資源簡介

(共88張PPT)
一個新的科學真理會勝出，通常不是因為說服了反對者，敦促他們了解新知，而是因為反對者死掉了，新的一代成長起來。
——玻爾
量子力學的發展
1927年 第五屆索爾維會議
19世紀末，經典力學和經典電動力學在描述微觀系統時的不足越來越明顯。量子力學是在20世紀初由馬克斯·普朗克、尼爾斯·玻爾、沃納·海森堡、埃爾溫·薛定諤、沃爾夫岡·泡利、路易·德布羅意、馬克斯·玻恩、恩里科·費米、保羅·狄拉克、阿爾伯特·愛因斯坦、康普頓等一大批物理學家共同創立的。
對于原子科學家最感興趣的是——
原子核外的電子是如何運動的？
原子核外的電子是如何排布的？
原子結構模型
原子核外電子運動狀態的描述
01
02
03
04
學習目標
原子探究史
知道有關科學家在不同時期的貢獻
電子云、原子軌道
電子云概念
原子軌道類型
原子光譜
發射光譜
吸收光譜
能層、能級
電子處于不同能層
同一能層有不同能級
01
開天辟地——原子的誕生
基于實驗證據建構和優化模型
科學家根據實驗事實，經過分析和推理，提出原子結構模型；再根據新的實驗事實對提出的原子結構模型進行修正，進而提出新的原子結構模型。依據一系列的實驗事實，科學家對模型不斷進行優化，直至形成更符合原型特點的模型。
學法指導
葡萄干面包模型
1897年，湯姆生在原子內部發現了電子，人們終于拋棄了原子不可分割的陳舊觀念。
1911年，盧瑟福通過精密的實驗證明在原子中心有一個極小的核，電子繞核做高速旋轉。
核式模型
1904年
1911年
構成物質的最小粒子是原子，原子是不可再分的實心球體。
實心球模型
1803年
18世紀末，隨著工業革命的發展，對物質化學成分和化學反應過程的研究需要深入到物質結構領域
人類認識原子的歷史是漫長的，也是無止境的。
氫原子光譜與原子結構模型
化學史話
氫原子是最簡單的原子。若在真空放電管中充入少量氫氣，通過高壓放電，能發出不同波長的光，利用三棱鏡可觀察到不連續的線狀光譜。
1885年，瑞士的一位中學教師巴爾末(J.J.Balmer)在研究氫原子的可見光譜譜線時發現，氫原子的可見光譜譜線的波長符合一定規律，他將其歸納為一個數學公式。然而，當時誰也無法解釋氫原子光譜譜線的特征。
研究原子結構的方法——原子光譜
1913年
電子分層排布模型
丹麥科學家
玻爾
研究了氫原子的光譜后，根據量子力學的觀點，大膽突破 傳統思想的束縛，提出了新的原子結構模型
(1)原子核外電子在一系列穩定的軌道上運動，這些軌道稱為原子軌道。核外電子在原子軌道上運動時，既不放出能量，也不吸收能量。
(2)不同的原子軌道具有不同的能量，原子軌道的能量變化是不連續的。
(3)原子核外電子可以在能量不同的軌道上發生躍遷。
獲得了1922年的諾貝爾物理學獎
資料在線
原子結構模型
1
1803年
道爾頓
實心球模型
1904年
湯姆孫
葡萄干面包模型
1911年
盧瑟福
核式模型
1913年
波爾
電子分層排布模型
1926～1935年
薛定諤
現代電子云模型
宏觀物體的運動軌跡
電子的運動軌跡是什么樣子？
02
如何描述原子核外電子的運動？
核外電子的運動
宏觀物體 電子
質量 很大
速度 較慢
空間 大
軌跡 可描述 （畫圖或函數描述）
核外電子運動有何特點
問題探究
很小
很快(接近光速)
極小
不可確定
德國物理學家、量子力學的創立者海森堡
1927年發表著名的海森堡測不準原理
1932年獲諾貝爾物理學獎
無法同時精確測量某個電子在某一時刻的位置和速率。
1926年奧地利物理學家薛定諤提出：可以用一個數學方程描述核外電子的運動狀態，為近代量子力學奠定了理論基礎。
核外電子的運動特點
量子力學指出：一定空間運動狀態的電子并不在玻爾假設的線性軌道上運動，而是在核外空間各處都可以出現，只是出現的概率不同。
薛定諤方程
1926～1935年
現代電子云模型
1926年，玻爾建立的線性軌道模型被量子力學推翻。
資料在線
問題探究
研究核外電子運動，你認為選什么原子
氫原子的五次瞬間照相
5 張照片 疊 印
100 張照片疊印
1 000 張照片疊印
用小黑點的疏密來表示
小黑點密處表示電子出現的概率密度大，小黑點疏處概率密度小
看上去好像一片帶負電的云霧籠罩在原子核周圍
電子云
2.1 電子云
電子云和原子軌道
2
01
概念
處于一定空間運動狀態的電子在原子核外空間的概率密度分布的形象化描述
圖中密集的小點只是說明氫原子核外的一個電子在核外空間的一種運動狀態，并不代表有這么多個電子在核外的運動情況。
特別提醒
量子力學指出，一定空間運動狀態的電子并不在玻爾假定的線性軌道上運行，而在核外空間各處都可能出現，但出現的概率不同，可以算出它們的概率密度分布。
P表示電子在某處出現的概率
V表示該處的體積
概率密度：ρ=
概率密度
資料在線
使用電子云輪廓圖
電子云圖很難繪制,使用不方便
把電子出現概率90%空間圈出來
電子云輪廓圖
電子云
球形
x
y
z
氫原子核外電子的電子云呈球形對稱
s電子云
2.1 電子云
電子云和原子軌道
2
01
概念
處于一定空間運動狀態的電子在原子核外空間的概率密度分布的形象化描述
02
類型和形狀
s 電子云
球形
無方向
同一原子的s電子的電子云輪廓圖
感受﹒ 理解
①不同電子層s電子的電子云形狀一致，均為球形。
原因：由于電子能量依次增高，電子在離核更遠的區域出現的概率增大，電子云越來越向更大的空間擴展
你能發現什么規律？
②電子層越高，s電子的電子云半徑越大。
p電子云
電子云
s電子云
球形
啞鈴形或紡錘形
2.1 電子云
電子云和原子軌道
2
01
概念
處于一定空間運動狀態的電子在原子核外空間的概率密度分布的形象化描述
02
類型和形狀
s 電子云
球形
無方向
p 電子云
紡錘形
啞鈴狀
有3種伸展方向
d 電子云
有5種伸展方向
有7種伸展方法
f 電子云
歸納與整理
原子軌道
只有1個軌道
電子在原子核外的一個空間運動狀態
2.2 原子軌道
電子在原子核外的一個空間運動狀態
電子云和原子軌道
2
01
概念
02
類型、形狀、數目
軌道類型 s
軌道形狀 球形
軌道數目
1
　　觀察氫原子1s電子的電子云示意圖，判斷下列說法正確的是
A．一個小點表示1個自由運動的電子
B．s原子軌道的電子云形狀為圓形
C．電子在s原子軌道上運動就像地球圍繞太陽旋轉
D．s原子軌道電子云小點的疏密表示電子在某一位置出現概率的大小
牛刀小試
解析:圖中的小點不表示電子，只表示電子在此位置出現概率的大小。
你學會了嗎？
下面左圖和右圖分別是1s電子的概率密度分布圖和原子軌道圖。下列有關說法正確的是
A．圖1中的每個小點表示1個電子
B．圖2 表示s電子只能在球體內出現
C．圖2表明s軌道呈球形，有無數對稱軸
D．圖1中的小點表示電子在核外所處的位置
圖1
圖2
圖1和圖2分別是1s電子的概率密度分布圖和原子軌道圖。下列有關認識正確的是
A．圖1中的每個小黑點表示1個電子
B．圖2表示1s電子只能在球體內出現
C．圖2表明1s軌道呈圓形，有無數對稱軸
D．圖1中小黑點的疏密表示某一時刻電子在核外出現概率的大小
答案:D
解析:圖2只是表示電子在該區域出現的概率較大,在此之外也能出現,不過概率很小,B錯誤;1s軌道在空間呈球形而不是圓形,C錯誤。
牛刀小試
p電子的原子軌道呈啞鈴狀
p電子的三個原子軌道，它們互相垂直
分別以px、py、pz表示
同一電子層中px、py、pz的能量相同
p原子軌道
2.2 原子軌道
電子在原子核外的一個空間運動狀態
電子云和原子軌道
2
01
概念
02
類型、形狀、數目
軌道類型 s
軌道形狀 球形
軌道數目
1
p
紡錘形
3
解析:電子云是表示電子在一定區域內出現概率大小的圖形,它并不是電子運動的實際軌跡,故C錯;s軌道是球形對稱的,s電子的電子云是球形對稱的,故B對;觀察該圖可知A對;該p軌道為啞鈴形,D正確。
如圖是pz原子軌道電子云形狀的示意圖，請觀察圖示并判斷下列說法中不正確的是
A．pz軌道上的電子在空間出現的概率分布是z軸對稱
B．s電子的電子云形狀是球形對稱的
C．電子先沿z軸正半軸運動，然后再沿負半軸運動
D．pz原子軌道形狀為啞鈴形
請你試一試
p 軌道
d 軌道
f 軌道
3個軌道
5個軌道
7個軌道
2.2 原子軌道
電子在原子核外的一個空間運動狀態
電子云和原子軌道
2
01
概念
02
類型、形狀、數目
軌道類型 s
軌道形狀 球形 —— ——
軌道數目
1
p
紡錘形
3
d
5
f
7
下列各表示式中軌道數最多的是
A．S
B．p
C．d
D．f
看誰做得既準又快
如圖是s能級和p能級的原子軌道圖，下列說法正確的是
A．s和p的原子軌道形狀相同
B．每個p都有6個原子軌道
C．s能級的原子軌道半徑與電子層數有關
D． 同一電子層p的原子軌道能量不相等
【解析】s軌道為球形，p軌道為啞鈴狀的，A項錯誤；每個p能級只有3個原子軌道，B項錯誤；電子層序數越小，s能級的原子軌道半徑越小，C項正確；同層的p原子軌道能量相同，D項錯誤。
牛刀小試
焰火
霓虹燈光
激光
激光
與電子躍遷有關的現象
身邊的化學
04
研究原子結構的方法——原子光譜
基態原子吸收能量，它的電子會躍遷到較高軌道，變成激發態原子
K
L
M
處于最低能量狀態的原子
K
L
M
能量
基態原子
激發態原子
資料在線
K
L
M
K
L
M
穩定
不穩定
吸收能量
電子躍遷
能量
資料在線
3.1 基態與激發態
基態與激發態 原子光譜
3
基態原子
激發態原子
處于最低能量狀態的原子
基態原子的電子吸收能量后電子會躍遷到較高的電子層，變為激發態原子
穩定
不穩定
吸收光子
光(輻射)是電子釋放能量的重要形式之一
吸收光譜
放出光子
發射光譜
3.2 原子光譜
基態與激發態 原子光譜
3
不同元素的原子的核外電子發生躍遷時會吸收或釋放不同頻率的光，可以用光譜儀攝取各種元素的原子的吸收光譜或發射光譜，總稱為原子光譜
光譜分析儀
鋰、氦、汞的發射光譜
鋰、氦、汞的吸收光譜
特征：暗背景，彩色亮線，線狀不連續
特征：亮背景，暗線，線狀不連續
3.3 光譜分析
基態與激發態 原子光譜
3
在現代化學中，常利用原子光譜上的特征譜線來鑒定元素，稱為光譜分析
原子發射光譜儀
原子吸收光譜儀
3.3 光譜分析應用
基態與激發態 原子光譜
3
發現新元素
1868年
1861年
1860年
檢測元素
檢測含量
光譜分析儀
原子核外電子是分層排布的。
研究原子結構的方法——原子光譜
表示方法——原子結構示意圖
Na
不同的電子層，其能量是不同的
K
L
M
能層
03
如何描述原子核外電子的排布？
能層與能級
3.1 能層
能層與能級
3
能層 一 二 三 四 五 六 七 ……
符號 K L M N N O P ……
交流討論
原子核外電子的排布表示
原子結構示意圖
Na原子第二層上的8個電子的能量是否一樣？
Na
在多電子的原子中，同一能層的電子，能量也可能不同，據此把它們分為能級。
問題探究
能級
任一能層的能級數等于該能層的序數
K L M N
能層
+
原子核
1s
2s
2p
3s
3p
2
6
3d
4s
4p
2
6
4d
2
6
4f
依次用ns、np、nd、nf等表示
問題探究
能層
1s
2s
2p
3s
3p
2
6
3d
4s
4p
2
6
4d
2
6
4f
K
L
M
N
K層
L層
M層
N層
在多電子的原子中，同一能層的電子，能量也可能不同，據此將其分為能級。
能層
能量越來越高
L層
N層
M層
能級
同一能層各能級能量越來越高
能層是樓層
能級是樓層的階梯
3.2 能級
能層與能級
3
（電子亞層）
能層 K L M N 能級
s
1
s
p
2
2
s
p
d
3
3
3
s
p
d
f
4
4
4
4
各能級的能量關系
1
同能層不同能級：ns＜np＜nd＜nf
2
同能級不同能層：1s＜2s＜3s＜4s
3
同能層和同能級：2px＝2py＝2pz
解析:M能層包含3s、3p、3d三個能級。
下列能級不屬于M能層的是
A. 3s
B. 4s
C. 3p
D. 3d
看誰做得既準又快
下列能級符號錯誤的是
A. 6s
B. 3d
C. 3f
D. 5p
看我七十二變
以下各能層不包含p能級的是
A. N
B. M
C. L
D. K
看誰做得既準又快
下列能級符號正確的是
A. 3f
B. 2d
C. 4s
D. 2f
看我七十二變
下列能層中，包含f能級的是
A. K
B. L
C. M
D. N
看誰做得既準又快
若n＝3，以下能級符號錯誤的是
A. np
B. nf
C. nd
D. ns
看誰做得既準又快
03
如何描述原子核外電子的排布？
核外電子描述
4
能層
(電子層)
能級
(電子亞層)
交流討論
原子核外電子的排布表示
原子結構示意圖
P
電子式
P
1s
3s 3p
K
L
M
2s 2p
3p有三個軌道，3個電子如何排列？
2
2
3
核外電子描述
4
能層
(電子層)
能級
(電子亞層)
原子軌道
(電子云伸展方向)
x
p
3
y
p
3
z
p
3
交流討論
原子核外電子的排布表示
原子結構示意圖
P
電子式
P
1s
3s 3p
K
L
M
2s 2p
2
1s原子軌道有兩個電子，那么這兩個電子的運動狀態有什么差異呢？
資料在線
塞曼效應
1896年，荷蘭物理學家塞曼使用半徑10英尺的凹形羅蘭光柵觀察磁場中的鈉火焰的光譜，他發現鈉的D譜線似乎出現了加寬的現象。這種加寬現象實際是譜線發生了分裂。譜線分裂成間隔相等的3條譜線。
1897年12月，普雷斯頓報告稱，在很多實驗中觀察到光譜線有時并非分裂成3條，間隔也不盡相同，人們把這種現象叫做為反常塞曼效應。
反常塞曼效應的機制在其后二十余年時間里一直沒能得到很好的解釋，困擾了一大批物理學家。
資料在線
電子自旋
1925年，兩個物理研究生，竟然搞出了電子自旋的概念，認為契合了天才泡利的預測，于是就整出了1頁的論文。沒想到的是，這個理論竟然違背了愛因斯坦相對論，其速度居然達到了光速10倍，偏偏還是對的！
他們分別叫，烏侖貝克和古德斯密特。
拍攝時間約為 1928 年
1925年，兩名荷蘭學生烏侖貝克和古德斯密特提出了電子自旋假設，很好地解釋了反常塞曼效應。
物理史上最囂張的論文——1頁
烏倫貝克
古德斯米特
資料在線
電子自旋
電子除了空間運動狀態外，還存在一種運動狀態叫自旋
電子自旋在空間有順時針和逆時針兩種取向，簡稱自旋相反，常用上下箭頭(“↑”“↓”)表示自旋相反的電子。
電子自旋在空間有順時針和逆時針兩種取向，簡稱自旋相反，常用上下箭頭( “↑”“↓” )表示自旋相反的電子。
電子自旋
1925 年，泡利正式提出，在一個原子軌道里，最多只能容納2個電子，它們的自旋相反，這個原理被稱為泡利原理(泡利不相容原理)。
核外電子描述
4
能層
(電子層)
能級
(電子亞層)
原子軌道
(電子云伸展方向)
電子自旋
電子能量與能層、能級有關
電子運動的空間范圍與原子軌道有關
這節課我學到了什么？
（用一句話表示）
還有什么疑問？
課堂小結
原子結構模型的演變
1803
道爾頓
原子學說
1904
湯姆生
葡萄干面包
1911
盧瑟福
核式原子模型
1913
玻 爾
電子分層排布模型
1926
電子云模型
歷史的腳步 銘記這一刻
處于一定空間運動狀態的電子在原子核外空間的概率密度分布的形象化描述
電子云
s能級和p能級的原子軌道的對比
能級 s p
軌道圖形
軌道形狀 球形 啞鈴形
軌道數目 1 3(空間相互垂直)
最多容納電子數 2 6
相同點 ①均以原子核為對稱中心 ②原子軌道的平均半徑分別隨能層數增大而增大,且同種能級符號的原子軌道形狀相似 圖1和圖2分別是1s電子的概率密度分布圖和原子軌道圖。下列有關認識正確的是
A. 圖1中的每個小黑點表示1個電子
B. 圖2表示1s電子只能在球體內出現
C. 圖2表明1s軌道呈圓形，有無數對稱軸
D. 圖1中小黑點的疏密表示某一時刻電子在核外出現概率的大小
解析:圖2只是表示電子在該區域出現的概率較大,在此之外也能出現,不過概率很小,B錯誤;1s軌道在空間呈球形而不是圓形,C錯誤。
看誰做得既準又快
核外電子四描述
能層
能級
原子軌道伸展方向
電子的自旋
1．任何能層均含有s能級，但不是任何能層均含有p、d、f能級。
易錯警示
能層與能級的認識誤區
　　2．能層就是電子層，各能層具有的能級數等于能層序數，例如：K層只有1s能級；L層有2s、2p兩個能級等
　　 3．從第3能層(M層)開始出現d能級，且3d能級的能量大于4s能級。
能層中各能級之間能量大小關系
不同能層中不同能級的能量高低順序
1s
2s
2p
3s
3p
4s
3d
4p
相同能層
相同能級
不同能級
不同能層
ns1s<2s<3s<4s
2px＝2py＝2pz
構造原理排序
能層 能級 原子軌道數 原子軌道符號 電子云輪廓圖 形狀 取向
K 1s ——
L 2s ——
2p
M 3s ——
3p
3d —— —— ——
1 1s 球形
1 2s 球形
3 2px、2py、2pz 啞鈴形 相互垂直
1 3s 球形
3 3px、3py、3pz 啞鈴形 相互垂直
5
原子軌道
各電子層包含的原子軌道類型及數目
電子層 原子軌道類型 原子軌道數目
1
2
3
4
n ——
1s
1
2s 2p
4
3s 3p 3d
9
4s 4p 4d 4f
16
n2
看誰做得既準又快
正誤判斷
1．電子的運動與行星相似，圍繞原子核在固定軌道上高速旋轉
2． 1s電子云示意圖中一個小點表示一個自由運動的電子
3．從空間角度看，2s軌道比1s軌道大，其空間包含了1s軌道
4． 2p、3p、4p能級的軌道數依次增多
5． 2px、2py、2pz軌道相互垂直，但能量相等
符合3px所代表的含義是
A．px軌道上有3個電子
B．第三電子層Px軌道有3個伸展方向
C．px電子云有3個伸展方向
D．第三電子層沿x軸方向伸展的p軌道
看誰做得既準又快
下列說法正確的是
A. 不同的原子軌道形狀一定不相同
B. p軌道呈啞鈴形，因此p軌道上的電子運動軌跡呈啞鈴形
C. 2p能級有3個p軌道
D. 氫原子的電子運動軌跡呈球形
考考你自己
原子核外電子運動與宏觀物質不同
從四個方面來描述電子的運動
牢記電子填充的構造原理

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