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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 氢原子结构,第一节,、氢原子光谱Bohr理论,第二节,、电子的波粒二象性,第三节、多电子原子轨道能级,1,一、,氢原子光谱与Bohr理论,1、氢原子光谱,与日光经过棱镜后得到的七色连续光谱不同,原子受高温火焰、电弧等激发时,，,发射出来的是不连续的线状光谱,。,每种元素的原子都有其特征波长的光谱线,，,它们是现代光谱分析的基础,。,氢原子的发射光谱,是,所有原子发射光谱中最简单的,，发出紫外和可见光。,2,不连续的、线状的， 是很有规律的。,(1) 、氢原子光谱特征：,氢原子光谱由五组线系组成, 即紫外区的莱曼(,Lyman,)系, 可见区的巴尔麦(,Balmer,)系, 红外区的帕邢(,Paschen,)系、布莱克特(,Brackett,)系和芬得(,Pfund,)系. 任何一条谱线的波数(,wave number,)都满足简单的经验关系式:,式中v为波数的符号, 它定义为波长的倒数, 单位常用cm,-1,;,R,为里德伯常量, 实验确定为1.096 7710,7,m,-1,;,n,2,大于,n,1, 二者都是不大的正整数.,3,在某一瞬间，一个氢原子只能释放出一条谱线，许多氢原子才能释放出许多谱线，我们在实验中所以能够同时观察到全部谱线，是无数个氢原子受到激发到了高能级，而后又回到低能级的结果。,说明：,4,氢原子核内只有一个质子，核外只有一个电子，它是最简单的原子。在氢原子内，这个电子核外是怎样运动的？这个问题表面看来似乎不太复杂，但却长期使许多科学家既神往又困扰，经历了一个生动而又曲折的探索过程。,1、爱因斯坦的光子学说,2、普朗克的量子化学说,3、氢原子的光谱实验,4、卢瑟福的有核模型,1913年，28岁的Bohr在,终于,Bohr,理论,建立了！.,2、玻尔理论,5,1,、,Bohr,理论的主要内容,年轻的丹麦物理学家玻尔(,Bohr N，1885-1962,)于1913年提出的氢原子结构的量子力学模型是基于下述3条假定：,1、关于固定轨道的概念。玻尔模型认为，电子只能在若干圆形的固定轨道上绕核运动。因此，玻尔的氢原子模型可以形象地称为行星模型。电子在轨道上运动的角动量符合以下公式：,n,叫做量子数(,quantum number,), 取1,2,3,等正整数。轨道角动量的量子化意味着轨道半径受量子化条件的制约。,6,2、关于轨道能量量子化的概念。电子轨道角动量的量子化也意味着能量量子化。即原子只能处于上述条件所限定的几个能态, 不可能存在其他能态。,指除基态以外的其余定态。各激发态的能量随,n,值增大而增高。电子只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态。,（1）定态(,stationary state,)：,在一定轨道中运动的电子具有一定的能量，称为定态。处于定态的电,子只能在有确定半径和能量的定态轨道上运动, 不辐射能量也不吸收能量。,（2）基态(,ground state,):,n,值为,1 的定态。,通常电子保持在能量最低的这一基态。基态是能量最低即最稳定的状态.,（3）激发态(,excited states,):,7,玻尔模型认为, 只有当电子从较高能态(,E,2,)向较低能态(,E,1,)跃迁时, 原子才能以光子的形式放出能量(即, 定态轨道上运动的电子不放出能量), 光子能量的大小决定于跃迁所涉及的两条轨道间的能量差。根据普朗克关系式, 该能量差与跃迁过程产生的光子的频率互成正比：,关于能量的吸收和发射：,E = E,2,E,1,=,h,如果电子由能量为,E,1,的轨道跃至能量为,E,2,的轨道, 显然应从外部吸收同样的能量.,E,:,轨道的能量,：光的频率,h:,Planck,常数,6.626x10,-34,J.S,8,计算氢原子的电离能,波尔理论的成功之处,解释了 H 及 He,+,、Li,2+,、B,3+,的原子光谱,Wave type H,H,H,H,Calculated value/nm 656.2 486.1 434.0 410.1,Experimental value/nm 656.3 486.1 434.1 410.2,说明了原子的稳定性,对其他发光现象（如光的形成）也能解释,不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂,波尔理论的不足之处,不能解释氢原子光谱的精细结构,不能解释多电子原子的光谱,9,3、 德布罗意关系式-微粒的波动性,（1）微粒波动性的直接证据,光的衍射和绕射,在光的波粒二象性的启发下，德布罗意提出一种假想.他于1924 年说：,（2）,德布罗意关系式,一个伟大思想的诞生,1924年，Louis de Broglie,认为：质量为,m,运动速度为,v,的粒子,相应的波长为：,h,为,Planck,常量,这就是著名的德布罗意关系式.,“过去，对光过分强调波性而忽视它的粒性；现在对电子是否存在另一种倾向，即过分强调它的粒性而忽视它的波性.”,灯光源,10,1927年，,Davissson,和,Germer,应用 Ni,晶体进行电子衍射实验，证实电子具有波动性.,(a),(b),电子通过A1箔(a)和石墨(b)的衍射图,二、,电子的波粒二象性,K,V,D,M,P,实验原理,Schematic drawings of diffraction patterns by light, X- rays, and electrons,灯光源,X射线管,电子源,11,玻尔以波的微粒性（即能量量子化概念）为基础建立了他的氢原子模型.,波粒二象性对化学的重要性在于：,H,+,H H,-,D He,薛定鳄等则以微粒波动性为基础建立起原子的波动力学模型.,12,微观粒子电子：,宏观物体子弹：,让我们选一个微观粒子和一个很小的宏观物体进行一项计算：,显然，包括宏观物体如运动着的垒球和枪弹等都可按德布罗意公式计算它们的波长。由于宏观物体的波长极短以致无法测量，所以宏观物体的波长就难以察觉，主要表现为粒性，服从经典力学的运动规律。只有象电子、原子等质量极小的微粒才具有与,x,射线数量级相近的波长才符合德布罗意公式，然而，如此短的波长在一般条件下仍不易显现出来。,m =,1.0,10,-2,kg, = 1.0 10,3,m,s,-1, =,6.6, 10,-35,m,Question,波粒二象性是否只有微观物体才具有？,13,三、 写出与轨道量子数,n = 4, l = 2,m = 0,的原子轨道名称,原子轨道是由,n，l，m,三个量子数决定的,。,与,l =,2,对应的轨道是,d,轨道,。,因为,n =,4,，,该轨道的名称应该是,4,d,。,磁量子数,m =,0,在轨道名称中得不到反映,但根据我们迄今学过的知识,m =,0,表示该,4,d,轨道是不同伸展方向的 5 条 4,d,轨道之一。,Representations of the five d orbitals,14,（1）,角量子数,l,(,angular momentum quantum number,),The allowed values for angular momentum quantum number,l,n,l,1,2,3,4,(subshell symbol,0,0,0,0,s,1,1,1,p,2,2,d,3,f,),s,轨道,球形,p,轨道,哑铃形,（双纺锤形）,d,轨,道,有,两,种,形,状,：,多,纺,锤,形,同一电子层（n）中因副量子数（l）不同又分成若干电子亚层（简称亚层，有时也称能级）。l确定同一电子层中不同原子轨道的形状。在多电子原子中，与,n,一起决定轨道的能量。,15,p,轨道(,l,= 1,m,= +1, 0, -1),m,三种取值, 三种取向, 三条等价(简并),p,轨道.,s,轨道(,l,= 0,m,= 0 ),:,m,一,种取值, 空间一种取向, 一条,s,轨道.,16,如果当,n,l,m,一定, 那么轨道也确定,l,0 1 2 3,Orbital,s,p,d,f,例如,:,n,=2,l,=0,m,=0, 2,s,n,=3,l,=1,m,=0, 3,p,n,=3,l,=2,m,=0, 3,d,核外电子运动,轨道运动,自旋运动,与一套量子数相对应（自然也有1个能量,E,i,),n,l,m,m,s,17,波函数角度分布图,18,波函数,角度分布图 (以氢原子 2,p,x,轨道为例), 通过坐标原点画出若干条射线, 每条对应一组,和,值;, 将该组,和,值代入波函数式(见上)中进行计算, 以计算结果标在该,射线上某一点;, 用同样方法标出其它射线上的点,然后将所有的点相联,得沿 x 轴伸展,的哑铃形面.,19,Question,什么是轨道的,“节点” 和 “节面” ？,这是波函数图形描述中的术语.,例如,2s,轨道的两种表示法,中，,(a),中原子核附近,(,r,= 0),电子概率最高,在离核某个距离处下降到零,概率为零的这个点叫节点,.,通过节点后概率又开始增大,在离核更远的某个距离升至第二个最大值,然后又逐渐减小,. (b),中的高密度小点出现在两个区域,.,一个区域离核较近,另一个区域离核较远,其间存在一个概率为零的球壳,.,Electron probability for a 2s orbital,对,p,轨道而言,电子概率为零的区域是个平面,我们将其称之为节面,.,p,x,轨道的节面是,yz,平面,p,y,轨道和,p,z,轨道的节面分别是,xz,平面和,xy,平面,.,Representatios of the three 2p orbitals,20,