大学化学——物质结构基础

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1、第五章物质结构基础物质(原子)结构与周期性微观粒子的波粒二象性波函数与原子轨道量子数电子云量子力学的诞生量子力学经典力学17世纪末和20世纪初。以牛顿《自然哲学之数学原理》的出版为标志，宣告了现代经典物理学的正式创立最彻底地推翻和重建了整个物理学体系量子论的奠基人之一玻尔(NielsBohr)说：“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。”1900年12月14日普朗克在柏林宣读了他关于黑体辐射的论文，宣告了量子quantum的诞生。那一年他42岁。1927年第五届索尔维会议参加者合照1.微观粒子的波粒二象性1913年，丹麦物理学家N•Bohr提出氢原子结构

2、模型:4（1）氢光谱E2-E1=E=hh—普朗克常数（6.626×10-34J·S）E=2.18×10-18/n2n—主量子数普朗克•123基态激发态定态能量最低最稳定能量较高不太稳定1924年，法国物理学家德布罗依受光的波粒二象性的启发，提出微观粒子(电子)也具有波粒二象性。（2）微观粒子的波粒二象性德布罗依关系式：=h／mv(波长与速度的关系)电子发射器晶体镍照相底片粒子性:波动性:实物粒子1927年,电子衍射实验戴维逊和汤姆逊波粒二象性是微观粒子运动的基本属性2.波函数与原子轨道说明：本节不讨论薛定谔方程的求解过程，只是对解薛定谔方程中引入的三个量子数（n,

3、l,m）的意义作必要的探讨。1926年，奥地利物理学家薛定谔提出了氢原子体系的电子运动方程：Ψ物理意义：描述原子中电子运动状态的数学函数式，又称为原子轨道。通常用ψ(x,y,z)表示。（原子轨道）—波函数E为电子总能量,V为电子势能3.量子数主量子数角量子数磁量子数n=1，2，3，.....l=0，1，2，n-1m=0，±1，±2，±lψ(n，l，m)表示一个原子轨道22（4）32（9）42（16）总数n21K2L3M4N5O6P7QnmlΨ00010120123sspspdspdf00,±100,±10,±100,±1,±20,±1,±2,±30,±1,±2ψ(1

4、.0.0)ψ(2.0.0)轨道数名称1s2s3s4s2p3p4p3d4d4f131113557312l+1氢原子轨道与三个量子数的关系(n,l,m,ms)可全面描述核外电子的运动状态主量子数(n)：代表电子离核的平均距离。电子层角量子数(l)：反映原子轨道的形状。电子亚层0s1p2d3f磁量子数(m)：反映原子轨道的空间取向。自旋量子数(ms)：表征电子的自旋状态，取值：量子数的物理意义通常用：“”或“”表示。4电子云反映电子在空间某位置上单位体积内出现的概率大小。用波函数的平方(ψ2)来描述。电子云电子云是电子在空间概率密度分布的形象化图示。概率密度ψ(x,y,z)ψ

5、(r,,φ)zoxyφPP`x=rsincosφy=rsinsinφz=rcosψ(r,,φ)=R(r)·Y(,φ)径向部分角度部分波函数和电子云的图像可分解为两部分:径向分布图和角度分布图将Y(,φ)或Y2(,φ)随、φ的变化关系作图即得波函数或电子云的角度分布图。波函数和电子云的角度分布图电子云无原子轨道有略“瘦”略“胖”电子云与原子轨道的角度分布图区别:正负形状（1）原子轨道或电子云的角度分布图不表示原子轨道或电子云的图像。（2）l,m相同n不同，表示R(r)不同,但Y(,φ)相同。注意注意：s电子云除外4.2多电子原子结构和元素周期表原子轨

6、道的能级核外电子分布核外电子分布的周期系核外电子分布氢原子的轨道能级由主量子数n原子轨道的能级由低到高的顺序：1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d多电子原子轨道的能级由主量子数n决定。共同决定。和角量子数l1.原子轨道的能级1s2s3s4s5s6s2p3p4p5p6(6s，4f，5d，6p)5(5s，4d，5p)4(4s，3d，4p)3(3s，3p)2(2s，2p)1(1s)6p3d4d5d4f鲍林近似能级图能级组规律（1）n相同：E(s)

7、d)注意（1）同一能级组n不一定相同。（2）能级交错现象并不发生在所有元素中。2.核外电子分布a.泡利不相容原理b.能量最低原理c.洪特规则符合“两原理一规则”:（1）原则a.泡利不相容原理每一电子层最多所容纳的电子数。内容①同一个原子中没有四个量子数完全相同的两个电子存在。②同一个原子轨道中最多只能容纳两个电子，且自旋方向相反。结论：轨道总数：n2=4填充电子数：2n2=8例如：n=2每一电子层最多所容纳的电子数为2n2解决问题:电子在不同电子层上的填充顺序依能量顺序由低到高填充。b.能量最低原理电子在不同电子层上的填充顺序。内容:结论