第6章 原子结构与元素周期律

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1、第6章原子结构与元素周期律【内容】6.1原子核外电子的运动状态6.2原子核外电子排布与元素周期律6.3元素基本性质的周期性变化规律【要求】1.了解电子的波粒二象性，理解测不准原理；了解波函数与原子轨道、概率密度与电子云，理解原子轨道、电子云的角度分布图的意义及区别；2．理解n、l、m、ms四个量子数的物理意义、掌握其取值规律及其与电子运动状态的关系。理解并掌握多电子原子轨道的能级；3．掌握基态原子中电子的排布原理，能够书写一些基态原子的电子排布式；4．熟悉核外电子排布式与元素周期表的关系；5．基本掌握有效核电荷、原子半径、电离

2、能、电子亲和能、电负性、元素的氧化数等元素性质周期性变化规律。世界由物质组成，大多数物质由分子组成，而分子又由原子组成。不同的物质性质千差万别，物质的性质决定于物质的内部结构。因此要了解和掌握物质的性质，尤其是化学性质及其变化规律，就必须了解物质的内部结构，特别是原子结构、原子的电子结构以及核外电子的运动状态。中学阶段我们已经了解：原子是由居于原子中心的带正电荷的原子核和核外带负电荷的电子所组成的。原子核由带正电荷的质子与不带电的中子组成。元素的原子序数等于核电荷数(即质子数)，也等于核外电子数。化学反应不涉及原子核的变化，而

3、只是改变了核外电子的数目或运动状态。人们对原子等微观粒子的认识经历了从经典力学到旧量子论、再到量子力学的过程。经典力学描述宏观物体的运动，它以牛顿定律为中心内容。量子力学描述微观粒子的运动，它是建立在微观粒子运动的不连续性和统计性这两个基本特征的基础上，其依据是微观粒子具有波粒二象性。以波尔学说为代表的旧量子论，包含有经典力学和量子力学的某些观点，是半经典、半量子化的。尽管随着科学的发展，玻尔的原子结构理论被原子的量子力学理论所代替，但波尔学说对人类认识原子的电子结构以及量子力学的建立和发展具有重要意义。6.1原子核外电子的运

4、动状态6.1.1微观粒子的基本属性1.电子等微观粒子的波粒二象性波粒二象性是指某物质既有波动性又有粒子性。3720世纪初人们根据光的衍射、干涉和光电效应等实验事实认识到光具有波-粒二象性。并且光的频率、波长λ、能量E和动量P之间存在如下关系：E=h,P=h/λ代表粒子性的E，P和代表波动性的，λ通过普朗克常数h定量地联系起来。1924年法国物理学家德布罗依(deBroglie)在光的波粒二象性的启发下，大胆地提出了所有微观粒子（电子、质子、中子、原子、分子等静止质量不为零的实物微粒）的运动也具有波-粒二象性的假说。他将反映光的

5、二象性的公式应用到微粒上，提出了“物质波”公式或称为德布罗依关系式，即：（6-1）P代表微粒的动量，m代表微粒的质量，v代表微粒的运动速度，λ代表微粒波的波长。德布罗依关系式的正确性三年后被电子衍射试验所证实。1927年戴维森（Davisson）和杰尔麦（Germer）用电子束代替X射线通过一薄层镍的晶体（作为衍射光栅），投射到照相底片上，得到了完全类似单色光通过小圆孔那样的衍射图象，如图6-1和图6-2所示。同年汤姆森（Thomson）将电子束通过金箔也得到电子衍射图。通过电子衍射等实验，证实了电子运动时确实具有波动性。图6

6、-1电子衍射实验示意图(a)X射线衍射图(b)电子衍射图图6-2X射线和电子的衍射图粒子性和波动性是一切物质的属性，只是对不同的物质，显示的主要方面不同。通过一系列实验得出，物体质量、速度愈大，其波长愈短37，以致其波动性难以察觉，仅表现出粒子性。而微观粒子质量小，显现出明显的波动性。2.测不准原理宏观物体的位置和运动速度（或动量）可以同时确定，但是微观粒子具有波动性，有着完全不同的运动特点。1927年德国科学家海森堡（Heisenberg）提出了著名的测不准原理，该原理指出：要同时准确地测定微观粒子的动量（或速度）和坐标（或

7、位置）是不可能的。如果它的位置测得越准确，动量（或速度）就越不准确；反之，它的动量（或速度）测得越准确，位置就越不准确。测不准关系式为：Δx·ΔPx≥h/4π（6-2）式中Δx、ΔPx分别为微观粒子在x方向位置和动量的不准确值，h为普朗克常数。显然，若电子等微观粒子运动的位置越准确，Δx越小，则动量越不准确，ΔPx越大；反之亦然。测不准原理是微观粒子波动性的必然结果。微观粒子的运动不存在确定的轨迹，不遵守经典力学规律。测不准原理对一切实物都是适用的，只是宏观物体的波动性不明显，其运动的坐标和动量的不准确值在测定误差范围内，测不

8、准原理对宏观物体实际不起作用。6.1.2波函数与原子轨道1.波函数的基本概念1926年奥地利物理学家薛定谔(Schrodinger)提出了描述微观粒子运动状态的波动方程——薛定谔方程，它是一个二阶偏微分方程。其基本形式是：（6-3)式中x、y、z为粒子在空间的直角坐标，m为微