物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六

物質(zhì)世界五光十色、千變?nèi)f化歸根結(jié)底由物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)決定第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六研究物質(zhì)世界，就是研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)

及其變化規(guī)律。宏觀物質(zhì)的性質(zhì)、變化規(guī)律緣由于微觀物質(zhì)?；瘜W(xué)研究什么？第3頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六

宏觀物質(zhì)亞微觀結(jié)構(gòu)分子原子基本粒子物理化學(xué)物理化學(xué)主要是研究化合物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六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的，其最小單位就稱這一物理量的量子(quantum)。量子：1.微觀粒子的運動特征（1）量子性如宏觀物體所帶的電荷量從Q增加到Q+dQ，Q>>dQ，但dQ所包含的電子個數(shù)卻是很大的(例如1庫侖的電荷量為6.241018個電子的電量)從宏觀上QQ+dQ可以認(rèn)為是連續(xù)變化的。一、原子結(jié)構(gòu)第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六

在微觀領(lǐng)域里，一個微觀粒子如果是一個離子，所帶電荷只有一個或幾個電子，從而離子所帶電荷的變化，如A-A2-

A3-，就不能認(rèn)為是連續(xù)變化的，而是跳躍式的變化。氫原子核外電子所處的能級是不連續(xù)的，即電子所具有的能量是量子化的。當(dāng)電子從一個能級躍遷到另一個能級上是時，粒子能量的改變是跳躍的。第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六概率密度：單位體積的概率。概率波：電子運動在空間出現(xiàn)的概率可以由波的強(qiáng)度表現(xiàn)出來，因此電子及其微觀粒子波（物質(zhì)波），又稱概率波。（2）微觀粒子運動的統(tǒng)計性第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六光的波粒二象性波動性：干涉，衍射。粒子性：光的性質(zhì)可以用動量來描述。P:動量入：波長h：普朗克常數(shù)6.62610-34J·s2.波函數(shù)第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六微觀粒子的波粒二象性1924年法國物理學(xué)家德布羅意提出電子等微粒也具有波粒二象性，并預(yù)言其波長入和質(zhì)量m存在關(guān)系式：

h：普朗克常數(shù)v：微觀粒子的速度

第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六電子衍射示意圖定向電子射線晶片光柵衍射圖象1927年德布羅意的假設(shè)被電子衍射實驗證實。第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六電子的衍射圖電子的波動性是電子許多行為的統(tǒng)計結(jié)果?！唠娮拥囊淮涡袨椴⒉荒艽_定其出現(xiàn)的具體位置。概率波短時間長時間第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六1926年，奧地利物理學(xué)家薛定諤（Schr?dinger）提出了微觀粒子運動的波動方程，即薛定諤方程：其中，為波動函數(shù)，是空間坐標(biāo)x、y、z的函數(shù)。E為核外電子總能量，V為核外電子的勢能，h為普朗克常數(shù)，m為電子的質(zhì)量。第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六變換為球面坐標(biāo)：

x=rsinθcosφ

y=rsinθsinφ

z=rcosθ

r2=x2+y2+z2

球面坐標(biāo)變換rsinzxy?P(x,y,z)z=rcosθx=rsinθcosφy=rsinθsinφφθr第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六在整個求解過程中，需要引入三個參數(shù)，n、l和m。結(jié)果可以得到一個含有三個參數(shù)和三個變量的函數(shù)

=n,l,m(r,,

)由于上述參數(shù)的取值是非連續(xù)的,故被稱為量子數(shù)。當(dāng)n、l和m的值確定時，波函數(shù)(原子軌道)便可確定。即：每一個由一組量子數(shù)確定的波函數(shù)表示電子的一種運動狀態(tài)。n的取值為非零正整數(shù)，l的取值為0到(n

–1)之間的整數(shù)，而m的取值為0到±l之間的整數(shù)。第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六波函數(shù)是描述核外電子運動狀態(tài)的函數(shù)，也稱為原子軌道。原子軌道與經(jīng)典力學(xué)的軌道是完全不同的兩個概念。之所以這樣叫，只是沿用了“軌道”這個名稱而已。波函數(shù)角度部分Y(θ,φ)在三維坐標(biāo)上的圖像稱為原子軌道的角度分布，圖像中的正、負(fù)號是函數(shù)值的符號。1.氫原子的1s軌道：角度部分為，是一個與角度無關(guān)的常數(shù)，其圖像是一個半徑為的球面。2.氫原子的2pz軌道：角度部分為，只與θ角度有關(guān)，由于θ是r與z軸的夾角，其圖像是一個沿z軸分布的互切雙球面。在z軸正向，函數(shù)值大于0，z軸反向，函數(shù)值小于0。第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六3.

電子云（ElectronCloud）=“原子軌道”∵波函數(shù)ψn,l,m(x,y,z)∴原子軌道｛徑向分布圖角度分布圖｝意義：描述電子在原子核外可能出現(xiàn)的空間區(qū)域圖借用物理學(xué)中光波及其光密度等概念，可得到：ψ2—反映電子在空間某位置上單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率大小，即概率密度。第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六圖形概率密度圖形概率密度的徑向分布圖圖形概率密度的角度分布圖用黑點的疏密表示概率密度的圖形—稱電子云(electronclouds)圖第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六原子軌道(ψ)的角度分布示意圖(平面圖）1s軌道

電子云（ψ2）的角度分布示意圖

1s電子云

區(qū)別？有+、-之分無+、-之分第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六2pz軌道圖形

2pz軌道電子云圖形有+、-之分無+、-之分區(qū)別第19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六3P電子云的徑向分布示意圖電子云—軌道中云層最密的區(qū)域。軌道與電子云的區(qū)別：原子軌道—特定能量的電子在核外空間出現(xiàn)最多區(qū)域；注意：電子云中一個小黑點絕不代表一個電子,不妨將密密麻麻的小黑點看作某個特定電子在空間運動時留下的“足跡”不是一個科學(xué)術(shù)語只是一種形象化比喻｛第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六p軌道的三種角度分布圖s電子云(球形)+-+--+P電子云的角度分布圖第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六d軌道五種角度取向++++-++++++++++----------d電子云角度分布圖d電子云角度分布圖第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六

f電子云的角度分布圖

第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六

原子軌道和和電子云的圖象(稍作了解)圖1.s、p、d原子軌道的角度分布剖面圖圖2.s，p，d電子云角度分布剖面圖

第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六(1)主量子數(shù)n(principalquantumnumber):◆與電子能量有關(guān)；◆確定電子出現(xiàn)幾率最大處離核的距離；◆不同的n

值，對應(yīng)于不同的電子殼層１２３４５…….(正整數(shù)).K

L

M

N

O……..對于H：4.核外電子運動狀態(tài)的描述第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六(2)角量子數(shù)l(angularmomentumquantum):反映波函數(shù)(即原子軌道，簡稱軌道)的形狀l=0，1，2，3……(n-1)(亞層)↓↓↓↓↓對應(yīng)于s，p，d，f（未命名）軌道符號◆取值:

◆與角動量有關(guān)，對于多電子原子,l

也與E有關(guān)，l↗，E↗s軌道球形＋p

軌道啞鈴形＋-d軌道有兩種形狀＋＋--＋＋--◆l

決定了ψ的角度函數(shù)的形狀第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六Theallowedvaluesforangularmomentumquantumnumber,lnl1234(subshellsymbol0000s111p22d3f亞層數(shù)1234ss,ps,p,ds,p,d,f

角量子數(shù)l的容許值第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六◆與角動量的取向有關(guān)，取向是量子化的◆m可取值：

0，±1,±2……±l◆m值決定了ψ角度函數(shù)的空間取向◆同一n值下l值相同而m值不同的軌道互為等價(簡并)軌道（3）磁量子數(shù)m(magneticquantumnumber)Theallowedvaluesformagneticquantumnumber,mlm軌道數(shù)0(s)1(p)2(d)3(f)0

＋10－1

＋2＋10－1－2

＋3＋2＋10－1－2－31357spdf第28頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六

p軌道(l

=1,m=+1,0,-1)m三種取值,三種取向,三條等價(簡并)

p

軌道.s軌道(l=0,m=0)

:m一種取值,空間一種取向,一條s

軌道.+-+--++第29頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六d軌道(l=2,m=+2,+1,0,-1,-2)

:m五種取值,空間五種取向,五條等價(簡并)d軌道.++++-++++++++++----------第30頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六

f軌道

(l=3,m=

+3,+2,+1,0,-1,-2,-3)

:m七種取值,空間七種取向,七條等價(簡并)

f

軌道.第31頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六表8-1原子軌道與量子數(shù)之間的關(guān)系第32頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六（4）自旋量子數(shù)

ms(spinquantumnumber)◆描述電子繞自軸旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)◆自旋運動使電子具有類似于微磁體的行為◆

ms

取值+1/2和-1/2，分別用↑和↓表示想象中的電子自旋:★兩種