注册电气公共基础 第49讲 基础化学(九)(2010新版)

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1、第六节原子结构和周期律前面五节是从宏观方面介绍化学反应基本规律。本节要用现代原子结构理论的基本概念，介绍原子核外电子分布规律及元素性质递变的周期性规律。一、氢原子光谱玻尔理论当电流通过充有H2的放电管时，便会发光。光束经过分光棱镜后，就得到线状的不连续的氢原子光谱图，如图3一6一1.为了解释氢原子光谱，丹麦物理学红―可见区―紫家玻尔（Bohr）提出了下述假设，建立了玻尔原子模型，这就是后人称作的玻尔理论：1．原子中核外电子只能在一些特定的不连续的轨道（半径不同的同心圆）图3一6一1氢原子可见光谱上绕核运动。电子在这些轨道上运动时氢放电管

2、发光的光谱，由许多辉线构成，辉线间的空隙处于稳定状态，不辐射能量。为氢原子不能发光的频率范围2．在不同轨道上运动的电子具有不同的能量。电子从一个轨道转入另一轨道，不是连续的渐变过程，而是一种跳跃式突变，称为跃迁。只有当电子在不同轨道间跃迁时，才吸收或辐射能量。吸收或辐射的能量，就等于二个轨道的能级差△E=E2一El。若吸收或辐射的能量以光的吸收或辐射形式进行，则被吸收或辐射光的频率，就是一些不连续的特定值，可由相应的△E求出：Hv=△E=E2一El（3一6一1）此式称为玻尔频率定则，h为普朗克常数。玻尔理论成功地解释了氢原子的线状光谱，

3、并预测在紫外区和红外区还有一系列谱线，后来都得到了证实。但是玻尔理论无法解释光谱中的精细结构，也不能很好解释多电子原子的光谱。这是因为玻尔理论只是在经典物理的框架下，加人了一些人为的假设，对其作了一些修补而已。其实，建立在宏观物体运动力学基础上的经典物理学规律，根本不符合微观粒子的运动规律。只有量子力学才能对原子结构作出科学的说明。二、量子力学对原子结构的说明（一）量子力学对微观粒子运动规律的描述6页（1）波粒二象性1924年，法国物理学家德布罗意（deBroglie）提出了物质波概念，认为电子、质子、原子等微观粒子的运动应该和光子一样

4、同时具有波动性和粒子性的特征，即具有波粒二象性。并提出了著名的物质波公式（3一6一2）此式亦称德布罗意关系式，式中λ为物质波的波长，也称德布罗意波长，德布罗意关系式把表征波动性特征的物理量λ与表征粒子性运动特征的动量（P=mv）有机地联系在一起了。后来由电子衍射实验成功地向人们揭示了电子运动的波动性特征，证实了德布罗意的预言。（2）统计性沿着确定的轨道，按确定的速度运动着的宏观物体，可以用经典物理原理准确地确定其在任何指定时刻的位置和速度。而对微观粒子则不同，不可能同时测出其准确的位置与速率。它们的运动特点遵循海森堡测不准关系式：（3一

5、6一3）式中Δx为微观粒子的位置测量误差，ΔP为微观粒子的动量测量误差，也等于mΔv。海森堡关系式表明，微观粒子的运动速度和位置不能同时测准。因此对微观粒子的运动而言，确定的轨迹已无意义。所以对微观粒子运动的描述常用统计的方法，给出一种统计的规禽＿微观粒子运动的物质波可以着作是，种几率波。在空间某点，电子物质波的强度与该点附近一个微体积元中电子出现的几率密度是成正比的。（3）量子化微观粒子运动的第三个特点是量子化的，即是不连续的。与电子运动有关的各项物理量的变化都是不连续的，例如电子运动的稳定状态，它们的能级以及角动量等等都是量子化的。

6、（二）波函数和原子轨道波函数是量子力学描述微观粒子（电子）波动性质的一种数学形式，用符号ψ表示。描述氢原子核外电子运动状态的方程叫薛定愕方程。它是一个二阶偏微分方程，方程的每个解都是一个函数，即一个波函数ψ，亦称一个原子轨道。求解薛定愕方程时，必须引入一系列的边界条件。这些边界条件是不连续的数，称为量子数。它们限定了电子运动状态和对应的能量和动量。（三）四个量子数（1）主量子数n6页n又称为能量量子数，是决定电子能量大小的主要量子数。n取值为1,2,3,…等正整数。n越大，表示电子运动的能量越高，电子出现几率最大的区域离核越远。n不同的

7、原子轨道称为不同一的电子层。用符号K、L、M、N……等分别表示n=1、2、3、4……等电子层。（2）副量子数ll又称为角量子数，是决定电子运动角动量的量子数。l的取值受n所限，l=0、1、2……（n一1），它和波函数的角度分布（空间形状）有关，是决定电子运动能量的次要量子数。（3）磁量子数mm是决定电子运动的角动量在外磁场方向上分量的大小的量子数。m取值受l的限制，即对应每一个l，m可取m=0，士1，士2.．·…士l，它和波函数ψ在空间的取向有关。n,l相同而优不同的彼函数对应的电子运动状态、只是空间的取向不同，当原子单独存在时，这些m

8、不同的轨道具有相同的能级称为简并轨道。如n＝2,l＝1时，m可能等于0，＋1，－1，即，三个等价轨道。而当该原子处于外电场中，或与其他原子相互作用时，这些轨道因空间取向不同而产生了能级分裂。（4）自旋量子数