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第一章
第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu)
0
第3課時(shí)：電子云與原子軌道
19世紀(jì)末，經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)在描述微觀(guān)系統(tǒng)時(shí)的不足越來(lái)越明顯。量子力學(xué)是在20世紀(jì)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?qū)づ堇⒙芬住さ虏剂_意、馬克斯·玻恩、恩里科·費(fèi)米、保羅·狄拉克、阿爾伯特·愛(ài)因斯坦、康普頓等一大批物理學(xué)家共同創(chuàng)立的。
第一排：歐文·朗繆爾、馬克斯·普朗克、瑪麗·居里、亨得里克·洛侖茲、阿爾伯特·愛(ài)因斯坦、保羅·朗之萬(wàn)、Ch.
E. Guye、C.T.R.威爾遜、O.W.里查森
第二排：彼得·德拜、馬丁·努森、威廉·勞倫斯·布拉格、Hendrik Anthony
Kramers、保羅·狄拉克、亞瑟·康普頓、路易·德布羅意、馬克斯·波恩、尼爾斯·玻爾
第三排：奧古斯特·皮卡爾德、E. Henriot、保羅·埃倫費(fèi)斯特、Ed. Herzen、Théophile de
Donder、歐文·薛定諤、E. Verschaffelt、沃爾夫?qū)づ堇⑽旨{·海森堡、R.H.福勒、里昂·布里淵
1927年 第五屆索爾維會(huì)議
量子力學(xué)的發(fā)展
量子&量子化
一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)物理量是量子化的，并把最小單位稱(chēng)為量子。在物理學(xué)中常用到量子的概念，指一個(gè)不可分割的基本個(gè)體。例如：“光的量子”(光子)是一定頻率的光的基本能量單位。而延伸出的量子力學(xué)、量子光學(xué)等成為不同的專(zhuān)業(yè)研究領(lǐng)域。其基本概念為所有的有形性質(zhì)是“可量子化的”。“量子化”指其物理量的數(shù)值是離散的，而不是連續(xù)地任意取值。例如：在原子中，電子的能量是可量子化的，這決定了原子的穩(wěn)定性和發(fā)射光譜等一般問(wèn)題。
馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克
量子力學(xué)的發(fā)展
對(duì)于原子科學(xué)家最感興趣的是——
原子核外的電子是如何運(yùn)動(dòng)的？
原子核外的電子是如何排布的？
1913年
電子分層排布模型
丹麥科學(xué)家
玻爾
研究了氫原子的光譜后，根據(jù)量子力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)，大膽突破傳統(tǒng)思想的束縛，提出了新的原子結(jié)構(gòu)模型
(1)原子核外電子在一系列穩(wěn)定的軌道上運(yùn)動(dòng)，這些軌道稱(chēng)為原子軌道。核外電子在
原子軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(xù)的。
(3)原子核外電子可以在能量不同的軌道上發(fā)生躍遷。
獲得了1922年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
資料在線(xiàn)
宏觀(guān)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡
電子的運(yùn)動(dòng)軌跡是什么樣子？
核外電子的運(yùn)動(dòng)
宏觀(guān)物體 電子
質(zhì)量 很大
速度 較慢
空間 大
軌跡 可描述 （畫(huà)圖或函數(shù)描述）
核外電子運(yùn)動(dòng)有何特點(diǎn)
問(wèn)題探究
很小
很快(接近光速)
極小
不可確定
德國(guó)物理學(xué)家、量子力學(xué)的創(chuàng)立者海森堡
1920年發(fā)表著名的海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理
1932年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
無(wú)法同時(shí)精確測(cè)量某個(gè)電子在某一時(shí)刻的位置和速率
1926年奧地利物理學(xué)家薛定諤提出：可以用一個(gè)數(shù)學(xué)方程描述核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為近代量子力學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。
核外電子的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)
量子力學(xué)指出：一定空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子并不在玻爾假設(shè)的線(xiàn)性軌道上運(yùn)動(dòng)，而是在核外空間各處都可以出現(xiàn)，只是出現(xiàn)的概率不同。
薛定諤方程
1926～1935年
現(xiàn)代電子云模型
1926年，玻爾建立的線(xiàn)性軌道模型被量子力學(xué)推翻。
資料在線(xiàn)
2.氫原子的1s電子在原子核外出現(xiàn)的概率密度分布圖
小點(diǎn)不是電子本身，小點(diǎn)是1s電子在原子核外出現(xiàn)的概率密度的形象描述。
小黑點(diǎn)越密，表明概率密度越大。
1.概率密度
含義：用P表示電子在某處出現(xiàn)的概率，V表示該處的體積，則
稱(chēng)為概率密度，用ρ表示
一、電子云
由于核外電子的概率密度分布看起來(lái)像一片云霧，因而被形象地稱(chēng)作電子云
電子云圖難繪制
電子云輪廓圖
一、電子云
3.電子云
電子云是處于一定空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子在原子核外空間的概率密度
分布的形象化描述。不代表電子的運(yùn)動(dòng)軌跡。
電子云圖很難繪制，使用不便，我們常使用電子云輪廓圖。
(1)含義：
(2)電子云輪廓圖
①繪制電子云輪廓圖的目的：表示電子云輪廓的形狀，對(duì)核外電子的空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有一個(gè)形象化的簡(jiǎn)便描述。
②繪制電子云輪廓圖：把電子在原子核外空間出現(xiàn)概率P=90%的空間圈出來(lái)。
一、電子云
4. 電子云輪廓圖的特點(diǎn)和規(guī)律
(1)所有原子的任一能層的s電子的電子云輪廓圖都是一個(gè)球形，只是球的半徑不同。
(2)同一原子的能層越高，s電子云半徑越大。由于電子能量依次增高，電子在離核更遠(yuǎn)的區(qū)域出現(xiàn)的概率逐漸增大，電子云越來(lái)越向更大的空間擴(kuò)展。
(3)s電子云只有一種空間伸展方向。
(4)除s電子云外，其他電子云輪廓圖都不是球形的。
同一原子的s電子的電子云輪廓圖
①p電子云輪廓圖是啞鈴狀或紡錘形。能層序數(shù)越大，p電子云半徑越大。
②無(wú)論2p、3p還是4p…..都有3個(gè)相互垂直的電子云(3種空間伸展方向)，分別稱(chēng)為Px、Py、Pz，右下標(biāo)x、y、z分別是p電子云在直角坐標(biāo)系里的取向。
③同一能層中px、py、pz的能量相同。
y
x
z
y
x
z
y
x
z
Pz、Py、Px的電子云
④d電子云輪廓圖是花瓣形或雙啞鈴形，有5種空間伸展方向
ns原子軌道只有1個(gè)
nd原子軌道有5個(gè)
np原子軌道有3個(gè)
nf 原子軌道有7個(gè)
二、原子軌道
能層序數(shù)越大，原子軌道的半徑越大。
1s
2s
3s
4s
量子力學(xué)把電子在原子核外的一個(gè)空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱(chēng)為一個(gè)原子軌道
常用電子云輪廓圖的形狀和取向來(lái)表示原子軌道的形狀和取向。
各能級(jí)的一個(gè)伸展方向的電子云輪廓圖即表示一個(gè)原子軌道。
能層 能級(jí) 原子軌道數(shù) 原子軌道名稱(chēng) 原子軌道的形狀和取向 K 1s 1 1s 球形 ——
L 2s 1 2s 球形 ——
2p 3 2px、2py、2pz 啞鈴形 互相垂直
M 3s 1 3s 球形 ——
3p 3 3px、3py、3pz 啞鈴形 互相垂直
3d 5 …… …… ……
N 4s 1 4s 球形 ——
4p 3 4px、4py、4pz 啞鈴形 互相垂直
4d 5 …… …… …...
4f 7 …… …… ……
二、原子軌道
不同能層的能級(jí)、原子軌道數(shù)、原子軌道名稱(chēng)以及形狀和取向(P14)
原子軌道數(shù)與能層序數(shù)(n)的關(guān)系：原子軌道數(shù)目=n2
1.s能級(jí)和p能級(jí)的原子軌道存在哪些方面的差異？
提示　軌道圖形、形狀、數(shù)目、最多容納電子數(shù)等不同。
2.不同能層中的s軌道和p軌道電子云輪廓分別相同嗎？能量分別相同嗎？
提示　電子云輪廓相同(s軌道均為球形，p軌道均為啞鈴形)；能量不同(能層序數(shù)越大，能量越高)。
【思考與討論】
3.基態(tài)原子的核外電子填充在6個(gè)軌道的元素有幾種？填充在7個(gè)軌道中的元素有幾種？
提示　s、p能級(jí)分別有1、3個(gè)原子軌道，按照構(gòu)造原理，核外電子填充在6個(gè)軌道的元素為1s22s22p63s1(Na)和1s22s22p63s2(Mg)，共2種；填充在7個(gè)軌道中的元素只有1s22s22p63s23p1(Al)一種元素。
小結(jié)：原子軌道的特點(diǎn)
1.s原子軌道是球形的，p原子軌道是紡錘形的
2.能層序數(shù)n越大，原子軌道的半徑越大；
3.不同能層的同種能級(jí)的原子軌道形狀相似，只是半徑不同；相同能層的同種能級(jí)的原子軌道形狀相似，半徑相同，能量相同，方向不同
4. s能級(jí)只有1個(gè)原子軌道；p能級(jí)有3個(gè)原子軌道，互相垂直，可分別以px、py、pz表示，能量相等。如2px、2py、2pz軌道的能量相等。
5.原子軌道數(shù)與能層序數(shù)(n)的關(guān)系：原子軌道數(shù)目＝n2
第一節(jié)
原子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)
第3課時(shí)
電子云
原子軌道
概率密度分布圖
電子云圖
概念
形狀
各能級(jí)所含有原子軌道數(shù)目
表達(dá)公式
相同原子的s電子的電子云輪廓圖
px、py、pz的電子云輪廓圖
概念
含義
形狀：s電子云——球形，p電子云——啞鈴形
原子軌道與能層序數(shù)的關(guān)系
能層、能級(jí)和原子軌道之間的關(guān)系
課堂小結(jié)
1.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(guān)說(shuō)法正確的是( )
A.圖1中的每個(gè)小黑點(diǎn)表示1個(gè)電子
B.圖2表示1s電子只能在球體內(nèi)出現(xiàn)
C.圖2表明1s軌道呈球形，有無(wú)數(shù)對(duì)稱(chēng)軸
D.圖1中的小黑點(diǎn)表示電子在核外所處的位置
C
課堂練習(xí)
2.下列說(shuō)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(yùn)動(dòng)軌跡呈啞鈴形
C.2p能級(jí)有3個(gè)p軌道
D.氫原子的電子運(yùn)動(dòng)軌跡呈球形
C
3.下列說(shuō)法中正確的是( )
A.1s電子云呈球形，表示電子繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)
B.ns能級(jí)的原子軌道圖可表示為
C.3d3表示3d能級(jí)有3個(gè)軌道
D.電子云圖中的小黑點(diǎn)密度大，說(shuō)明該原子核外空間電子數(shù)目多
B
課堂練習(xí)
4.(1)可正確表示原子軌道的是_____(填字母)。
A.2s B.2d C.3p D.3f
AC
(2)如圖是s能級(jí)、p能級(jí)的原子軌道圖，試回答問(wèn)題：
①s能級(jí)的原子軌道呈____形，每個(gè)s能級(jí)有___個(gè)原子軌道；p能級(jí)的原子軌道分別相對(duì)于x、y、z軸_____，每個(gè)p能級(jí)有___個(gè)原子軌道。
②s能級(jí)原子軌道、p能級(jí)原子軌道的半徑與_________有關(guān)，________越大，原子軌道半徑越大。
球
1
對(duì)稱(chēng)
3
能層序數(shù)
能層序數(shù)
課堂練習(xí)
5.元素X的原子最外層電子排布式為nsnnpn＋1。試回答下列各題：
(1)電子排布式中的n＝____；原子中能量最高的是_________________電子，其電子云在空間有__________________方向，原子軌道呈現(xiàn)_____形。
(2)元素X的名稱(chēng)是____。
2
2p
三種互相垂直的伸展
啞鈴
氮
課堂小結(jié)

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