无机化学简明教程第4章 原子结构

◆ 物质在性质上的差别是由于物质内部结

构不同引起的；◆ 原子是由原子核和电子组成的；

◆ 一般的化学反应，原子核并不发生变化，只是核外电子的运动状态发生变化。

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第4章 原子结构4.1 氢原子的结构

4.2 多电子原子的结构4.3 元素周期律

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4.1 氢原子的结构一、氢原子光谱与Bohr理论1、光和电磁辐射

红

橙

黄

绿

青

蓝

紫

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太阳光、白炽灯光和固体加热时发出的光，其频 率十分齐全，在谱图上所得谱线十分密集，连成一片 ，称连续光谱--表示能量连续变化。

并非所有的光源都给出连续光谱，当气体原子被 火花、电流等激发产生的光，经过分光后，得到的是 分立的、有明显分界的谱线，叫做不连续光谱或线状 光谱。 德国化学家Bunsen首次注意到每种元素都有自己 的特征线状光谱。

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2、氢原子光谱

Hδ Hγ Hβ 410.2 434.0 486.1

Hα 656.3

/nm5

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氢原子光谱特征:◆ 不连续光谱，即线状光谱◆ 各谱线的频率具有一定的规律 1885年，瑞士物理学家巴尔末Balmer指出可见 区各谱线频率符合以下经验公式：

1 1 1 v 3.289 10 ( 2 2 ) s 2 n15

当n = 3、4、5、6时分别等于上述四条谱线的频率。

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J· 汤姆逊枣糕模型：正电荷像 J·糕点，负电荷像枣分布其上。原子 内的正电荷是均匀地分布在原子中 的，而并非呈粒子状态。 卢瑟福有核模型：是二十世纪 最伟大的实验物理学家之一，在 放射性和原子结构等方面，都做 出了重大的贡献。被称为近代原 子核物理学之父。

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普朗克量子理论：1900年，普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念，为了从理论上得出正确的辐射公

式，必须假定物质辐射的能量不是连续地，而是一份一份地进行的，只能取某个最小数值的整数倍1E0、2E0、3E0 …。这个最小数值就叫能量子。 普朗克因此获得了1918 诺贝尔物理学奖。

辐射频率是 v 的能量由普朗克方程得到：

E0 = hv式中的h叫普朗克常数,其值为6.626×10-34 J· s

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爱因斯坦光子学说：普朗克在热辐射理论中所提出的能量子理论，启发了爱因斯坦。1905年,爱因斯坦 认为能量不仅以 E0 = hv 形式发射，也以同样的方式 一份份被吸收，光是由具有粒子性的光子所组成。 爱因斯坦的光量子理论，圆满地解释了光电子效 应，使量子概念进一步深入人心，并最终使光的微粒 性为人们所接受。

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3、Bohr理论1913年，丹麦物理学家玻尔(Bohr) 解释了氢原子 光谱规律。

玻尔理论的要点如下

:1)、关于固定轨道的概念：核外电子不能在任意轨道运动，只能在具有确定 半径和能量的轨道上运动，电子在这些轨道上运动时 并不辐射能量。

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轨道半径的计算公式为： rn =a0·2 n n=1,2,3... ,正整数 其中 a0= 53 pm = 53×10 -12 m,称为玻尔半径。

2)、关于轨道能量量子化的概念：原子只能在上述所限定的几个能态。 定态：所有允许的能态统称。电子只能在有确定半径和能量的定态轨道上运动，且不辐射能量。 基态：能量最低的轨道称为基态原子轨道。在正常 情况下，电子总是处于基态轨道。 激发态：除基态以外的其余定态。电子从外部吸收 足够能量跃迁到激发态。

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3)、关于能量的吸收和放射：处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到离核较近 的轨道上，同时释放出光能。辐射能的大小，取决于 跃迁前后两个轨道的能量差，因此电子的辐射能是不 连续的。 跃迁规则： 电子从一个能量状态跳到另一个能量状态的过 程—跃迁，跃迁过程中放出(或吸收)的能量都是以 光子形式进行的。 E辐射=ΔE=E高-E低=E2-E1=h v

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波尔提出原子中的电子并在任意经典力学的轨道上运 转，稳定轨道的能量必须是En= -13.6ev/n2 , n称之为量 子数。玻尔又提出原子发光过程不是经典辐射，是电子 在不同的稳定轨道态之间的不连续的跃迁过程，光的频 率由轨道态之间的能量差ΔE=h v 确定。

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4、Bohr理论优缺点：优点：1)、解释氢原子及类氢原子(He+、Li2+等)的原子光谱； 2)、说明了原子的稳定性； 3)、对其他发光现象(如X射线的形成)也能解释。

缺点：1)、不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂和氢原子光谱的精细结构； 2)、不能说明多电子原子的光谱； 3)、无法解释化学键的本质。

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二、电子的波粒二象性1924年，法国物理学家L. de Broglie认为：既然光 具有波粒二象性，则电子等微观粒子也可有波动性。 指出：具有质量为 m,运动速度为v 的粒子，相应 的波长为：

h h p mv

p=mv 为动量

此式表示：粒子的动量越大，相应波的波长就越短。

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计算发现：◆只有当实物粒子的德布罗意波 长大于或等于其直径时，才既能显 示波动性，又能显示粒子性，即具 有波粒二象性； ◆对于波长小于直径的那些粒子， 粒子性掩盖了波动性，即只显示粒 子性。

从而说明，波粒二象性是微观 粒子的特性。

de Broglie

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海森堡测不准原理：在经典力学中，物体的位臵和速度可同时准 确测定，但原子核外的电子，由于质量太小，速 度太快，量子力学认为：其位

臵和速度不能同时 准确测定。海森堡提出了测不准原理的如下数学 形式。 (注意：不是因为仪器精度不够，而是微 观粒子的基本运动规律)。

h X P P m v 2 P 动量不准确量 X 位臵不准确量

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例1:m=10g的子弹打到靶上，位臵不准确量ΔX< 0.01cm, 求Δv=? h 6.626 10 27 g cm 2 s 1 解： v 2 m X 2 3.14 10 g 0.01cm 1.054 10 26 cm / s说明：速度不准确量Δv<10-26 cm/s,对宏观物体已微不足道了。

例2:m=9.11×10-28 g的电子的位臵不准确量ΔX<10-8 cm, 求Δv=? h 6.626 10 27 g cm 2 s 1 解： v 2 m X 2 3.14 9.11 10 28 g 10 8 cm 1.157 109 cm / s说明：速度不准确量Δv>109 cm/s,已经太大了。

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三、SchrÖdinger方程与量子数1、SchrÖdinger方程由于微观粒子具有波粒二象性，受 不确定关系的限制，微观粒子的运动不 能用经典力学，而应该用量子力学的方 法进行处理。 量子力学是在研究微观粒子的波粒 二象性的同时提出来的，其基本方程是 薛定谔方程，它是奥地利物理学家 SchrÖdinger根据de Broglie关于物质波 的观点，于1926年提出来的。

SchrÖdinger

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薛定谔方程是一个偏微分方程，其形式如下：

式中： (x,y,z)为波函数，表示核外电子运动状态 的函数式。——是电子具有波动性的表现 m为电子的质量， E为电子的总能量，等于动 能与势能之和，V为电子的势能。 ——是电子具有粒子性的表现可见，薛定谔方程把体现微观粒子的粒子性 (m, E,V,坐标等)与波动性( )有机地融合在一起， 从而能更真实地反映出微观粒子的运动状态。

2 8 2 m ( E V ) (x,y,z) 2 + 2 =— 2 2 h x z y22

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