量子力學研究電子運動狀態(tài)電子運動狀態(tài)

第一節(jié)原子結(jié)構(gòu)第1課時

量子力學描述核外電子運動狀態(tài)第一章

原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)素養(yǎng)目標1.宏觀辨識與微觀探析：通過認識原子結(jié)構(gòu)及核外電子排布，辨識微觀粒子的運動狀態(tài)不同于宏觀物體的運動狀態(tài);2.證據(jù)推理與模型認知：結(jié)合原子結(jié)構(gòu)模型的演變過程，能論證證據(jù)與模型的建立及其發(fā)展之間的關(guān)系;3.科學探究與創(chuàng)新意識：體會在對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的科學探究中經(jīng)歷基于實驗證據(jù)建立、優(yōu)化甚至是重構(gòu)模型的過程,既需要嚴謹?shù)目茖W推理,又需要大膽的科學猜想。學習目標1.了解核外電子運動模型的歷史發(fā)展過程,認識核外電子的運動特點;2.知道電子運動的能量狀態(tài)具有量子化特征(能量不連續(xù)),電子可以處于不同的能層(電子層)、能級(電子亞層);3.知道電子的空間運動狀態(tài)(空間分布及能量)可通過原子軌道和電子云模型來描述；4.知道電子的運動狀態(tài)還有第四個維度：電子自旋。一、核外電子的運動特點宏觀物體微觀粒子質(zhì)量很大很小速度較慢很快（接近光速）位移可測位移、能量不可同時測定能量可測軌跡可描述(畫圖或函數(shù)描述)無法描述其運動軌跡;無法計算電子在某一刻所在的位置,只能指出其在核外空間某處出現(xiàn)的概率。1920年,提出著名的海森堡測不準原理:無法同時測量某個電子在某一時刻的位置和動量。1926年,奧地利物理學家薛定諤提出:可以用一個數(shù)學方程描述核外電子的運動狀態(tài),為近代量子力學奠定了理論基礎(chǔ)。量子力學指出：一定空間運動狀態(tài)的電子并不在玻爾假設(shè)的線性軌道上運動，而是在核外空間各處都可以出現(xiàn)，只是出現(xiàn)的概率不同。在微觀粒子運動中引入了一個嶄新的不連續(xù)性概念，即量子化的概念。

2016年,沖繩科學技術(shù)大學院大學的科學家們用他們的“飛秒照相機”成功地首次拍到了固體材料內(nèi)部電子的運動軌跡。二、量子力學描述核外電子的維度電子層1、能層(1)定義：

在含有多個電子的原子核外,電子分別在能量不同的區(qū)域內(nèi)運動。

把不同的能量區(qū)域簡化為不連續(xù)的殼層,稱作能層。(2)電子排布規(guī)律：A、能量規(guī)律：即按K→L→M→N……的順序排布。B、數(shù)量規(guī)律a.每個能層最多可以容納2n2(n為電子層序數(shù))個電子；b.最外層最多可以容納8個電子(K層為最外層，最多容納2個)；c.次外層最多容納18個電子。(3)列表比較能層(由內(nèi)到外)能量與原子核的距離能層序數(shù)(n)1234567符號最多容納電子數(shù)(2n2)由近到遠由低到高KLMNOPQ2818325O7298(4)化學用語：原子結(jié)構(gòu)示意圖[思考]每個能層內(nèi)的電子的能量相同嗎？在多電子的原子中,同一能層的電子,能量也可能不同,據(jù)此把能層分為能級。2、能級(1)定義：

在多電子的原子中,同一能層的電子,能量也可能不同,

據(jù)此把能層分為不同的能級。(2)列表整理電子亞層能層符號(序數(shù)n)K(1)L(2)M(3)N(4)O(5)最多容納電子數(shù)能級符號最多容納電子數(shù)1s2s2p2623s3p3d26104f4s4p4d1426102818325O5s5p5f5g5d26141810小結(jié)：能級與能層2.每一能層總是從s能級開始,按s、p、d、f、g……排序;1.能層序數(shù)=該能層包含的能級數(shù)量；3.每個能級最多容納電子數(shù)依次為自然數(shù)1、3、5、7、9……的2倍;4.不同能層中符號相同的能級所容納的最多電子數(shù)相同。[實踐應(yīng)用1]第五能層有哪些能級？各能級最多容納電子數(shù)？第五能層最多可以容納多少個電子？5s5p5d5f5g2

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1850個電子[思考]能量相同的電子運動狀態(tài)相同嗎？不相同[過渡]如何描述電子運動狀態(tài)呢？1913年,玻爾提出氫原子模型,電子在線性軌道上繞核運行。1926年,量子力學指出,一定空間運動狀態(tài)的電子并不在玻爾假定的線性軌道上運行,而在核外空間各處都可能出現(xiàn),但出現(xiàn)的概率不同,可以算出它們的概率密度分布。P表示電子在某處出現(xiàn)的概率V表示該處的體積ρ=(1)概率密度3、原子軌道量子力學理論提出：用原子軌道來描述原子中單個電子的空間運動狀態(tài),某一個原子軌道,應(yīng)屬于某個能層(n)的某個能級(s、p、d、f、g等)。①定義：表示電子在某處出現(xiàn)的概率P與該處體積V的比值,即某處單位體積內(nèi)電子出現(xiàn)的概率。②計算公式：③形象描述：概率密度分布圖氫原子1s電子在原子核外出現(xiàn)的概率密度分布圖小點不是電子,是1s電子在原子核外出現(xiàn)的概率密度的形象描述。小點越密，表明概率密度越大（電子出現(xiàn)的幾率越大）。[過渡]由于核外電子的概率密度分布看起來像一片云霧，因而被形象的稱作“電子云”。(2)電子云①定義：是處于一定空間運動狀態(tài)的電子在原子核外空間的概率分布的形象化描述。②電子云輪廓圖：[過渡]電子云圖很形象直觀，但是很難繪制，使用不便，我們常使用電子云輪廓圖。表示電子云輪廓的形狀,對核外電子的空間運動狀態(tài)有一個形象化的簡便描述。[過渡]如何繪制電子云輪廓圖呢？1s電子的電子云輪廓圖繪制過程將電子在原子核外空間出現(xiàn)概率P=90%的空間圈出來電子云與電子云輪廓圖球形輪廓圖只有一種空間伸展方向不同能級s電子的電子云形狀一致，均為球形1s2s3s4s同一原子的s電子的電子云輪廓圖能層越高，s電子的電子云輪廓圖半徑越大。原因:由于電子能量依次增高,電子在離核更遠的區(qū)域出現(xiàn)的概率增大,電子云越來越向更大的空間擴展。2p電子的電子云輪廓圖繪制過程有三種空間伸展方向,分別相對于x、y、z軸對稱Pz、Py、Px的電子云px、py、pz的電子云輪廓圖啞鈴形輪廓圖(3)原子軌道①定義：量子力學把電子在原子核外的一個空間運動狀態(tài)稱為一個原子軌道。

用電子云輪廓圖的形狀和取向來表示原子軌道的形狀和取向,即各能級的一個伸展方向的電子云輪廓圖表示一個原子軌道。②表示：③分類圖示xyzxyzxyzxyz1s2s3s4ss電子的原子軌道呈球形，為一個原子軌道。p電子的原子軌道呈啞鈴形(紡錘形)，為三個互相垂直的原子軌道。同一能層中px、py、pz的能量相同,稱為簡并軌道d電子的原子軌道呈花瓣形，為五個原子軌道。f電子為七個原子軌道能層KLM能級1s2s2p3s3p3d···低高能量(4)能層、能級、原子軌道圖示原子軌道+簡并軌道1s2s3s4s5s2p3p4p5p3d4d5d4f5f5g[實踐應(yīng)用2]依據(jù)所學,填寫關(guān)于現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)模型的相關(guān)內(nèi)容能層序數(shù)1(K)2(L)3(M)4(N)5(O)6(P)7(Q)n能級數(shù)1234567軌道n2能層符號(序數(shù)n)K(1)L(2)M(3)N(4)O(5)最多容納電子數(shù)能級符號最多容納電子數(shù)軌道數(shù)單軌道容納電子數(shù)2818325O1s2s2p3s3p3d4f4s4p4d5s5p5f5g5d262261014261026141810113135713513795222222222222222小結(jié)：能級、能層和原子軌道[過渡]2個電子容納在一個軌道里,也就意味著,它們的空間運動狀態(tài)相同。它們的運動狀態(tài)又有什么差異呢？為什么一個軌道允許容納兩個電子呢？(1)定義：4、電子自旋電子除空間運動狀態(tài)外，還有一種運動狀態(tài)叫做自旋。[注意]①自旋是微觀粒子普遍存在的一種內(nèi)在屬性。如電荷、質(zhì)量(2)兩種取向及表示方法電子在空間有順時針和逆時針兩種取向,簡稱自旋相反,常用上下箭頭(“↑”“↓”)表示自旋相反的電子。(3)泡利原理1925年,泡利正式提出:在一個原子軌道里，最多只能容納2個電子,它們的自旋相反，這個原理被稱為泡利原理（也稱泡利不相容原理）。[注意]②一個原子中不可能存在運動狀態(tài)完全相同的2個電子。小結(jié)：能級、能層、原子軌道、自旋方向與電子的關(guān)系2.電子的空間運動狀態(tài)與原子軌道有關(guān)。1.電子能量與能層、能級有關(guān)。3.能層、能級、原子軌道和自旋狀態(tài)共同決定電子的運動狀態(tài)。量子力學對原子核外電子運動狀態(tài)的描述課堂小結(jié)原子原子核核外電子運動狀態(tài)能層能級電子自旋原子軌道K、L、M、N、O、P、Q1s、2s2p、3s3p3d、4s4p4d4f、5s5p5d5f5gs(一條球形軌道)、p(3條啞鈴形軌道)、d(5條花瓣形軌道)、f(7條)、g(9條)順時針(↑)、逆時針(↓)1、圖1和圖2分別是1s電子的概率密度分布圖和原子軌道圖。下列有關(guān)說法正確的是()A.圖1中的每個小黑點表示1個電子B.圖2表示1s電子只能在球體內(nèi)出現(xiàn)C.圖2表明1s軌道呈球形，有無數(shù)對稱軸D.圖1中的小黑點表示電子在核外所處的位置C課堂達標2、下列說法正確的是()A.不同的原子軌道形狀一定不相同B.p軌道呈啞鈴形，因此p軌道上的電子運動軌跡呈啞鈴形C.2p能級有3個p軌道D.氫原子的電子運動軌跡呈球形C3、下列說法中正確的是()A.1s電子云呈球形，表示電子繞原子核做圓周運動B.ns能級的原子軌道圖可表示為C.3d中的3表示3d能級有3個軌道D.電子云圖中的小黑點密度大，說明該原子核外空間電子數(shù)目多B4、如圖是2pz原子軌道電子云形狀的示意圖,請觀察圖示并判斷下列說法中不正確的是()A.2pz軌道上的電子在空間出現(xiàn)的概率分布是z軸對稱B.s電子的電子云形狀是球形對稱的C.電子先沿z軸正半軸運動,然后再沿負半軸運動D.2pz原子軌道形狀為啞鈴形C5、已知n為能層序數(shù),下列有關(guān)認識正確的是()A.各能層含有的電子數(shù)為2n2B.各能層的能級都是從s能級開始至f能級結(jié)束C.各能層含有的能級數(shù)為n-1D.各能級最多容納電子數(shù)按s、p、d、f的順序依次為1、3、5、7的2倍E.f能級最多容納的電子數(shù)是s能級最多容納電子數(shù)的7倍DE6、圖甲是氫原子的1s電子云圖(即概率密度分布圖)，圖乙、丙分別表示s、p能級的電子云輪廓圖。下列有關(guān)說法正確的是(

)A.電子云圖(即概率密度分布圖)就是原子軌道圖B.3p2表示3p能級中有兩個原子軌道C.由圖乙可知,s能級的電子云輪廓圖呈圓形,有無數(shù)條對稱軸D.由圖丙可知,p能級的原子軌道圖呈啞鈴形,且有3個伸展方向D7、如圖是s能級和p能級的原子軌道圖,下列說法正確的是(

)A.s能級和p能級的原子軌道形狀