现代量子力学原子结构模型23页PPT

3S
3Pz
3Px(3Py) 3Py(3Px)
Ψ3.2.2 、Ψ3.2.1 、Ψ3.2.0 、Ψ3.2.-1 、 Ψ3.2.-2
3dxy
3dx
2 –
2 y
3dyz 3dxz
3dz2
3dyz 3dxz
3dx
2 –
2 y
3dxy
30
②根据一组量子数n、l 、m或Ψn.l.m描述轨道 的运动状态。
例3：描述用符号标记的原子轨道运动状态
3、1、 0、 +1/2 (或-1/2）
3、1、-1、 +1/2 (或-1/2）
32
图例： 电子云图
返回21
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例： 描述用符号标记的原子轨道运动状态：
①、 1,0,0 ；②、2,1,0； ③、3,2,0 解： ①、轨道运动状态是：处于第一能层
（电子层），s能级（s分层），球形对 称，为1s轨道；
11
二．量子力学原子模型理论要点
1、电子具有波粒二像性 在核外运动没有固定的运动轨道，服从测不
准原理，按几率分布的统计规律：
2、用薛定谔波动方程描述核外电子运动的规律
用波函数 ψ 与其对应的能量 E 描述电子的
运动状态 .用原子轨道表示电子在核外出现几率 较大的空间区域。
⑴薛定谔方程：二阶偏微分方程 P136
19
(4)对称性： 原子轨道图都带＋、－符号，
这由y(θφ ) 中三角函数而 致；轨道的＋、－号表示 对称性，符号相同，轨道 的对称性相同，符号不同， 轨道反对称。 （5）电子云：
y2 , 的空间图像，表
示核外电子空间区域出现 的几率密度。
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3、以四个量子数来规范或确定核外每个电子的 运动状态

3、根据玻尔理论，氢原子中，量子数N越大，则下列 说法中正确的是（ ACD ） A、电子轨道半径越大 B、核外电子的速率越大 C、氢原子能级的能量越大 D、核外电子的电势能越大
4、根据玻尔的原子理论，原子中电子绕核运动的 半径（ D ） A、可以取任意值 B、可以在某一范围内取任意值 C、可以取一系列不连续的任意值 D、是一系列不连续的特定值
时电子在离核最近的轨道上运动，这种 定态叫基态
3、激发态：除基态以外的能量较高的其他能级， 叫做激发态
4、原子发光现象：原子从较高的激发态向较低的激发 态或基态跃迁的过程，是辐射能量 的过程，这个能量以光子的形式辐 射出去，这就是原子发光现象。
六、玻尔理论的成就和局限
阅读课本58页
电子云
课堂练习：
5、按照玻尔理论，一个氢原子中的电子从一半径为ra 的圆轨道自发地直接跃迁到一半径为rb的圆轨道上， 已知ra>rb，则在此过程中（ C）
A、原子要发出一系列频率的光子
B、原子要吸收一系列频率的光子
C、原子要发出某一频率的光子
D、原子要吸收某一频率的光子
同 学 们 再 见
3、原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕 核运动相对应。原子的定态是不连续的，因此电 子的可能轨道的分布也是不连续的。
43 2
定态假设
E4 E3 E2
1
玻尔（1885~1962）
E1
轨道假设
4 3 21
1
43 2
跃迁假设
E4 E3 E2
E1
hv=E初 – E未
rn= n2r1
En=
E1 n2
矛盾（2）：
同时，按照经典电磁理论，电子绕核运行时 辐射电磁波的频率应该等于电子绕核运行的频 率，随着运行轨道半径的不断变化，电子绕核 运行的频率要不断变化，因此原子辐射电磁波 的频率也要不断变化。这样，大量原子发光的 光谱就应该是包含一切频率的连续谱。

下面根据泡利不相容原理，计算各壳层所可能容 纳的电子数。
（1）先考虑具有相同的n和l量子数的电子所构成的一 个次壳层中可以容纳的最多电子数：
对一个l，可以有（2l+1）个ml，对每一个ml ， 又可以有两个ms，因此，对每一个l，可以有2（2l+1）
个不同的状态。这就是说，每一个次壳层中可以容纳
的最多电子数是Nl=2（2l+1）。
（2）在n=3主壳层中有：3s，3p，3d三个分 壳层，它们分别有2个电子、6个电子和10个电子。
（3）砷的最外主壳层为n=4主壳层，壳层内 含有4s和4p两个分壳层，共有5个电子。
20
END
co2s
|Y11
|2 3 sin2 8
10
二、原子的壳层结构述
1.电子的自旋 实验证明，电子除绕核运动外，还会绕自射的轴旋转。
实验事实一 1921年，史特恩和革拉赫发现在非均
匀磁场中一些处于s态的原子射线束，一 束分为两束的现象。
这个实验事实仅用原子轨道磁矩是无法解释原子光谱 的多重复杂分裂。因此，实验用的原子是处于S态， 其轨道角动量为零，从而无轨道磁矩。
关于n和l都不同的状态的能级高低问题，我国学 者徐光宪总结出一个规律：
对于原子的外层电子，能级高低以(n0.7l)
来确(n定，0.7l)
越大，能级越高。
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按照这个规律，可以得到能级由低到高的顺序为：
1s2s2p3s3p4s3d4p
5s4d5p6s4f 5d6p
7s5f 6d7p
例如：4s（即n=4，l=0）和3d（即n=3，l=2）两 个状态，前者的（n+0.7l）=4，后者的（n+0.7l） =4.4 ，所以4s态应比3d态先填入电子。

06
量子力学与现代科技的联系
量子力学与材料科学
量子力学对材料科学的影响深远，它解释了材料中的电子行为和相互作用，帮助科学家们设计具有特 定性质的新型材料。例如，利用量子力学原理，人们可以预测和设计具有特定磁性、电导性、光学等 特性的材料。
量子力学对材料科学的另一个重要贡献是它在理解复杂材料行为方面具有显著意义，例如在解释高温 超导材料的工作原理时，量子力学的概念不可或缺。
利用量子力学理论，科学家们正在努力开发更高效、 更环保的能源技术，如量子太阳能电池和量子燃料电 池等。
量子力学与生物医学
量子力学在生物医学中的应用也日益增多。例如，量子点、量子阱等基于量子力学原理的材料在生物成像和药物传递方面具 有巨大潜力。
量子生物学正在开辟全新的领域，如量子信息传递和量子计算等，这些领域有可能为未来的医疗诊断和治疗提供全新的途径。
核裂变是重原子核分裂成两个较 轻的原子核的过程，同时释放出
大量的能量。
核聚变是轻原子核结合成重原子 核的过程，同时释放出大量的能
量。
核裂变和核聚变是两种截然不同 的原子核反应过程，但它们都可
以释放出巨大的能量。
04
电子云分布与原子轨道
电子云的概念与计算方法
电子云是描述电子在原子核外空间分 布的统计结果，其密度函数通常使用 高斯函数或球形对称函数来表示。
核相互作用是导致核能释放、核转变和核衰变等核现象的重要原因。
核衰变与放射性衰变
核衰变是原子核自发地放射出 某种粒子（如电子、伽马射线 等）并转变为另一种原子核的 过程。
放射性衰变是核衰变的一种类 型，包括α衰变、β衰变和γ衰 变等。
放射性衰变的速率受原子核的 内部结构和外部环境的影响。
核裂变与核聚变

(3)习惯上人们用“原子轨道”来描述原子中单个电子的空间运动状态。
电子层为 n 的状态，有 n2 个原子轨道。
n 值所对应的能级和原子轨道的情况
电子层或 符号
量子数 n
能级
原子轨道
n＝1
K
n＝2
L
1s 12 _2_s_、__2_p_
1s 2s、 13 __2_p_x、___2_p_y、__2_p_z__
答案
解析 电子云图就是用小黑点疏密程度来表示电子在原子核外某处单 位体积内出现概率大小的一种图形，每个小黑点并不代表一个电子，故 A 错误；由上述分析可知，每个小黑点代表电子出现的概率，不是电子在核 外所处的位置，故 B 错误；对比图 1、图 2 可知，在球体内出现该电子的几 率大，界面外出现该电子的几率小，故 C 错误；1s 轨道呈球形，沿剖面直 径连线，有无数对称轴，故 D 正确。
3．玻尔原子结构模型的基本观点 (1)原子中的电子在 06 ___具__有__确__定__半__径_____的圆周轨道上绕原子核运 动，并且不辐射 07 __能__量__。 (2)在不同轨道上运动的电子具有 08 ___不__同__的__能__量____，而且能量值是 09 __不__连__续___的，这称为能量“ 10 __量__子__化___”。轨道能量依 n 值(1、2、3、…) 的增大而 11 __升__高__，n 称为 12 __量__子__数___。对氢原子而言，电子处于 n＝1 的轨道时，能量最低，这种状态称为 13 __基__态__，能量高于基态能量的状态 称为 14 __激__发__态___。 (3)只有当电子 15 _从__一__个__轨__道__跃__迁__到__另__一__个__轨__道__时，才会辐射或吸收 能量，当辐射或吸收的能量以 16 __光__的__形__式____表现出来并被记录时，就形 成了光谱。

D、 能量低得电子在离核近得区域运动
练习
3、 有下列四种轨道:①2s、②2p、③3p、
④4d,其中能量最高得就是 ( D )
A、 2s B、 2p C、 3p D、 4d
➢电子层与形状相同得原子轨道得能量相等, 如2px、2py、2pz轨道得能量相等。
4、电子得自旋
原子核外电子还有一种称为“自旋”得 运动。在同一原子轨道里,原子核外电子 得自旋有两种不同得状态,通常用向上箭 头“↑”与向下得箭头“↓”来表示这两 种不同得自旋状态。
总 结:
对多电子原子而言,核外电子得运动特征就是:
实际上,原子很稳定,有一定大小,并没有发生这种 电子同原子核碰撞得情况。这又怎样解释呢？
人类认识原子得历史
波 尔 原 子 模 型
1913年,玻尔建立了核外电子分层排布 得原子结构模型
德谟克利特:朴素原子观 道尔顿:原子学说
1803
汤姆生:“葡萄干布丁” 模型 1903
卢瑟福: 原子结构得核式模型 1911
P能级得原子轨道
z
z
z
y
y
y
x
x
x
P得原子轨道就是哑铃(或纺锤)
形
每个P能级有_____3__个轨道,它们互相垂直,
分别以___P__x、___P_y__、___P_z___为符号
这三个轨道得能量相等。 P原子轨道得平均半径也随能层序数增大而__增__大_
d 能 级 得 原 子 轨 道
d能级得原子轨道有5个、
量子力学研究表明,处于同一电子层得原子 核外电子,所具有得能量也可能不相同,电子云得 形状可能不完全相同,因此,对同一个电子层,还 可分为若干个能级。
n=1时,有1个s能级

A. 甲和乙是同一种元素 B. 甲和乙的核电荷数不同 C. 乙和丙核外电子数相等 D. 乙和丙互为同位素原子
4、 在①分子 ②原子 ③质子 ④电子⑤离子 ⑥原
子核 ⑦中子 ⑧元素中，选择： （1）构成物质的基本微粒是__①__②__⑤____ ，其
中__②__是化学变化中的最小微粒，它是由 __⑥___和___④__构成的。
20
17
氯离子
17
17
20
18
失电子 阳离子 带正电的离子
离子形成原因：原子
带电的原子 （或原子团
阴离子 带负电的离子
得电子
） 硫酸铜（CuSO4）是由铜离子Cu2+ 和 硫酸根离子SO42构成的。
金属元素：它们原子的最外层电子数目一般 少于_4__个。在化学反应中易_失__去__电子，形 成_阳___离子。Ex：钠、镁、铝、铁
带负电荷 9.1176×10-31千克
（1）为什么说原子的质量集中在原子核上，为什么原子呈电中性？
原子质量约等于质子质量+中子质量 夸克
四、随堂练习
1.原子核（ B ） A．由电子和质子构成 B．由质子和中子构成 C．由电子和中子构成 D．由质子、中子、和电子构成 2.化学变化中最小的粒子是（ B ） A．分子 B．原子 C．中子 D．质子
[3]极少数被弹射了回来，原因是： α粒子撞击到了带正电荷、质量大、体积很小的核。 。
α粒子散射实验
二、原子结构模型的建立
英国物理学家卢瑟福α粒子散射实验
在实验的基础上提出了原子的核式结构。
(1)原子的中心有一个很小的原子核； (2)原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中中 在原子核里； (3)带负电的电子在核外空间绕核运动，就像行星 绕太阳运动那样。“行星模型”

汤姆生的原子模型
十九世纪末，汤姆生发现了电子，并知道电 子是原子的组成部分．由于电子是带负电的， 而原子又是中性的，因此推断出原子中还有带 正电的物质．那么这两种物质是怎样构成原子 的呢？
了汤 枣姆 糕生 模提 型出
汤姆生
汤姆生的原子模型
在汤姆生的原子 模型中，原子是一个 球体；正电核均匀分 布在整个球内，而电 子都象枣核那样镶嵌 在原子里面．
质子
中子 质子数
核子
电荷数
四.原子核的电荷与尺度
原子核的电荷和大小 根据卢瑟福的原子核式模型和α粒子散射 的实验数据，可以推算出各种元素原子核 的电荷数，还可以估计出原子核的大小。 （1）原子的半径约为10-10m、原子核半径 约是10-15m，原子核的体积只占原子的体积 的万亿分之一。 （2）原子核所带正电荷数与核外电子数以 及该元素在周期表内的原子序数相等。 （3）电子绕核旋转所需向心力就是核对它 的库仑力。
2.2 原子的核式结构模型
1897年，汤姆孙对阴极 射线研究，发现了电子， 说明原子是可再分，原 子是中性，可推断出原 子中还有带正电的物 质．那么这两种物质是 怎样构成原子的呢？
汤姆孙
19世纪末到20世纪的三十年代，对于电子、光 谱的深入研究以及放射性现象、中子、质子的 发现，引起物理观念的重大变革，创立了新的 理论，导致人们对原子和原子核认识的升华．
第一条现象说明，原子中绝大部分是空的 第二、三现象可看出，α 粒子受到较大的库仑力作用 第四条现象可看出，α粒子在原子中碰到了比他质量大的多 的东西
粒子散射实验
对α 粒子的运动方向不会发生明显影响；由于正 电荷均匀分布，α 粒子所受库仑力也很小，故α 粒子偏转角度不会很大．
原子的核式结构

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2、原子核外电子运动区域与电子能量的关系：
电子能量高在离核远的区域内运动，电子能量低在离核近 的区域内运动 ，把原子核外分成七个运动区域，又叫电 子层，分别用n=1、2、3、4、5、6、7…表示，分别称 为K、L、M、N、O、P、Q…，n值越大，说明电子离核 越远，能量也就越高。
电子层序数（n） 1 2 3 4 5 6 7
1、原子核外电子的分层排布
原子核
电子层
+2
+10
He
核电荷数 Ne
该电子层 上的电子
+18
Ar
+1 +8
+12
H
O第4页/共21页
Mg
原子结构示意图
为了形象地表示原子的结构，人们就创
造了“原子结构示意图”这种特殊的图形。
第3层 第2层
原子核
第1层
原子核带正电
核电荷数
+ 15 2 8 5
K层 L层 M层
Mg 失 2e-
Mg2+（带2个单位正电荷）
2、活泼非金属元素的原子容易得到电子 变为带负电荷的阴离子，阴离子所带负电 荷的数目等于原子得到的电子的数目。
O 得 2e-
O2（- 带2个单位负电荷）
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问题解决：氧化镁的形成
宏观：氧气和金属镁反应生成氧化镁，氧化 镁是氧元素与镁元素相结合的产物。
一些元素的原子得失电子的情况
元素
Na Mg O Cl
化合价
原子最外层电 失去（或得到）
子数目
电子的数目
2
6
-1
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问题解决
原子
①最外层电子数﹤4时，容易失去电子