自然科學(xué)概要（第二版）（微課版）課件 11.1原子的結(jié)構(gòu)

1原子的結(jié)構(gòu)CONTENTS第11章現(xiàn)代化學(xué)生命的基本化學(xué)組成211.1知識標(biāo)準(zhǔn)識記量子數(shù)、主量子數(shù)、角量子數(shù)、磁量子數(shù)、自旋量子數(shù)的取值范圍及作用。理解原子核外電子的排布規(guī)律。理解元素周期律的本質(zhì)。

第一節(jié)原子的結(jié)構(gòu)

一、四個量子數(shù)1926年，奧地利科學(xué)家薛定諤提出了二級偏微分方程：

這是一個描述一個粒子在三維勢場中的定態(tài)薛定諤方程。所謂勢場，就是粒子在其中會有勢能的場，電場就是一個帶電粒子的勢場；所謂定態(tài)，就是假設(shè)波函數(shù)不隨時間變化。E是粒子本身的能量；V(x，y，z)是描述勢場的函數(shù)。這個方程的數(shù)學(xué)解很多，但從物理意義看，必須引出四個參數(shù)，這四個參數(shù)就叫量子數(shù)。

所謂量子數(shù)，是指表示微觀運動狀態(tài)的一些特定的不連續(xù)的數(shù)字。原子中電子運動狀態(tài)的四個量子數(shù)是：n，l，ml，ms。其中:n為主量子數(shù)；l為角量子數(shù)；ml為磁量子數(shù)；ms為自旋量子數(shù)。三維勢場示意圖

1.主量子數(shù)（n）主量子數(shù)在確定電子運動的能量時起頭等重要的作用。

當(dāng)主量子數(shù)增加時，電子的能量隨著增加，電子離核的平均距離也相應(yīng)增加。

當(dāng)n=1，2，3，4，5，6，7；對應(yīng)的電子層從里到外依次用字母K，L，M，N，O，P，Q來區(qū)別表示。

2.角量子數(shù)（l）

角量子數(shù)確定原子軌道的形狀，并在多電子原子中和主量子數(shù)一起決定電子的能級。對于給定的n值，l只能取小于n的正整數(shù)。

當(dāng)l=0，1，2，3，…（n-1）；相應(yīng)能級的符號為：s，p，d，f

…。

s為球型，p為啞鈴型，d為花瓣型，f軌道更為復(fù)雜

3.磁量子數(shù)（

ml

）

磁量子數(shù)ml

決定每種軌道在空間的不同延伸方向。角量子數(shù)決定磁量子數(shù)，磁量子數(shù)等于（2l+1）。對于每種形狀軌道，磁量子數(shù)的取值分別是：

ml

=0，±1，±2，±3，…±l。磁量子數(shù)l

和角量子數(shù)ml

的關(guān)系和它們確定的空間取向為：

軌道s、p、d、f分別有1個、3個、5個和7個空間取向。軌道s、p、d、f分別有1個、3個、5個和7個空間取向4.自旋量子數(shù)（ms）

自旋磁量子數(shù)ms，表示電子的自旋運動情況。原子中電子除了以極高速度在核外空間運動之外，也還有自旋運動。

電子有兩種不同方向的自旋，即順時針方向和逆時針方向。它決定了電子自旋角動量在外磁場方向上的分量。通常取值為±1/2，用↑和↓符號表示，稱為自旋量子數(shù)。電子的自旋有順時針方向和逆時針方向

核外電子運動的可能狀態(tài)數(shù)

二、原子核外電子分布規(guī)律

3.能量最小原理

在原子系統(tǒng)內(nèi)，每個電子總是趨向于占有最低的能級。如果有n個相同的軌道，則電子在成對前分別平行填充各軌道；

當(dāng)原子中每個電子能量最小時，整個原子的能量最低，此時原子處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.實際排布情況

核外電子嚴(yán)格按能量最小原理排布。

一般來說，能級層高則能量大，但不是絕對的。如果把殼層與人的輩分對應(yīng)，把能量與人的年齡對應(yīng),那么隨著世代的繁衍，就會出現(xiàn)輩分小的人比輩分大的人年齡大的情況。主量子數(shù)n角量子數(shù)l原子軌道符號相對能量n+0.7l101s1202s212p2.7303s313p3.723d4.4404s414p4.724d5.434f6.1505s515p5.725d6.435f7.1457.8606s616p6.726d7.4

理論值：Zn＝2n2核外電子實際排布情況

三、元素周期律

1.元素周期律的本質(zhì)

在近代，門捷列夫發(fā)現(xiàn)的元素周期律是：化學(xué)元素按原子量的大小排列起來，化學(xué)性質(zhì)會呈現(xiàn)出明顯的周期性；在現(xiàn)代，發(fā)現(xiàn)元素的性質(zhì)是隨原子序數(shù)的增加而呈周期性變化的，而不是像過去認(rèn)為的那樣是由于原子量的增加而呈周期性變化的，兩者的區(qū)別明顯表現(xiàn)在同位素概念方面。

例如，原子序數(shù)79的Au（金）原子量為197，原子序數(shù)78的Pt（鉑）同位素原子量為198；原子序數(shù)47的Ag（銀）原子量為108，原子序數(shù)46的Pd（鈀）同位素原子量為110。原子量的大小排列不能解釋化學(xué)性質(zhì)的周期性變化。元素的性質(zhì)是隨原子序數(shù)的增加而呈周期性變化的

2.元素性質(zhì)的周期性變化

總的說來，元素在周期表中的位置，或者說元素的性質(zhì)和周期性的變化是隨著原子序數(shù)的變化而變化的。原子核外電子的總數(shù)等于原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)或電荷數(shù)，即等于原子序數(shù)。元素周期律深刻反映了元素之間的內(nèi)在聯(lián)系，特別是反映了原子核外電子的排列分布情況，對于人們認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)和發(fā)現(xiàn)新元素等有重要指導(dǎo)意義。

（1）元素在周期表中的周期數(shù)，等于該元素的原子的核外電子的殼層數(shù)，即主量子數(shù)。

（2）同一周期中的元素，從左向右，電子的數(shù)目由1變化到8，形成不同的族，其金屬性依次減弱，非金屬性逐漸增強，直至惰性氣體。

（3）同一族的元素，由于最外層電子數(shù)目相同，其化學(xué)性質(zhì)極為相似。

原子序數(shù)1-