09-Electrons in Atoms

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Chemistry140Fall2002Contents9-1ElectromagneticRadiation（电磁辐射）9-2AtomicSpectra（原子光谱）9-3TheBohrAtom（玻尔原子）9-4TwoIdeasLeadingtoaNewQuantumMechanics（导致新量子论的两个思想）9-5WaveFunctionsforHydrogen9-6QuantumNumbersandElectronOrbitals（量子数和电子轨道）Chapter9:ElectronsinAtoms9-7ElectronConfigurationsinatoms第九章：原子中的电子9-8ElectronConfigurationsandthePeriodicTable（电子排布与周期表）化学化工刘巍Slide1of62化学化工刘巍Slide2of629-1ElectromagneticRadiation（电磁辐射）EMRadiation（电磁辐射）•Electricandmagneticfieldspropagate（传播）aswavesLowνthroughemptyspaceorthroughamedium.•Awavetransmitsenergy.Highν化学化工刘巍Slide3of62化学化工刘巍Slide4of621 Chemistry140Fall2002Frequency,WavelengthandVelocityElectromagneticSpectrum频率，波长，速度•Frequency(ν)inHertz—Hzors-1.•Wavelength(λ)inmeters—m.•cmµmnmÜpm(10-2m)(10-6m)(10-9m)(10-10m)(10-12m)•Velocity(c)—2.997925×108ms-1.c=λνλ=c/νν=c/λ化学化工刘巍Slide5of62化学化工刘巍Slide6of62ROYGBIVConstructiveandDestructiveInterference（干涉）RedOrangeYellow700nmGreen450nmBlueIndigoVioletPrentice-Hall©2002GeneralChemistry:Chapter9Slide8化学化工刘巍Slide7of62化学化工刘巍Slide8of622 Chemistry140Fall2002RefractionofLight（光的反射）化学化工刘巍Slide9of62化学化工刘巍Slide10of629-2AtomicSpectra（原子光谱）AtomicSpectra（原子光谱）化学化工刘巍Slide11of62化学化工刘巍Slide12of623 Chemistry140Fall2002AtomicSpectra（原子光谱）9-3TheBohrAtomBohr：aDanishphysicistInthevisibleregion.thespectrumofHconsistsofaλ：　410.17，434.05，486.13，656.28nmstronglineat656.28nmfollowedbysuccessivelyν×1014：7.316.916.174.57weakerlines,closerandclosertogether,atlowerwavelengths:n：6543λ：　410.17，434.05，486.13，656.28nm1511ν×1014：7.316.916.174.57ν=3.289×10（－）22n2化学化工刘巍Slide13of62化学化工刘巍Slide14of629-3TheBohrAtomEnergy-LevelDiagram（能级图）-RHE=n2RH=2.179×10-18J-RH-RH∆E=Ef–Ei=2–2nfni11=RH(–)=hν=hc/λn2n2if化学化工刘巍Slide15of62化学化工刘巍Slide16of624 Chemistry140Fall2002IonizationEnergyofHydrogen（氢的电离能）BohrModel评价111)玻尔理论成功地解决了以下问题：∆E=RH(–)=hνn2n2•a.氢原子光谱为什么是线状光谱？（能级是不连续的）if•b.氢原子光谱的细节问题：巴尔麦系（n=2）拉曼系（n=1）Asngoestoinfinityforhydrogenstartinginthegroundstate:11f泊邢系（n=3）11hν=RH(2)=RH•c.不同的原子光谱不同的原因（能级不相同）niThisalsoworksforhydrogen-likespeciessuchasHe+andLi2+.hν=-Z2RH化学化工刘巍Slide17of62化学化工刘巍Slide18of62BohrModel评价9-4TwoIdeasLeadingtoaNewQuantumMechanics•Wave-ParticleDuality.（波粒二象性）Lightstrikingthesurfaceofcertainmetalscausesejectionofelectrons.2)玻尔理论的不足之处：a.无法解释多电子原子的光谱（He原子光谱的计算误差已达5%！）b.无法解释原子光谱在磁场中的分裂原因：玻尔理论没有考虑微观粒子运动的特殊性ν>νothresholdfrequency（极限频率）e-（电子数）∝I（光强度）ek（电子动能）～ν（光频率）化学化工刘巍Slide19of62化学化工刘巍Slide20of625 Chemistry140Fall2002deBroglieandMatterWaves9-4TwoIdeasLeadingtoaNewQuantumMechanics（得波罗意物质波）•Wave-ParticleDuality.（波粒二象性）–Einsteinsuggestedparticle-likepropertiesoflightcouldexplainE=mc2thephotoelectriceffect.（Einstein提出光的粒子性可以解释光电效应）hν=mc2–Butdiffractionpatternssuggestphotonsarewave-like.（干涉说明hν/c=mc=p光有波的性质）•deBroglie,1924p=h/λ–Smallparticlesofmattermayattimesdisplaywavelikeproperties.（物质的微粒不时表现波动性）λ=h/p=h/mu化学化工刘巍Slide21of62化学化工刘巍Slide22of62X-RayDiffractionTheUncertaintyPrinciple（测不准原理）•WernerHeisenbergh∆x∆p≥4π化学化工刘巍Slide23of62化学化工刘巍Slide24of626 Chemistry140Fall20029-5WaveFunctionsforHydrogenLight,PhotonEnergies,andAtomicSpectra1.QuantumMechanicalModel•Schrödinger,1927Eψ=Hψ1）核外电子运动状态的描述a.波函数ψ–H(x,y,z)orH(r,θ,φ)薛定谔方程可以有许多解，从物理意ψ(r,θ,φ)=R(r)Y(θ,φ)义上看，只有部分解是合理的。合理的解是包含x,y,z三个变量的数学表达式,也可R(r)istheradialwavefunction.以将ψ转化为球坐标ψ：（x,y,z）（γθφ）Y(θ,φ)istheangularwavefunction.化学化工刘巍Slide25of62化学化工刘巍Slide26of62Light,PhotonEnergies,andAtomicSpectra9-6QuantumNumbersandElectronOrbitals（量子数，能级）1）核外电子运动状态的描述1.QuantumNumbers（量子数）b，ψ无明确物理意义，可粗略地看成“在坐标系中找到该运“QuantumNumbers”：是表示微观粒子运动特点的一些特征数字。动电子的区域”当一个原子有许多核外电子时，每个电子的运动状态需要四个量c.︱ψ︱2是几率密度,它的图象，即“电子云”子数才能准确地描述出来（来源：三个来自于薛定谔方程）指电子在原子核外空间某区域出现的机会的大小.如：化学化工刘巍Slide27of62化学化工刘巍Slide28of627 Chemistry140Fall2002（1）.FirstQuautumNumber（2）SecondQuantumNumbers（1）.FirstQuautumNumber,n;PricipalEnergyLevels(主量子数n主量子层)SecondQuantumNumber,l;Sublevels(s,p,d,f)取值范围：n=1、2、3、4、5、6、7…（目前基态原子n最大值）付量子数l（又称角量子数）光谱符号：K、L、M、N、O、P、Q取值范围：l=0、1、2、3、4、…(n-1)意义：a.表示电子的能量高低2光谱符号：s、p、d、f、g、…对于H原子，n越大，能量越高；E=－（13.6/n）eV其他多电子原子，n是决定电子能量的因素之一b.表示电子离开原子核的远近：n越小，离核越近化学化工刘巍Slide29of62化学化工刘巍Slide30of62（2）SecondQuantumNumbers（2）SecondQuantumNumbers意义：a表示电子所处亚层的符号及数目：n=1l=0表示1s亚层（l只可以取一个值）意义：b.表示原子轨道的形状（原子轨函）l=0表示2s亚层n=2有二个亚层l=1表示2p亚层s轨道p轨道l=0表示3s亚层n=3l=1表示3p亚层有三个亚层l=2表示3d亚层l=0表示4s亚层n=4l=1表示4p亚层有四个亚层d轨道f轨道l=2表示4d亚层l=3表示4d亚层由此可见，每个电子层的亚层数＝该电子层的主量子数n化学化工刘巍Slide31of62化学化工刘巍Slide32of628 Chemistry140Fall2002（2）SecondQuantumNumbers（3）ThirdQuantumNumbersml（2）意义：磁量子数m(有的书上作m)lc.在多电子原子中与主量子数一起，决定能量的高低：取值范围：m=0、±1、±2、…±l（共2l+1个取值）lH原子只有一个电子，能量只与n有关：E=-(13.6/n2)eV意义：多电子原子，因为电子之间存在排斥作用，电子的能量除了与主表示电子云在空间的伸展方向(每一方向，又称一条轨道)量子数有关外，有时还与l有关：当n相同时，l越大，能量越高：E21时，E>E4s3d4s3d化学化工刘巍Slide41of62化学化工刘巍Slide42of62ElectronConfigurationsinAtoms（1）.Building-upprinciple(能量最低原理)2.ElectronConfigurationsinAtoms内容：电子在原子轨道上的排布，要尽可能使电子1）RulesofelectronconfigurationsinAtoms的能量最低。核外电子排布原理原子轨道的能量高低，可看鲍林能级图。（1）.Building-upprinciple(能量最低原理)（2）PauliExclusionPrinciple(保里不相容原理)（3）Hund'srule（洪特规则）化学化工刘巍Slide43of62化学化工刘巍Slide44of6211 Chemistry140Fall2002电子填充顺序（2）PauliExclusionPrinciple(保里不相容原理)内容：同一原子中，不可能有n,l,m,ms全同的二个电子存在。换言之，当n,l,m确定时（轨道确定），每一个轨道上最多可容纳2个电子，且必须自旋方向相反（ms=±1/2）。因而，各种不同原子轨道上最多可以容纳的电子数是：s2p6d10f14化学化工刘巍Slide45of62化学化工刘巍Slide46of62（3）Hund'srule（洪特规则）FillingpOrbitalsWhenseveralorbitalsofequalenengyareavailableasinagivensublevel,electronsentersinglywithparallelspins.最多轨道规则：n,l相同的轨道上，电子尽可能分占不同轨道，且自旋相同。化学化工刘巍Slide47of62化学化工刘巍Slide48of6212 Chemistry140Fall2002FillingthedOrbitalsElectonConfigurationsofSomeElements化学化工刘巍Slide49of62化学化工刘巍Slide50of62ElectonConfigurationsofSomeGroupsof说明：Elements1.单纯用上述方法排出的与实验事实可能有例外，以事实为准2.近似能级图，只反映一些原子的相对共性，有相对近似的意义，但不可机械套用于所有原子。Nb[Kr]4d45s1(自旋增多)41但V[Ar]3d34s2;Ta[Xe]4f145d36s2237324Cr[Ar]3d54s1Nb[Kr]4d55s1(自旋增多)42;但Ta[Xe]4f145d46s274化学化工刘巍Slide51of62化学化工刘巍Slide52of6213 Chemistry140Fall2002说明：9-8ElectronConfigurationsandthePeriodicTable关于填充轨道和失去电子的顺序问题：1)短周期元素，一般后填入的先失去；2)过渡元素，有时不一样：如Fe填充[Ar]3d64s226Fe2+:[Ar]3d6;Fe3+:[Ar]3d5原因：（1）填充式按“原子”轨道能量顺序，失去，按“离子”轨道的能量顺序(2)填充的电子，在失去时，所受到的屏蔽情况不同化学化工刘巍Slide53of62化学化工刘巍Slide54of62FocusonHe-NeLasers化学化工刘巍Slide55of6214