第二炮兵工程学院本章讨论：
1,核外电子的运动特征及运动状态的描述
2,核外电子的分布规律和周期系
3,元素基本性质的周期性
4,金属材料
5,化学键,分子间力第二章 物质结构与材料的性质第二炮兵工程学院第二炮兵工程学院观察物质微观结构借助的仪器
1.电子显微镜直接观察
SEM,扫描电子显微镜； TEM,透射电子显微镜
STM,扫描隧道显微镜； SPM (扫描探针 ),
AFM (Atomic Force Microscope)
2.光谱实验第二炮兵工程学院第二炮兵工程学院
P47E10
P7LS
第二炮兵工程学院
AFM工作原理成像
z 向控制信号差分放大器
x,y 扫描信号发生器压电陶瓷扫描器样品悬臂位敏光电检测器参考信号探针信号
Don Eigler,1989
Ni+Xe-IBM
C的三维表面向金属表面注入的单个离子光栅表面条纹 原子中国
1993还用 Si写成
“中国”
“毛泽东 100”
DNA三维图光盘表面光盘表面
Fe on Cu(111)
Ni表面硬盘表面
Co on Pt Fe on Cu Xe on Ni
Pt(111) 铜第二炮兵工程学院电感耦合等离子体原子发射光谱仪
(ICP-AES)
原子发射光谱仪工作原理演示第二炮兵工程学院一、电子的运动特征
※ 到 20世纪初,卢瑟福根据 α 粒子 衍射现象 提出了
,含核的原子模型,；
※ 1913年波尔提出了核外电子分层排布的波尔理论；
※ 直到 20世纪 30年代，以微观粒子波粒二象性为基础发展起来的量子力学，才建立了比较符合 微观世界 实际的物质结构近代理论；
※ 测不准原理（原子核外电子运动的不确定性是指其所处位置和运动速度不能同时确定）。
※ 宇宙万物是由哪些基本物质构成的呢? 人类从上古时代起就开始了关于物质结构的探讨；
第二炮兵工程学院
（ 1）氢原子结构的近代概念氢原子光谱和玻尔理论连续光谱原子光谱
（线光谱）
氢原子光谱第二炮兵工程学院第二炮兵工程学院玻尔理论的 局限性
1.不能说明多电子原子的光谱，甚至不能说明氢光谱的精细结构。
2.它对能级的描述很能粗略，只有一个量子数。
3.更不能解释原子如何形成分子的化学健的本质。
这是因为波尔理论并未完全冲破经典力学理论的束缚，仍然把微观粒子 (电子 )在原子核外的运动视为太阳系模型那样沿着固定轨道绕核旋转。
第二炮兵工程学院
（ 2）微观粒子的波粒二象性
vm
h
p
h
光的波粒二象性：
cm
h
p
h
德布罗意关系式：
物质波
（德布罗意波）假设 电子等静止质量的微粒与光子都具有波粒二象性第二炮兵工程学院
1927年，美国物理学家戴维逊（ Davissn,C.J.） 和盖末
（ Germer,L.H.)通过电子衍射实验证实了德布罗意的假设。
electron diffraction
电子衍射实验证实了德布罗依的假设第二炮兵工程学院电子衍射实验电子束第二炮兵工程学院
（ 3）微观粒子的几率分布规率
—— 波恩的统计解释几率 统计方法第二炮兵工程学院原子核外电子的运动具有三大特征：
量子化 ——线光谱波粒二象性 ——物质波统计性 ——几率波第二炮兵工程学院二 原子轨道与电子云
1）几率密度 ψ 2
ψ 2∝ρ ρ —— 单位体积内电子出现的几率
∴ 波函数 ψ 2—— 表示电子在核外空间某点附近出现的几率密度
2）电子云第二炮兵工程学院
3）电子云的角度分布图
Ψ（ r,θ,φ) = R(r)?Y(θ,φ)
则 Ψ2（ r,θ,φ) = R2(r)? Y2(θ,φ)
R2(r)—— 电子云的径向部分
Y2(θ,φ)—— 电子云的角度部分电子云的角度分布图 —— Y2(θ,φ)的球坐标图
Ys=√1/4π Ys2=1/4π
（ 1） s电子云特点：球面对称分布，无方向性第二炮兵工程学院例 Pz电子云 Yp z = √3/4π?cosθ （ Ypz ） 2= 3/4π? cos2θ
（ 2） p电子云特点：
★ 相交于原点的两个橄榄型曲面
★ 无正负，
有极大值第二炮兵工程学院
4） 波函数
（ 1）薛定谔方程式简介
ψ——波函数（原子轨道）：
描述原子核外电子运动状态的一个数学函数式
E——体系的总能量 J
V——体系的势能 J
m——微粒的质量
h——普朗克常数
x,y,z——微粒的空间坐标
ψ —体现微粒的波动性
E,V,m——体现微粒性
各项的意义主量子数 n
角量子数 l
磁量子数 m
ψn,l,m（ r,θ,φ）
n = 1,2,3,4……… 正整数
l = 0,1,2,3…….,（ n-1）,共可取 n个值
m= 0，± 1，± 2，± 3……,± l 共可取 2l+1个值
（ 2）波函数（原子轨道）与三个量子数第二炮兵工程学院第二炮兵工程学院
n = 1 2 3
l = 0 0,1 0,1,2
m = 0 0,0,± 1 0,0,± 1,0,± 1,± 2
轨道名称 1s 2s 2p 3s 3p 3d
轨道数,1 1 3 1 3 5
1 4 9
5）
原子轨道名称
l = 0 1 2 3
s轨道 p轨道 d轨道 f轨道
m = 0 0,± 1 0,± 1,± 2 0,± 1,± 2,± 3
轨道数,1 3 5 7
第二炮兵工程学院原子轨道与波函数是同义词 ——描述电子运动状态的数学函数式应将原子轨道与宏观物体轨道的概念严格区分。
第二炮兵工程学院
Ψ（ r,θ,φ) = R(r)? Θ(θ)? Φ(φ)
令 Y(θ,φ) = Θ(θ)? Φ(φ)
则 Ψ（ r,θ,φ) = R(r)? Y(θ,φ)
R(r)—— 波函数的径向部分
Y(θ,φ)—— 波函数的角度部分波函数的角度分布图 —— Y(θ,φ)的球坐标图
（ 1） s轨道 l = 0 Y(θ,φ) = √1/4π
特点：球面无方向性
6）波函数（原子轨道）角度分布图第二炮兵工程学院以 2pz为例 Ypz = √3/4π? cosθ（ 2） p轨道第二炮兵工程学院三、量子数
1） 主量子数 n 一般 (精度不高 )原子光谱可以区分意义：描述电子离核的远近,决定电子层的划分,
决定电子能量高低的主要因素
n=1 2 3 4 5 -------
K L M N O
意义：描述同一电子层中不同能量状态的分层 ——电子亚层 表示原子轨道或电子云的形状 高精度光谱仪可以区分
l = 0 1 2 3 4 5------（ n-1）
s p d f g h
2）角量子数 l
第二炮兵工程学院
3） 磁量子数 m 外加磁场中,高精度谱仪可区分意义：描述原子轨道或电子云在空间的伸展方向 (即同亚层内角动量分量 )
m = 0 ± 1 ± 2 ± 3 -----± l
4） 自旋量子数 ms 很高精度谱仪 +外磁场可区分意义：描述电子的自旋运动特征 （ 即任何一对磁量子数的自旋状态 ）
ms = ± 1/2,↑↓,
n-n’ l – l’ m-m’ ms-ms’
第二炮兵工程学院用四个量子数表示核外电子运动状态第二炮兵工程学院知识要点,测不准原理；波粒二象性；波函数和原子轨道；
电子 组态；外电子排布原则及方法。
作业,P55练习题之 3,5题课后总结,测不准原理 （ 原子核外电子运动的不确定性是指其所处位置和运动速度不能同时确定 ） ；电子运动的特征：波粒二象性；波函数；原子轨道 （ 核外电子可能出现的空间范围而不是轨迹 ） ；四个量子数的符号和意义,
电子组态的意义；多电子原子能级次序和能级交错,核外电子排布原则及方法,原子核外电子排布式及原子和离子的外层电子排布式,确定未成对电子数 。
1,核外电子的运动特征及运动状态的描述
2,核外电子的分布规律和周期系
3,元素基本性质的周期性
4,金属材料
5,化学键,分子间力第二章 物质结构与材料的性质第二炮兵工程学院第二炮兵工程学院观察物质微观结构借助的仪器
1.电子显微镜直接观察
SEM,扫描电子显微镜； TEM,透射电子显微镜
STM,扫描隧道显微镜； SPM (扫描探针 ),
AFM (Atomic Force Microscope)
2.光谱实验第二炮兵工程学院第二炮兵工程学院
P47E10
P7LS
第二炮兵工程学院
AFM工作原理成像
z 向控制信号差分放大器
x,y 扫描信号发生器压电陶瓷扫描器样品悬臂位敏光电检测器参考信号探针信号
Don Eigler,1989
Ni+Xe-IBM
C的三维表面向金属表面注入的单个离子光栅表面条纹 原子中国
1993还用 Si写成
“中国”
“毛泽东 100”
DNA三维图光盘表面光盘表面
Fe on Cu(111)
Ni表面硬盘表面
Co on Pt Fe on Cu Xe on Ni
Pt(111) 铜第二炮兵工程学院电感耦合等离子体原子发射光谱仪
(ICP-AES)
原子发射光谱仪工作原理演示第二炮兵工程学院一、电子的运动特征
※ 到 20世纪初,卢瑟福根据 α 粒子 衍射现象 提出了
,含核的原子模型,；
※ 1913年波尔提出了核外电子分层排布的波尔理论；
※ 直到 20世纪 30年代，以微观粒子波粒二象性为基础发展起来的量子力学，才建立了比较符合 微观世界 实际的物质结构近代理论；
※ 测不准原理（原子核外电子运动的不确定性是指其所处位置和运动速度不能同时确定）。
※ 宇宙万物是由哪些基本物质构成的呢? 人类从上古时代起就开始了关于物质结构的探讨；
第二炮兵工程学院
（ 1）氢原子结构的近代概念氢原子光谱和玻尔理论连续光谱原子光谱
（线光谱）
氢原子光谱第二炮兵工程学院第二炮兵工程学院玻尔理论的 局限性
1.不能说明多电子原子的光谱，甚至不能说明氢光谱的精细结构。
2.它对能级的描述很能粗略，只有一个量子数。
3.更不能解释原子如何形成分子的化学健的本质。
这是因为波尔理论并未完全冲破经典力学理论的束缚，仍然把微观粒子 (电子 )在原子核外的运动视为太阳系模型那样沿着固定轨道绕核旋转。
第二炮兵工程学院
（ 2）微观粒子的波粒二象性
vm
h
p
h
光的波粒二象性：
cm
h
p
h
德布罗意关系式：
物质波
（德布罗意波）假设 电子等静止质量的微粒与光子都具有波粒二象性第二炮兵工程学院
1927年，美国物理学家戴维逊（ Davissn,C.J.） 和盖末
（ Germer,L.H.)通过电子衍射实验证实了德布罗意的假设。
electron diffraction
电子衍射实验证实了德布罗依的假设第二炮兵工程学院电子衍射实验电子束第二炮兵工程学院
（ 3）微观粒子的几率分布规率
—— 波恩的统计解释几率 统计方法第二炮兵工程学院原子核外电子的运动具有三大特征：
量子化 ——线光谱波粒二象性 ——物质波统计性 ——几率波第二炮兵工程学院二 原子轨道与电子云
1）几率密度 ψ 2
ψ 2∝ρ ρ —— 单位体积内电子出现的几率
∴ 波函数 ψ 2—— 表示电子在核外空间某点附近出现的几率密度
2）电子云第二炮兵工程学院
3）电子云的角度分布图
Ψ（ r,θ,φ) = R(r)?Y(θ,φ)
则 Ψ2（ r,θ,φ) = R2(r)? Y2(θ,φ)
R2(r)—— 电子云的径向部分
Y2(θ,φ)—— 电子云的角度部分电子云的角度分布图 —— Y2(θ,φ)的球坐标图
Ys=√1/4π Ys2=1/4π
（ 1） s电子云特点：球面对称分布，无方向性第二炮兵工程学院例 Pz电子云 Yp z = √3/4π?cosθ （ Ypz ） 2= 3/4π? cos2θ
（ 2） p电子云特点：
★ 相交于原点的两个橄榄型曲面
★ 无正负，
有极大值第二炮兵工程学院
4） 波函数
（ 1）薛定谔方程式简介
ψ——波函数（原子轨道）：
描述原子核外电子运动状态的一个数学函数式
E——体系的总能量 J
V——体系的势能 J
m——微粒的质量
h——普朗克常数
x,y,z——微粒的空间坐标
ψ —体现微粒的波动性
E,V,m——体现微粒性
各项的意义主量子数 n
角量子数 l
磁量子数 m
ψn,l,m（ r,θ,φ）
n = 1,2,3,4……… 正整数
l = 0,1,2,3…….,（ n-1）,共可取 n个值
m= 0，± 1，± 2，± 3……,± l 共可取 2l+1个值
（ 2）波函数（原子轨道）与三个量子数第二炮兵工程学院第二炮兵工程学院
n = 1 2 3
l = 0 0,1 0,1,2
m = 0 0,0,± 1 0,0,± 1,0,± 1,± 2
轨道名称 1s 2s 2p 3s 3p 3d
轨道数,1 1 3 1 3 5
1 4 9
5）
原子轨道名称
l = 0 1 2 3
s轨道 p轨道 d轨道 f轨道
m = 0 0,± 1 0,± 1,± 2 0,± 1,± 2,± 3
轨道数,1 3 5 7
第二炮兵工程学院原子轨道与波函数是同义词 ——描述电子运动状态的数学函数式应将原子轨道与宏观物体轨道的概念严格区分。
第二炮兵工程学院
Ψ（ r,θ,φ) = R(r)? Θ(θ)? Φ(φ)
令 Y(θ,φ) = Θ(θ)? Φ(φ)
则 Ψ（ r,θ,φ) = R(r)? Y(θ,φ)
R(r)—— 波函数的径向部分
Y(θ,φ)—— 波函数的角度部分波函数的角度分布图 —— Y(θ,φ)的球坐标图
（ 1） s轨道 l = 0 Y(θ,φ) = √1/4π
特点：球面无方向性
6）波函数（原子轨道）角度分布图第二炮兵工程学院以 2pz为例 Ypz = √3/4π? cosθ（ 2） p轨道第二炮兵工程学院三、量子数
1） 主量子数 n 一般 (精度不高 )原子光谱可以区分意义：描述电子离核的远近,决定电子层的划分,
决定电子能量高低的主要因素
n=1 2 3 4 5 -------
K L M N O
意义：描述同一电子层中不同能量状态的分层 ——电子亚层 表示原子轨道或电子云的形状 高精度光谱仪可以区分
l = 0 1 2 3 4 5------（ n-1）
s p d f g h
2）角量子数 l
第二炮兵工程学院
3） 磁量子数 m 外加磁场中,高精度谱仪可区分意义：描述原子轨道或电子云在空间的伸展方向 (即同亚层内角动量分量 )
m = 0 ± 1 ± 2 ± 3 -----± l
4） 自旋量子数 ms 很高精度谱仪 +外磁场可区分意义：描述电子的自旋运动特征 （ 即任何一对磁量子数的自旋状态 ）
ms = ± 1/2,↑↓,
n-n’ l – l’ m-m’ ms-ms’
第二炮兵工程学院用四个量子数表示核外电子运动状态第二炮兵工程学院知识要点,测不准原理；波粒二象性；波函数和原子轨道；
电子 组态；外电子排布原则及方法。
作业,P55练习题之 3,5题课后总结,测不准原理 （ 原子核外电子运动的不确定性是指其所处位置和运动速度不能同时确定 ） ；电子运动的特征：波粒二象性；波函数；原子轨道 （ 核外电子可能出现的空间范围而不是轨迹 ） ；四个量子数的符号和意义,
电子组态的意义；多电子原子能级次序和能级交错,核外电子排布原则及方法,原子核外电子排布式及原子和离子的外层电子排布式,确定未成对电子数 。
