第四章原子结构和元素周期系·前几章主要从宏观方面阐述物质变化的基本规律本章主要探讨物质的微观结构，了解物质变化的根本原因近代研究结果表明，原子由原子核和绕核高速运动的电子组成，而原子核又由质子、中子等组成·物质的一些物理性质特别是化学性质主要决定于电子在原子核外的运动状态·本章首先讨论电子在原子核外的运动特征及其描述方法，然后再根据原子结构的知识讨论元素周期系2026年1月14日3时54分
2026年1月14日3 时54分 第四章 原子结构和元素周期系 • 前几章主要从宏观方面阐述物质变化的基本规律 • 本章主要探讨物质的微观结构，了解物质变化的 根本原因 • 近代研究结果表明，原子由原子核和绕核高速运 动的电子组成，而原子核又由质子、中子等组成 • 物质的一些物理性质特别是化学性质主要决定于 电子在原子核外的运动状态 • 本章首先讨论电子在原子核外的运动特征及其描 述方法，然后再根据原子结构的知识讨论元素周 期系
第一节核外电子的运动状态一、电子运动的特征1、吸收和放出能量是量子化的原子光谱是一条条分立的线条，表明电子具有的能量是一份一份的、不连续的，称之为能量量子化红绿蓝紫紫βyoea700400600500波长/nm氢原子光谱示意图2026年1月14日3时54分
2026年1月14日3 时54分 第一节 核外电子的运动状态 一、电子运动的特征 1、吸收和放出能量是量子化的 原子光谱是一条条分立的线条，表明电子具有的能 量是一份一份的、不连续的，称之为能量量子化。 红 绿 蓝 紫紫 700 600 500 400 波长/nm α β γ δε 氢原子光谱示意图
部分元素的真实原子光谱氢锂钠钡汞氙400500600700nm2026年1月14日3时54分
2026年1月14日3 时54分 400 500 600 700nm 氢 氦 锂 钠 钡 汞 氖 部分元素的真实原子光谱
2、电子具有波粒二象性光既具有波动性（干涉、衍射）又具有粒子性（光电效应），这称为光的波粒二象性。1924年，德布罗依受光的波粒二象性的启发，假设微观粒子也具有波粒二象性，并导出了著名的德布罗依关系式：几= h /(mV)式中：入一微粒波的波长：h一普朗克常数：m一微粒质量；v一微观粒子运动的速度只要波长大于粒子尺寸，即表现出波动性。2026年1月14日3时54分
2026年1月14日3 时54分 式中：λ—微粒波的波长；h—普朗克常数； m—微粒质量；v—微观粒子运动的速度 2、电子具有波粒二象性 光既具有波动性（干涉、衍射）又具有粒子性 （光电效应），这称为光的波粒二象性。 1924年，德布罗依受光的波粒二象性的启发， 假设微观粒子也具有波粒二象性，并导出了著名的 德布罗依关系式： 只要波长大于粒子尺寸，即表现出波动性。 = h /(mV)
1927年美国的戴维逊和英国的汤姆逊实验证实申子确能衍射。屏幕电子枪光栅电子衍射示意图电子衍射证实了德布罗意假设的正确性。即电子的运动也具有波动性，或者说电子也具有波粒二象性。2026年1月14日3时54分
2026年1月14日3 时54分 1927年美国的戴维逊和英国的汤姆逊实验证实电 子确能衍射。 电子枪 光栅 屏幕 电子衍射示意图 电子衍射证实了德布罗意假设的正确性。即电子 的运动也具有波动性，或者说电子也具有波粒二象 性
3。电子出现的统计性电子绕核旋转时速度极高，而运动空间又非常狭小，因而不能同时准确测出某一瞬间某个电子的位置和速度，这就是著名的海森堡测不准原理但是，通过上图所示的实验可以发现，对于一个电子的衍射，确实不能确定它将落在何处，但对于电子流，却可以确定他们在屏幕上某区域出现的几率大小。因此，可用（只能用）电子在核外某区域出现几率的大小来描述电子运动的特征。或者说电子运动具有几率分布的性质或符合统计性规律2026年1月14日3时54分
2026年1月14日3 时54分 电子绕核旋转时速度极高，而运动空间又非常狭 小，因而不能同时准确测出某一瞬间某个电子的位 置和速度，这就是著名的海森堡测不准原理。 但是，通过上图所示的实验可以发现，对于一个 电子的衍射，确实不能确定它将落在何处，但对于 电子流，却可以确定他们在屏幕上某区域出现的几 率大小。 因此，可用（只能用）电子在核外某区域出现几 率的大小来描述电子运动的特征。或者说电子运动 具有几率分布的性质或符合统计性规律。 3．电子出现的统计性
二、电子运动状态的描述，为了描述核外电子的运动状态，先后有多位科学家提出了不同的原子模型，如一一电子绕核1911年卢瑟福提出了含核原子模型旋转与行星绕太阳运动一样，但带电粒子辐射能量后速度衰减，最后毁灭；1913年波尔提出了波尔原子模型（假设电子运动符合牛顿方程但不辐射能量），给出了定态轨道轨道能级和能量量子化等概念，成功地解释了氢原子光谱。但玻尔理论不能解释多电子原子的光谱。2026年1月14日3时54分
2026年1月14日3 时54分 二、电子运动状态的描述 • 为了描述核外电子的运动状态，先后有多位科学 家提出了不同的原子模型，如 • 1911年卢瑟福提出了含核原子模型——电子绕核 旋转与行星绕太阳运动一样，但带电粒子辐射能 量后速度衰减，最后毁灭； • 1913年波尔提出了波尔原子模型（假设电子运动 符合牛顿方程但不辐射能量），给出了定态轨道、 轨道能级和能量量子化等概念，成功地解释了氢 原子光谱。但玻尔理论不能解释多电子原子的光 谱
1926年，奥地利物理学家薛定根据电子具有波粒二象性这一特征，提出了描述微观粒子运动的基本方程一一薛定谔方程，奠定了现代量子力学的基础。·薛定谔方程是一种二阶偏微分方程，其形式为：a'yay8元may(E-V)= 0h?Oz2Ox?Oy2式中：x、V、z为空间坐标；为电子波的波函数;E为电子的总能量：V为电子的势能：m为电子的质量；h为普朗克常数。2026年1月14日3时54分
2026年1月14日3 时54分 • 薛定谔方程是一种二阶偏微分方程，其形式为： • 式中：x、y、z为空间坐标；ψ为电子波的波函数； E为电子的总能量；V为电子的势能；m为电子的 质量；h为普朗克常数。 ( ) 0 8 2 2 2 2 2 2 2 2 + − = + + E V h m x y z 1926年，奥地利物理学家薛定谔根据电子具有波 粒二象性这一特征，提出了描述微观粒子运动的基 本方程——薛定谔方程，奠定了现代量子力学的基 础
式中的是薛定方程的解，是描述电子运动的数学函数式。只要能找出电子势能的表达式，该方程就可以精确求解，但目前为止只有氢原子的薛定方程可以精确求解，多电子原子的薛定方程只能近似地求解。解此方程需要很多的数学知识，情况非常复杂，在这里只简要介绍解此方程的思路和解的结果2026年1月14日3时54分
2026年1月14日3 时54分 式中的ψ是薛定谔方程的解，是描述电子运动的 数学函数式。只要能找出电子势能的表达式，该方 程就可以精确求解，但目前为止只有氢原子的薛定 谔方程可以精确求解，多电子原子的薛定谔方程只 能近似地求解。 解此方程需要很多的数学知识，情况非常复杂， 在这里只简要介绍解此方程的思路和解的结果
1、波函数的求解和三个量子数为求解方便，需将直角坐标变换为球坐标，参见下图。Z空间某点P的直角坐标与球坐标的对应关系为：x=rsinOcong;Ay=rsinOsing ;z=rcoso0于是，直角坐标描述的波函数y(x,y,z)转化为球坐标描球坐标示意图述的波函数y(r,,p)2026年1月14日3时54分
2026年1月14日3 时54分 1、波函数的求解和三个量子数 为求解方便，需将直角坐标变换为球坐标，参见 下图。 空间某点P的直角坐标与球 坐标的对应关系为： x=rsinθconφ； y=rsinθsinφ； z=rcosθ 于是，直角坐标描述的波 函数ψ(x,y,z)转化为球坐标描 述的波函数ψ(r,θ,φ)。 z P r θ y φ x 球坐标示意图