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(共88张PPT)
一个新的科学真理会胜出，通常不是因为说服了反对者，敦促他们了解新知，而是因为反对者死掉了，新的一代成长起来。
——玻尔
量子力学的发展
1927年 第五届索尔维会议
19世纪末，经典力学和经典电动力学在描述微观系统时的不足越来越明显。量子力学是在20世纪初由马克斯·普朗克、尼尔斯·玻尔、沃纳·海森堡、埃尔温·薛定谔、沃尔夫冈·泡利、路易·德布罗意、马克斯·玻恩、恩里科·费米、保罗·狄拉克、阿尔伯特·爱因斯坦、康普顿等一大批物理学家共同创立的。
对于原子科学家最感兴趣的是——
原子核外的电子是如何运动的？
原子核外的电子是如何排布的？
原子结构模型
原子核外电子运动状态的描述
01
02
03
04
学习目标
原子探究史
知道有关科学家在不同时期的贡献
电子云、原子轨道
电子云概念
原子轨道类型
原子光谱
发射光谱
吸收光谱
能层、能级
电子处于不同能层
同一能层有不同能级
01
开天辟地——原子的诞生
基于实验证据建构和优化模型
科学家根据实验事实，经过分析和推理，提出原子结构模型；再根据新的实验事实对提出的原子结构模型进行修正，进而提出新的原子结构模型。依据一系列的实验事实，科学家对模型不断进行优化，直至形成更符合原型特点的模型。
学法指导
葡萄干面包模型
1897年，汤姆生在原子内部发现了电子，人们终于抛弃了原子不可分割的陈旧观念。
1911年，卢瑟福通过精密的实验证明在原子中心有一个极小的核，电子绕核做高速旋转。
核式模型
1904年
1911年
构成物质的最小粒子是原子，原子是不可再分的实心球体。
实心球模型
1803年
18世纪末，随着工业革命的发展，对物质化学成分和化学反应过程的研究需要深入到物质结构领域
人类认识原子的历史是漫长的，也是无止境的。
氢原子光谱与原子结构模型
化学史话
氢原子是最简单的原子。若在真空放电管中充入少量氢气，通过高压放电，能发出不同波长的光，利用三棱镜可观察到不连续的线状光谱。
1885年，瑞士的一位中学教师巴尔末(J.J.Balmer)在研究氢原子的可见光谱谱线时发现，氢原子的可见光谱谱线的波长符合一定规律，他将其归纳为一个数学公式。然而，当时谁也无法解释氢原子光谱谱线的特征。
研究原子结构的方法——原子光谱
1913年
电子分层排布模型
丹麦科学家
玻尔
研究了氢原子的光谱后，根据量子力学的观点，大胆突破 传统思想的束缚，提出了新的原子结构模型
(1)原子核外电子在一系列稳定的轨道上运动，这些轨道称为原子轨道。核外电子在原子轨道上运动时，既不放出能量，也不吸收能量。
(2)不同的原子轨道具有不同的能量，原子轨道的能量变化是不连续的。
(3)原子核外电子可以在能量不同的轨道上发生跃迁。
获得了1922年的诺贝尔物理学奖
资料在线
原子结构模型
1
1803年
道尔顿
实心球模型
1904年
汤姆孙
葡萄干面包模型
1911年
卢瑟福
核式模型
1913年
波尔
电子分层排布模型
1926～1935年
薛定谔
现代电子云模型
宏观物体的运动轨迹
电子的运动轨迹是什么样子？
02
如何描述原子核外电子的运动？
核外电子的运动
宏观物体 电子
质量 很大
速度 较慢
空间 大
轨迹 可描述 （画图或函数描述）
核外电子运动有何特点
问题探究
很小
很快(接近光速)
极小
不可确定
德国物理学家、量子力学的创立者海森堡
1927年发表著名的海森堡测不准原理
1932年获诺贝尔物理学奖
无法同时精确测量某个电子在某一时刻的位置和速率。
1926年奥地利物理学家薛定谔提出：可以用一个数学方程描述核外电子的运动状态，为近代量子力学奠定了理论基础。
核外电子的运动特点
量子力学指出：一定空间运动状态的电子并不在玻尔假设的线性轨道上运动，而是在核外空间各处都可以出现，只是出现的概率不同。
薛定谔方程
1926～1935年
现代电子云模型
1926年，玻尔建立的线性轨道模型被量子力学推翻。
资料在线
问题探究
研究核外电子运动，你认为选什么原子
氢原子的五次瞬间照相
5 张照片 叠 印
100 张照片叠印
1 000 张照片叠印
用小黑点的疏密来表示
小黑点密处表示电子出现的概率密度大，小黑点疏处概率密度小
看上去好像一片带负电的云雾笼罩在原子核周围
电子云
2.1 电子云
电子云和原子轨道
2
01
概念
处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述
图中密集的小点只是说明氢原子核外的一个电子在核外空间的一种运动状态，并不代表有这么多个电子在核外的运动情况。
特别提醒
量子力学指出，一定空间运动状态的电子并不在玻尔假定的线性轨道上运行，而在核外空间各处都可能出现，但出现的概率不同，可以算出它们的概率密度分布。
P表示电子在某处出现的概率
V表示该处的体积
概率密度：ρ=
概率密度
资料在线
使用电子云轮廓图
电子云图很难绘制,使用不方便
把电子出现概率90%空间圈出来
电子云轮廓图
电子云
球形
x
y
z
氢原子核外电子的电子云呈球形对称
s电子云
2.1 电子云
电子云和原子轨道
2
01
概念
处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述
02
类型和形状
s 电子云
球形
无方向
同一原子的s电子的电子云轮廓图
感受﹒ 理解
①不同电子层s电子的电子云形状一致，均为球形。
原因：由于电子能量依次增高，电子在离核更远的区域出现的概率增大，电子云越来越向更大的空间扩展
你能发现什么规律？
②电子层越高，s电子的电子云半径越大。
p电子云
电子云
s电子云
球形
哑铃形或纺锤形
2.1 电子云
电子云和原子轨道
2
01
概念
处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述
02
类型和形状
s 电子云
球形
无方向
p 电子云
纺锤形
哑铃状
有3种伸展方向
d 电子云
有5种伸展方向
有7种伸展方法
f 电子云
归纳与整理
原子轨道
只有1个轨道
电子在原子核外的一个空间运动状态
2.2 原子轨道
电子在原子核外的一个空间运动状态
电子云和原子轨道
2
01
概念
02
类型、形状、数目
轨道类型 s
轨道形状 球形
轨道数目
1
　　观察氢原子1s电子的电子云示意图，判断下列说法正确的是
A．一个小点表示1个自由运动的电子
B．s原子轨道的电子云形状为圆形
C．电子在s原子轨道上运动就像地球围绕太阳旋转
D．s原子轨道电子云小点的疏密表示电子在某一位置出现概率的大小
牛刀小试
解析:图中的小点不表示电子，只表示电子在此位置出现概率的大小。
你学会了吗？
下面左图和右图分别是1s电子的概率密度分布图和原子轨道图。下列有关说法正确的是
A．图1中的每个小点表示1个电子
B．图2 表示s电子只能在球体内出现
C．图2表明s轨道呈球形，有无数对称轴
D．图1中的小点表示电子在核外所处的位置
图1
图2
图1和图2分别是1s电子的概率密度分布图和原子轨道图。下列有关认识正确的是
A．图1中的每个小黑点表示1个电子
B．图2表示1s电子只能在球体内出现
C．图2表明1s轨道呈圆形，有无数对称轴
D．图1中小黑点的疏密表示某一时刻电子在核外出现概率的大小
答案:D
解析:图2只是表示电子在该区域出现的概率较大,在此之外也能出现,不过概率很小,B错误;1s轨道在空间呈球形而不是圆形,C错误。
牛刀小试
p电子的原子轨道呈哑铃状
p电子的三个原子轨道，它们互相垂直
分别以px、py、pz表示
同一电子层中px、py、pz的能量相同
p原子轨道
2.2 原子轨道
电子在原子核外的一个空间运动状态
电子云和原子轨道
2
01
概念
02
类型、形状、数目
轨道类型 s
轨道形状 球形
轨道数目
1
p
纺锤形
3
解析:电子云是表示电子在一定区域内出现概率大小的图形,它并不是电子运动的实际轨迹,故C错;s轨道是球形对称的,s电子的电子云是球形对称的,故B对;观察该图可知A对;该p轨道为哑铃形,D正确。
如图是pz原子轨道电子云形状的示意图，请观察图示并判断下列说法中不正确的是
A．pz轨道上的电子在空间出现的概率分布是z轴对称
B．s电子的电子云形状是球形对称的
C．电子先沿z轴正半轴运动，然后再沿负半轴运动
D．pz原子轨道形状为哑铃形
请你试一试
p 轨道
d 轨道
f 轨道
3个轨道
5个轨道
7个轨道
2.2 原子轨道
电子在原子核外的一个空间运动状态
电子云和原子轨道
2
01
概念
02
类型、形状、数目
轨道类型 s
轨道形状 球形 —— ——
轨道数目
1
p
纺锤形
3
d
5
f
7
下列各表示式中轨道数最多的是
A．S
B．p
C．d
D．f
看谁做得既准又快
如图是s能级和p能级的原子轨道图，下列说法正确的是
A．s和p的原子轨道形状相同
B．每个p都有6个原子轨道
C．s能级的原子轨道半径与电子层数有关
D． 同一电子层p的原子轨道能量不相等
【解析】s轨道为球形，p轨道为哑铃状的，A项错误；每个p能级只有3个原子轨道，B项错误；电子层序数越小，s能级的原子轨道半径越小，C项正确；同层的p原子轨道能量相同，D项错误。
牛刀小试
焰火
霓虹灯光
激光
激光
与电子跃迁有关的现象
身边的化学
04
研究原子结构的方法——原子光谱
基态原子吸收能量，它的电子会跃迁到较高轨道，变成激发态原子
K
L
M
处于最低能量状态的原子
K
L
M
能量
基态原子
激发态原子
资料在线
K
L
M
K
L
M
稳定
不稳定
吸收能量
电子跃迁
能量
资料在线
3.1 基态与激发态
基态与激发态 原子光谱
3
基态原子
激发态原子
处于最低能量状态的原子
基态原子的电子吸收能量后电子会跃迁到较高的电子层，变为激发态原子
稳定
不稳定
吸收光子
光(辐射)是电子释放能量的重要形式之一
吸收光谱
放出光子
发射光谱
3.2 原子光谱
基态与激发态 原子光谱
3
不同元素的原子的核外电子发生跃迁时会吸收或释放不同频率的光，可以用光谱仪摄取各种元素的原子的吸收光谱或发射光谱，总称为原子光谱
光谱分析仪
锂、氦、汞的发射光谱
锂、氦、汞的吸收光谱
特征：暗背景，彩色亮线，线状不连续
特征：亮背景，暗线，线状不连续
3.3 光谱分析
基态与激发态 原子光谱
3
在现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析
原子发射光谱仪
原子吸收光谱仪
3.3 光谱分析应用
基态与激发态 原子光谱
3
发现新元素
1868年
1861年
1860年
检测元素
检测含量
光谱分析仪
原子核外电子是分层排布的。
研究原子结构的方法——原子光谱
表示方法——原子结构示意图
Na
不同的电子层，其能量是不同的
K
L
M
能层
03
如何描述原子核外电子的排布？
能层与能级
3.1 能层
能层与能级
3
能层 一 二 三 四 五 六 七 ……
符号 K L M N N O P ……
交流讨论
原子核外电子的排布表示
原子结构示意图
Na原子第二层上的8个电子的能量是否一样？
Na
在多电子的原子中，同一能层的电子，能量也可能不同，据此把它们分为能级。
问题探究
能级
任一能层的能级数等于该能层的序数
K L M N
能层
+
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
问题探究
能层
1s
2s
2p
3s
3p
2
6
3d
4s
4p
2
6
4d
2
6
4f
K
L
M
N
K层
L层
M层
N层
在多电子的原子中，同一能层的电子，能量也可能不同，据此将其分为能级。
能层
能量越来越高
L层
N层
M层
能级
同一能层各能级能量越来越高
能层是楼层
能级是楼层的阶梯
3.2 能级
能层与能级
3
（电子亚层）
能层 K L M N 能级
s
1
s
p
2
2
s
p
d
3
3
3
s
p
d
f
4
4
4
4
各能级的能量关系
1
同能层不同能级：ns＜np＜nd＜nf
2
同能级不同能层：1s＜2s＜3s＜4s
3
同能层和同能级：2px＝2py＝2pz
解析:M能层包含3s、3p、3d三个能级。
下列能级不属于M能层的是
A. 3s
B. 4s
C. 3p
D. 3d
看谁做得既准又快
下列能级符号错误的是
A. 6s
B. 3d
C. 3f
D. 5p
看我七十二变
以下各能层不包含p能级的是
A. N
B. M
C. L
D. K
看谁做得既准又快
下列能级符号正确的是
A. 3f
B. 2d
C. 4s
D. 2f
看我七十二变
下列能层中，包含f能级的是
A. K
B. L
C. M
D. N
看谁做得既准又快
若n＝3，以下能级符号错误的是
A. np
B. nf
C. nd
D. ns
看谁做得既准又快
03
如何描述原子核外电子的排布？
核外电子描述
4
能层
(电子层)
能级
(电子亚层)
交流讨论
原子核外电子的排布表示
原子结构示意图
P
电子式
P
1s
3s 3p
K
L
M
2s 2p
3p有三个轨道，3个电子如何排列？
2
2
3
核外电子描述
4
能层
(电子层)
能级
(电子亚层)
原子轨道
(电子云伸展方向)
x
p
3
y
p
3
z
p
3
交流讨论
原子核外电子的排布表示
原子结构示意图
P
电子式
P
1s
3s 3p
K
L
M
2s 2p
2
1s原子轨道有两个电子，那么这两个电子的运动状态有什么差异呢？
资料在线
塞曼效应
1896年，荷兰物理学家塞曼使用半径10英尺的凹形罗兰光栅观察磁场中的钠火焰的光谱，他发现钠的D谱线似乎出现了加宽的现象。这种加宽现象实际是谱线发生了分裂。谱线分裂成间隔相等的3条谱线。
1897年12月，普雷斯顿报告称，在很多实验中观察到光谱线有时并非分裂成3条，间隔也不尽相同，人们把这种现象叫做为反常塞曼效应。
反常塞曼效应的机制在其后二十余年时间里一直没能得到很好的解释，困扰了一大批物理学家。
资料在线
电子自旋
1925年，两个物理研究生，竟然搞出了电子自旋的概念，认为契合了天才泡利的预测，于是就整出了1页的论文。没想到的是，这个理论竟然违背了爱因斯坦相对论，其速度居然达到了光速10倍，偏偏还是对的！
他们分别叫，乌仑贝克和古德斯密特。
拍摄时间约为 1928 年
1925年，两名荷兰学生乌仑贝克和古德斯密特提出了电子自旋假设，很好地解释了反常塞曼效应。
物理史上最嚣张的论文——1页
乌伦贝克
古德斯米特
资料在线
电子自旋
电子除了空间运动状态外，还存在一种运动状态叫自旋
电子自旋在空间有顺时针和逆时针两种取向，简称自旋相反，常用上下箭头(“↑”“↓”)表示自旋相反的电子。
电子自旋在空间有顺时针和逆时针两种取向，简称自旋相反，常用上下箭头( “↑”“↓” )表示自旋相反的电子。
电子自旋
1925 年，泡利正式提出，在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，它们的自旋相反，这个原理被称为泡利原理(泡利不相容原理)。
核外电子描述
4
能层
(电子层)
能级
(电子亚层)
原子轨道
(电子云伸展方向)
电子自旋
电子能量与能层、能级有关
电子运动的空间范围与原子轨道有关
这节课我学到了什么？
（用一句话表示）
还有什么疑问？
课堂小结
原子结构模型的演变
1803
道尔顿
原子学说
1904
汤姆生
葡萄干面包
1911
卢瑟福
核式原子模型
1913
玻 尔
电子分层排布模型
1926
电子云模型
历史的脚步 铭记这一刻
处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述
电子云
s能级和p能级的原子轨道的对比
能级 s p
轨道图形
轨道形状 球形 哑铃形
轨道数目 1 3(空间相互垂直)
最多容纳电子数 2 6
相同点 ①均以原子核为对称中心 ②原子轨道的平均半径分别随能层数增大而增大,且同种能级符号的原子轨道形状相似 图1和图2分别是1s电子的概率密度分布图和原子轨道图。下列有关认识正确的是
A. 图1中的每个小黑点表示1个电子
B. 图2表示1s电子只能在球体内出现
C. 图2表明1s轨道呈圆形，有无数对称轴
D. 图1中小黑点的疏密表示某一时刻电子在核外出现概率的大小
解析:图2只是表示电子在该区域出现的概率较大,在此之外也能出现,不过概率很小,B错误;1s轨道在空间呈球形而不是圆形,C错误。
看谁做得既准又快
核外电子四描述
能层
能级
原子轨道伸展方向
电子的自旋
1．任何能层均含有s能级，但不是任何能层均含有p、d、f能级。
易错警示
能层与能级的认识误区
　　2．能层就是电子层，各能层具有的能级数等于能层序数，例如：K层只有1s能级；L层有2s、2p两个能级等
　　 3．从第3能层(M层)开始出现d能级，且3d能级的能量大于4s能级。
能层中各能级之间能量大小关系
不同能层中不同能级的能量高低顺序
1s
2s
2p
3s
3p
4s
3d
4p
相同能层
相同能级
不同能级
不同能层
ns1s<2s<3s<4s
2px＝2py＝2pz
构造原理排序
能层 能级 原子轨道数 原子轨道符号 电子云轮廓图 形状 取向
K 1s ——
L 2s ——
2p
M 3s ——
3p
3d —— —— ——
1 1s 球形
1 2s 球形
3 2px、2py、2pz 哑铃形 相互垂直
1 3s 球形
3 3px、3py、3pz 哑铃形 相互垂直
5
原子轨道
各电子层包含的原子轨道类型及数目
电子层 原子轨道类型 原子轨道数目
1
2
3
4
n ——
1s
1
2s 2p
4
3s 3p 3d
9
4s 4p 4d 4f
16
n2
看谁做得既准又快
正误判断
1．电子的运动与行星相似，围绕原子核在固定轨道上高速旋转
2． 1s电子云示意图中一个小点表示一个自由运动的电子
3．从空间角度看，2s轨道比1s轨道大，其空间包含了1s轨道
4． 2p、3p、4p能级的轨道数依次增多
5． 2px、2py、2pz轨道相互垂直，但能量相等
符合3px所代表的含义是
A．px轨道上有3个电子
B．第三电子层Px轨道有3个伸展方向
C．px电子云有3个伸展方向
D．第三电子层沿x轴方向伸展的p轨道
看谁做得既准又快
下列说法正确的是
A. 不同的原子轨道形状一定不相同
B. p轨道呈哑铃形，因此p轨道上的电子运动轨迹呈哑铃形
C. 2p能级有3个p轨道
D. 氢原子的电子运动轨迹呈球形
考考你自己
原子核外电子运动与宏观物质不同
从四个方面来描述电子的运动
牢记电子填充的构造原理

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