材料科学基础有动画11原子结构课件.ppt

1.1 原子结构,一、物质的组成 一切物质都是由无数微粒（分子、原子或离子）按一定的方式聚集而成分子是能单独存在，且保持物质化学特性的一种微粒（体积、质量大小）,原子是化学变化中的最小微粒,二、原子的结构,原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的。原子作为一个整体，呈电中性？原子核内的中子呈电中性，质子带有正电荷。一个质子的正电荷正好与一个电子的负电荷电量相等，等于-e(1.6022x10-19 C)。,原子的结构（续）,原子的体积很小，直径约为10-10m数量级 原子核直径更小，仅为10-15m数量级 原子的质量恰主要集中在原子核内（每个质子和中子的质量大致为1.67X10-24g，而电子的质量约为9.11X10-28g，仅为质子的1/1836）经典的原子模型（带正电荷+Ze的原子核和Z个绕核旋转的电子组成）,Bohr atomic model,1879年 J.J Thomson 发现电子（electron),揭示了原子内部秘密1911年 英国E.Rutherford提出原子结构有核模型1913年 玻尔对此经典模型作了两点重要的修正（电子不能在任意半径的轨道上运动；角动量的量子化）不能解释电子衍射现象(波动力学（或量子力学）理论),三、原子的电子结构,电子云（电子在原子核外空间作高速旋转运动，就好像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围）,三、原子的电子结构,电子运动没有固定的轨道，但可根据电子的能量高低，用统计方法判断其在核外空间某一区域内出现的几率的大小（薛定谔方程(1926 年，奥地利物理学家)）。能量低的，通常在离核近的区域(壳层)运动；能量高的，通常在离核远的区域运动。,1、描述原子中一个电子的空间位置的四个量子数,（1）主量子数n 决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即电子所处的量子壳层 电子总能量的负值和n2成反比，即E-1/n2，n=1，2，（正整数）量子壳层可以用一个大写的英文字母表示，例如，n=1意味着最低能级量子壳层，命名为K壳层；相继的高能级用n=2，3，4等表示，依次命名为L、M、N壳层等,镁(原子序数12)原子结构中K,L和M量子壳层的电子分布状况,钠(原子序数为11)原子结构中K，L和M量子壳层的电子分布状况,壳层示意图,（2）轨道角动量量子数li,给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层）,与电子运动的角动量有关，取值为0，1，2n1,例如n2，就有两个轨道角动量量子数l20和l21，即L壳层中，根据电子能量差别，还包含有两个电子亚层,常用小写的英文字母来标注对应于轨道角动量量子数li的电子能级(亚层),在同一量子壳层里，亚层电子的能量是按s，p，d，f，g的次序递增的,（2）轨道角动量量子数li,电子云形状：s亚层的电子云是以原子核为中心的球状，p亚层的电子云是纺锤形,（3）磁量子数mi,给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数 每个li下的磁量子数的总数为2li+1 对于li2的情况，磁量子数为2x2+15，其值为-2，-l，0，+1，+2 磁量子数决定了电子云的空间取向(如果把在一定的量子壳层上具有一定的形状和伸展方向的电子云所占据的空间称为一个轨道，那么s，p，d，f四个亚层就分别有1，3，5，7个轨道),（4）自旋角量子数si,反映电子不同的自旋方向,si规定为+1/2和-1/2，反映电子顺时针和逆时针两种自旋方向，通常用“”和“”表示,2、多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循的三原则,能量最低原理 Pauli不相容原理 Hund规则,(1)能量最低原理,电子的排布总是尽可能使体系的能量最低 电子总是先占据能量最低的壳层，只有当这些壳层占满后，电子才依次进入能量较高的壳层，即核外电子排满了K层才排L层，排满了L层才排M层由里往外依次类推 在同一电子层中，电子则依次按s，p，d，f的次序排列,(2)Pauli不相容原理,在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，即不能有上述四个量子数都相同的两个原子。主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子。,(3)Hund规则,在同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同（原子的能量最低）。,碳、氮、氧原子的电子层排布,原子序数比较大时电子的排列,以原子序数为26的铁原子为例,理论电子结构,实际上铁原子的电子结构,未填满的3d能级使铁产生磁性行为,3、计算能级的经验公式：n+0.7l,元素的能级图,原子能级的实验测定,高速电子（粒子）轰击基态的自由原子击出外层电子（电离现象）击出内层电子（发出X光）发射可见光或X光 E1-E2=h,元素周期表中各原子的电子分布,(1)第一周期只有一个电子壳层，n=1，只有1s2一个状态，故第一周期只有两个原子，分别对应1s1（氢）和1s2（氦）(2)第二周期有两个电子壳层，n=2，可占据的电子状态为1s2,2s2,2p6，共可容纳2+2+6=10个电子，故包含从锂到氖的8个元素(3)第三周期有三个电子壳层，n=3，可占据的电子状态除n=2的壳层外，还有3s2,3p6,3d10，但从前面的能级图上知，E3dE4s，因此，第三壳层中不包括3d态。故第三周期可容纳的总电子数为18，只包含从钠到氩的8个元素(4)从第四周期起，是长周期,四、元素周期表,1、元素的定义 具有相同核电荷数的同一类原子为一种元素 2、元素周期律 元素的外层电子结构随着原子序数(核中带正电荷的质子数)的递增而呈周期性的变化规律称为元素周期律 3、元素周期表 元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反映了元素之间相互联系的规律，元素在周期表中的位置反映了那个元素的原子结构和一定的性质,元素周期表,4、元素周期表的作用,（1）原子半径、电离能、得失电子能力及金属性与非金属性（2）原子与其他元素化合的能力 元素性质、原子结构和该元素在周期表中的位置三者有着密切的关系。故可根据元素在周期表中的位置，推断它的原子结构和一定的性质；反之亦然,例题,1.何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？答案：在元素周期表中占据同一位置，尽管它们的质量不同，而它们的化学性质相同的物质称为同位素。由于各同位素的含中子量不同（质子数相同），故具有不同含量同位素的元素总的相对原子质量不为正整数。,例题,2.已知Si的相对原子质量为28.09，若100g的Si中有51010个电子能自由运动，试计算能自由运动的电子占价电子总数的比例为多少？,原子数,价电子数=4原子数=42.1441024=8.5761024个,能自由运动的电子占价电子总数的比例为,重点与难点,1.描述原子中电子的空间位置的四个量子数 2.核外电子排布遵循的原则 3.元素性质、原子结构和该元素在周期表中的位置三者之间的关系,