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原子結(jié)構(gòu)
第一章·第一節(jié)
第二課時
原子軌道
基態(tài)原子核外電子排布
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(xiàn)代電子云模型
原子結(jié)構(gòu)模型
宏觀物體的運動軌跡
電子的運動軌跡是什么樣子？
PART 01
電子云
原子軌道
核外電子的運動
宏觀物體 電子
質(zhì)量 很大
速度 較慢
空間 大
軌跡 可描述 （畫圖或函數(shù)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(xué)家、量子力學(xué)的創(chuàng)立者海森堡
1927年發(fā)表著名的海森堡測不準原理
1932年獲諾貝爾物理學(xué)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(xué)家薛定諤提出：可以用一個數(shù)學(xué)方程描述核外電子的運動狀態(tài)，為近代量子力學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。
核外電子的運動特點
量子力學(xué)指出：一定空間運動狀態(tài)的電子并不在玻爾假設(shè)的線性軌道上運動，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，玻爾建立的線性軌道模型被量子力學(xué)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(xiàn)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
概率密度 ρ =
電子在某處出現(xiàn)的概率
該處的體積
一定空間運動狀態(tài)的電子在核外空間各處都可能出現(xiàn)，但出現(xiàn)的 不同
概率
氫原子1s電子的
概率密度分布圖
電子云
小點越密，表明概率密度越大。
由于核外電子的 看起來像一片云霧，因而被形象地稱作電子云。
概率密度分布
為了表示電子云輪廓的形狀，對核外電子的 有一個形象化的簡便描述。把電子在原子核外空間出現(xiàn)概率P＝ 的空間圈出來，即電子云輪廓圖。
電子云輪廓圖：
電子云圖難繪制
電子云輪廓圖
空間運動狀態(tài)
90%
你能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？
同一原子的s電子的電子云輪廓圖
形 狀
s電子的原子軌道呈 形，能層序數(shù)越大，原子軌道的半徑越
球形
大
形 狀
除s電子云外，其他電子云輪廓圖都不是球形的。例如，p電子云輪廓圖是呈 狀的。
啞鈴
啞鈴形或紡錘形
形 狀
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
花瓣形
有7種伸展方法
f 電子云
這很難評啊……
原子軌道
(1)定義：量子力學(xué)把電子在原子核外的 稱為一個原子軌道。(2)各能級所含有原子軌道數(shù)目
一個空間運動狀態(tài)
能級符號 ns np nd nf
軌道數(shù)目 1 3 5 7
原子軌道與能層序數(shù)的關(guān)系
②s能級只有1個原子軌道。p能級有3個原子軌道，它們互相垂直，分別以px、py、pz表示。在同一能層中px、py、pz的能量相同。
①不同能層的同種能級的原子軌道形狀相同，只是半徑不同。能層序數(shù)n越大，原子軌道的半徑越大。如：
同一原子的s電子的電子云輪廓圖
【即學(xué)即練1】
1．以下關(guān)于原子核外電子的敘述正確的是A．在同一原子軌道上的不同電子的電子云是相同的
B．電子云的小黑點表示電子曾在該處出現(xiàn)過一次C．所有原子的電子云都是球形的
D．原子核外電子的運動無法作規(guī)律性描述
√
2．下列有關(guān)電子云和原子軌道的說法正確的是A．s、p、d能級所含原子軌道數(shù)分別為1，3，5B．s能級的原子軌道呈球形，處在該軌道上的電子只能在球殼內(nèi)運動C．p能級的原子軌道呈啞鈴形，隨著能層的增加，p能級原子軌道數(shù)也增多D．原子核外的電子像云霧一樣籠罩在原子核周圍，故稱電子云
√
3．下列說法正確的是A．原子核外的電子像云霧一樣籠罩在原子核周圍，故稱電子云B．s能級的電子云呈球形，處在該軌道上的電子只能在球殼內(nèi)運動C．p電子云輪廓圖呈啞鈴形，在空間有兩個伸展方向D．2s軌道與1s軌道都是球形，但2s軌道的球形半徑更大
√
PART 02
泡利原理
洪特規(guī)則
能量最低原理
1924年斯通納(E. Stoner)采用了元素特征X射線量子數(shù)的標記方法，對玻爾的殼層填充電子的方式重新排列。
在斯通納工作基礎(chǔ)上，1925年泡利(W. Pauli)發(fā)現(xiàn)了泡利不相容原理，在斯通納三個量子數(shù)基礎(chǔ)上引入了表述電子固有屬性的第四個量子數(shù)，而且預(yù)言了第四量子數(shù)只有兩個值。
泡利的預(yù)測
01
02
03
1918年中學(xué)畢業(yè)后就成為慕尼黑大學(xué)的研究生。 1921年以一篇關(guān)于氫分子模型的論文獲得博士學(xué)位。1922年在格丁根大學(xué)任M.玻恩的助教，結(jié)識了來該校講學(xué)的N.玻爾。
學(xué)習(xí)
1923～1928年，在漢堡大學(xué)任講師；1928年到瑞士蘇黎世的聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)任理論物理學(xué)教授。1935年為躲避法西斯迫害而到美國，1940年受聘為普林斯頓高級研究院的理論物理學(xué)訪問教授。
工作
由于發(fā)現(xiàn)“不相容原理”(后稱泡利不相容原理)，獲得1945年諾貝爾物理學(xué)獎，時年25歲。
成就
化學(xué)趣史
1900-1958
1927年10月，第五屆索爾維會議，泡利是年齡最小的頂級科學(xué)家
第一則笑話是，因為有泡利效應(yīng)，大名鼎鼎的實驗物理學(xué)家施特恩一看到泡利要來，就會關(guān)上實驗室的大門。即便有問題要討論，他們也是隔著實驗室的門進行。
另一則笑話是，歐洲某著名的實驗物理學(xué)家正在做實驗，突然實驗數(shù)據(jù)毫無理由地出現(xiàn)異常，對此查不出任何原因。后來才發(fā)現(xiàn)，原來是那天泡利坐火車從鎮(zhèn)上經(jīng)過。
泡利發(fā)現(xiàn)了著名的“不相容原理”。有人說，生活中的泡利也是與他人“不相容的”。坊間甚至還流傳著一個所謂的“泡利效應(yīng)”（這可不是什么正規(guī)的物理效應(yīng)）
化學(xué)趣史
那就是：“只要泡利一進實驗室，實驗室的儀器設(shè)備一定非出毛病不可?！?br/>有兩則關(guān)于“泡利效應(yīng)”的笑話不妨在這里簡單敘述一下。
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(yù)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(xué)生烏侖貝克和古德斯密特提出了電子自旋假設(shè)。
物理史上最囂張的論文——1頁
烏倫貝克
古德斯米特
電子自旋與泡利原理
(1)自旋是微觀粒子普遍存在的一種如同電荷、質(zhì)量一樣的內(nèi)在屬性，電子自旋在空間有 和 兩種取向，簡稱自旋相反，常用上下箭頭(↑和↓)表示自旋相反的電子。
順時針
逆時針
(2)泡利原理（泡利不相容原理）：
在一個原子軌道里，最多只能容納 個電子，它們的自旋 。
電子自旋與泡利原理
2
相反
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)。
H
1s1
交流 研討
1s
電子排布式
軌道表示式
原子軌道
自旋狀態(tài)的電子
He
1s2
1s
1s
1s
電子排布的軌道表示式
在軌道表示式中，用方框(也可用圓圈)表示 ，能量相同的原子軌道(簡并軌道)的方框相連，箭頭表示一種自旋狀態(tài)的電子，“↑↓”稱 ，“↑”或“↓”稱 (或稱 )。
原子軌道
電子對
單電子
未成對電子
①用□或○代表一個原子軌道，能量相同的原子軌道(簡并軌道)要相連。
深化理解
2s
1s
2p
簡并軌道
不同能級中的□或○要相互分開，同一能級中的□或○要相互連接。
1s
2p
②整個電子排布圖中各能級的排列順序要與相應(yīng)的電子排布式一致。
1s 　　 2s2p 　　　　　 　 3s3p3d 　　　　　　　 　 4s4p
深化理解
1s
2s
2p
3s
3p
3d
4s
4p
③通常在方框下方或者上方標記能級符號，有時畫出的能級上下錯落，以表達能量高低不同。。
④箭頭表示一種自旋狀態(tài)的電子，一個箭頭表示一個電子，“↓↑”稱電子對，“↓”或“↑”表示單電子。
1s 2s 2p
B
電子對
單電子
未成對電子
表示方法：以鋁原子為例，軌道表示式中各符號、數(shù)字的意義為
Li
1s
↑↓
↑
2s
Be
1s
↑↓
↑↓
2s
B
1s
↑
↑↓
↑↓
2s
2p
請寫出Li、Be、B的軌道表示式。
1s22s22p63s1
Na
簡化電子排布式
原子結(jié)構(gòu)示意圖
電子排布式
價電子排布式
軌道排布式
[Ne]3s1
3s1
1s 2s 2p 3s
原子核外電子排布的多種表達方式
請寫出基態(tài)碳原子可能的軌道表示式。
② C
1s
↑↑
↑↓
↑↓
2s
2p
① C
1s
↑↓
↑↓
↑↓
2s
2p
2p
③ C
↑
1s
↑
↑↓
↑↓
2s
2p
④ C
↓
1s
↑
↑↓
↑↓
2s
√
【思考與討論】
這是為啥？
洪特規(guī)則
基態(tài)原子中，填入簡并軌道的電子總是先單獨分占，且自旋 。洪特規(guī)則不僅適用于基態(tài)原子，也適用于基態(tài)離子。
平行
2p
C
↑
1s
↑
↑↓
↑↓
2s
自旋平行：_________________________________
箭頭同向的單電子稱為自旋平行
洪特規(guī)則特例*
能量相同的簡并軌道在______、_____和_______條件時，體系能量較低，原子較穩(wěn)定。
全滿
半滿
全空
3d 4s
↑↓
Cr
↑
↑
↑
↑
3d 4s
↑
Cr
↑
↑
↑
↑
↑
只有一組全滿的簡并軌道
有兩組半滿的簡并軌道
半充滿狀態(tài)
√
洪特規(guī)則特例*
能量相同的簡并軌道在______、_____和_______條件時，體系能量較低，原子較穩(wěn)定。
全滿
半滿
全空
3d 4s
↑↓
↑
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
Cu
3d 4s
↑↓
↑↓
↑
↑↓
↑↓
↑↓
Cu
全充滿狀態(tài)
√
請寫出以下元素原子的軌道表示式。
1s
↑
↑↓
↑↓
↑
↑
2s
2p
N
1s
↑↓
↑↓
↑↓
↑
↑
2s
2p
O
1s
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑
2s
2p
F
能量最低原理
在構(gòu)建基態(tài)原子時，電子將盡可能地占據(jù)能量最低的原子軌道，使整個原子的能量最低。能級的能量高低順序如構(gòu)造原理所示。
能量越低越穩(wěn)定，這是自然界的一個普遍規(guī)律。
整個原子的能量由核電荷數(shù)、電子數(shù)和電子狀態(tài)三個因素共同決定
當相鄰能級能量差別不大時，有1～2個電子填入能量稍高的能級可能反而降低電子排斥能，進而使原子整體能量最低。例如：所有副族元素的基態(tài)原子。
總之，基態(tài)原子的核外電子排布遵循泡利原理、洪特規(guī)則和能量最低原理。
【即學(xué)即練2】
√
√
√
4．下列說法錯誤的是A．ns電子的能量不一定高于(n-1)p電子的能量B．基態(tài)C原子的電子排布式1s22s22p2C．電子排布式(21Sc)1s22s22p63s23p63d3違反了能量最低原理D．電子排布式(22Ti)1s22s22p63s23p10違反了泡利原理
√
√
加油干?。?！

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