[化学]第八章 原子结构3.ppt

第八章 原子结构 本章的线索是 氢光谱与传统力学理论的矛盾----测不准关系----描述微观粒子运动状态的波函数----能级图-----电子填充----由电子的填充情况讨论物质（元素原子）的性质。 光谱的基本知识 连续光谱和线状光谱：前者波长连续变化，后者也称原子光谱，是不连续的亮线。 发射光谱和吸收光谱：由一发光源发出的光分解成的光谱即发射光谱，其被其它物质吸收后形成的光谱即吸收光谱如红外,紫外可见等. §8.1氢原子结构一.氢原子光谱和玻尔理论 1.氢光谱的产生 分光 nm 400 500 600 700 在可见光区有四条亮线，波长符合Balmer公式 入=Bn2/(n2-4),n=3,4,5,6 随后又发现lyman,Paschen线系,其频率符合Rydberg公式,v=RH(1/n12-1/n22) 2.氢光谱与经典力学体系的矛盾 电子绕核运动，辐射能量，电子能量减小，最终坠入核中，原子不稳定 电子能量连续变化，应得到连续光谱。 3.玻尔的三个假设 A.原子核外电子只能在一定轨道上运动，这些轨道的轨道角动量p=mvr=nh/2π ,电子在这些轨道上既不吸收，也不发射能量。(n=1,2,...) B.电子在正常（稳定）状态时，处于能量最低的轨道，原子能量最低，称为基态。吸收能量后可跃迁到能量较高的状态称为激发态。 C.电子在不同轨道间跃迁时，其吸收或发射的光子能量等于轨道能量差，即 E2-E1=hv 由玻尔假设和经典物理，可知 mv2/r = Ze2/4πε0r2 E = mv2/2 - Ze2/4πε0r mvr = nh/2π rn = ε0n2h2/Zπme2 = 0.53n2ⅹ10-10m, En= -Z2me4/8ε02n2h2 = -2.179×10-18/n2 J 讨论：1）rn,En都是由量子数决定的。能量的量子化导致线状光谱；n=1时，半径最小（0.53A）能量最低-2.179×10-18J为基态；n ∞,E 0,电子发生电离。 2）氢原子能级图 Brackett Balmer Paschen Lyman 3)玻尔理论的成功和不足 二.实物粒子的波粒二象性 1.德布罗依假设：（1924年，fr De Broglie） 实物粒子（分子，原子电子等也具有波粒二象性。 对光子，易知，其动量p=mc=E/c=h/入,德氏据此认为对实物粒子，p=mv= h/入. 2.电子衍射实验（1927，Davisson,Germer) r L 阴极 加速电场 感光片 入= dr/nL 电子衍射实验说明 1微观粒子的运动没有确定的轨道 2微观粒子的运动是可以被描述的 3.测不准原理（1927，Heisenberg) Δx Δp≥ h/2π (不同教材有所不同) 它指出微粒运动具有二象性，不能被视为符合经典力学运动的粒子。对于微观粒子才有意义 例：10-5kg的物体，△x=10-10m,则△v= 10-19 对电子，设△x= 10-10m，则其 △v=6.63x10-34/(2x3.14x9.1x10-31x10-10) =1.x106 m/s 4.电子波的统计解释 以一定速度运动的电子（微观粒子），不能准确测其位置，只能知道它在某处出现的几率，是一种几率波，没有固定的轨道。 ----统计解释 三.波函数和Schrodinger方程 1.波函数：微观粒子运动状态可用包含位置，时间的波函数ψ(x,y,z,t)表示。1）它是一数学表达式，本身没有物理意义，但其平方是几率密度。2）在量子力学中，每个ψ称为一个原子轨道，但其实只是表示一种可能的状态。3）每个ψ都有对应的能量。 2.薛定谔方程： 1)二阶偏微分方程p222.波函数是其合理解 求解过程中要转成球坐标。 z P(x,y,z)或（r,θ,φ) 对氢原子（或类氢离子） 求解结果： θ x= rsinθcosφ En=-2.179×10-18Z2/n2J. y y= rsinθsinφ φ z= rcosθ 薛定谔方程 也称Hamilton算符,表示一种运算关系,由它用作于波函数,可得轨道能量. 2)量子数的得来和相互关系 主量子数n：1，2，3，…n. 角量子数l: 0, 1, 2,… (n-1) 磁量子