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第1节 原子结构模型

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知识梳理

一、氢原子光谱和玻尔的原子结构模型 1.原子结构模型的发展

（1）公元前400多年，古希腊哲学家把构成物质的最小单位叫做______________。 （2）1803年，英国化学家道尔顿把原子这一哲学名词变为化学中具有确定意义的实在微粒，并建立了______________学说。

（3）1903年，汤姆逊在发现______________的基础上提出了原子结构的“______________”模型，开始涉及原子内部的结构。 （4）1911年，英国物理学家卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子结构的______________模型。

（5）1913年，丹麦科学家玻尔进一步建立起______________的原子结构模型。

（6）20世纪20年代中期建立的______________理论，使人们对原子结构有了更深刻的认识，从而建立了原子结构的______________模型。 2.氢原子光谱

（1）通常所说的光是指人的视觉所能感觉到的在真空中波长介于______________之间的电磁波。不同波长的光在人的视觉中表现出不同的颜色，按波长由长到短依次为______________。实际上，广义的光即电磁波，除了可见光外，还包括______________等。 （2）人们在放电管内充入低压氢气，并在放电管两端的电极间加上高压电时，氢气会放电发光，经光谱仪记录得到的光谱是由具有特定波长，彼此分立的谱线所组成，即为____________________。 3.玻尔的原子结构模型

（1）为揭示氢原子光谱是线状光谱这一实验事实，玻尔在卢瑟福原子模型的基础上提出了核外电子排布的原子结构模型。

（2）玻尔原子结构模型的基本观点：

①原子中的电子在具有______________轨道上绕原子核运动，并不辐射能量。 ②在不同轨道上运动的电子具有不同的能量（E），而且能量是______________的，即能量是“一份一份”的，不能任意连续变化而只能取某些______________的数值，轨道能量依n值（1,2，3……）的增大而升高，n称为______________。对氢原子而言，电子处在n=1的轨道时能量最低，称为______________；能量高于基态的状态，称为______________。 ③只有当电子从一个轨道（能量为Ei）跃迁到另一个轨道（能量为Ej）时，才会______________能量。如果______________的能量以光的形式表现并被记录下来，就形成了______________。 （3）玻尔的核外电子分层排布的原子结构模型成功地解释了氢原子光谱是______________的实验事实。玻尔的重大贡献在于指出原子光谱源自核外电子在能量不同的轨道之间的跃迁，而电子所处的轨道的能量是______________的。 二、量子力学对原子核外电子运动状态的描述 1.原子轨道与四个量子数 （1）根据量子力学理论，原子中的单个电子的空间运动状态可以用______________来描述，而每个原子轨道由三个只能取整数的量子数______________共同描述。

（2）量子数n称为______________，n的取值为正整数1，2，3，4，5，6……对应的符号为______________等。一般而言，n越大，电子离核的平均距离越远，______________越高，因此将n值所表示的电子运动状态称为______________。

（3）量子数l称为______________。对于确定的n值，l共有______________个值：0、1、2、3……（______________），对应的符号分别为______________等。若两个电子所取的n、l值均相同，就表明这两个电子具有相同的________________。我们用_____________来表示具有相同______________值的电子运动状态，在一个电子层中，l有多少个取值，就表示该电子层有多少个______________。

（4）科学实验发现，在没有外磁场时，量子数n、l相同的状态的能量是相同的；有外磁场时，这些状态的能量就______________，我们用______________m来标记这些状态，对于每一个确定的l，m值可取0，±1，±2，…______________，共______________个值。 （5）高分辨光谱实验事实揭示电子还存在着一种奇特的量子化运动，人们称其为______________。人们用______________ms来描述电子的自旋运动，处于同一原子轨道上的电子自旋运动状态，只能有_____________种，分别用自旋磁量子数ms=_________和ms=__________来描述。

（6）主量子数n对应着______________；主量子数n和角量子数l对应着n电子层中的______________；主量子数n，角量子数l和磁量子数m对应着n电子层中l能级中的______________；自旋磁量子数ms描述的是电子的___________。这样，原子中的电子运动状态可用由量子数______________确定的原子轨道来描述，并取两种______________状态中的一种。

2.原子轨道的图像描述和电子云

（1）根据量子力学理论，可以将原子轨道在空间的分布以图像方式在直角坐标系中表示出来，s轨道在三维空间分布的图形为______________，即原子轨道具有______________性；p轨道在空间的分布特点是分别相对于______________对称，即p原子轨道在空间分布分别沿x、y、z方向。

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（2）对于质量非常______________（电子质量仅为9.1×10kg），运动速度______________

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（如在1 000 V电压下加速的电子的速度可高达1.9×10m·s）的微观粒子而言，人们不能同时准确地测定它的______________和______________。 为了形象地表示电子在原子核外空间的分布状况，人们常用______________来表示电子在原子核外出现概率的大小。点密集的地方，表示电子在那里出现的______________，这种形象地描述______________的图形称为电子云图。 疑难突破

1.玻尔解决了原子的稳定运动、光谱类型等问题，提出了著名的玻尔原子结构模型。但是实验研究表明，在外磁场作用下，氢原子光谱的谱线会分裂成多条，这是玻尔理论所不能解释的。根据以上知识，试简要回答玻尔理论的缺陷是什么？量子力学是如何解决这一问题的？ 剖析：根据玻尔理论，氢原子的一个电子通常在能量最低的轨道（基态）上运动，不释放能量。但当氢原子受到激发（加热或氢放电管放电）时，核外电子获得能量，即由基态跃迁至激发态。而处于激发态的电子极不稳定，它会迅速再跃迁至基态。在此跃迁过程中以光子的形式放出辐射能，发射出光子的频率取决于电子跃迁两轨道能级之差。由于各轨道的能量是不连续的（即量子化的），所以由电子的跃迁而发射出的光的频率也是不连续的，这便是氢原子光谱呈线状光谱的原因。线状光谱与连续光谱在谱线特征上有所不同，线状光谱是不连续的，连续光谱是连续的。

关系为E 0=hν=ΔE=E末-E始。

玻尔理论只能说明在电子发生特定跃迁时，若可以以光的形式将辐射或吸收的能量记录下来，其光谱应当是线状光谱。而在外磁场的作用下，这一特定跃迁将产生多条谱线，玻尔理论无法解释这种现象，表现出这一理论存在缺陷，需要有新理论作出科学说明，于是，产生了量子力学对原子结构模型的描述。

2.如何理解基态、激发态与原子光谱？

剖析：处于最低能量的原子叫做基态原子，基态原子是稳定的，此时电子尽可能地在离核最近的轨道上运动，这时原子的能量最低，若不加外界条件，则电子既不吸收，也不释放能量。当基态原子的电子吸收能量后，电子会跃迁到较高能级，变成激发态原子，此时的原子处于不稳定状态；相反，电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态乃至基态时，将释放能量，吸收或释放的能量都是以光子的形式进行的。因此，我们日常生活中看到的许多可见光，如灯光、霓虹灯光、激光、焰火等都与原子核外电子发生跃迁吸收或释放能量有关。不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光，可以用光谱仪摄取各种元素的电子的吸收光谱或发射光谱，总称原子光谱，每种原子都有自己特征的光谱。 3.什么是电子云？电子云表示的意义是什么？

剖析：当电子在原子核外很小的空间内做高速运动时，其运动规律跟普通物体不同，它们没有确定的轨道。因此，它们不能同时准确地测定电子在某一时刻所处的位置和运动的速度，也不能描画出它的运动轨迹。我们在描述核外电子的运动时，只能指出它在原子核外空间某处出现机会的多少。电子在原子核外空间一定范围内出现，可以想象为一团带负电荷的云雾笼罩在原子核周围，所以，人们形象地把它叫做“电子云”。电子云密度大的地方，表明电子在核外空间单位体积内出现的机会多；电子云密度小的地方，表明电子在核外空间单位体积内出现的机会少，即只能确定它在原子核各处出现的概率。 问题探究

问题：小明在学习了原子轨道和电子云的知识后，对2pz轨道提出了这样的观点：①它们都表示电子沿着“∞”形围绕原子核运动；②电子云上的小黑点表示一个个电子围绕原子核运动。你认为上述观点正确吗？讲讲你的观点。

探究：电子绕原子核运动是无规律的，没有确定的轨道。这里说的轨道形状表示原子轨道在三维坐标系中的分布情况，而不表示电子运动的轨迹。电子云上的小黑点是利用统计方法得到的结果，表示电子出现的几率，而不表示电子数目。所以，两种说法都不正确。 典题精讲

【例1】玻尔理论不能解释（ ） A.氢原子光谱为线状光谱

B.在一给定的稳定轨道上，运动的核外电子不辐射能量 C.氢原子的可见光区谱线

D.在有外加磁场时氢原子光谱有多条谱线 思路解析：玻尔理论是针对原子的稳定存在和氢原子光谱为线状光谱的事实提出的，有外加磁场时氢原子有多条谱线，玻尔的原子结构模型已无法解释这一现象，必须借助量子力学加以解释。 答案：D

【例2】下列电子层中，包含有f能级的是（ ）

A.K电子层 B.L电子层 C.M电子层 D.N电子层

思路解析：K电子层（n=1）中,l的取值只能为0，对应的是1s能级；L电子层（n=2）中，l的取值只能为0或1，对应的是s、p能级（即2s和2p）；M电子层（n=3）中,l的取值有0、1、2,对应的是s、p、d能级（即3s、3p、3d）；N电子层（n=4）中，l的取值有0、1、2、3，对应的能级是s、p、d、f（即4s、4p、4d、4f）。而根据l与n的关系规律，l=3时，n的最小取值是l+1=3+1=4。即只有n≥4的电子层中才有f能级。所以，当n的取值分别是1、2、3时对应的K电子层、L电子层和M电子层中均无f能级。 答案：D

【例3】下列有关n、l、m、ms四个量子数的说法中，正确的是（ ）