié)構(gòu)的理論根據(jù)原子結(jié)構(gòu)的理論研究與實驗的結(jié)果提研究與實驗的結(jié)果提出了原子軌道能級與出了原子軌道能級與原子序數(shù)的關(guān)系圖。原子序數(shù)的關(guān)系圖。2、 科頓的原子軌道能級圖科頓的原子軌道能級圖無機化學(xué)無機化學(xué) 我國著名化學(xué)家徐光獻先生，在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，我國著名化學(xué)家徐光獻先生，在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，提出了軌道能量高低與主

58、量子數(shù)提出了軌道能量高低與主量子數(shù)n n和角量子數(shù)和角量子數(shù)l l的關(guān)系式，用這種的關(guān)系式，用這種方法計算得到的電離能數(shù)值與實驗值符合得很好。式中方法計算得到的電離能數(shù)值與實驗值符合得很好。式中n n、l l分別分別為對應(yīng)軌道的主量子數(shù)和角量子數(shù)，其值越大，能量越高。為對應(yīng)軌道的主量子數(shù)和角量子數(shù)，其值越大，能量越高。（1）電子填充順序例例: : E E（4S4S）= =（4+0.74+0.7 0 0）= 4= 4， E E（3d3d）= =（3+0.73+0.72 2）= 4.4= 4.4 出現(xiàn)了能量交叉，應(yīng)當(dāng)先填出現(xiàn)了能量交叉，應(yīng)當(dāng)先填4S4S電子再填電子再填3d3d電子。電子。lnEln

59、7.0)(,8.3 多電子原子的結(jié)構(gòu)3 3、 徐光憲的近似能級公式徐光憲的近似能級公式無機化學(xué)無機化學(xué)（2 2）電離順序）電離順序 按下式計算原子軌道的能量，并按下式計算原子軌道的能量，并由能量高到低由能量高到低的順序失去電子的順序失去電子。 例：例：E E（4s4s）= =（4+0.4 4+0.4 0 0）= 4= 4，E E（3d3d）= =（3+0.43+0.42 2）= 3.8= 3.8，E E（4s4s）大于）大于E E（3d3d），電離時，應(yīng)當(dāng)先失），電離時，應(yīng)當(dāng)先失4S4S電子再電子再失失3d3d電子。電子。 徐光憲的計算公式更為簡潔，用這種方法計算徐光憲的計算公式更為簡潔，用這

60、種方法計算得到的電離能數(shù)值與實驗值符合得很好。得到的電離能數(shù)值與實驗值符合得很好。 lnEln4 . 0)(,8.3 多電子原子的結(jié)構(gòu)無機化學(xué)無機化學(xué)徐光憲先生徐光憲先生 徐光獻院士簡介徐光獻院士簡介 1920 年年 生生 ， 浙浙 江江 紹紹 興興 人人 。 1944 年年 畢畢 業(yè)業(yè) 于于 上上 海海 交交 通通 大大 學(xué)學(xué) 化化 學(xué)學(xué) 系系 ， 1951 年年 獲獲 美美 國國 哥哥 倫倫 比比 亞亞 大大 學(xué)學(xué) 博博 士士 學(xué)學(xué) 位位 ， 回回 國國 后后 在在 北北 大大 任任 教教 。 現(xiàn)現(xiàn) 任任 北北 大大 化化 學(xué)學(xué) 系系 教教 授授 、 稀稀 土土 化化 學(xué)學(xué) 研研 究究 所