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修改说明:
1. 按“《结构化学学习指导》编写提纲”整理,此章我已做相应调整,请进一步规范每部分内容
2. 请补充【知识拓展】,提供试题
第二章 原子的结构和性质
【内容概要】 本章的主要内容是根据量子力学的原理和方法处理单电子原子和多电子原子的结构及性质、元素结构参数在周期表中变化规律谱等。内容提要如下: 2.1 单电子原子和离子
一、单电子原子的Schr?dinger方程及其解 单电子原子的Schr?dinger方程为: 直角坐标系(x,y,z)和球极坐标系(r, θ,?)中Laplace算符▽2有如下关系: 极坐标条件下的Schr?dinger方程可写为:
二、变数分离方法
变数分离法将ψ(r,θ,? )看作只含一个变数的函数R(r),Y(θ,?)的乘积:
把ψ(r,θ,? )分离成只含变量r的R(r)方程和变量?、?的Y(θ,?)方程:
]+(E+)=β………………………方程 --=β…………方程
令=×,把Y(θ,?)方程分离成θ、? 的Q(q)和F(f)方程:
…………………………方程
-=-m2……………………………………………………方程
三、 F方程的解
将球极坐标系中含三个变量(r,θ,?)的偏微分方程分解为分别只含r、θ、? 的三个常微分方程,其中最简单的是Φ(?)方程:
根据边界条件,波函数的合格条件和正交归一化条件,可得复数解:
m称为磁量子数,它的取值是解Φ(?)方程过程中自然得到的。复函数解不便于在实空间作图,由态叠加原理可得实函数解,实数解便于作图,用图形了解原子轨道或电子云的分布,但实数解不能用以了解角动量沿z轴的分量。Φ(?)方程的实数解为:
复函数形式和实函数形式是线性组合的关系,不是一一对应关系。实函数形式的Φ(?)不是角动量在Z轴方向分量算符的本征函数,而复函数形式是的本征函数。
四、单电子原子的波函数
将R(r)和Θ(θ)有关的微分程解出得出R(r)和Θ(θ)函数,它们与Φ(?)函数组合就得到单电子原子的波函数:
,也称为原子轨道。
波函数的具体形式与n, l,m值的关系:
n值由R(r)函数中项确定;l值由R(r)函数中项确定,或由Θ(θ)函数中三角函数幂方次确定;m值由Φ(?)函数中?前的系数确定。
2.2量子数和波函数的物理意义
一、量子数的物理意义
1. 主量子数n
对单电子原子而言,主量子数n决定体系能量的高低: (eV) n的取值为1,2,3,… 主量子数n决定确定简并度:
主量子数n确定波函数的节面个数:
总节面数=径节面(n- l -1)+角节面(l)= n-1
2. 角量子数l 角量子数l决定电子的轨道角动量的大小: l=0,1,2,…,n-1
角量子数l决定轨道磁矩()的大小:
其中为Bohr磁子,
3. 磁量子数m 磁量子数m决定电子轨道角动量在磁场方向上的分量Mz:
磁量子数m决定轨道磁矩在磁场方向上的分量:
即角动量在磁场方向上的分量也是量子化的。
4. 自旋量子数s和自旋磁量子数为ms
自旋量子数s决定电子自旋角动量的大小:
自旋量子数s决定电子自旋磁矩的大小:
为电子的自旋因子。
自旋磁量子数ms决定电子自旋角动量在磁场方向的分量:
自旋磁量子数ms决定电子自旋角磁矩在磁场方向的分量的大小:
5. 总量子数j
总量子数j决定电子轨道运动总角动量的大小:
6. 总磁量子数mj
总磁量子数mj决定电子的总角动量Mj沿z轴的分量:
二、 波函数的物理意义
通过解单电子原子的Schr?dinger方程,得到了单电子原子的波函数ψ(r, θ,?),ψ(r,θ,?)不仅可以描述单电子原子的状态、电子云分布情况,还可以求出力学量的本征值。
三、 电子云的图形表示
1.?-r和?2-r图
s态的波函数只与r有关与θ、? 无关,故ψ~r、ψ2~r图表示在离核r的圆球面上波函数和电子云的数值。yns 的分布具有球体对称性,离核r远的球面上各点的y值相同,几率密度y2的数值也相同。对ns态,有n-1个ψ为零的节面。
2. 径向分布图
(1)径向函数图
径向函数图反映了给定方向上ψ随r的变化情况,即表示同一方向上各点ψ的相对大小。可正可负,除边界点外,=0的面为径向节面,径向节面数为:n--1个。 (2)径向分布R2 (r ) r 2 ~ r图
在空间某点( r,θ,? )附近体积元dτ 内电子出现的几率为:
如果只考虑r 的变化,而将此公式对θ , ? 的全部变化范围积分,则由Θ(θ )函
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